PDF《生物质能研究现状及未来发展策略》

生物质能研究现状及未来发展策略 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.

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. 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4000亿美元.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. 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.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,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. 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. 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.

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 页面

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6 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

4 410 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.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. 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. 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. 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.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2000 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. 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.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. 生物质能发展趋势 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 页面

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6 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. 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. 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.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. 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. 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. 我国生物质能面临的挑战 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........