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沼气不能低估的生物能源

发布时间:2019-08-14 16:18:56

沼气,不能低估的生物能源

2008上半年以来,最牵动全球人心的当数“油和米”问题。油价粮价的涨涨落落,也让刚刚兴起的生物燃料站在了风口浪尖,迎来前所未有的关注与争议。

而在10月23日、24日于青岛举行的中国科学院生物能源与过程研讨会上,数十位国内外专家纷纷描述了生物燃料之外更广阔的生物能源应用前景。其中,看似“老生常谈”的沼气也潜藏着许多为传统观念所忽视的价值。

———作用———提纯沼气,可当天然气“替身”

近几十年来,比石油更清洁、更高效的天然气在全球能源消费中扮演着愈加重要的角色。但来自地下的天然气毕竟不可再生,而且资源分布极为不均。

随着能源问题的加剧,深藏海底的天然气———水合甲烷(俗称可燃冰)曾被一些人视为可能的替代选择。然而甲烷的温室气体当量是二氧化碳的20多倍,一旦大量释放到海水或大气中,很可能造成生态灾难。另一方面,化石天然气也并非没有更廉价安全的替代品。

瑞典隆德大学副教授刘京表示,传统的沼气生产是以各种有机废弃物为原料,通过微生物发酵生成粗制沼气。“而若在此基础上进行提纯,沼气中的甲烷含量就可从50%—70%增至97%,品质达到天然气的水平,还能充入现有的天然气管系统。”

刘京介绍说,提纯沼气在一些西欧国家正日益成为天然气的替代品,除作为燃气外甚至成为汽车和燃料电池的动力来源。900余万人口的瑞典,目前已有40多家沼气提纯工厂投入运营,全国沼气消费量已超过天然气。

我国天然气消费近几年增长迅速,2007年达675亿立方米,而2000多万现有农村沼气用户每年为国家省下的天然气就约相当于80亿立方米。

“农民也想用方便干净的天然气,但国家能源压力这么大,无法全面普及。而在乡镇发展规模化的沼气工业,可以有效提高农村生活水平,还促进劳动力本地就业。”中国农业大学生物质工程中心主任程序教授表示,今后20年内,全国农村沼气用户将逐步增加到6000万,对保障国家能源安全的意义不可低估。

———路径———废料制气,为环保产业增效

此次研讨会上,程序还介绍了“产业化沼气”生产的一条新路:与污水处理相结合。“全国每年的城市和工业污水中含有约2000万吨以COD(化学需氧量)计的有机废弃物,城市生活污水处理产业近年也开始兴起。然而现有流程大多只考虑水质改善效果,却未能利用有机废弃物所含的巨量生物能源,处理后产生的污泥也只是填埋、丢弃,造成新的污染。”

程序介绍说,污水中的有机废弃物通过自然分解也会产生甲烷,而且是直接进入大气中,加剧温室效应。而若用其生产沼气,不仅可充分利用资源、实现更彻底的减排,也将为常被视为财政负担的污水处理工程带来经济效益。目前,相关技术已进入中试和示范阶段,开始规模化试运行。

刘京认为,沼气与生物燃料的生产具有互补性,生物燃料提炼产生的有机废弃物不能直接还田,却可用于制备沼气,沼气渣则可充作肥料。而且由于分子量小、热效率高,在产生相同热值时燃烧甲烷产生的二氧化碳远少于醇类和燃油,更有助于减少碳排放。

在一些西欧国家,沼气生产已从单纯的废物处理手段转向以供气、发电为主的能源产业,甚至开始种植专供制备沼气的能源作物。而在我国,投入沼气生产的原料不是太多,而是太少。

目前,我国的沼气生产原料以畜禽粪便为主,每年利用的7700余万吨只占全部“产量”的约1/30;而种植业产生的6亿多吨秸秆更只有很少一部分用于生产沼气

。用秸秆直接生产沼气虽然初始建设成本较高,但原料来源较为稳定,在以种植业为主的我国也有更广阔的发展空间。

———前景———变废为气,还有几多障碍?

中科院青岛生物能源与过程研究所(筹)所长王利生表示,发展沼气的技术障碍小、见效快,“但当前在国内,沼气产业还面临发电入困难、原料回收机制缺乏、重建设轻养护等问题,实现规模化、可持续生产的工程还很少。”

在广大农村,多使用以粪便、垃圾为原料的家用沼气池,而主要利用畜禽养殖场废弃物和秸秆的集中型沼气工程还比较少;而且由于基建及维护成本高,只能供给含热量低的粗制沼气。“当前来看,直接利用生物燃气如秸秆发电和大中型沼气池相对容易形成规模化,这就需要在乡、镇一级建立集中生产的沼气管,并建立有效的厩粪和秸秆回收机制。”程序说。

然而,尽管近几年来各地对秸秆作为燃、饲、肥、材“四料”的用途日益重视,至今仍有30%左右的秸秆被白白焚烧。

“烧秸秆,也是农户在复种过程中抢农时、无力及时回收秸秆的无奈,同时也是引火烧掉上茬作物遗留根茬的手段。”程序表示,秸秆回收目前仍以低效率的人力作业为主,亟待开发从农田尤其是小块耕地快速回收秸秆的技术及设备。

此外,秸秆的收购价格也因种种原因而波动极大。如果在乡村建立有一定加工、储存能力的收购场站,就有助于稳定价格并保障秸秆的常年供给。

比起化石燃料,现有的沼气生产设备显得故障多发、产能不稳定,对此刘京认为这主要是由于微生物发酵过程的不可控因素较多。“随着引入更先进的智能化、自动化控制技术,未来的沼气生产也将愈加稳定可靠。”

■缘起

10月23日—24日,“2008年中国科学院生物能源与过程学术研讨会”在青岛隆重举行。研讨会由中国科学院人事教育局主办,中国科学院青岛生物能源与过程研究所承办。与会专家、学者针对生物能源科技与产业发展现状与趋势、生物资源筛选、培育与改造、生物催化与转化、热化学转化、生物基产品、生物能源过程工程、生物能源战略研究与评价等方面进行了深入的交流。其中25位海内外专家、学者作了精彩的大会报告。

———专家观点———

生物能源不该集体“背黑锅”

“不久前国内有本畅销读物,说生物燃料是美国搞垮发展中国家经济的阴谋,这倒也暗合了当前社会上对生物能源的态度。”

中国农业大学生物质工程中心主任程序教授认为,尽管一年来生物乙醇、生物柴油等饱受争议,但生物燃料本身并非粮价暴涨的罪魁祸首,更不能因为有些国家用农产品市场所必需的粮食、食用油来制取生物乙醇和生物柴油,而让整个生物能源产业“背黑锅”。

“现在已看得很清楚,年初国际粮价的剧增主要是由于对石油、粮食等大宗商品的投机过度。生物燃料产业一定程度上抬高了粮价,增加了需求,反而会刺激多年来因需求不足、价格低迷而不振的粮食生产,不会危及全球粮食安全。”

程序说,生物燃料只是生物能源产业的一部分,热化学转化、生物化学转化、压缩成型燃料块等生物质能利用方式也已经广泛应用,而且这些方式都不用粮食、不占耕地。

据程序介绍,近年来不仅我国已对粮制生物燃料下了禁令,全球的能源企业及科研机构也正在把更多力量投向第二代生物燃料技术———用纤维素而非淀粉、蔗糖或植物油制取生物燃料。不过,这一技术至今离规模化生产尚有一段距离。

———背景知识———

沼气是什么

说到沼气,顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到,在沼泽地、污水沟或粪池里,有气泡冒出来,如果我们划着火柴,可把它点燃,这就是自然界天然发生的沼气。沼气,是各种有机物质,在隔绝空气,并必适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气的主要成分是甲烷,约占所产生的各种气体的60%—80%。甲烷是一种理想的气体燃料,它无色无味,与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000焦耳,每立方米沼气的发热量约为20800—23600焦耳。即1立方米沼气完全燃烧后,能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。

气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌(但不是纯种)。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株,中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。

世界上第一个沼气发生器(又称自动净化器)是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,这是现代大、中型沼气发生装置的原型。

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