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减碳背景下生物质资源化利用的机遇与挑战
发布时间:2022-04-19 20:05:18 来源:ayx爱游戏官方下载 作者:爱游戏电竞APP

  “30碳达峰60碳中和”是基于推动构建人类命运共同体和实现可持续发展作出的重大战略决策,是中国对世界庄严承诺的阶段性控碳目标,必将影响到整个经济社会的发展。控碳的终极目标是减碳,一切经济社会活动都要锚定这个减碳目标;在此背景下,生物质资源化利用将迎来新机遇和新挑战。

  减碳之要在于以整个大气作为一个控制体,使输入大气的二氧化碳总量少于输出大气的二氧化碳总量,从而减小大气中二氧化碳的含量。

  减碳为生物质资源化利用带来新机遇。我们知道,二氧化碳的输入大气的根本途径是大气控制体之外的煤炭、石油、天然气等含碳燃料的燃烧;二氧化碳的输出大气的最可靠的途径是通过光合作用将大气中的二氧化碳转化成生物质,再就是碳捕集、利用和封存。减碳就要减少煤、油、气的燃烧利用以减少二氧化碳输入大气的总量和加强光合作用及碳捕集、利用、封存以增大二氧化碳输出大气的总量;这将提升生物质能作为煤、油、气的替代能源和生物质作为生产生活的替代原料的地位,带给生物质能量利用和物质利用2大新机遇。

  根据《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书(2021年9月)》,我国主要生物质年产量2020年高达34.94亿吨,预计将以1.1%年增率增长,2030年达到37.95亿吨,2060年达到53.46亿吨,生物质的资源量丰富。但生物质的资源化利用率很低,如2020年农林种养殖业生物质的年产量高达30.47亿吨,但其能量利用率仅为10.1%(能量利用总量3.09亿吨),物质利用率数据不详但也不会高。生物质资源化利用,无论是能量利用还是物质利用,大有作为。

  如何提高生物质资源化利用的减碳效果,又如何拓宽生物质资源化利用途径和提高生物质资源化利用的效率,是生物质资源化利用在减碳背景下遇到的新挑战。

  生物质是光合作用吸收、转化大气中二氧化碳的产物;如果生物质被物质利用,那么,这部分二氧化碳便成为大气中二氧化碳的净减小量,生物质物质利用具有“直接”减碳效果(固碳效果);如果生物质直接燃烧利用,这部分二氧化碳又将重新回到大气,即生物质直接燃烧利用没有“直接”减碳效果。

  但要注意的是,生物质物质利用会间接增碳,而生物质能量利用会间接减碳。实际过程中,生物质物质利用需要外加能量(包括水、电、气、热力等),生产这些能量可能会产生二氧化碳并增加大气中二氧化碳含量(增碳),即生物质物质利用可能会间接增碳;生物质直接燃烧利用可向生物质直接燃烧利用系统外的生产生活提供能量,从而起到“间接”减碳效果,因为这部分能量如果来自煤、油、气燃烧利用会产生并排入大气二氧化碳,这是生物质作为煤、油、气的替代燃料的间接减碳作用。

  由此可见,生物质物质利用具有直接减碳效果和间接增碳可能,而生物质能量利用没有直接减碳效果但具有间接减碳效果。总体讲,发挥生物质的减碳效果应坚持“推广生物质资源化利用”“推广生物质能量利用与物质利用并举的综合利用”和“提高生物质综合利用水平”的生物质资源化利用路线;具体情况下应协调生物质能量利用与物质利用的比例,提高生物质的综合减碳效果;目前情况下应增大生物质的物质利用比例,但不能非此即彼。

  是否可以开发出更多的生物质物质利用和能量利用途径,甚至具有直接减碳效果的生物质能量利用途径呢?相信答案是肯定的,但具有挑战性。

  拓宽生物质资源化利用途径的方向大致有三:一是直接利用生物质,如将生物质制成种养殖原料和建筑材料等;二是先将生物质(经动物、微生物、物理化学)转化为中间物再直接或改性利用,如将农林种养殖垃圾、厨余垃圾先转化成沼气,再沼气直接燃烧发电,或沼气去碳(甲烷裂解制氢)后燃烧发电,或沼气用作化工原料等;值得强调的是喂养动物不仅是生物质的一条重要途径,也是生物质经动物转化后再利用的一条重要途径;三是利用生物质资源化利用的二次废弃物,如利用沼渣堆肥、种养殖,又如近期较受关注的烟气资源化利用等。

  将生物质直接燃烧的烟气中的二氧化碳转化成甲烷是有吸引力的。目前有2种思路,一是二氧化碳与水光催化反应生成甲烷,二是二氧化碳加氢催化反应(Sabatier反应)生成甲烷。已有企业试图将二氧化碳和水转化成甲烷等资源。日本昭和壳牌石油公司的一种技术利用太阳光在常温常压下将二氧化碳和水转化成甲烷等资源。据介绍,该公司利用燃料电池中使用的气体扩散电极和新研发的催化剂,在常温常压条件下仅利用太阳光就可直接将水和二氧化碳转化为甲烷和乙烯。该公司认为,这一技术是减少二氧化碳排放和新能源合成领域的重要进展。日本政府试图利用Sabatier反应将二氧化碳催化加氢甲烷化。日本经济产业省将与日本制铁、三菱商事等19家企业磋商,研究如何加强二氧化碳甲烷化的技术研发。日本产业经济省提出的分阶段是,到2030年以合成甲烷置换1%以上的民用燃气,到2050年一举扩大至90%。日本燃气协会的测算显示,1%的置换量可以减排80万吨二氧化碳,而90%的置换量则能够减排8000万吨二氧化碳,分别相当于日本总排放量的0.07%和7%。日本计划能否成功取决于太阳能发电制氢成本能否控制住。

  拓宽生物质物质利用与能量利用途径事关生物质资源化利用的发展前景,需要加大研究开发生物质综合利用途径、技术、工艺、设备和产品的力度。

  如何提高生物质物质利用的直接减碳效果(固碳效果)和减小其间接增碳效果,又如何提高提高生物质能量利用的间接减碳效果呢?这需要提高资源回收利用率和降低资源化利用系统的自耗能量,换言之,需要提高生物质资源化利用系统的效率。

  不同的生物质资源化利用途径、技术、工艺和设备具有不同的效率。建设和改扩建生物质资源化利用项目时要选用效率较高的途径、技术、工艺和设备(选型)以提高资源回收利用率,并优化节能方案和完善信息化、智能化、智慧化管理方案以降低资源化利用系统的自耗能量,保障生物质资源化利用系统达到较高的效率。生物质资源化利用的选型、节能和管理的增效减碳空间较大。

  以生物质能量利用为例。生物质直接燃烧/蒸汽轮机发电系统只有22%左右的发电效率,但生物质转化成沼气/内燃式沼气发电系统,因沼气含水率较低和内燃式沼气发电机组较蒸汽轮机发电机组具有更高的能量转化效率,将具有28%以上的发电效率(假定生物质的固料转化成沼气的转换率为60%);发电效率越高,单位二氧化碳产量的发电量便越大,因此,生物质能量回收发电系统的间接减碳效果就越大;扩大而言,生物质能量利用系统的能量回收利用效率越高,其间接减碳效果越大,可以引进“单位回收利用能量的二氧化碳产量”指标代替能量回收利用效率指标来衡量生物质能量利用系统的间接减碳效果的高低。除发电效率或能量回收利用率外,系统节能方案和管理水平将影响系统的自耗能量的高低,这也会影响系统的间接减碳效果;目前生物质直接焚烧发电系统的自耗电占比大多在10%至15%范围内变化,这种差异除选型因素外,就是节能与管理水平因素。

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