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                生物質能研究現狀及未來發展策略

                  生物質能是一種重要的可再生能源,直接或間接來自植物的光合作用,一般取材于農林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等,可通過物理轉換(固體成型燃料)、化學轉換(直接燃燒、氣化、液化)、生物轉換(如發酵轉換成甲烷)等形式轉化為固態、液態和氣態燃料。由于生物質能具有環境友好、成本低廉和碳中性等特點,迫于能源短缺與環境惡化的雙重壓力,各國政府高度重視生物質資源的開發和利用。近年來,全球生物質能的開發利用技術取得了飛速發展,應用成本快速下降,以生物質產業為支撐的"生物質經濟"被國際學界認為是正在到來的"接棒"石化基"烴經濟"的下一個經濟形態。因此,系統梳理生物質能技術的發展現狀及趨勢,明確我國發展生物質能面臨的挑戰并制定未來策略,對推動我國生態文明建設、能源革命和低碳經濟發展,保障美麗鄉村建設、應對全球氣候變化等國家重大戰略實施具有重要意義。

                  生物質能發展現狀

                  隨著國際社會對保障能源安全、保護生態環境、應對氣候變化等問題日益重視,加快開發利用生物質能等可再生能源已成為世界各國的普遍共識和一致行動,也是全球能源轉型及實現應對氣候變化目標的重大戰略舉措。生物基材料、生物質燃料、生物基化學品是涉及民生質量和國家能源與糧食安全的重大戰略產品。2017年,全球生物基材料與生物質能源產業規模超過1萬億美元,美國達到4000億美元。美國規劃2020年生物基材料取代石化基材料的25%;全球經濟合作與發展組織(OECD)發布的"面向2030生物經濟施政綱領"戰略報告預計,2030年全球將有大約35%的化學品和其他工業產品來自生物制造;生物質能源已成為位居全球第一的可再生能源,美國規劃到2030年生物質能源占運輸燃料的30%,瑞典、芬蘭等國規劃到2040年前后生物質燃料完全替代石油基車用燃料。

                  目前,世界各國都提出了明確的生物質能源發展目標,制定了相關發展規劃、法規和政策,促進可再生的生物質能源發展。例如,美國的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇、北歐的生物質發電、德國的生物燃氣等產業快速發展。

                  經過多年的努力,我國科學家也在生物質能源的幾個研究領域中占據國際領先或者齊平的地位。在國家相關經費尤其是中國科學院戰略性先導科技專項的支持下,中國科學院以具有顛覆性特色的木質纖維素原料制備生物航油聯產化學品技術、支撐國家燃料乙醇和生物質燃料產業發展的農業廢棄物醇烷聯產技術為核心,突破關鍵技術并進行工業示范。針對低值生物質資源的高值利用難題,已建立了國際首套百噸級秸稈原料水相催化制備生物航油示范系統,產品質量達到?ASTM-D-7566(A2)標準,并擬于近年建成國際首套千噸級示范系統、千噸級呋喃類產品/異山梨醇的中試與工業示范、30?萬噸秸稈乙醇及配套熱電聯產工業示范、年千萬立方米生物燃氣綜合利用與分布式供能工業化示范工程等一批體現技術特色、區域特色和產品特色的示范工程,進一步強化保持我國以上生物質能領域技術創新的國際領先地位。

                  生物質能技術主要包括生物質發電、生物液體燃料、生物燃氣、固體成型燃料、生物基材料及化學品等,以下將針對各個具體技術的發展現狀分別進行分析。

                  生物質發電技術

                  生物質發電技術是最成熟、發展規模最大的現代生物質能利用技術。目前,全球共有?3?800?個生物質發電廠,裝機容量約為?6?000?萬千瓦,生物質發電技術在歐美發展最為完善。丹麥的農林廢棄物直接燃燒發電技術,挪威、瑞典、芬蘭和美國的生物質混燃發電技術均處于世界領先水平。日本的垃圾焚燒發電發展迅速,處理量占生活垃圾無害化清運量的?70%?以上。

                  我國的生物質發電以直燃發電為主,技術起步較晚但發展非常迅速。截至?2017?年底,我國生物質發電并網裝機總容量為?1?476.2?萬千瓦,其中農林生物質發電累計并網裝機?700.9?萬千瓦,生活垃圾焚燒發電累計并網裝機?725.3?萬千瓦,沼氣發電累計并網裝機?50.0?萬千瓦;我國生物質發電裝機總容量僅次于美國,居世界第二位。

                  生物液體燃料

                  生物液體燃料已成為最具發展潛力的替代燃料,其中生物柴油和燃料乙醇技術已經實現了規模化發展。

                  2017?年全球生物柴油的產量達到?3?223.2?萬噸,美國、巴西、印尼、阿根廷和歐盟是生物柴油生產的主要國家和地區,其中歐盟的生物柴油產量占全球產量的?37%,美國占?8%,巴西占?2%。我國生物柴油生產技術國際領先,國家標準也已與國際接軌,但由于推廣使用困難,導致目前國內生物柴油產量呈逐年下滑態勢。

                  2017?年全球生物燃料乙醇的產量達?7?981?萬噸,美國和巴西是燃料乙醇生產量最大的國家,產量分別為?4?410?萬噸和?2?128?萬噸。我國以玉米、木薯等為原料的?1?代和?1.5?代生產技術工藝成熟穩定,以秸稈等農林廢棄物為原料的?2?代先進生物燃料技術已具備產業化示范條件,目前我國生物燃料乙醇產量約為?260?萬噸/年,僅占全球總產量的?3%,仍然有較大的發展空間。

                  我國利用纖維素生產生物航油技術取得突破,實現了生物質中半纖維素和纖維素共轉化合成生物航空燃油,目前已在國際上率先進入示范應用階段。利用動植物油脂為原料,采用自主研發的加氫技術、催化劑體系和工藝技術生產的生物航空燃油已成功應用于商業化載客飛行示范,這使我國成為世界少數幾個擁有生物航空燃油自主研發生產技術并成功商業化的國家。

                  生物燃氣技術

                  生物燃氣技術已經成熟,并實現產業化。歐洲是沼氣技術最成熟的地區,德國、瑞典、丹麥、荷蘭等發達國家的生物燃氣工程裝備已達到了設計標準化、產品系列化、組裝模塊化、生產工業化和操作規范化。德國是目前世界上農村沼氣工程數量最多的國家;瑞典是沼氣提純用于車用燃氣最好的國家;丹麥是集中型沼氣工程發展最有特色的國家,其中集中型聯合發酵沼氣工程已經非常成熟,并用于集中處理畜禽糞便、作物秸稈和工業廢棄物,大部分采用熱電肥聯產模式。

                  我國生物質氣化產業主要由氣化發電和農村氣化供氣組成。農村戶用沼氣利用有著較長的發展歷史,但生物燃氣工程建設起步于?20?世紀?70?年代。我國目前在生物質氣化及沼氣制備領域都具有國際一流的研究團隊,如中國科學院廣州能源研究所、中國科學院成都生物研究所、農業農村部沼氣研究所、農業農村部規劃設計研究院和東北農業大學等,這為相關研究提供了關鍵技術及平臺基礎。近年來,規模化生物燃氣工程得到了較快的發展,形成了熱電聯供、提純車用并網等模式。

                  固體成型燃料技術

                  歐美的固體成型燃料技術屬于領跑水平,其相關標準體系較為完善,形成了從原料收集、儲藏、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業鏈。目前,德國、瑞典、芬蘭、丹麥、加拿大、美國等國的固體成型燃料生產量均可達到?2?000?萬噸/年以上。

                  我國生物質固體成型燃料技術取得明顯的進展,生產和應用已初步形成了一定的規模。但近幾年,我國成型燃料產業發展呈現先增后降趨勢,全國年利用規模由?2010?年的?300?萬噸增長到?2014?年的?850?萬噸,2015?年后開始回落,主要是因為生物質直燃發電的環境效益受到爭議,部分省份甚至限制了生物質直燃、混燃發電項目。此外,我國很多中小型成型燃料生產車間因為環境衛生不達標而被強制關停。

                  生物基材料及化學品

                  生物基材料及化學品是未來發展的一大重點,目前,世界各國都在通過多種手段積極推動和促進生物基合成材料的發展。隨著生物煉制技術和生物催化技術的不斷進步,促使高能耗、高污染的有機合成逐漸被綠色可持續的生物合成所取代,由糖、淀粉、纖維素生產的生物基材料及化學品的產能增長迅猛,主要是中間體平臺化合物、聚合物占據主導地位。我國生物基材料已經具備一定產業規模,部分技術接近國際先進水平。當前,我國生物基材料行業以每年?20%-30%?的速度增長,逐步走向工業規模化實際應用和產業化階段。

                  生物質能發展趨勢

                  生物質能成本不斷降低

                  預計到?2020?年前,生物質混燃發電的技術成本將低于燃煤發電;生物質直燃發電的技術成本在?2025-2030?年可與燃煤發電持平,生物質氣化發電技術成熟時間約為?2030?年,可成為未來生物質發電的重要途徑。生物質熱電聯產供熱的成本到?2020?年前即可與燃煤供熱全成本相當。生物質鍋爐供熱則需到?2025-2030?年才能與燃煤供熱全成本相當。到?2020?年,養殖場畜禽糞便制取沼氣的成本與天然氣接近,其他生物質原料生產的沼氣以及生物質熱解氣成本均可低于天然氣,是未來天然氣的有效補充。到?2022?年,以非糧淀粉類和糖類為原料的生物乙醇成本可與同時期汽油成本相當,到?2025-2030?年,纖維素乙醇的成本與同時期汽油成本相當。

                  生物質液體燃料和生物燃氣的大產業時代即將到來

                  生物質液體燃料被列為我國"十三五"重點項目;2018?年底,國家能源局向各省及?9?家央企下發了《國家能源局綜合司關于請編制生物天然氣發展中長期規劃的通知》,生物質燃氣被列入國家能源發展戰略,生物質液體燃料和生物質燃氣大規模替代化石能源的時代即將到來。美國計劃到?2025?年生物質燃料替代中東進口原油的?75%,2030?年生物質燃料替代車用燃料的?30%;德國預計到?2020?年沼氣發電總裝機容量達到?950?萬千瓦;日本計劃在?2020?年前車用燃料中乙醇摻混比例達到?50%?以上;另外印度、巴西、歐盟分別制定了"陽光計劃""酒精能源計劃"和"生物燃料戰略",加大生物質燃料的應用規模。預計到?2035?年,生物質燃料將替代世界約一半以上的汽、柴油,經濟環境效益顯著。

                  高值化生物基材料及化學品越來越受重視

                  在市場經濟和產業競爭激烈的今天,高值化生物質產品開發是生物質能發展趨勢之一,如高品質生物航油、軍用特種燃油增能添加劑、軍用超低凝點柴油、己二酸、高分子單體乙二醇、低成本生物塑料和生物質染色劑等。目前,我國生物質現代高值利用技術突破已經到了新時代,與發達國家技術同步發展,具備支撐產業的發展的基礎。例如,大規模利用秸稈做生物航油、性能優良的生物基材料、高附加值化學品等技術已經領先于發達國家,具有經濟競爭力,仍需進一步夯實國際領先地位。當前中美貿易摩擦正處于焦灼時刻,應緊緊抓住國際、國內發展戰略機遇期,系統規劃"另一半農業--農業生物質與生物質能源"的綜合利用和發展策略,這將對我國社會經濟的轉型發展發揮重要作用。

                  多學科交叉,多技術深度融合發展

                  隨著現代信息技術、生物技術、計算機技術、先進制造技術、高分子材料等領域取得的重大科學突破,"互聯網+""大數據"和"人工智能"將為生物質能發展帶來新的機遇,多學科深度融合將成為未來發展的必然趨勢,生物質能開發利用將呈現多元化、智能化和網絡化的發展態勢。

                  新型生物質大規模發展

                  隨著生物質產業的飛速發展,傳統生物質資源不足以支撐龐大的生物質資源需求,在高效循環利用傳統農林生物質的基礎上,必須發展新型生物質(如藻類和能源植物等)以滿足產業發展需求。

                  我國生物質能面臨的挑戰

                  基礎研究薄弱,源頭創新不足

                  我國生物質發電在原料預處理及高效轉化與成套裝備研制等核心技術方面仍存在瓶頸。①生物質直燃發電技術方面。我國在鍋爐系統、配套輔助設備工藝等方面與歐洲國家還有較大差距,燃燒裝置沉積結渣和防腐技術需要突破;氣化發電技術存在效率低、規模小、副產物處置難等缺點;混燒發電技術還沒有建立完善的混燒比例檢測系統、高效生物質燃料鍋爐及其喂料系統。②生物質液體燃料方面。我國纖維素原料燃料乙醇生產技術尚處于中試階段;生物質合成燃料技術仍處于起步階段;生物質液體燃料的轉化反應機理、高效長壽命催化劑、酶轉化等方面的基礎研究薄弱,精制工藝和副產物回收技術開發力度不足,存在轉化率不高、產品質量不穩定等問題。③生物質燃氣方面。我國生物質制氫仍停留在實驗室階段,催化合成氣技術處于中試階段;沼氣技術發展迅速,大中型沼氣工程建設速度明顯加快,但高效厭氧發酵技術、沼氣提純與儲運技術需進一步提高。④生物質成型燃料方面。固體成型燃料的成型粘接機制和絡合成型機理尚不清楚。⑤生物基化學品及材料方面。與國際先進水平相比,我國在產品性能、制造成本、關鍵技術集成與產業化規模等方面還存在較大差距。能源植物資源品種培育的分子遺傳育種才剛起步,且對培育出來的優良品種的利用與推廣較少。

                  關鍵技術和裝備國際依存度高

                  發達國家在生物質資源利用和產品制造領域已居于領先地位并且占領了產業主導權。為了維護其引領產業發展的戰略地位和經濟利益,發達國家普遍對生物質轉化利用的核心技術進行封鎖和壟斷,我國很多關鍵技術(如生物質轉化的纖維素酶、己二酸等平臺化合物、高分子單體乙二醇、高性能低成本生物塑料單體技術和非金屬仿真催化劑等)和關鍵設備(如流動反應器、集儲設備的打結器、反應器自控系統等)依賴進口,導致生物質原料規模化生產、集儲效率低,產業成本高。

                  生物質資源未能高效利用成為污染源

                  我國每年約產生作物秸稈?9?億噸,畜禽糞便?45?億噸,林業三剩物?4.5?億噸,農業加工剩余物?1?億噸,以及生活垃圾?2?億噸。這些生物質資源大部分沒能有效資源化利用,而是被露天焚燒或者隨意丟棄,成為大氣污染、水體污染和土壤污染的源頭。如果將這些有機廢棄物轉化成生物質能源或產品,每年可減少上千萬噸的化學需氧量(COD)排放量,每年減少CO2排放量約?20?億噸、NOx排放量約?200?萬噸、SO2排放量約?560?萬噸、粉塵約?3?億噸。

                  我國生物質發展對策

                  加強原始性創新,促進生物質高值綜合利用

                  生物質資源利用要走綜合化、高值化的路徑。在高值化的研究方面需要深入認識生物質不同營養組織、不同生長階段的微觀結構及其演變規律,探索生物質結構演變規律對解聚特性的影響。融合更多學科的知識與研究方法,多維度、多視角地對生物質的水熱轉化過程進行研究,逐步豐富與完善生物質水熱催化轉化理論與方法。樹立多元化利用新理念,發展生物質資源高效轉化為燃料、化學品、材料等多種產品的特色技術和理論體系。

                  生物質綜合利用重點是發展綠色制造、促進多能互補、開展工農一體化利用。綠色制造要以工業生物技術為核心,結合生物學、化學、工程學等技術,從生物質等原料出發,構建生產化學品、能源與材料的新工業模式。多能互補是建立適應社會可持續發展的"品級對口、多子相干、能勢匹配、多能互補、碳氫循環"的能源轉化利用新理念,構建潔凈低碳、安全高效的國家能源供應與轉化利用新體系,實現多能互補、提質增效的能源綜合高效轉化利用模式。生物質資源工農一體化利用是將生物燃料、肥料、飼料進行一體化設計,實現生物質全組分的高效轉化與循環利用。

                  加強頂層設計,進行系統設計規劃

                  發展生物質能技術,必須與美麗鄉村建設、精準扶貧等國家重大戰略相結合。要統籌考慮各種需求,協同考慮能源、資源、環境、生產模式、生活方式等,進行多元技術集成;要通過工業化的手段實現技術的規模化、組織化、裝備化;采用市場化的運行模式,將資本運作、技術服務、商品交易等融入生物質能產業的發展中。必須轉變農村零散化、個體化的生產生活模式,設計、規劃與人居環境相耦合的集中養殖和集中種植區域,以農村廢物循環代謝及資源化、能源化利用為控制要素,實現廢物的近零排放與資源最大化利用,構建生產-生活-生態一體化協調發展的新的農村發展模式,以實現連片發展、協同發展、規模發展。

                  構建多種廢物協同處理的能源化工系統

                  構建智能化、規模化多原料來源的物理、化學、生物轉化一體的農村廢棄物綜合利用系統,改變傳統單一處置模式,增進各種生物質的互補與融合,實現多種廢棄物協同處置與多聯產。主要包括:畜禽糞便-能源作物協同處置與能源化利用系統、農村垃圾-畜禽糞便-生物質廢物協同處置與多聯產系統、多聯產技術產品深加工系統等,建設"代謝共生產業園",實現區域內單一工程對各類鄉村廢物處置利用,實現各類農村廢物全量協同資源化利用,將農林廢棄物轉化為可燃氣、化工原料、有機肥及其他資源,提高農村廢棄物綜合利用的有效性和經濟性。

                  加強國際交流與合作

                  引進國外先進的生物質利用技術和設備,并進行消化、吸收和再創新,加快研制生物質關鍵技術和裝備,打破國際壟斷,建立擁有自主知識產權的技術體系,建立符合中國國情的生物質能開發利用結構體系;加強平臺建設并完善技術創新體系,依托科研院所、大學和大型骨干企業,聯合國內相關機構,組建工程技術中心及重點實驗室。設立重大科技專項,對農林廢物能源化工系統、生活固廢綜合利用系統、特色農林廢物資源化系統、畜禽糞便能源化工系統、多種廢物協同處置與多聯產系統及能源植物選種育種與利用系統等技術方向的關鍵技術開展技術攻關。推進生物質能人才培育納入人才規劃綱要,特別是針對能源植物、生物質功能材料利用領域的科研人才。

                  我國生物質未來發展重點

                  生物液體燃料

                  突破農林畜牧廢棄物轉化為航空煤油、生物柴油和乙醇等生物質液體燃料的能源化工關鍵技術,加快推進生物質液體燃料清潔制備與高值化利用技術產業化。加快推進新一代木質纖維素生物航油技術研發和標準制定,打破發達國家在傳統航油、費托合成油、油脂生物航油技術壁壘,提升我國生物航空燃油產業的國際競爭力;創新解決新型生物質能源的培養與轉換技術,掌握藻轉化制取液體燃料的反應調控機制及改性提質原理,突破產油微藻核心性狀的遺傳多樣性、進化途徑與誘變育種技術,顯著提高燃料的轉化效率,使得微藻固碳制油成本顯著降低;加快燃料乙醇推廣應用,促進原料多元化供應,適度發展非糧燃料乙醇;升級改造生物柴油項目,加快推進生物柴油在交通領域的產業化應用。未來,生物質轉化為液體燃料的技術將取得重大突破,一大批示范工程和產業基地將建立,生產規模將達到年產千萬噸級以上。

                  生物天然氣

                  結合國家調整能源消費結構、減排克霾、鄉村振興的需要,推進生物天然氣技術進步及商業化。突破高負荷溫度厭氧消化及"三沼"利用等關鍵技術,實現各項技術優化及工程示范推廣;建立高負荷厭氧消化穩定控制系統,加強厭氧消化過程生物強化制劑研究,突破嚴寒地區中溫厭氧消化恒溫補償機理;開展沼氣集中供氣、熱電聯供、純化車用及入網成套關鍵技術研發,突破沼氣生物甲烷化原位脫碳及制備化工產品關鍵技術,實現沼氣能源化工利用;通過移動式沼氣提純及吸附式儲運關鍵技術研發,突破沼液水肥一體化施用、濃縮調質制水溶肥及沼液氮磷礦化回收和生產飼料/材料關鍵技術,實現沼液養分回收利用;突破保氮保水等生物有機肥制備關鍵技術,開展催腐、除臭、保水、保氮堆肥專用菌劑研究,突破模塊化移動式堆肥裝備研發關鍵技術,實現通過沼渣生產功能有機肥。開展規模化生物天然氣工程和大中型沼氣工程建設,落實沼氣和生物天然氣增值稅即征即退政策,支持生物天然氣和沼氣工程開展碳交易項目。

                  生物基材料及化學品

                  針對生物基材料產品功能單一、產品性能和附加值低等問題,利用農林生物質資源,重點突破纖維素/木質素大分子動態鍵合、活性可控聚合、天然大分子自組裝及可控光催化聚合等定向合成及功能化改性關鍵技術,創制具有高機械強度、光磁、抗菌、環境響應、自修復、緩釋等性能的化學品,構建高性能、高附加值產品技術體系,實現生物質原料對石化原料的大規模替代;突破提取剩余物熱解制備生物炭關鍵技術,生物炭物理活化與高效利用關鍵技術及生物炭制備過程能量自給系統關鍵技術,加快推動生物炭功能材料利用;加快推進特色有機廢物(如板栗殼、椰殼、蝦頭、葛根等)的高值化利用。

                  固體成型燃料供熱

                  針對我國固體成型燃料現狀,形成從秸稈原料收集、儲存、運輸成型、配送到高效轉化的完善產業鏈。通過技術研發掌握生物質成型粘接機制和絡合成型機理,實現生物質成型燃料的高品質化和低能耗化。加強大型生物質鍋爐低氮燃燒關鍵技術進步和設備制造,推進設備制造標準化系列化成套化。加強檢測認證體系建設,強化對工程與產品的質量監督。

                  生物質發電

                  進一步完善適合我國國情的秸稈燃燒發電技術和配套設施,使秸稈燃燒發電的效率和運行時間與燃煤電廠接近;掌握生物質燃燒裝置沉積結渣和腐蝕特性,改善生物質直燃項目的運行品質和可靠性。突破低結渣、低腐蝕、低污染排放的生物質直燃發電技術、混燃發電計量檢測技術與高效潔凈的氣化發電技術,并通過技術裝備創新實現大規模產業化應用。加快推進清潔環保的垃圾焚燒發電技術,積極建設垃圾填埋氣發電項目,因地制宜推進沼氣發電項目建設,綜合利用工業有機廢水和城市生活污水生產沼氣并發電。提高生物質熱電聯產的效率,積極推動生物質分布式能源系統建設。

                  作為可再生能源的"核心",生物質能的開發利用不僅能改善生態環境,有力支撐美麗宜居鄉村建設,同時可解決我國農村的能源短缺,推進農村能源革命,并促進綠色農業發展,創造新的經濟增長點,是實現能源、環境和經濟可持續發展的重要途徑。在新時代,生物質資源利用要走綜合化、高值化的路徑。緊緊圍繞城鄉一體化發展、鄉村振興與環境污染治理重大需求,通過科學技術突破,尤其是基礎科學發現,找到生物質高值利用的新路徑,找到生物質產業發展的新方案。重點瞄準生物基材料、化學品、高品質燃料等高值化的轉化途徑,依靠科技創新增加產業附加值,實現生物質產業的轉型升級。目前生物質能產業正處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段,生物質能的發展需結合我國實際情況,面對各種挑戰,做好頂層設計,把握具有基礎性、前瞻性的技術發展方向,創新發展模式,為我國生物質能產業的快速發展提供科技支撐。

                關鍵詞: 區塊鏈, 生物質能

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                生物質能研究現狀及未來發展策略

                發布時間:2019-05-07   來源:中國科學院院刊

                  生物質能是一種重要的可再生能源,直接或間接來自植物的光合作用,一般取材于農林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等,可通過物理轉換(固體成型燃料)、化學轉換(直接燃燒、氣化、液化)、生物轉換(如發酵轉換成甲烷)等形式轉化為固態、液態和氣態燃料。由于生物質能具有環境友好、成本低廉和碳中性等特點,迫于能源短缺與環境惡化的雙重壓力,各國政府高度重視生物質資源的開發和利用。近年來,全球生物質能的開發利用技術取得了飛速發展,應用成本快速下降,以生物質產業為支撐的"生物質經濟"被國際學界認為是正在到來的"接棒"石化基"烴經濟"的下一個經濟形態。因此,系統梳理生物質能技術的發展現狀及趨勢,明確我國發展生物質能面臨的挑戰并制定未來策略,對推動我國生態文明建設、能源革命和低碳經濟發展,保障美麗鄉村建設、應對全球氣候變化等國家重大戰略實施具有重要意義。

                  生物質能發展現狀

                  隨著國際社會對保障能源安全、保護生態環境、應對氣候變化等問題日益重視,加快開發利用生物質能等可再生能源已成為世界各國的普遍共識和一致行動,也是全球能源轉型及實現應對氣候變化目標的重大戰略舉措。生物基材料、生物質燃料、生物基化學品是涉及民生質量和國家能源與糧食安全的重大戰略產品。2017年,全球生物基材料與生物質能源產業規模超過1萬億美元,美國達到4000億美元。美國規劃2020年生物基材料取代石化基材料的25%;全球經濟合作與發展組織(OECD)發布的"面向2030生物經濟施政綱領"戰略報告預計,2030年全球將有大約35%的化學品和其他工業產品來自生物制造;生物質能源已成為位居全球第一的可再生能源,美國規劃到2030年生物質能源占運輸燃料的30%,瑞典、芬蘭等國規劃到2040年前后生物質燃料完全替代石油基車用燃料。

                  目前,世界各國都提出了明確的生物質能源發展目標,制定了相關發展規劃、法規和政策,促進可再生的生物質能源發展。例如,美國的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇、北歐的生物質發電、德國的生物燃氣等產業快速發展。

                  經過多年的努力,我國科學家也在生物質能源的幾個研究領域中占據國際領先或者齊平的地位。在國家相關經費尤其是中國科學院戰略性先導科技專項的支持下,中國科學院以具有顛覆性特色的木質纖維素原料制備生物航油聯產化學品技術、支撐國家燃料乙醇和生物質燃料產業發展的農業廢棄物醇烷聯產技術為核心,突破關鍵技術并進行工業示范。針對低值生物質資源的高值利用難題,已建立了國際首套百噸級秸稈原料水相催化制備生物航油示范系統,產品質量達到?ASTM-D-7566(A2)標準,并擬于近年建成國際首套千噸級示范系統、千噸級呋喃類產品/異山梨醇的中試與工業示范、30?萬噸秸稈乙醇及配套熱電聯產工業示范、年千萬立方米生物燃氣綜合利用與分布式供能工業化示范工程等一批體現技術特色、區域特色和產品特色的示范工程,進一步強化保持我國以上生物質能領域技術創新的國際領先地位。

                  生物質能技術主要包括生物質發電、生物液體燃料、生物燃氣、固體成型燃料、生物基材料及化學品等,以下將針對各個具體技術的發展現狀分別進行分析。

                  生物質發電技術

                  生物質發電技術是最成熟、發展規模最大的現代生物質能利用技術。目前,全球共有?3?800?個生物質發電廠,裝機容量約為?6?000?萬千瓦,生物質發電技術在歐美發展最為完善。丹麥的農林廢棄物直接燃燒發電技術,挪威、瑞典、芬蘭和美國的生物質混燃發電技術均處于世界領先水平。日本的垃圾焚燒發電發展迅速,處理量占生活垃圾無害化清運量的?70%?以上。

                  我國的生物質發電以直燃發電為主,技術起步較晚但發展非常迅速。截至?2017?年底,我國生物質發電并網裝機總容量為?1?476.2?萬千瓦,其中農林生物質發電累計并網裝機?700.9?萬千瓦,生活垃圾焚燒發電累計并網裝機?725.3?萬千瓦,沼氣發電累計并網裝機?50.0?萬千瓦;我國生物質發電裝機總容量僅次于美國,居世界第二位。

                  生物液體燃料

                  生物液體燃料已成為最具發展潛力的替代燃料,其中生物柴油和燃料乙醇技術已經實現了規模化發展。

                  2017?年全球生物柴油的產量達到?3?223.2?萬噸,美國、巴西、印尼、阿根廷和歐盟是生物柴油生產的主要國家和地區,其中歐盟的生物柴油產量占全球產量的?37%,美國占?8%,巴西占?2%。我國生物柴油生產技術國際領先,國家標準也已與國際接軌,但由于推廣使用困難,導致目前國內生物柴油產量呈逐年下滑態勢。

                  2017?年全球生物燃料乙醇的產量達?7?981?萬噸,美國和巴西是燃料乙醇生產量最大的國家,產量分別為?4?410?萬噸和?2?128?萬噸。我國以玉米、木薯等為原料的?1?代和?1.5?代生產技術工藝成熟穩定,以秸稈等農林廢棄物為原料的?2?代先進生物燃料技術已具備產業化示范條件,目前我國生物燃料乙醇產量約為?260?萬噸/年,僅占全球總產量的?3%,仍然有較大的發展空間。

                  我國利用纖維素生產生物航油技術取得突破,實現了生物質中半纖維素和纖維素共轉化合成生物航空燃油,目前已在國際上率先進入示范應用階段。利用動植物油脂為原料,采用自主研發的加氫技術、催化劑體系和工藝技術生產的生物航空燃油已成功應用于商業化載客飛行示范,這使我國成為世界少數幾個擁有生物航空燃油自主研發生產技術并成功商業化的國家。

                  生物燃氣技術

                  生物燃氣技術已經成熟,并實現產業化。歐洲是沼氣技術最成熟的地區,德國、瑞典、丹麥、荷蘭等發達國家的生物燃氣工程裝備已達到了設計標準化、產品系列化、組裝模塊化、生產工業化和操作規范化。德國是目前世界上農村沼氣工程數量最多的國家;瑞典是沼氣提純用于車用燃氣最好的國家;丹麥是集中型沼氣工程發展最有特色的國家,其中集中型聯合發酵沼氣工程已經非常成熟,并用于集中處理畜禽糞便、作物秸稈和工業廢棄物,大部分采用熱電肥聯產模式。

                  我國生物質氣化產業主要由氣化發電和農村氣化供氣組成。農村戶用沼氣利用有著較長的發展歷史,但生物燃氣工程建設起步于?20?世紀?70?年代。我國目前在生物質氣化及沼氣制備領域都具有國際一流的研究團隊,如中國科學院廣州能源研究所、中國科學院成都生物研究所、農業農村部沼氣研究所、農業農村部規劃設計研究院和東北農業大學等,這為相關研究提供了關鍵技術及平臺基礎。近年來,規模化生物燃氣工程得到了較快的發展,形成了熱電聯供、提純車用并網等模式。

                  固體成型燃料技術

                  歐美的固體成型燃料技術屬于領跑水平,其相關標準體系較為完善,形成了從原料收集、儲藏、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業鏈。目前,德國、瑞典、芬蘭、丹麥、加拿大、美國等國的固體成型燃料生產量均可達到?2?000?萬噸/年以上。

                  我國生物質固體成型燃料技術取得明顯的進展,生產和應用已初步形成了一定的規模。但近幾年,我國成型燃料產業發展呈現先增后降趨勢,全國年利用規模由?2010?年的?300?萬噸增長到?2014?年的?850?萬噸,2015?年后開始回落,主要是因為生物質直燃發電的環境效益受到爭議,部分省份甚至限制了生物質直燃、混燃發電項目。此外,我國很多中小型成型燃料生產車間因為環境衛生不達標而被強制關停。

                  生物基材料及化學品

                  生物基材料及化學品是未來發展的一大重點,目前,世界各國都在通過多種手段積極推動和促進生物基合成材料的發展。隨著生物煉制技術和生物催化技術的不斷進步,促使高能耗、高污染的有機合成逐漸被綠色可持續的生物合成所取代,由糖、淀粉、纖維素生產的生物基材料及化學品的產能增長迅猛,主要是中間體平臺化合物、聚合物占據主導地位。我國生物基材料已經具備一定產業規模,部分技術接近國際先進水平。當前,我國生物基材料行業以每年?20%-30%?的速度增長,逐步走向工業規模化實際應用和產業化階段。

                  生物質能發展趨勢

                  生物質能成本不斷降低

                  預計到?2020?年前,生物質混燃發電的技術成本將低于燃煤發電;生物質直燃發電的技術成本在?2025-2030?年可與燃煤發電持平,生物質氣化發電技術成熟時間約為?2030?年,可成為未來生物質發電的重要途徑。生物質熱電聯產供熱的成本到?2020?年前即可與燃煤供熱全成本相當。生物質鍋爐供熱則需到?2025-2030?年才能與燃煤供熱全成本相當。到?2020?年,養殖場畜禽糞便制取沼氣的成本與天然氣接近,其他生物質原料生產的沼氣以及生物質熱解氣成本均可低于天然氣,是未來天然氣的有效補充。到?2022?年,以非糧淀粉類和糖類為原料的生物乙醇成本可與同時期汽油成本相當,到?2025-2030?年,纖維素乙醇的成本與同時期汽油成本相當。

                  生物質液體燃料和生物燃氣的大產業時代即將到來

                  生物質液體燃料被列為我國"十三五"重點項目;2018?年底,國家能源局向各省及?9?家央企下發了《國家能源局綜合司關于請編制生物天然氣發展中長期規劃的通知》,生物質燃氣被列入國家能源發展戰略,生物質液體燃料和生物質燃氣大規模替代化石能源的時代即將到來。美國計劃到?2025?年生物質燃料替代中東進口原油的?75%,2030?年生物質燃料替代車用燃料的?30%;德國預計到?2020?年沼氣發電總裝機容量達到?950?萬千瓦;日本計劃在?2020?年前車用燃料中乙醇摻混比例達到?50%?以上;另外印度、巴西、歐盟分別制定了"陽光計劃""酒精能源計劃"和"生物燃料戰略",加大生物質燃料的應用規模。預計到?2035?年,生物質燃料將替代世界約一半以上的汽、柴油,經濟環境效益顯著。

                  高值化生物基材料及化學品越來越受重視

                  在市場經濟和產業競爭激烈的今天,高值化生物質產品開發是生物質能發展趨勢之一,如高品質生物航油、軍用特種燃油增能添加劑、軍用超低凝點柴油、己二酸、高分子單體乙二醇、低成本生物塑料和生物質染色劑等。目前,我國生物質現代高值利用技術突破已經到了新時代,與發達國家技術同步發展,具備支撐產業的發展的基礎。例如,大規模利用秸稈做生物航油、性能優良的生物基材料、高附加值化學品等技術已經領先于發達國家,具有經濟競爭力,仍需進一步夯實國際領先地位。當前中美貿易摩擦正處于焦灼時刻,應緊緊抓住國際、國內發展戰略機遇期,系統規劃"另一半農業--農業生物質與生物質能源"的綜合利用和發展策略,這將對我國社會經濟的轉型發展發揮重要作用。

                  多學科交叉,多技術深度融合發展

                  隨著現代信息技術、生物技術、計算機技術、先進制造技術、高分子材料等領域取得的重大科學突破,"互聯網+""大數據"和"人工智能"將為生物質能發展帶來新的機遇,多學科深度融合將成為未來發展的必然趨勢,生物質能開發利用將呈現多元化、智能化和網絡化的發展態勢。

                  新型生物質大規模發展

                  隨著生物質產業的飛速發展,傳統生物質資源不足以支撐龐大的生物質資源需求,在高效循環利用傳統農林生物質的基礎上,必須發展新型生物質(如藻類和能源植物等)以滿足產業發展需求。

                  我國生物質能面臨的挑戰

                  基礎研究薄弱,源頭創新不足

                  我國生物質發電在原料預處理及高效轉化與成套裝備研制等核心技術方面仍存在瓶頸。①生物質直燃發電技術方面。我國在鍋爐系統、配套輔助設備工藝等方面與歐洲國家還有較大差距,燃燒裝置沉積結渣和防腐技術需要突破;氣化發電技術存在效率低、規模小、副產物處置難等缺點;混燒發電技術還沒有建立完善的混燒比例檢測系統、高效生物質燃料鍋爐及其喂料系統。②生物質液體燃料方面。我國纖維素原料燃料乙醇生產技術尚處于中試階段;生物質合成燃料技術仍處于起步階段;生物質液體燃料的轉化反應機理、高效長壽命催化劑、酶轉化等方面的基礎研究薄弱,精制工藝和副產物回收技術開發力度不足,存在轉化率不高、產品質量不穩定等問題。③生物質燃氣方面。我國生物質制氫仍停留在實驗室階段,催化合成氣技術處于中試階段;沼氣技術發展迅速,大中型沼氣工程建設速度明顯加快,但高效厭氧發酵技術、沼氣提純與儲運技術需進一步提高。④生物質成型燃料方面。固體成型燃料的成型粘接機制和絡合成型機理尚不清楚。⑤生物基化學品及材料方面。與國際先進水平相比,我國在產品性能、制造成本、關鍵技術集成與產業化規模等方面還存在較大差距。能源植物資源品種培育的分子遺傳育種才剛起步,且對培育出來的優良品種的利用與推廣較少。

                  關鍵技術和裝備國際依存度高

                  發達國家在生物質資源利用和產品制造領域已居于領先地位并且占領了產業主導權。為了維護其引領產業發展的戰略地位和經濟利益,發達國家普遍對生物質轉化利用的核心技術進行封鎖和壟斷,我國很多關鍵技術(如生物質轉化的纖維素酶、己二酸等平臺化合物、高分子單體乙二醇、高性能低成本生物塑料單體技術和非金屬仿真催化劑等)和關鍵設備(如流動反應器、集儲設備的打結器、反應器自控系統等)依賴進口,導致生物質原料規模化生產、集儲效率低,產業成本高。

                  生物質資源未能高效利用成為污染源

                  我國每年約產生作物秸稈?9?億噸,畜禽糞便?45?億噸,林業三剩物?4.5?億噸,農業加工剩余物?1?億噸,以及生活垃圾?2?億噸。這些生物質資源大部分沒能有效資源化利用,而是被露天焚燒或者隨意丟棄,成為大氣污染、水體污染和土壤污染的源頭。如果將這些有機廢棄物轉化成生物質能源或產品,每年可減少上千萬噸的化學需氧量(COD)排放量,每年減少CO2排放量約?20?億噸、NOx排放量約?200?萬噸、SO2排放量約?560?萬噸、粉塵約?3?億噸。

                  我國生物質發展對策

                  加強原始性創新,促進生物質高值綜合利用

                  生物質資源利用要走綜合化、高值化的路徑。在高值化的研究方面需要深入認識生物質不同營養組織、不同生長階段的微觀結構及其演變規律,探索生物質結構演變規律對解聚特性的影響。融合更多學科的知識與研究方法,多維度、多視角地對生物質的水熱轉化過程進行研究,逐步豐富與完善生物質水熱催化轉化理論與方法。樹立多元化利用新理念,發展生物質資源高效轉化為燃料、化學品、材料等多種產品的特色技術和理論體系。

                  生物質綜合利用重點是發展綠色制造、促進多能互補、開展工農一體化利用。綠色制造要以工業生物技術為核心,結合生物學、化學、工程學等技術,從生物質等原料出發,構建生產化學品、能源與材料的新工業模式。多能互補是建立適應社會可持續發展的"品級對口、多子相干、能勢匹配、多能互補、碳氫循環"的能源轉化利用新理念,構建潔凈低碳、安全高效的國家能源供應與轉化利用新體系,實現多能互補、提質增效的能源綜合高效轉化利用模式。生物質資源工農一體化利用是將生物燃料、肥料、飼料進行一體化設計,實現生物質全組分的高效轉化與循環利用。

                  加強頂層設計,進行系統設計規劃

                  發展生物質能技術,必須與美麗鄉村建設、精準扶貧等國家重大戰略相結合。要統籌考慮各種需求,協同考慮能源、資源、環境、生產模式、生活方式等,進行多元技術集成;要通過工業化的手段實現技術的規模化、組織化、裝備化;采用市場化的運行模式,將資本運作、技術服務、商品交易等融入生物質能產業的發展中。必須轉變農村零散化、個體化的生產生活模式,設計、規劃與人居環境相耦合的集中養殖和集中種植區域,以農村廢物循環代謝及資源化、能源化利用為控制要素,實現廢物的近零排放與資源最大化利用,構建生產-生活-生態一體化協調發展的新的農村發展模式,以實現連片發展、協同發展、規模發展。

                  構建多種廢物協同處理的能源化工系統

                  構建智能化、規模化多原料來源的物理、化學、生物轉化一體的農村廢棄物綜合利用系統,改變傳統單一處置模式,增進各種生物質的互補與融合,實現多種廢棄物協同處置與多聯產。主要包括:畜禽糞便-能源作物協同處置與能源化利用系統、農村垃圾-畜禽糞便-生物質廢物協同處置與多聯產系統、多聯產技術產品深加工系統等,建設"代謝共生產業園",實現區域內單一工程對各類鄉村廢物處置利用,實現各類農村廢物全量協同資源化利用,將農林廢棄物轉化為可燃氣、化工原料、有機肥及其他資源,提高農村廢棄物綜合利用的有效性和經濟性。

                  加強國際交流與合作

                  引進國外先進的生物質利用技術和設備,并進行消化、吸收和再創新,加快研制生物質關鍵技術和裝備,打破國際壟斷,建立擁有自主知識產權的技術體系,建立符合中國國情的生物質能開發利用結構體系;加強平臺建設并完善技術創新體系,依托科研院所、大學和大型骨干企業,聯合國內相關機構,組建工程技術中心及重點實驗室。設立重大科技專項,對農林廢物能源化工系統、生活固廢綜合利用系統、特色農林廢物資源化系統、畜禽糞便能源化工系統、多種廢物協同處置與多聯產系統及能源植物選種育種與利用系統等技術方向的關鍵技術開展技術攻關。推進生物質能人才培育納入人才規劃綱要,特別是針對能源植物、生物質功能材料利用領域的科研人才。

                  我國生物質未來發展重點

                  生物液體燃料

                  突破農林畜牧廢棄物轉化為航空煤油、生物柴油和乙醇等生物質液體燃料的能源化工關鍵技術,加快推進生物質液體燃料清潔制備與高值化利用技術產業化。加快推進新一代木質纖維素生物航油技術研發和標準制定,打破發達國家在傳統航油、費托合成油、油脂生物航油技術壁壘,提升我國生物航空燃油產業的國際競爭力;創新解決新型生物質能源的培養與轉換技術,掌握藻轉化制取液體燃料的反應調控機制及改性提質原理,突破產油微藻核心性狀的遺傳多樣性、進化途徑與誘變育種技術,顯著提高燃料的轉化效率,使得微藻固碳制油成本顯著降低;加快燃料乙醇推廣應用,促進原料多元化供應,適度發展非糧燃料乙醇;升級改造生物柴油項目,加快推進生物柴油在交通領域的產業化應用。未來,生物質轉化為液體燃料的技術將取得重大突破,一大批示范工程和產業基地將建立,生產規模將達到年產千萬噸級以上。

                  生物天然氣

                  結合國家調整能源消費結構、減排克霾、鄉村振興的需要,推進生物天然氣技術進步及商業化。突破高負荷溫度厭氧消化及"三沼"利用等關鍵技術,實現各項技術優化及工程示范推廣;建立高負荷厭氧消化穩定控制系統,加強厭氧消化過程生物強化制劑研究,突破嚴寒地區中溫厭氧消化恒溫補償機理;開展沼氣集中供氣、熱電聯供、純化車用及入網成套關鍵技術研發,突破沼氣生物甲烷化原位脫碳及制備化工產品關鍵技術,實現沼氣能源化工利用;通過移動式沼氣提純及吸附式儲運關鍵技術研發,突破沼液水肥一體化施用、濃縮調質制水溶肥及沼液氮磷礦化回收和生產飼料/材料關鍵技術,實現沼液養分回收利用;突破保氮保水等生物有機肥制備關鍵技術,開展催腐、除臭、保水、保氮堆肥專用菌劑研究,突破模塊化移動式堆肥裝備研發關鍵技術,實現通過沼渣生產功能有機肥。開展規模化生物天然氣工程和大中型沼氣工程建設,落實沼氣和生物天然氣增值稅即征即退政策,支持生物天然氣和沼氣工程開展碳交易項目。

                  生物基材料及化學品

                  針對生物基材料產品功能單一、產品性能和附加值低等問題,利用農林生物質資源,重點突破纖維素/木質素大分子動態鍵合、活性可控聚合、天然大分子自組裝及可控光催化聚合等定向合成及功能化改性關鍵技術,創制具有高機械強度、光磁、抗菌、環境響應、自修復、緩釋等性能的化學品,構建高性能、高附加值產品技術體系,實現生物質原料對石化原料的大規模替代;突破提取剩余物熱解制備生物炭關鍵技術,生物炭物理活化與高效利用關鍵技術及生物炭制備過程能量自給系統關鍵技術,加快推動生物炭功能材料利用;加快推進特色有機廢物(如板栗殼、椰殼、蝦頭、葛根等)的高值化利用。

                  固體成型燃料供熱

                  針對我國固體成型燃料現狀,形成從秸稈原料收集、儲存、運輸成型、配送到高效轉化的完善產業鏈。通過技術研發掌握生物質成型粘接機制和絡合成型機理,實現生物質成型燃料的高品質化和低能耗化。加強大型生物質鍋爐低氮燃燒關鍵技術進步和設備制造,推進設備制造標準化系列化成套化。加強檢測認證體系建設,強化對工程與產品的質量監督。

                  生物質發電

                  進一步完善適合我國國情的秸稈燃燒發電技術和配套設施,使秸稈燃燒發電的效率和運行時間與燃煤電廠接近;掌握生物質燃燒裝置沉積結渣和腐蝕特性,改善生物質直燃項目的運行品質和可靠性。突破低結渣、低腐蝕、低污染排放的生物質直燃發電技術、混燃發電計量檢測技術與高效潔凈的氣化發電技術,并通過技術裝備創新實現大規模產業化應用。加快推進清潔環保的垃圾焚燒發電技術,積極建設垃圾填埋氣發電項目,因地制宜推進沼氣發電項目建設,綜合利用工業有機廢水和城市生活污水生產沼氣并發電。提高生物質熱電聯產的效率,積極推動生物質分布式能源系統建設。

                  作為可再生能源的"核心",生物質能的開發利用不僅能改善生態環境,有力支撐美麗宜居鄉村建設,同時可解決我國農村的能源短缺,推進農村能源革命,并促進綠色農業發展,創造新的經濟增長點,是實現能源、環境和經濟可持續發展的重要途徑。在新時代,生物質資源利用要走綜合化、高值化的路徑。緊緊圍繞城鄉一體化發展、鄉村振興與環境污染治理重大需求,通過科學技術突破,尤其是基礎科學發現,找到生物質高值利用的新路徑,找到生物質產業發展的新方案。重點瞄準生物基材料、化學品、高品質燃料等高值化的轉化途徑,依靠科技創新增加產業附加值,實現生物質產業的轉型升級。目前生物質能產業正處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段,生物質能的發展需結合我國實際情況,面對各種挑戰,做好頂層設計,把握具有基礎性、前瞻性的技術發展方向,創新發展模式,為我國生物質能產業的快速發展提供科技支撐。

                      關鍵詞:電力, 生物質能


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