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第一章 绪论
1.1课题背景
1.1.1 我国一次能源消费状况
《中国的能源状况与政策(2012)》一书指出,我国化石燃料的人均拥有量较低，煤炭、石油和天然气的人均占有量分别为世界平均水平的67%、5.4%和7.5%。随着我国经济的快速发展,我国一次能源的消费量逐年增长。根据国家统计局统计公报的有关数据,通过分析,可得出我国能源消费总量的变化情况,如图1.1所示[1]。从图1.1可以看出,我国2011年的能源总产量为31.8亿吨标准煤,同比增长7.1%。煤炭是我国主要的一次能源，占能源总量的70%以上,石油、天然气、水电、核电、风电等不同种类的一次能源在我国一次能源结构中的比例如图1.2中所示。为了改善我国的一次能源结构,实现经济与能源的可持续健康发展,我国十分重视新能源与可再生能源的发展,在政策导向、经济补偿和技术研发等方面加大了新能源与可再生能源的支持和投资的力度。2005年,全国人大颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，2007年国家发改委公布了《可再生能源中长期发展总体规划》。在《可再生能源中长期发展总体规划》中，规划指出到2020年可再生能源在我国的一次能源消费中所占的比例将达到15%。
图1.1 能源生产总量（万吨标准煤） 图1.2 各能源占能源生产总量的比重（%）
1.1.2 国内外新能源与可再生能源发展状况
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化石燃料的大规模应用推动了第一次工业化革命,促进了人类经济规模的快速增长和生活水平的大幅度提高。在过去100多年里，大规模利用化石燃料的过程中,化石燃料能源化利用排放的温室气体（CO2）、酸性气体(硫化气体)和粉尘,造成全球性的环境污染和生态破坏。同时,化石燃料的资源量也在快速地减少。为了实现经济、能源和环境的和谐发展,在20世纪出现能源危机以来,各国逐渐认识到改变能源消费结构的重要性,加大了新能源与可再生能源的研发力度,投入了大量的人力和物力,使新能源与可再生能源在全球一次能源消费结构中所占的比例逐年上升。世界一次能源消费结构的预测结果和中国一次能源消费结构的预测结果,如图1.3。
图1.3 世界及中国一次能源消费结构预测图 从图1.3可以看出,不论是在亚洲,还是在全球,可再生能源在一次能源消费结构中所占的比例都逐年增加。由于各国都十分重视可再生能源的健康发展,可再生能源实际的增长速度,超过图1.3中的所预测的结果。在世界范围内,各国都十分重视新能源与可再生能源的发展和利用,认为占领新能源和可再生能源的技术制高点,是本国经济与环境可持续发展的重要保证。2009 年 1 月 26 日,国际上成立了 The International Renewable Energy Agency(IRENA),旨在促进新能源与可再生能源的研发和推广应用。该组织的签字国家达到75个,包括非洲一些经济落后的国家。虽然美国、中国、俄罗斯、印度、日本、中国等国家均未参加该组织,但这些国家也都十分重视新能源与可再生能源在本国能源消费中所占的比例。
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2009年,美国政府提出到2012年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为10%;到2025年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为25%;到2050年,温室气体排放量,在2009年温室气体排放量的基础上减少80%[3]。
欧共体规划[4]: 2020年可再生能源占能源消耗的20%,可再生能源发电量占总发电量的30%。德国规划[5]:到2020年,可再生能源在一次能源消费中的比例将达到18%,其中可再生能源的发电量占总发电量的比例为30%,可再生能源的供热量占总供热量的14%。英国、法国、丹麦、荷兰、日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度等国家也都提出了相应的发展新能源与可再生能源的规划,以促进本国可再生能源的快速发展和推广应用。
近年来,我国新能源与可再生能源的发展速度处于世界领先水平,在太阳能热利用和光伏发电方面[6],太阳能热利用处于世界领先水平;太阳能光伏发电装机容量到2012年底己达到600MW,位居世界第一。到2020年,中国太阳能光伏发电总装机容量将达到20000MW。在风能方面,到2012年底,我国风力发电的总装机容量己超过63000MW,居世界第一。在我国可再生能源法中规定了生物质能资源的范围,我国的生物质能资源包括:自然界的植物、粪便和城乡有机物。上述生物质转化的能量称为生物质能。常见的生物质的能源化和资源化包括生物质能源化利用和资源化利用这两大类。生物质能源化利用和资源化利用的目的是不相同的,但有一个共同的目标,就是提高生物质的利用价值和利用率,减少化石燃料的用量,改善能源结构,实现能源与环境的可持续发展。常见的生物质能源化与资源化的利用方式如图1.4所示。
图1.4 生物质能源化与资源化的利用方式
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根据我国《可再生能源中长期发展规划》[7],到2020年,我国在生物质能利用领域的目标为:生物质发电总装机容量达到30000MW,生物质固体成型燃料的年利用量达到5000万吨,沼气年利用量达到440亿立方米,生物质乙醇年利用量达到1000万吨,生物柴油年利用量达到200万吨。如前所述,2012年底,我国在太阳能和风能两个领域的装机容量已居于世界第一。我国在生物质能利用领域的发展并没有像预期的那样顺利。为了加快我国生物质能的开发和利用,国家在生物质发电方面给予了重点扶植,生物质发电的标杆电价统一规定为0.75元/千瓦时,以促进生物质发电技术的推广应用。
1.2 农作物的能源化利用和资源化利用的特点
1.2.1 农作物能源化利用
农作物的能源化与资源化利用目的是不同的,农作物的能源化利用的目的是通过化学、物理或生物的方式,将农作物所含的生物质能进行能源化利用,包括发电、供热和热电联产。
如图1.4所示,常见的农作物能源化技术分高温转化、物理化学转化和生物化学转化等三种。其中,高温转化包括:碳化、热解、气化,将产生的固体燃料、液体燃料和气体燃料进行燃烧,实现能源化利用；物理化学转化主要指先将农作物压缩成型固体燃料,然后再进行燃烧进行能源化利用或将其制成液体燃料；生物化学转化包括:发酵制备成乙醇、厌氧制备沼气或好氧堆肥,乙醇和沼气作为燃料进行燃烧,实现能源化利用,好氧堆肥产生的热量进行供热[8]。
现就农作物的能源化利用技术进行简要的介绍: (1)直接燃烧技术
农作物通过燃烧的方式进行能源化利用,是农作物能源化利用的主要方式之一。从农作物作为炊事的薪柴,到农作物釆用大容量锅炉进行燃烧,实现发电、供热和热电联产。农作物的能源化利用可以减少化石燃料的应用,减少污染排放。在农作物的生长过程中,农作物的光合作用是吸收C02,释放出02;而在农
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