PDF《生物质能研究现状及未来发展策略》

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2019 年.

第34 卷.第4期生物质能研究现状及未来发展策略 马隆龙1? 唐志华1 汪丛伟1 孙永明1 吕雪峰2 陈勇1

1 中国科学院广州能源研究所 广州

510640 2 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 青岛

266101 摘要 迫于能源短缺与环境恶化的双重压力,世界各国争相发展安全、环保、可再生的生物质能源.大规模 开发利用生物质能源,对推动我国生态文明建设、能源革命和低碳经济发展,保障美丽乡村建设、应对全球 气候变化等国家重大战略实施具有重要意义.文章在分析国内外生物质能发展现状和趋势的基础上,系统分 析了我国发展生物质能面临的挑战,并探讨了未来发展生物质能应采取的策略及重点技术方向,研究结果可 为我国生物质能源技术的快速发展提供理论支撑. 关键词 生物质能,现状与趋势,挑战与对策,发展重点 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.04.008 *通讯作者 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA21060000),国家自然科学基金重点项目(51536009) 修改稿收到日期:2019年3月26日 可再生能源规模利用 Scaled Utilization of Renewable Energy 生物质能是一种重要的可再生能源,直接或间接 来自植物的光合作用,一般取材于农林废弃物、生活 垃圾及畜禽粪便等,可通过物理转换(固体成型燃 料)、化学转换(直接燃烧、气化、液化)、生物转 换(如发酵转换成甲烷)等形式转化为固态、液态和 气态燃料[1] .由于生物质能具有环境友好、成本低廉 和碳中性等特点,迫于能源短缺与环境恶化的双重压 力,各国政府高度重视生物质资源的开发和利用.近 年来,全球生物质能的开发利用技术取得了飞速发 展,应用成本快速下降,以生物质产业为支撑的 生 物质经济 被国际学界认为是正在到来的 接棒 石 化基 烃经济 的下一个经济形态.因此,系统梳理 生物质能技术的发展现状及趋势,明确我国发展生物 质能面临的挑战并制定未来策略,对推动我国生态文 明建设、能源革命和低碳经济发展,保障美丽乡村建 设、应对全球气候变化等国家重大战略实施具有重要 意义.

1 生物质能发展现状 随着国际社会对保障能源安全、保护生态环境、 应对气候变化等问题日益重视,加快开发利用生物质 能等可再生能源已成为世界各国的普遍共识和一致行 院刊

435 动,也是全球能源转型及实现应对气候变化目标的重 大战略举措.生物基材料、生物质燃料、生物基化学 品是涉及民生质量和国家能源与粮食安全的重大战略 产品.2017 年,全球生物基材料与生物质能源产业规 模超过

1 万亿美元,美国达到

4 000 亿美元.美国规 划2020 年生物基材料取代石化基材料的 25%;

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,2030 年全球将有大 约35% 的化学品和其他工业产品来自生物制造;

生物 质能源已成为位居全球第一的可再生能源,美国规划 到2030 年生物质能源占运输燃料的 30%,瑞典、芬兰 等国规划到

2040 年前后生物质燃料完全替代石油基车 用燃料[2] . 目前,世界各国都提出了明确的生物质能源发展 目标,制定了相关发展规划、法规和政策,促进可再 生的生物质能源发展.例如,美国的玉米乙醇、巴西 的甘蔗乙醇、北欧的生物质发电、德国的生物燃气等 产业快速发展. 经过多年的努力,我国科学家也在生物质能源的 几个研究领域中占据国际领先或者齐平的地位[3-8] . 在国家相关经费尤其是中国科学院战略性先导科技 专项的支持下,中国科学院以具有颠覆性特色的木质 纤维素原料制备生物航油联产化学品技术、支撑国家 燃料乙醇和生物质燃料产业发展的农业废弃物醇烷联 产技术为核心,突破关键技术并进行工业示范.针对 低值生物质资源的高值利用难题,已建立了国际首 套百吨级秸秆原料水相催化制备生物航油示范系统 (图1),产品质量达到ASTM-D-7566(A2)标准, 并拟于近年建成国际首套千吨级示范系统、千吨级呋 喃类产品/异山梨醇的中试与工业示范、30 万吨秸秆乙 醇及配套热电联产工业示范、年千万立方米生物燃气 综合利用与分布式供能工业化示范工程等一批体现技 术特色、区域特色和产品特色的示范工程,进一步强 化保持我国以上生物质能领域技术创新的国际领先地 位. 生物质能技术主要包括生物质发电、生物液体燃 料、生物燃气、固体成型燃料、生物基材料及化学品 等,以下将针对各个具体技术的发展现状分别进行分 析. 1.1 生物质发电技术 生物质发电技术是最成熟、发展规模最大的现代 生物质能利用技术.目前,全球共有

3 800 个生物质发 电厂,装机容量约为

6 000 万千瓦,生物质发电技术在 欧美发展最为完善.丹麦的农林废弃物直接燃烧发电 技术,挪威、瑞典、芬兰和美国的生物质混燃发电技 术均处于世界领先水平.日本的垃圾焚烧发电发展迅 速,处理量占生活垃圾无害化清运量的 70% 以上. 我国的生物质发电以直燃发电为主,技术起步较 晚但发展非常迅速.截至

2017 年底,我国生物质发 电并网装机总容量为

1 476.2 万千瓦,其中农林生物 质发电累计并网装机 700.9 万千瓦,生活垃圾焚烧发 电累计并网装机 725.3 万千瓦,沼气发电累计并网装 机50.0 万千瓦;

我国生物质发电装机总容量仅次于美 国,居世界第二位[2] . 1.2 生物液体燃料 生物液体燃料已成为最具发展潜力的替代燃料, 其中生物柴油和燃料乙醇技术已经实现了规模化发 展. 图1国际首套百吨级秸秆原料水相催化制备生物航油示范系统

436 2019 年.第34 卷.第4期2017 年全球生物柴油的产量达到

3 223.2 万吨,美国、巴西、印尼、阿根廷和欧盟是生物柴油生产的主 要国家和地区,其中欧盟的生物柴油产量占全球产量 的37%,美国占 8%,巴西占 2%.我国生物柴油生产 技术国际领先,国家标准也已与国际接轨,但由于推 广使用困难,导致目前国内生物柴油产量呈逐年下滑 态势.

2017 年全球生物燃料乙醇的产量达

7 981 万吨, 美国和巴西是燃料乙醇生产量最大的国家,产量分别 为4410 万吨和

2 128 万吨.我国以玉米、木薯等为原 料的

1 代和 1.5 代生产技术工艺成熟稳定,以秸秆等农 林废弃物为原料的

2 代先进生物燃料技术已具备产业 化示范条件,目前我国生物燃料乙醇产量约为

260 万吨/年,仅占全球总产量的 3%,仍然有较大的发展空 间. 我国利用纤维素生产生物航油技术取得突破,实 现了生物质中半纤维素和纤维素共转化合成生物航空 燃油,目前已在国际上率先进入示范应用阶段[3,4] .利 用动植物油脂为原料,采用自主研发的加氢技术、催 化剂体系和工艺技术生产的生物航空燃油已成功应用 于商业化载客飞行示范,这使我国成为世界少数几个 拥有生物航空燃油自主研发生产技术并成功商业化的 国家. 1.3 生物燃气技术 生物燃气技术已经成熟,并实现产业化.欧洲是 沼气技术最成熟的地区,德国、瑞典、丹麦、荷兰 等发达国家的生物燃气工程装备已达到了设计标准 化、产品系列化、组装模块化、生产工业化和操作规 范化.德国是目前世界上农村沼气工程数量最多的国 家;

瑞典是沼气提纯用于车用燃气最好的国家;

丹麦 是集中型沼气工程发展最有特色的国家,其中集中型 联合发酵沼气工程已经非常成熟,并用于集中处理畜 禽粪便、作物秸秆和工业废弃物,大部分采用热电肥 联产模式[8] . 我国生物质气化产业主要由气化发电和农村气化 供气组成.农村户用沼气利用有着较长的发展历史, 但生物燃气工程建设起步于

20 世纪

70 年代.我国目 前在生物质气化及沼气制备领域都具有国际一流的研 究团队,如中国科学院广州能源研究所、中国科学院 成都生物研究所、农业农村部沼气研究所、农业农村 部规划设计研究院和东北农业大学等,这为相关研究 提供了关键技术及平台基础.近年来,规模化生物燃 气工程得到了较快的发展,形成了热电联供、提纯车 用并网等模式. 1.4 固体成型燃料技术 欧美的固体成型燃料技术属于领跑水平,其相关 标准体系较为完善,形成了从原料收集、储藏、预处 理到成型燃料生产、配送和应用的整个产业链[9] .目前,德国、瑞典、芬兰、丹麦、加拿大、美国等国的 固体成型燃料生产量均可达到

2 000 万吨/年以上. 我国生物质固体成型燃料技术取得明显的进展, 生产和应用已初步形成了一定的规模.但近几年,我 国成型燃料产业发展呈现先增后降趋势,全国年利用 规模由

2010 年的

300 万吨增长到

2014 年的

850 万吨,

2015 年后开始回落,主要是因为生物质直燃发电的环 境效益受到争议,部分省份甚至限制了生物质直燃、 混燃发电项目.此外,我国很多中小型成型燃料生产 车间因为环境卫生不达标而被强制关停. 1.5 生物基材料及化学品 生物基材料及化学品是未来发展的一大重点,目前,世界各国都在通过多种手段积极推动和促进生 物基合成材料的发展.随着生物炼制技术和生物催 化技术的不断进步,促使高能耗、高污染的有机合成 逐渐被绿色可持续的生物合成所取代,由糖、淀粉、 纤维素生产的生物基材料及化学品的产能增长迅猛, 主要是中间体平台化合物、聚合物占据主导地位[10] . 我国生物基材料已经具备一定产业规模,部分技术接 近国际先进水平.当前,我国生物基材料行业以每 院刊

437 年20%―30% 的速度增长,逐步走向工业规模化实际 应用和产业化阶段.

2 生物质能发展趋势 2.1 生物质能成本不断降低 预计到

2020 年前,生物质混燃发电的技术成本将 低于燃煤发电;

生物质直燃发电的技术成本在 2025―

2030 年可与燃煤发电持平,生物质气化发电技术成熟 时间约为

2030 年,可成为未来生物质发电的重要途 径.生物质热电联产供热的成本到

2020 年前即可与 燃煤供热全成本相当.生物质锅炉供热则需到 2025―

2030 年才能与燃煤供热全成本相当.到2020 年,养殖 场畜禽粪便制取沼气的成本与天然气接近,其他生物 质原料生产的沼气以及生物质热解气成本均可低于天 然气,是未来天然气的有效补充.到2022 年,以非粮 淀粉类和糖类为原料的生物乙醇成本可与同时期汽油 成本相当,到2025―2030 年,纤维素乙醇的成本与同 时期汽油成本相当[11] . 2.2 生物质液体燃料和生物燃气的大产业时代即将 到来 生物质液体燃料被列为我国 十三五 重点项 目;

2018 年底,国家能源局向各省及

9 家央企下发了 《国家能源局综合司关于请编制生物天然气发展中长 期规划的通知》,生物质燃气被列入国家能源发展战 略,生物质液体燃料和生物质燃气大规模替代化石能 源的时代即将到来.美国计划到

2025 年生物质燃料 替代中东进口原油的 75%,2030 年生物质燃料替代车 用燃料的 30%;

德国预计到

2020 年沼气发电总装机 容量达到

950 万千瓦;

日本计划在

2020 年前车用燃料 中乙醇掺混比例达到 50% 以上;

另外印度、巴西、欧 盟分别制定了 阳光计划 酒精能源计划 和 生 物燃料战略 ,加大生物质燃料的应用规模.预计 到2035 年,生物质燃料将替代世界约一半以上的汽、 柴油,经济环境效益显著[12] . 2.3 高值化生物基材料及化学品越来越受重视 在市场经济和产业竞争激烈的今天,高值化生物质 产品开发是生物质能发展趋势之一,如高品质生物航 油、军用特种燃油增能添加剂、军用超低凝点柴油、 己二酸、高分子单体乙二醇、低成本生物塑料和生物 质染色剂等[13] .目前,我国生物质现代高值利用技术突 破已经到了新时代,与发达国家技术同步发展,具备 支撑产业的发展的基础.例如,大规模利用秸秆做生 物航油、性能优良的生物基材料、高附加值化学品等 技术已经领先于发达国家,具有经济竞争力,仍需进 一步夯实国际领先地位.当前中美贸易摩擦正处于焦 灼时刻,应紧紧抓住国际、国内发展战略机遇期,系 统规划 另一半农业――农业生物质与生物质能源 的综合利用和发展策略,这将对我国社会经济的转型 发展发挥重要作用. 2.4 多学科交叉,多技术深度融合发展 随着现代信息技术、生物技术、计算机技术、先 进制造技术、高分子材料等领域取得的重大科学突 破, 互联网+ 大数据 和 人工智能 将为生 物质能发展带来新的机遇,多学科深度融合将成为未 来发展的必然趋势,生物质能开发利用将呈现多元 化、智能化和网络化的发展态势. 2.5 新型生物质大规模发展 随着生物质产业的飞速发展,传统生物质资源不 足以支撑庞大的生物质资源需求,在高效循环利用传 统农林生物质的基础上,必须发展新型生物质(如藻 类和能源植物等)以满足产业发展需求.

3 我国生物质能面临的挑战 3.1 基础研究薄弱,源头创新不足 我国生物质发电在原料预处理及高效转化与成套 装备研制等核心技术方面仍存在瓶颈.① 生物质直燃 发电技术方面.我国在锅炉系统、配套辅助设备工艺 等方面与欧洲国家还有较大差距,燃烧装置沉积结渣

438 2019 年.第34 卷.第4期和防腐技术需要突破;

气化发电技术存在效率低、规 模小、副产物处置难等缺点;

混烧发电技术还没有建 立完善的混烧比例检测系统、高效生物质燃料锅炉及 其喂料系统.② 生物质液体燃料方面.我国纤维素 原料燃料乙醇生产技术尚处于中试阶段;

生物质合成 燃料技术仍处于起步阶段;

生物质液体燃料的转化反 应机理、高效长寿命催化剂、酶转化等方面的基础研 究薄弱,精制工艺和副产物回收技术开发力度不足, 存在转化率不高、产品质量不稳定等问题.③ 生物质 燃气方面.我国生物质制氢仍停留在实验室阶段,催 化合成气技术处于中试阶段;

沼气技术发展迅速,大 中型沼气工程建设速度明显加快,但高效厌氧发酵技 术、沼气提纯与储运技术需进一步提高.④ 生物质成 型燃料方面.固体成型燃料的成型粘接机制和络合成 型机理尚不清楚.⑤ 生物基化学品及材料方面.与国 际先进水平相比,我国在产品性能、制造成本、关键 技术集成与产业化规模等方面还存在较大差距.能源 植物资源品种培育的分子遗传育种才刚起步,且对培 育出来的优良品种的利用与推广较少[14,15] . 3.2 关键技术和装备国际依存度高 发达国家在生物质资源利用和产品制造领域已居 于领先地位并且占领了产业主导权.为了维护其引领 产业发展的战略地位和经济利益,发达国家普遍对生 物质转化利用的核心技术进行封锁和垄断,我国很多 关键技术(如生物质转化的纤维素酶、己二酸等平台 化合物、高分子单体乙二醇、高性能低成本生物塑料 单体技术和非金属仿真催化剂等)和关键设备(如流 动反应器、集储设备的打结器、反应器自控系统等) 依赖进口,导致生物质原料规模化生产、集储效率 低,产业成本高[16] . 3.3 生物质资源未能高效利用成为污染源 我国每年约产生作物秸秆

9 亿吨,畜禽粪便

45 亿吨,林业三剩物① 4.5 亿吨,农业加工剩余物

1 亿吨, 以及生活垃圾

2 亿吨.这些生物质资源大部分没能有 效资源化利用,而是被露天焚烧或者随意丢弃,成........