猪粪垃圾变身“新能源”

分类

猪粪垃圾变身“新能源”

来源:广州日报 日期:2019-03-11


佛山禅城的一个公交加氢站



通过猪粪生产沼气。广州日报全媒体温超荣摄

有专家认为广东发展生物燃料产业独具优势

  文/广州日报全媒体记者温超荣、高敏华 图/广州日报全媒体记者龙成通(署名除外)

  在热映国产科幻电影《流浪地球》中,陷入绝境的人类最后依靠燃烧氢气“拯救地球”,而事实上氢能的利用早已走进日常生活中。如果说氢能太虚无缥缈,那么我们日常生活中的西瓜皮和养殖场里的猪粪则是最实实在在、随处可见的能源供给物,并且它们都拥有共同的特点:洁净。在工商业发达的珠三角地区,节能减排、降低能耗是低碳发展的必由之路。作为清洁能源的生物质能正逐渐走进广东的工业生产和日常生活领域。生物质能未来的技术革新将有望为广东的发展提供新型“燃料”。

  科普一下: 什么是生物质能?

  生物质能几乎无处不在,却又不为人熟知,目前在全世界的能源体系当中占比相当低,这也意味着,发展生物质能有巨大的提升空间。植物通过光合作用把太阳能富集并以生物质(淀粉、纤维素、糖等)作为媒介储存起来,以此为基础转化出来的能源就称之为生物质能。

  目前常见的生物质能主要分为气体、液体和固体三种,如沼气、生物燃料乙醇和生物柴油以及颗粒燃料等其实就是在利用生物质能。同时,生物质能对环境相当友好,能源的原材料主要是农林业废弃物(植物、动物粪便等),可以有效实现废物资源化;而且产品清洁、可再生,可降低二氧化碳排放,是一种相当理想的可再生清洁能源。

  热解:比燃烧更高效更环保

  在广州,有一条路以“能源”命名,中国科学院广州能源研究所就坐落在这条路上。据悉,中国科学院广州能源研究所(以下简称“研究所”)定位是新能源与可再生能源领域的研究与开发利用,主要从事清洁能源工程科学领域的高技术研究,并以后续能源中的新能源与可再生能源为主要研究方向。

  进入研究所,首先映入眼帘的是生物质能源大楼,这里将转化出大量的科研成果,服务于能源革命。

  “生物质能必须大力发展。”研究所的研究员、副主任袁浩然谈及生物质能时说,“因为这不仅关系到能源的问题,同时关系到生态环境的问题。”袁浩然主攻的方向是有机固体废弃物清洁利用,通俗地理解就是处理日常生活生产中产生的市政污泥以及生活垃圾,这些废弃物的处理目前主要采取填埋和焚烧两种方式。对于日益重要的土地资源来说,填埋并不符合长远发展的需求,更是对资源的浪费。

  袁浩然说:“在我们看来,这些废弃物都是可以加以利用的资源。”这与他办公室墙上挂着的中国科学院原院长路甬祥的题字“变废为宝”的理念不谋而合。

  普通的焚烧处理,存在先天的不足。袁浩然说,以垃圾焚烧为例,现在焚烧生活垃圾以全量焚烧为主,即把所有垃圾混在一起焚烧。常见的垃圾有西瓜皮、塑料袋,两者燃烧速度并不相同。如果焚烧炉设置的参数以西瓜皮的燃烧速度为准,则焚烧需时很长,塑料袋早就烧完了,西瓜皮的焚烧却还未结束,效率较低;如果以塑料袋的燃烧速度为准,则塑料袋烧完了,西瓜皮却还没烧完,导致焚烧不完全。垃圾分类全链条执行的重要性由此突显出来,更重要的是研发能解决这些问题的新技术。

  鉴于目前处理废弃物技术的不足,袁浩然带领的团队设法研发出更高效、更清洁的处理手段——城镇及工业有机固废高效热解技术及大型化装备。该项目去年年底入选2018年国家重点研发计划“固废资源化”重点专项。袁浩然是项目负责人,而团队首席科学家为中国工程院院士陈勇,他也是袁浩然的老师。“到目前为止,他是我国唯一一位因为研究废弃物而当上院士的科学家。”据了解,该项目最核心的目标是要提高热解废弃物的处理量,并且有效降低热解燃烧过程中的二次污染。

  热解跟燃烧不同,热解过程没有明火,而是把可燃物经高温裂解成小分子,如烷烃类等物质。经热解后再燃烧这些小分子,可有效降低二噁英、氮氧化物等污染物。目前袁浩然的团队已与企业合作,在汕头澄海建设一个大型的高效热解有机固废装置,装置在今年7月份可投入使用,预计每次使用处理上限可达60吨。“该项目也是今年广东‘扬帆计划’的一个主要内容。”袁浩然说,高效热解有机固废装置在运作时,最直观的效果便是废弃物经热解处理后,在尾气排放管出口基本看不到有色污染气体排出。

  那么经过这套装置处理后,可以产出什么?首先,处理后剩下的残渣碳是一种非常理想的土壤修复剂,可有效提高土壤的有机物含量;同时,残渣碳还是一种有效的吸附剂,可吸附土壤中的重金属,有效降低农作物的重金属含量,可应用到农田和矿山的修复。此外,热解燃烧生成的热量可用于发电和供热,与传统焚烧发电相比,热解燃烧的发电效率更高。

  “产氢不见氢”:猪粪也能成为“新能源”

  《流浪地球》的“绝地求生”术正在变成现实

  “这个实验室里的仪器价值600万元。”谢君在向广州日报全媒体记者展示的时候自豪地说,而这仅仅是广东省高校生物质能源重点实验室的其中一个子实验室。谢君是整个实验室的主任,同时是华南农业大学的生物化学教授。该实验室刚迁到新址,装修工作正如火如荼地进行。与之相反,另外几个子实验室里的机器正有条不紊地安静工作。未来这里的科研成果将为广东发展生物质能提供坚实的基础。

  生物质能受到重视的同时,也面临着许多现实问题:生物质原料的能量密度比较小,而且原料比较分散导致收集、储藏、运输存在一定困难;其次是目前某些技术环节成本依然较高,如纤维素乙醇的酶解过程就耗费不小。这两方面的因素导致了生物质能产品效益未能尽如人意。但谢君认为,只要努力突破技术难关降低成本,生物质能的发展前景依然相当乐观。“我们一定要保持耐心,科学家们也要努力突破。”谢君说。

  猪粪也可以成为新能源

  “这里面是猪粪。”谢君指着一套正在运作的仪器说,眼前所见,玻璃器皿里放着黑褐色的物质,那便是猪粪等的混合物,通过技术转化便可制取沼气,这套仪器所在的正是广东省高校生物质能源重点实验室(下称“实验室”)。实验室主要聚焦能源植物资源与利用和有机固废资源化综合利用,而谢君带领的团队正着手攻克一个重要的课题:将沼气全组分转化成甲醇,从而推动甲醇的后续产业发展。

  由谢君主持,中国科学院广州能源研究所、中石化集团新星公司、广东温氏集团和广东合即得能源科技有限公司联合承担的“2017~2019年广东省应用科技研发重大专项计划(2017B020238005):有机固废资源化与高值利用技术装备研究及应用示范”,主要任务之一便是研制“沼气全组分转化甲醇成套装置”。据谢君介绍,目前畜禽养殖废弃物、农林废弃物、餐厨垃圾、城市污水污泥等厌氧处理产生大量的沼气以及石油伴生气难以利用,将其转化为甲醇是有效的利用方式。城市生产活动所产生的有机固废经过转化可得到沼气、沼液和沼渣,后两者可用作生物肥料,而沼气经过脱硫处理后,利用沼气全组分转化甲醇技术则可将沼气全部转化为甲醇,甲醇可与水在一定条件下发生化学反应生成氢气。

  氢气热值高、无污染,与氧气燃烧只生成水,被认为是最理想的清洁能源,热映中的国产科幻电影《流浪地球》中人类正是通过燃烧氢气“绝地求生”。然而运输及储存的成本和技术一直是制约其广泛使用的难题。通过谢君团队的技术,则可大量生产甲醇,从而把运输储存氢气转变为运输储存甲醇,由于后者所需的技术简单且成本低,这样便可大大提高氢气的使用效益。

  据悉,目前行业内正加紧研发水氢高氢机,把甲醇储存在内即可随时制取高纯度氢气,而且氢气即产即用,可达到产氢不见氢的水平。这些技术一旦突破成功、铺开使用,以甲醇为基础的生物质能产业链条将被拓宽,氢能的发展将因此而被推动,未来广东地区的清洁能源体系也将得到巨大补充,从而加紧发展具有鲜明地域特色的生物质能。

  从珠三角出发 填补全国短板

  氢能产业的佛山力量

  利用氢能早就不只是停留在想象中的事了。运行在佛山禅桂中心区域的139路公交线,乍看跟其他公交车并无异样,但仔细观察就会发现,车身上有“氢燃料电动城市客车”的字样,加油门换成了加氢装置。139路公交线在去年12月20日投入了70辆氢燃料电池公交车,标志着佛山率先成了广东省首个大规模使用氢燃料电池公交车的示范城市,也成为在全国率先迈进氢燃料电池汽车商业化、规模化运营新阶段的先行者。

  事实上,这70辆在佛山中心城区运营的氢燃料公交车背后,是一条从制氢、储氢、加氢、氢发动机及零部件,到整车制造、商业化示范的完整产业链。目前,佛山已建立完善的规划和政策体系,对氢能产业进行全方位扶持,《佛山市氢能源产业发展规划(2018-2030年)》是佛山未来十年乃至更长一个时期氢能源产业发展的行动纲领。

  三大基地填补产业空白

  目前在佛山禅桂中心区域运行的氢燃料公交车,生产自云浮飞驰新能源汽车有限公司。在云浮市思劳镇佛山(云浮)产业转移工业园,记者走进了2016年从佛山整体搬迁至此的“飞驰客车”,这个可年产5000辆氢能汽车整车柔性化生产基地,项目总投资超8亿元。车间中一辆辆正在生产组装的氢燃料公交车,即将在今年投入到更多佛山中心城区公交线路服务中。在距离“飞驰”不远的是广东国鸿氢能科技有限公司,2017年引进了加拿大巴拉德公司FC-9SSL氢燃料电池技术及生产线;在同一栋楼中的是佛山(云浮)产业转移工业园与佛山科学技术学院合作共建“佛山(云浮)氢能产业与新材料发展研究院”,初步构建起了“研发—原材料—制氢—储氢—加氢—应用—服务配套”的氢能全产业链条。

  这个产业园正是佛山市副市长许国今年1月5日在长三角与珠三角新能源汽车高峰论坛上总结说的“氢能三大基地”之一。另外两个基地分别是南海区丹灶镇的研发和核心零配件制造基地,包括燃料电池研发生产和氢燃料电池乘用车的研发生产;以及佛山高明的中车现代氢能有轨电车和一汽解放重型燃料电池汽车的研发生产基地。

  “三大基地目前是走在全国前列的。”许国认为,佛山填补了中国氢能产业四方面的空白:一是填补了氢燃料电池规模化生产的空白,建成了全世界最大的氢燃料电池电堆的生产线;第二是构建了完整的氢能产业链,从核心技术国产化、整车生产到加氢站的建设,整个产业链基本打通;第三是建立了加氢站的行政审批体系;第四是科技产业帮扶,走出了在偏远欠发达地区打造一个新兴支柱产业的帮扶新路子。

  氢能成他国湾区“动力”

  早在2014年,佛山市副市长许国就实地考察过纽约、旧金山和东京这三个湾区,发现这三个湾区均已悄然布局氢能产业。这促使许国下决心推动以氢能产业作为佛山对口帮扶云浮产业共建的支柱产业。

  在纽约湾区,哥伦比亚大学、康奈尔大学、耶鲁大学、普林斯顿高等研究院等学术机构是目前全球领先的氢燃料电池技术研发重镇。2017年,纽约市氢能行业总收入超3.53亿美元;康涅狄格州氢能产业税收贡献超过7亿美元。

  旧金山湾区从2004年起就着手打造氢能高速公路网络,2007年起对氢燃料电池研发和设备生产企业实行了税收全免的扶持政策。目前已经有近5000辆氢燃料电池汽车投入使用。当地政府发布可再生氢能路线图,增加财政支持,规划2025年前建成200座加氢站;2030年前,氢燃料汽车投入使用总数要达到500万辆。

  而东京湾区方面,2014年便率先推出全球首辆氢燃料电池乘用车,日本政府更是提出未来要建设“氢能社会”,并要将2020年东京奥运会打造成为一场“氢能盛事”;目前已经建成100座加氢站,总数位居全球第一,规划到2040年建成全国性氢能供应网络。

  专家观点

  发挥广东制糖的产业优势

  助力生物燃料乙醇的发展

  2018年8月22日,国务院总理李克强主持召开国务院常务会议,要求大力发展纤维素燃料乙醇等先进液体燃料,确定了生物燃料乙醇产业总体布局。广东是经济大省,也是能源消耗大省,近20年汽柴油累计消费位居全国第一位。与此同时,广东面临传统油气资源短缺的问题。然而,目前广东在生物燃料乙醇方面的运用仍处于空白。

  广东省高校生物质能源重点实验室主任、华南农业大学生物化学教授谢君说,甘蔗制糖是广东的优势产业,且多具乙醇产能。蔗渣和糖蜜是制糖的副产物,由于含糖高、数量大、易收集储运,是大规模生产生物燃料乙醇优良的纤维素和糖质的原料。薯蓣皂素是现代医药工业重要的原料药,其价值高,产品经济效益突出;菊叶薯蓣是薯蓣皂素最重要的原料,原产于墨西哥,它与燃料乙醇最具经济性的原料木薯相比,产量约是其2~3倍,淀粉含量相当高;与我国皂素的主栽品种盾叶薯蓣相比,产量、皂素和淀粉含量都是其2~3倍。因此,与木薯、盾叶薯蓣相比,菊叶薯蓣是更理想的乙醇和皂素原料。

  他进一步解释说,如果将广东蔗渣、糖蜜原料的可持续供应性和菊叶薯蓣产品生产的经济性相结合,可形成“蔗渣—糖蜜—薯蓣渣”的乙醇混合原料组合,建立生物燃料乙醇原料常年互补均衡供给体系;可开发乙醇联产高值产品薯蓣皂素及废液渣安全处置和综合利用技术,有效提高产业经济效益。“这样做既可克服燃料乙醇原料供给不可持续和经济效益差等短板,又可解决薯蓣皂素生产的资源短缺等问题。”谢君说,该技术体系是广东发展生物燃料乙醇最现实的选择,也必将推动我国薯蓣皂素产业的健康发展。

  在谢君看来,发挥广东制糖的产业优势,选择其副产物蔗渣、糖蜜为原料,再结合新型热带能源与药用植物——菊叶薯蓣产业的发展,利用其薯蓣渣副产物,形成华南特色的“蔗渣—糖蜜—薯蓣渣”生物质资源组合,可有效整合制糖企业的乙醇产能,助力广东生物燃料乙醇产业的发展与乡村振兴政策的实施。

  将氢能应用到更多领域

  建设佛山氢燃料电池汽车之城

  佛山自2015年开始规划氢能产业,到目前为止在产业化落地方面走在了全国的前列。中北大学先进能源材料与系统学院特聘研究员钱伟认为,相比其他珠三角城市,佛山在氢能产业化方面取得了一些先发优势,但佛山要在未来发展中继续保持优势,需要政府更多的投入。

  氢能产业是我国未来重点发展的战略性新兴产业,目前普遍存在人才不足的问题。“不少氢燃料电池的核心技术人员是从北京、广州、深圳等城市聚集到佛山,如何让这些核心技术人员留在公司、留在佛山,是当前亟待解决的问题。”钱伟建议,地方政府可通过与国内外氢能领域研究有优势的高校、研究所共建实验室或联合成立氢能研究中心,以此将人才吸引到佛山。

  其次,积极发挥珠三角民营企业的创新优势,尤其是长久扎根氢能源产业的民营企业,让这些企业在产业发展中扮演重要角色,通过资源整合,将产业做大做强。佛山出台了一系列氢能扶持政策,如何通过政策带动民营企业的创新性、积极性,是未来产业长久发展的核心。

  钱伟还建议,打造城市全方位的氢能应用领域,从城市公交车、加氢站、物流车、出租车、环卫车等应用开始,通过市场导入推进佛山氢燃料电池汽车之城的建设,将佛山氢燃料电池汽车发展为城市的品牌。

  在钱伟看来,通过佛山氢能源的布局,带动周边更多城市在氢能源方面的发展,以点带面,拓展氢能市场,反过来对佛山氢能产业的发展也会有积极意义。