生物质热化学转化研究现状及未来发展策略

晏 芸

(中石化南京工程有限公司，江苏 南京 211100)

在全球变暖的背景下，发展低碳经济是各国应对气候变化的基本途径，其实质是能源利用效率提升和清洁能源使用，核心在于能源技术创新[1]。而生物质能是一种以生物质作为载体的能量，是太阳能的另一种表现形式。生物质可以通过热化学转化等方式转化为常规的燃料，包括固态、气态和液态燃料等，是一种清洁的可再生能源。随着传统化石能源的大量使用，以及日益严重的环境问题，发展生物质能逐渐成为发展低碳经济的一项重要举措。西方发达国家生物质能应用研究起步较早，我国的生物质能产业发展较晚、专业化程度较低[2]；我国在生物质能发展落后的背景下，要在2020年完成国内生产总值能耗较2015年降低15%的目标，在低碳利用、节能减排方面面临巨大挑战和压力[3]。因此，研究国内外生物质能技术发展现状及趋势，提出我国生物质能利用的发展建议，进而为实现我国生物质能产业发展和节能减排提供重要参考，对推动我国能源革命、低碳经济发展以及应对全球气候变化等国家重大战略实施具有重要意义。

1 生物质热化学转化研究现状

生物质能作为一种重要的可再生能源，在国际能源转型中具有非常重要的战略地位；其现代化利用对缓解能源危机、全球气候问题具有重要贡献[4]。近年来，世界各国日益重视生物质能的开发利用，使得生物质能源利用技术不断发展[5]。各国为了大力发展生物质能源，根据国情分别制定了相应的生物质能发展规划和相关目标。全球经济合作与发展组织(OECD)发布的“面向2030生物经济施政纲领”战略报告预计，截止2030年，全球35%的化学品将来自生物质。美国能源部计划在2016到2040的25年内，通过发展生物质能，促进生物质经济的可持续发展，并提出截止2022年实现生物基燃料产量36×109加仑/年。欧盟提出了Horizon 2020计划，强调开发新的生物质精制技术是利用生物质资源制备生物基产品、发展生物质经济的关键，同时提出截止2020年，各成员国生物质能源使用比例达到20%。

按照生物质能产品划分，生物质热化学利用技术主要集中在生物质气体燃料、生物质液体燃料(生物柴油、燃料乙醇等)、生物质固体燃料(生物质成型燃料等)、生物基材料与化学品等，以下将针对不同技术发展现状进行分析。

1.1 生物质气体燃料技术

生物质制备气体燃料技术包括高温热解法、超临界水气化法等，反应设备主要有固定床反应器、流化床反应器和气流床反应器等[6,7]。生物质气体燃料制备技术日趋成熟，气体燃料技术主要以沼气技术为主，还包括制备氢气、合成气、甲烷、液体燃料等。其中，德国、瑞典等欧洲国家生物质沼气技术已达到产品系列化、生产工业化的标准；德国是农村沼气工程数量最多的国家；瑞典已经可以实现沼气提纯，并将其用作车用燃气；而丹麦大力发展集中型沼气工程，采用热电肥联产模式集中处理作物秸秆、畜禽粪便，技术已经非常成熟[8]。

近年来，我国生物质气体燃料研究进展迅速，主要用于农村气化供气和气化发电，形成了多个具有国际一流水平的科研团队，例如，中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国科学院广州能源研究所、农业农村部沼气研究所等。其中，中国林业科学研究院林产化学工业研究所自主研发了3000 KW生物质锥形流化床气化发电系统，该项成果成功推广至菲律宾、日本等国家，大大推动了生物质能的规模化利用[9]。

1.2 生物质液体燃料技术

生物质液体燃料被视为最具潜力的化石燃料替代品，目前，较为成熟的液体燃料技术是利用生物质制备生物柴油和燃料乙醇。生物柴油和燃料乙醇最主要的生产国家和地区是美国、巴西、加拿大和欧盟，占全球生物质能源产量的90%以上[10]。生物柴油制备技术主要包括酸/碱催化酯化技术、高温热裂解技术、醇解技术、超/亚临界转化技术等；2017年，全球生物柴油产量为3 223.2万吨，其中欧盟产量占37%，美国产量占8%11。欧美国家生物柴油技术发展较为成熟，美国、法国先后建成数十座生物柴油制备装置；我国也已建成一些生物柴油生产示范/商业化装置，但作为燃油添加剂使用推广困难，而且生产规模小，产量较低，还未能实现生物柴油的产业化。

生物质制备燃料乙醇工艺主要有生物质裂解气化，催化合成和生物质直接发酵技术等；2017年，全球燃料乙醇产量为7 981万吨，其中美国产量占全球产量的55%，巴西占26%[11]。目前，美国、巴西、加拿大等国家已使用车用乙醇汽油，我国燃料乙醇制备主要以玉米、木薯为原料，已经逐步发展为继美国、巴西之后第三大乙醇汽油生产国家，并成功开展了车用乙醇汽油试点，年产生物基燃料乙醇约260万吨，但与欧美国家相比仍存在较大差距[11]。而且，燃料乙醇的生产原料主要以玉米等粮食为主，涉及与粮争地等问题，而林木木质纤维制备液体燃料技术尚不成熟[12]。

1.3 生物质固体燃料技术

生物质固体燃料技术主要包括固体成型燃料技术和生物炭技术。其中，生物质种类、颗粒、温度以及成型设备等是影响生物质固体成型燃料技术的关键。生物炭制备技术主要包括高温裂解法和水热碳化法，生物质原料、热解方式和温度等是影响生物炭制备及其性质的重要因素[13，14]。在生物质固体燃料研究方面，欧美国家处于领先地位，已经形成了相对完善的标准体系，涉及生物质原料收集与储藏、生物质固体燃料生产与应用等整个产业链[15]。目前，美国、德国、加拿大等国家的生物质固体成型燃料年产量已达2000万吨以上。2010年，我国农业部颁布了生物质成型燃料行业标准，有力推动了我国生物质固体燃料的发展[13]。中国林业科学研究院林产化学工业研究所在生物质炭研究方面取得突破，开发了不同生物质转化制备生物炭技术，并成功应用于多个领域，例如，中国林业科学研究院林产化学工业研究所制备的生物质炭可用于室内空气净化，并制定了相关标准，有效规范了国内空气净化用碳材料市场。

1.4 生物基材料与化学品

随着生物质炼制和催化转化技术的不断发展，基于生物质原料的绿色可持续合成生物基材料与化学品发展迅速，产品主要集中在重要平台化合物和聚合物[16]。生物基材料与化学品作为石油基材料与化学品的重要替代者，逐渐成为未来材料与化学品发展的重点，受到了世界各国的广泛关注。2015年，美国加大了对废弃秸秆综合利用的研究，大大推动了生物质能源的发展，例如美国Nature Works公司研发推出了Ingeo 3801X生物基塑料，具有良好的耐高温抗冲击性能，并具有友好的加工成型优势，可以广泛用于玩具、办公等领域[17]。我国在“十一五”期间提出了“生物基材料高技术产业化专项”，并在“十三五”规划中将生物基材料作为重点研发材料之一，纳入我国新兴材料研发领域。得益于对生物基材料研究利用的重视，我国生物基材料已具备一定产业化规模，并以每年20%～30%的增长速度走向产业化应用阶段。中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究开发了卧式、立式有机组合的连续化高温高压无蒸煮液化装置及工程化生产与控制系统，建成了年处理8万吨木质纤维制备乙酰丙酸生产线，其木质纤维原料转化率高达95%，乙酰丙酸收率较传统蒸煮水解方法提高了30%以上(纯度>98%)。

2 世界主要国家生物质能发展规划

2.1 美国生物质能发展规划

美国在2003年提出了第一个生物质技术路线图，随后出台了系列政策，提出2022年实现生物燃料产量36×109加仑/年。美国农业部和能源部提出生物质能利用主要分为两步：(1)生物质降解与分离，将不同生物质原料转化为相应的中间体；(2)合成与提质，通过催化转化实现生物质中间体向生物基产品的转化，如燃料、化学品等。2016年以来，美国在生物质资源利用方面资助的项目主要包括废弃生物质制备液体燃料、精细化学品，纤维素转化利用等。美国能源部等提出的生物质利用具体转化方法如图1所示，并提出通过技术创新推动生物质经济的发展，进而实现生物质资源的合理调配和利用。最终实现生物质资源可持续性发展与综合利用[18]。

图1 美国生物质综合利用具体途径[18]Fig. 1 Approaches of biomass comprehensive utilization in United States18

2.2 欧盟生物质能发展规划

欧盟于2008年通过了《可再生能源指令》，随后提出了“Horizon 2020”计划，生物质利用的具体发展布局如图2所示，强调开发新的生物质精制技术是利用生物质资源制备生物基产品、发展生物质经济的关键。截止2020年，欧盟各成员国生物质能源的使用比例达到20%，在交通运输行业使用比例达到10%；截止2030年，可再生能源使用份额增至32%；通过发展使用生物质能，实现温室气体排放量降低至少40%(与1990年排放量相比)。最终，逐步完成先进生物质燃料原料、市场的建设与完善，实现生物质绿色制备生物质燃料、化学品的目标，替代化石燃料，降低温室气体排放，健全生物质经济体系。

图2 欧盟生物质利用发展布局[19]Fig. 2 Development layout of biomass utilization in EU[19]

2.3 我国生物质能发展规划

我国作为农业大国，具有丰富的生物质资源，但是，我国生物质能发展起步较晚，2012年我国出台《生物质能发展“十二五”规划》，2016年发布《生物质能发展“十三五”规划》。《生物质能发展“十三五”规划》提出了生物质能发展的详细目标。生物质能发展新政策借鉴该规划，要求增加生物质能现代化利用途径，家用固体生物质消耗下降三分之二(约2 800万吨油当量)，增加生物质能供电供热[20]。生物质能的另一主要用途是交通燃料，我国已经成为世界第三大乙醇生产国，仅次于美国和巴西。目前，生物质燃料的消耗约4.5万桶油当量/天，其中乙醇为3万桶油当量/天(每年大约30亿升)，其余为生物柴油。预计到2020年，我国生物乙醇产量400万吨，生物柴油200万吨；到2040年，生物质燃料的消耗水平是当前的10倍左右，26万桶油当量/天的生物质乙醇用于道路交通；22万桶油当量/天的生物质柴油主要用于货运行业；少量航空生物质煤油用于国内航空业。截止2040年，生物质能源需求量预计增长14%，因此，发展生物质能源对改善我国能源结构具有重大意义[20]。

3 我国生物质能源发展建议

我国生物质能研究起步较晚，相比欧美发达国家存在一定的差距，为了加快我国生物质能发展提出以下建议：

3.1 加强对生物质能发展的政策引导

生物质能作为重要的可再生能源，受到了世界各国的广泛关注。例如，美国提出，截止2040年，美国年产生物质原料将替代全国25%的运输燃料；欧盟提出，截止2020年，各成员国生物质能源的使用比例达到20%。为了促进生物质能发展，各国政府纷纷出台了相应的税收优惠政策、用户政府补贴等激励政策。我国政府也先后出台了《生物质能发展“十二五”规划》、《生物质能发展“十三五”规划》、《可再生能源法》等政策法规，有效促进了我国生物质能源的大力发展。虽然我国出台了相应的生物质能发展规划，但是并没有强制实行，因此并未取得预期的利用效果；生物质能税收政策难以顺利执行，效果不佳；生物质能国家补贴也只是针对生物质原料进行补贴，对于生物质能设备制造业及企业，缺乏相应优惠政策[21]。因此，我国应当设立专门的生物质统筹利用部门，负责完善相应的生物质能扶持政策、行业规章等，从生物质原料生产、收集、运输、储存、利用技术、市场开发等多个方面出发，促进加快形成生物质能利用产业链。

3.2 健全生物质原料收集、运输等系统

我国作为农业大国，具有丰富的农林生物质资源，具有分散广、利用率低等问题，而且没有建立完善的生物质原料收集、运输及储存系统[22]。生物质原料的分散性不利于生物质能利用的发展，应当建立健全生物质原料收集系统，对实现我国生物质能规模化、产业化利用至关重要。我国在《生物质能发展“十三五”规划》中指出，要加强探索生物质原料就近收集、转化和利用模式，研究并建立合理的组织方法以确保生物质原料供应，确定不同生物质规模化收集与运输的最佳模式，进而实现生物质原料供应、运输与产业化的有机融合[23]。最终，建立并完善原料收集、供给系统，合理调配我国的生物质资源，确保生物质利用原料的供给问题，进而实现对分布式生物质资源的高效利用。

3.3 推动生物质能利用技术创新

生物质能清洁、高效利用是生物质能源发展的根本趋势。我国发布的《能源技术革命创新行动计划》中指出，我国的生物质能发展要突破先进生物质能源与化工技术，开展生物航油(含军用)、纤维素乙醇、绿色生物炼制大规模产业化示范，研发新品种、高效率能源植物，建设生态能源农场，形成生物质原料可持续供应体系和先进生物能源化工产业链。为了推进我国生物质能发展，我国未来将力争在以下几个技术方面取得突破：(1)生物质大分子间化学键作用及其高效、清洁分离机理。(2)生物质复杂大分子可控解聚及催化技术。(3)生物质制备高品质液体燃料(生物柴油、生物油、醇类燃料、酯类燃料、航空煤油)高效催化转化技术。(4)生物质热解与化学气化技术。(5)纤维素/半纤维素/木质素催化转化制备高附加值化学品技术。(6)纤维素/半纤维素/木质素制备生物基功能材料等技术。

3.4 加强多学科交叉融合与国际交流合作

随着生物技术、先进制造技术及高分子材料领域取得的重大突破，将不同学科技术深度融合，对推进生物质开发利用意义重大。加强生物质利用多学科交叉基础研究，重点加强生物基新能源、新材料、生物基精细化学品等前沿技术在生物质利用中的应用。积极开展全方位、多层次、高水平的能源技术国际合作，制定能源技术创新国际化战略；充分利用国际国内能源技术资源，积极融入全球创新网络，提升我国对全球能源技术战略资源配置的掌控能力。相关部门在国际合作交流中，注重在技术合作、知识产权、跨国并购等方面，为企业搭建沟通和对话平台；鼓励能源企业、高校和科研机构与国外相关机构开展联合技术创新；结合“一带一路”战略实施，依托重大能源项目，推动我国先进能源技术、装备和标准“走出去”。

4 结语

生物质作为重要的可再生能源之一，其高效、清洁利用不仅可以缓解能源危机、改善生态环境，同时能够加快我国的新农村建设，推动我国绿色农业发展，为经济增长注入新的动力。在我国能源结构转型的新时期，生物质资源利用要走综合化、多元化、高值化的路径，通过生物质利用技术创新，结合生物质能发展扶持政策，探索生物质高值化、规模化发展的新途径。推动生物基液体燃料、生物基材料及生物基精细化学品的开发，通过科技创新实现生物质产业向高值化转型，增加其附加值。同时，生物质能的发展也应当结合我国基本国情，建立健全生物质能源领域相关法律法规等配套政策，创新具有我国特色的生物质能发展模式，为我国生物质能源发展提供科技支撑。