目前，我国生物质能利用已经基本形成产学研一体化的行业模式，但是在具体的应用路径方面还缺乏长远规划。要想优化生物质能的利用路径，必须从国家层面做好生物质能发展顶层设计，同时行业要充分做好不同生物质资源的层级利用，结合具体特点做好和乡村振兴战略的有效衔接，全面推进生物质能产业的高质量发展。
生物质能减排潜力巨大
生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源及唯一的可再生碳源。与传统化石能源相比，生物质能在整个生态系统中可以实现真正意义上的零碳排放。因此，发展生物质能是应对全球气候变化、能源短缺和环境污染最有潜力的方向之一。生物质是指可以通过绿色植物的光合作用把自然界中CO2和H2O结合转化成C6H12O6进而实现光能存储，其自身又可将C6H12O6发生聚合反应生成(C6H10O5)n构成植物本身物质结构的有机化合物，包括动物、微生物在正常生理代谢及死亡后所产生可循环再生富有能量的有机物质，通过对这些生物质原料的加工利用，将其应用到工业、农业等生产生活中。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10~20倍，而利用率不到3%。
近年来，我国陆续发布了一系列政策鼓励生物能源发展，《“十四五”生物经济发展规划》《“十四五”现代能源体系规划》《“十四五”推进农业农村现代化规划》《促进绿色消费实施方案》等政策不断鼓励开发生物能源，发展生物质发电。国家发展改革委出台《“十四五”生物经济发展规划》中指出，“积极推进先进生物燃料在市政、交通等重点领域替代推广应用，推动化石能源向绿色低碳可再生能源转型”。国家发展改革委、国家能源局等9部委联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》强调，到“2025年太阳能热利用、地热能供暖、生物质供热、生物质燃料等非电利用规模达到6000万吨标准煤以上。”
中国产业发展促进会生物质能产业分会发布《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》预测，到2030年生物质能各类途径的利用将为全社会碳减排超过9亿吨，到2060年将实现碳减排超过20亿吨。
生物质能源具有以下诸多特点：一是循环可再生性，生物质能利用绿色植物的光合作用再生，同风能、太阳能、潮汐能一样都是可再生能源，主要以动植物残骸、植物果实、动物粪便、微生物、藻类等多种形式进行存储，通过燃烧的方式将存储于生物质内的化学能转化为热能；二是节能减排性，生物在自然环境生长过程中所吸附CO2和自身排放CO2基本持平；三是生物质中氮硫成分低，燃烧后氮硫氧化物排放量少且较为环保；四是我国生物质资源储量丰富。
生物质能来源包含以下几处：一是农作物秸秆，通常指小麦、水稻、芝麻、谷物、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其他农作物在收获籽实后的剩余部分。农作物光合作用产物有一半以上存在于秸秆中，所以秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等。农作物秸秆是一种具有多用途可再生生物质资源。我国目前年产9亿吨左右农作物秸秆且利用率高达80%，随着生物质技术不断进步，转化率将进一步提升。
二是畜禽粪便，我国当前养殖业发展昌盛，畜禽养殖是农村产业一部分，畜禽粪便产量急剧攀升。其中富含氮、磷及矿物质元素，可作为农作物化肥使用。当前建设农村沼气池日益普遍，且发展以沼气为重点的农村能源是建设资源节约型、环境友好型社会主义新农村的重要举措。我国畜禽养殖业可产生20亿吨粪便，产沼气1950亿m3（折合标准煤3.1亿吨）。
三是其他有机废物，包括农村生活垃圾、蔬菜废弃物、农产品加工副产物等在内的剩余生物质资源。我国每年可生产蔬菜类废弃物约1亿吨，农村生活垃圾及其他废弃物高达16亿吨，除去焚烧销毁、肥料下田等，剩余部分有22%左右可开发为生物质能源。
大多数生物质燃料的含硫量小于0.20％，燃烧时释放的有害物质也相对较少，仅为煤炭燃烧时释放的1/10左右。现代生物质燃料可分为生物质能固体燃料、生物质能液体燃料、生物质能气体燃料。其中生物质能固体燃料产业已初步形成规模化，农林废弃物作为基础原料的生物质成品已全面商业化应用。我国生物质能成型产品年产量已有2000万吨，美国和欧盟是世界上最大的生物质燃料进出口国家。生物质能固体燃料的核心环节当属成型技术，目前燃料热值高的炭化成型技术、热压成型技术已呈主流趋势。
生物质能液体燃料主要是指生物柴油和燃料乙醇。生物柴油主要原料是大豆油、菜籽油、棕榈油、动物油脂和餐饮废油，通过加氢脱氧生产的二代生物柴油化学成分与柴油组分近似。研究显示，在传统石化柴油中添加10%生物柴油可以降低汽车尾气中50%的CO2、60%的SO2和NOx，优化效果极佳。生物柴油制备方法通常分为酶催化法、超临界或近临界法、酸催化法和碱催化法。
利用生物质能的多种路径
生物质能的能量形势与化学能源的能量形势相似，因而生物质能在也有多种利用途经可供选择。目前在利用生物质能时主要有物理转化、化学转化、热化学转化等转化方式。
1.生物质气化技术
生物质气化技术是指通过在特定热力学条件下将生物质固体燃料气化成焦炭、合成气的热分解技术，是目前利用生物质能最具有前景的技术之一。其气体产物主要包括CO、H2、CH4和CO2，主要应用于合成气、氢气、醇醚类等高品位液体燃料。在整个气化过程中发生吸热反应，通过外部热源将生物质加热到一定温度后部分生物质受热开始燃烧放热，整个燃烧反应包含氧化-放热阶段、干燥-吸热阶段、气化-吸热阶段、热解-吸热阶段。生物质气化技术类型较多，包括等离子体气化技术、超临界水气化技术、微波热解气化技术。
其中等离子体气化技术常用于城市固体废物处理，等离子体是不同于固态、液态、气态形式的第四种状态，整体呈电中性状态。等离子体反应温度为4000℃～7000℃，可将有机化合物热分解转化为无焦油、高质量合成气，进而大大提高反应速率。该技术具有反应时间短、规模化放大容易、合成气污染物含量少等诸多优点。中国科学院离子体物理研究所已建成一座熔炉式等离子体炉，通过放电产生高温电弧，高温电弧加热流过的气体介质从而产生等离子体，在缺氧高温条件下将复杂、有毒、有害固体废物完全分解。
超临界水气化技术是将含水分较高的生物质在特定热力条件下转化为高品质合成生物气的技术。在温度374.15℃、压力22.12MPa的超临界状态下，水具有超强溶解能力，可将生物质中各种有机物溶解，经过高温分解、异构化、脱水、裂化、浓缩、水解、蒸汽重整、甲烷化、水气转化等反应过程生成高密度、低黏度的液体，再经过高温、高压的反应条件迅速气化后形成富有氢气的混合气体。
微波热解气化技术是一种新型技术。微波是一种频率在300MHz～300GHz、波长在1mm～1m介于无线电波和红外辐射之间，且穿透力极强能够深入物质内部的电磁波。传统热解技术是采用经典热传导、热对流、辐射等方式由外至内进行加热，但该方式在传递过程中会损耗热量且传递速率较慢。微波热解技术是物质内部反应物吸收微波热量后自身进行转动、碰撞和摩擦，将微波能量转化为热量，具有加热速率快、反应时间短、热效率高、气化产物CO2含量降低，H2、CH4组分含量提高等诸多优点。在实际操作过程中，将一定量空气通入微波反应器，将生物质和微波吸附剂变成流化状态，并迅速发生气化反应；再经冷凝管冷却后，H2、CH4、CO2、H2O等气体通过特定装置进行收集并利用。
2.沼气综合利用发电技术
沼气综合利用发电技术是将将工业、农业和城镇生活中的有机废弃物进行厌氧发酵处理后产生沼气再驱动发电机发电。该技术原理是将生物质原料和生活污水一起混合放置于水解池中沉降除去生物质原料中的杂质，继而按照一定配比将原料输送至反应罐中进行发酵；在发酵过程中产生的沼气通入脱硫塔除掉H2S气体以达到燃气发电要求，再通过内燃机进行发电。在整个燃烧过程中通过余热锅炉等换热装置将该燃烧过程产生的热量加以回收利用，一部分用于厂区供热及生活用水，另一部分供发酵工艺使用。
3.生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧技术主要方式包括循环流化床燃烧和固定床燃烧两种。循环流化床燃烧要先将大颗粒生物质燃料粉碎至流化要求粒度，其燃烧效率和强度相对较高；固定床燃烧对生物质燃料的预处理要求较低，生物质无须处理或简单处理即可进入炉内燃烧。
生物质直燃发电优点：对燃料适应性好；对燃料颗粒度要求低；易于不同生物质间的掺烧；发电量易于计量，便于取得政策补贴。生物质直燃发电缺点：燃烧效率低；热电转化效率低；机组容量小；环保排放指标高；锅炉产生结渣和腐蚀。
4.生物质气化发电技术
生物质气化发电技术是指通过采用内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机等多种方式实现发电。该技术最大优势是可根据终端用户需要灵活配置、选用合适的发电设备，规模适用于20kW～10MW之间的分布式发电系统。目前国内应用较多的是采用内燃机进行发电，20%负载即可运行且可多台并联。生物质直接气化所获得的燃气热值较低，可将燃气通入内燃机组产生高温烟气后进入存储一定水量的余热锅炉并形成高温水蒸气，高温水蒸气进而驱动汽轮机组发电。
生物质气化发电的优点：混合燃烧方式通用性较好，对原燃煤系统影响较小；对原锅炉环保排放指标的影响较小；生物质燃料发电效率高，利用率较高；可在线监测燃气热值、流量、温度，通过机组的发电效率折算，实现生物质燃料发电单独核算。
5.生物质气化与煤混燃耦合发电技术
生物质气化与煤混燃耦合发电技术是通过热化学处理过程（在生物质气化炉内进行生物质气化）将生物质转化为CO、H2、CH4及小分子烃类为主要组成的低热值燃气（热值为4～6MJ／Nm3），将生成的燃气通过特定装置喷入煤粉炉内与煤混燃发电，使燃气显热和焦油的能量得到充分利用。该转化过程改变了原有生物质的形态并得到高纯度可燃气体，提高生物质能量转换过程的效率，且得到炭粉、焦油和木醋液等副产品。这种耦合发电技术对生物质原料的预处理要求相对较低，因此对于难以预处理且杂质含量较多的生物质原料可纳入生物质可利用范围。如采用循环流化床气化炉对生物质进行气化时，炉内温度较低，因此生物质内含有的碱性金属随燃气挥发析出量较少，避免了在气化过程中腐蚀设备的问题。生物质气化可燃气可用作降低NOX排放分级燃烧（再燃法）的二次燃料，降低了发电厂污染物的排放。该技术可以利用现役大容量、高效率燃煤机组，发电效率可达40%~46%，依托燃煤热电联产机组发电并供热，综合能源利用效率可达到70%以上。
生物质气化燃煤耦合发电技术可以充分发挥大型燃煤发电机组的优势，而且初投资成本较低、建设周期短、生物质利用规模灵活、可针对煤和生物质价格波动进行自身调节，对生物质价格控制力强，是生物质最高效、经济的利用方式之一。与生物质/煤直接混燃技术相比，其优势在于燃煤锅炉腐蚀和沉积的风险较小，对尾气处理系统无影响，生物质灰和煤灰可分别处理，能够利用的原料范围更广。
发展生物质能聚焦三方面工作
未来发展生物质能，需要在以下三方面发力：
一是发展生物质能顶层设计。能源结构供应是关系到工业发展和居民生活的重要因素，因此必须总揽全局，从国家层面出发制定好生物质能发展的顶层设计规划，这样才能形成自上而下的发展纲要。因为生物质能发展是一项长远的规划，必须要多部门协调统筹做好生物质资源的数据采集工作，然后结合经济社会发展实际情况，布局生物质能产业发展。在产业发展中，要因地制宜地制定相关的支持政策，细化补贴方案。当前生物质能能源利用的成本较高，所以要加大政策支持和资金投入，帮助企业快速完善生物质能发展的完整产业链。在技术利用方面，国家科技部门要做好牵头工作，努力完善生物质能利用的产学研一体化建设，更好地推进行业的协同创新。
二是优化生物质能利用层级。我国生物质能资源丰富，但不同形式的生物质能的能源利用效率不同，在不同行业应用的技术路径也有差异性，因此必须要做好生物质能利用的层级利用，实现资源的有效配置。这样才能更好地以“双碳”目标为导向，根据市场建设需求完善生物质能的梯级利用。
三是实现生物质能利用和乡村振兴的有效衔接。发展生物质能的相关产业所带来的社会效益巨大。既能调整我国农业结构，带动油料林业的发展，当地农民也可以通过对相关的农副产品进行加工增加收入。我国的油料植物和能源作物种类十分丰富，如麻风树、油桐、油茶、大豆、黄连木，存活率高，产量也很高。但是由于油料作物的能量密度很低，收集和运输成本高，生产规模也不可能很大，大型企业能带来的效益少。但乡镇企业的生产机制灵活，非常适合从事这项产业，比如可以从农民手中收集能源作物原料，在当地建设榨油厂，再将生产的原料油集中送往生物柴油企业，从而增加农民收入。
生物质能作为一种重要的可再生能源，为有效实现“双碳”目标提供了技术支撑和产业保障。“双碳”目标下我国生物质能的发展必须从国家层面做好顶层设计，制定相关的发展纲要，然后要做好生物质能的梯级利用和优化实施。国家、企业和相关科研院所要加大技术创新投入，多管齐下地实现生物质能产业布局，努力做大做强。同时，要做好生物质能利用和乡村振兴的有效衔接，因地制宜地发展乡镇产业，为提升农村产业集群赋能。