當(dāng)今社會中，人類所面臨的能源問題顯得越來越突出。一方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于能源的需求越來越大；另一方面，構(gòu)成現(xiàn)在能源主體的煤炭、石油和天然氣等是不可再生資源，將面臨著枯竭的危險(xiǎn)。同時(shí)由于大量化石能源消耗，隨之而帶來的尾氣排放，造成污染，威脅著我們賴以生存的地球環(huán)境。長期以來，能源一直是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，能源問題直接影響到國民經(jīng)濟(jì)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。隨著國際能源格局的風(fēng)云變幻，中國正面臨著世界各國能源戰(zhàn)略部署所帶來的挑戰(zhàn)，這是中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題，也是對中國和平崛起的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

大力開發(fā)新能源，倡導(dǎo)綠色經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是解決能源問題的必由之路

近年來，“低碳”一詞逐漸為人們所熟知，如何減少排放，開發(fā)綠色能源成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。生物質(zhì)能作為一種產(chǎn)量巨大的可再生能源是替代石油煤炭等化石能源、實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。我國幅員遼闊，生物質(zhì)能蘊(yùn)藏豐富。我國既是糧食生產(chǎn)大國，也是秸稈生產(chǎn)大國。每年生產(chǎn)5億多噸糧食，生產(chǎn)7億多噸秸稈。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)條件下，有5億多噸秸稈白白腐爛和燒掉。這就等于浪費(fèi)了生產(chǎn)5億噸秸稈的耕地、淡水和其他農(nóng)業(yè)投入品等資源。我國的生物質(zhì)廢棄物的總量，約相當(dāng)于我國煤炭年開采量的50%，總計(jì)約6.56億噸標(biāo)煤。但是長期以來，這些生物質(zhì)并未得到充分合理的利用，目前利用率僅在30%左右，而且能源利用方式極為簡單，大多數(shù)物質(zhì)以直接燃燒為主，這是一項(xiàng)巨大的浪費(fèi)。

從目前的生物質(zhì)能利用情況來看，以糧食生產(chǎn)燃料乙醇和以油菜籽生產(chǎn)生物柴油發(fā)展最為迅猛。最具代表性的是美國和歐盟。美國采取大幅度補(bǔ)貼政策，刺激了乙醇燃料生產(chǎn)的加快發(fā)展。據(jù)美國農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，2009年美國用來生產(chǎn)乙醇燃料的玉米消耗量已達(dá)到1.07億噸，占其當(dāng)年玉米產(chǎn)量的39%。2009年歐盟共生產(chǎn)了約825萬噸生物柴油，預(yù)計(jì)2010年生物柴油產(chǎn)量達(dá)到945萬噸。

從我們國情出發(fā)，我們農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)是解決十三億人口的吃飯問題，確保國家糧食安全和主要農(nóng)產(chǎn)品有效供給。因此，我們在發(fā)展生物質(zhì)能源方面，不可能走與歐美發(fā)達(dá)國家相同的路線，我們發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)放在研究和開發(fā)利用以秸稈、農(nóng)業(yè)廢棄物等為原料的生物質(zhì)能源,走中國特色生物質(zhì)能源開發(fā)道路。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合我國生物質(zhì)能源燃料的分布特點(diǎn)，因地制宜，采用靈活多變的政策，充分發(fā)掘生物質(zhì)能源的潛力。

目前，我國生物質(zhì)能源發(fā)展呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。在我國生物質(zhì)能源發(fā)展中，農(nóng)作物秸稈發(fā)電最具代表性、戰(zhàn)略性和可持續(xù)性，秸稈的利用改造是開發(fā)生物質(zhì)能源的一種有效途徑。秸稈是清潔無污染的可再生能源，是最具有開發(fā)利用潛力的新能源之一，具有良好的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。秸稈發(fā)電是秸稈優(yōu)化利用的最主要形式之一，目前呈現(xiàn)快速增長的趨勢。隨著對生物質(zhì)燃料研究的進(jìn)行，秸稈發(fā)電逐漸走向?qū)嵱没?。目前秸稈發(fā)電大體上可以分為以下幾種方式。

建造利用秸稈燃燒來發(fā)電的中小型電廠

目前生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)主要有兩大類：一是利用鍋爐直接燃燒生物質(zhì)燃料，例如秸稈，產(chǎn)生的熱量加熱鍋爐中的水，使水汽化，推動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組來發(fā)電。這類技術(shù)與常規(guī)的煤燃燒發(fā)電相類似，只是用秸稈來代替煤。

另一類是氣化發(fā)電技術(shù)，由氣化爐和煤氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組來發(fā)電。利用生物質(zhì)氣化爐將秸稈轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，燃?xì)饨?jīng)過分離凈化，然后在鍋爐等設(shè)備中進(jìn)行燃燒，推動發(fā)電機(jī)輸出電能。

在國際上秸稈直燃技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且易于規(guī)模化利用秸稈，國內(nèi)在秸稈直燃方面的基礎(chǔ)研究起步較晚。直燃式生物質(zhì)發(fā)電是從國外引進(jìn)的模式，屬于集中化大電網(wǎng)模式?？紤]到經(jīng)濟(jì)性等方面的因素，電廠的規(guī)模一般較大。隨之而來的是電廠的燃料問題，由于生物質(zhì)能密度低，分布散，而電廠的需求又很大，因而收集運(yùn)輸成本較高。同時(shí)生物質(zhì)燃料的存放也存在一定問題，占地面積大，消防安全問題突出。綜合以上種種因素，生物質(zhì)直燃發(fā)電單位電價(jià)比一般煤電要高出一倍，不具有競爭力。由于技術(shù)原因，其熱效率只有煤電的80%。

中等規(guī)模的氣化發(fā)電技術(shù)，要比直燃發(fā)電具有一定的優(yōu)勢。但是也存在一些難以解決的技術(shù)難題。最主要的是燃?xì)鈨艋夹g(shù)，內(nèi)燃機(jī)對燃?xì)獾囊蠛芨?，燃?xì)鈨艋O(shè)備復(fù)雜，提高了電廠的投資額，同時(shí)也增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

分散式的小型發(fā)電機(jī)組為生物質(zhì)發(fā)電機(jī)器的小型化提供了可能

由于建造中小型電廠存在的問題，分散式的小型發(fā)電機(jī)組逐漸受到人們的重視，尤其是在我國廣大的農(nóng)村更有推廣的條件。在這里將著重介紹與秸稈發(fā)電密切關(guān)連的斯特林發(fā)電機(jī)和新型的熱聲發(fā)電機(jī)，它們?yōu)樯镔|(zhì)發(fā)電機(jī)器的小型化提供了可能。

斯特林機(jī)又名熱氣機(jī)，是一種閉式回?zé)嵫h(huán)發(fā)動機(jī)，它具有高效率，低噪聲，低污染以及多能源適應(yīng)性等特點(diǎn)。由于世界石油資源日趨短缺，對環(huán)境保護(hù)的要求日益強(qiáng)烈，目前各國都很重視對斯特林機(jī)的研究。日本制定了開發(fā)節(jié)能新技術(shù)的“月光計(jì)劃”，確定從1982年開始，六年內(nèi)投入100億日元開發(fā)通用熱氣機(jī)。據(jù)文獻(xiàn)披露，東芝公司于1982年開始研究斯特林機(jī)，于1988年研制成功的斯特林機(jī)熱效率可以達(dá)到34%，采用雙活塞結(jié)構(gòu)。

斯特林機(jī)是一種外部加熱，使氣體工質(zhì)在不同的溫度下做周期性壓縮和膨脹的閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動機(jī)。其熱力循環(huán)由定溫壓縮過程、定容回?zé)徇^程、定溫膨脹過程和定容儲熱過程組成。斯特林機(jī)采用的工質(zhì)可以是氦氣、氫氣、氮?dú)夂涂諝獾?，燃料與工質(zhì)不直接接觸，外燃加熱。斯特林機(jī)的基本部件包括兩個(gè)溫度不同且容積周期變化的腔室，并用回?zé)崾綋Q熱器和其它換熱器把這兩個(gè)腔室連接起來。這些簡單的基本部件可以組成多種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動機(jī)。在十九世紀(jì)，這些結(jié)構(gòu)做過許多改進(jìn)，有的已經(jīng)用于現(xiàn)代的斯特林機(jī)中。

由于斯特林機(jī)采用外燃加熱的方式，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，通過換熱器加熱工質(zhì)，工質(zhì)在一個(gè)密閉的系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，不與燃料接觸，這就保證了斯特林機(jī)可以適用于多種燃料。從高品位的石油、天然氣等，到低品質(zhì)余熱廢熱，甚至可燃垃圾等，都可以作為斯特林機(jī)的驅(qū)動熱源。秸稈的基本參數(shù)為，燃燒值每公斤4000到5000千卡、揮發(fā)分高于70％，固定碳低于15％，硫低于0.2％。由于植物在生長過程中通過光合作用吸收CO2，因此可以認(rèn)為秸稈燃燒時(shí)溫室氣體CO2排放量為零。斯特林機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于維護(hù)，尤其對于偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村具有很好的應(yīng)用前景。

熱聲發(fā)電機(jī)基于熱聲效應(yīng)而工作，是一種新型的能源轉(zhuǎn)換機(jī)械。熱聲效應(yīng)可分為兩類：一類用熱能來產(chǎn)生聲波，即熱致聲效應(yīng)；另一類是用聲波來產(chǎn)生制冷效應(yīng)，即聲致冷效應(yīng)。熱致聲效應(yīng)發(fā)現(xiàn)得很早，早在1777年，哈根斯（HIGGINS）就在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，將可燃性氣體的火焰放在兩端開口的垂直管的適當(dāng)位置，管中會激發(fā)出聲音。熱聲發(fā)電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是其高可靠性和對自然環(huán)境的卓越環(huán)保特性。它的高可靠性來源于系統(tǒng)中完全沒有運(yùn)動部件或者運(yùn)動部件極少；它的環(huán)保特性來源于它的工作介質(zhì)是常見的惰性氣體，對大氣臭氧層無破壞，沒有溫室效應(yīng)也沒有可燃性。近十幾年來，熱聲技術(shù)研究取得了飛速發(fā)展。作為發(fā)動機(jī)，其轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到30％以上，完全可以同內(nèi)燃機(jī)(轉(zhuǎn)換效率在25％～40％之間)相媲美。

與斯特林機(jī)類似，熱聲發(fā)電機(jī)也采用外燃加熱的方式。熱聲驅(qū)動的發(fā)電機(jī)裝置，通過設(shè)計(jì)合理的燃燒裝置，將秸稈燃燒驅(qū)動熱聲發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于其優(yōu)異的性能，該設(shè)備對于秸稈利用具有廣闊的市場前景。

在新能源的開發(fā)利用中，秸稈發(fā)電具有重要的意義，對于建設(shè)小康社會，節(jié)能減排具有深遠(yuǎn)的影響。伴隨著煤炭、石油和天然氣等化石能源的逐漸枯竭，尋找新能源已成為一個(gè)緊迫的任務(wù)。秸稈作為一種綠色和可再生的能源，其作用將會越來越來突出，這不僅關(guān)系到環(huán)境保護(hù)的問題，還關(guān)系的國家的能源戰(zhàn)略問題。

（作者系中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員）