論我國的生物質(zhì)利用與發(fā)展

論我國的生物質(zhì)利用與發(fā)展

非農(nóng)業(yè)是指由光合作用產(chǎn)生的各種有機物質(zhì)中的太陽能。水生生物是水生生物的載體。在各種可再生能源中，生物質(zhì)是獨特的，不僅能貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據(jù)估計，地球上植物每年通過光合作用固定的碳達2×1011t，含能量達3×1018kJ，可開發(fā)的能源約相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。我國生物質(zhì)能資源相當(dāng)豐富，理論生物質(zhì)能資源約有50億t標(biāo)準(zhǔn)煤，是我國目前總能耗的4倍左右。用現(xiàn)代高新技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能，解決人類面臨的經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，對于建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進社會經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義。1堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在面臨礦產(chǎn)資源枯竭的背景下，全世界都在謀求以循環(huán)經(jīng)濟、生態(tài)經(jīng)濟為指導(dǎo)，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，從保護人類自然資源、生態(tài)環(huán)境出發(fā)，充分有效地利用可再生的、巨大的生物質(zhì)資源。生物質(zhì)能源和生物質(zhì)利用的戰(zhàn)略意義在于生物質(zhì)具有多功能、多效益的特點以及在滿足國家重大戰(zhàn)略需求方面的重要作用。(1）相關(guān)領(lǐng)域向農(nóng)村集中生產(chǎn)的領(lǐng)域增多“三農(nóng)”問題是關(guān)系我國經(jīng)濟發(fā)展和全面建設(shè)小康社會的關(guān)鍵性問題，關(guān)系著8億農(nóng)村居民和1億農(nóng)民工的發(fā)展需要和切身利益。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是多元化的新興產(chǎn)業(yè)，開始向食品、生物質(zhì)能源、生物質(zhì)材料、林產(chǎn)化工、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域擴展，未來農(nóng)民將不僅要生產(chǎn)食物和飼料，而且要生產(chǎn)能源、材料、化學(xué)制品等。結(jié)合我國農(nóng)村人口多，生物質(zhì)資源分散的特點，就地取材，大力發(fā)展沼氣池、生物質(zhì)壓塊炭化燃料、生物質(zhì)戶用氣化爐等生物質(zhì)能技術(shù)，在燃料方面實現(xiàn)生活小康，有利于改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生和居住區(qū)生活條件，全面提升農(nóng)民生活質(zhì)量，全面加快社會主義新農(nóng)村建設(shè)步伐。未來能源林業(yè)和能源農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，還將增加農(nóng)村就業(yè)機會，提高農(nóng)民收入，推動農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)，振興農(nóng)村經(jīng)濟。(2）中國能源的持續(xù)利用能源安全不僅包括能源供應(yīng)的安全，也包括由于能源生產(chǎn)與使用所致的生態(tài)環(huán)境安全。我國是一個能源生產(chǎn)和消費大國，又是以煤為主要能源消費的國家，煤炭消費量占我國一次能源消費總量的75%以上，接近世界同類國家平均值3倍；我國人均能源資源占有量卻不到世界平均水平的一半。據(jù)估計，我國煤炭資源最多可利用150a；已探明的石油資源為32億t，石油總儲量為300～600億t。以目前的消費速度粗略估算，到2030年石油資源將只剩下18%，到2037年將可能全部耗盡。石油進口依賴度逐年上升，2004年原油生產(chǎn)量1.747億t，而消費量猛增到3.0億t，凈進口原油達到1.17億t。近年來，多個省市拉閘限電，預(yù)示著國家電力供應(yīng)告急。中國的能源儲量與未來幾十年的發(fā)展需求之間已經(jīng)存在巨大的缺口，從長遠發(fā)展的角度來看，將經(jīng)濟發(fā)展建立在石油、煤炭等不可再生能源的基礎(chǔ)上是不適宜的。只有通過節(jié)約能源、開發(fā)新的可替代能源才能解決這一問題。我國傳統(tǒng)的生物質(zhì)資源為6.5億t，發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)還至少可提供相當(dāng)于10億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能源資源，發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是解決能源安全的重要選擇之一。(3）開發(fā)凈化空氣我國的煤炭消費量的80%是直接燃燒，造成環(huán)境污染問題嚴(yán)重，除城市煙塵污染外，酸雨現(xiàn)象也頻頻發(fā)生。在沒有切實可行辦法控制礦物燃料使用過程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境污染的情況下，減少使用量，開發(fā)潔凈可替代能源是唯一的解決辦法。我國尚有近1億hm2宜農(nóng)、宜林荒山荒地，可用于發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)，是發(fā)展?jié)崈艨商娲茉吹闹匾Y源。農(nóng)業(yè)廢棄物對環(huán)境形成了越來越大的面源污染壓力，通過實施生物質(zhì)能源利用技術(shù)，使生活垃圾和各種農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成為清潔能源和有機肥，變“廢”為“寶”，從根本上解決農(nóng)村普遍存在的“畜牧公害”和“秸稈問題”。(4）高分子材料特點人們?nèi)沼貌牧虾艽笠徊糠质鞘透碑a(chǎn)品，一旦石油出現(xiàn)短缺，必然引發(fā)石油相關(guān)產(chǎn)品（石化材料、工程塑料、電子原器件）等短缺的連鎖效應(yīng)，將嚴(yán)重影響到人們的日常生活。高分子材料是材料工業(yè)的重要支柱，現(xiàn)有的高分子材料基本上以石化資源為原料。我國年產(chǎn)1500萬t各類塑料制品，要消耗數(shù)以千萬t的寶貴的輕油資源和大量天然氣；還要形成約500萬t的難以降解的塑料垃圾。尤其是農(nóng)用塑料薄膜，每年生產(chǎn)、使用150萬t，基本上不能回收，大部分殘留于農(nóng)田。因此，開發(fā)可替代能源的新材料是關(guān)系到國計民生的頭等大事，生物質(zhì)材料的應(yīng)用將形成一場新的減少資源利用的工業(yè)革命，引領(lǐng)出一批新的產(chǎn)業(yè)。2制定并實施開發(fā)研究計劃自上世紀(jì)70年代的“石油危機”后，生物質(zhì)能源的開發(fā)利用引起了世界各國政府和科學(xué)家的關(guān)注，許多國家都制定和實施了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃。如日本的“陽光計劃”、印度的“綠色能源工程”、巴西的酒精能源計劃等。美國農(nóng)業(yè)部與能源部、環(huán)保署協(xié)同于2002年制定了生物質(zhì)能/材料研究開發(fā)計劃等。(1）種植生物，培養(yǎng)能源作物世界上生物質(zhì)資源數(shù)量龐大，形式繁多，除了小規(guī)模使用的傳統(tǒng)生物質(zhì)能（農(nóng)林廢棄物和加工廢棄物）外，可以大規(guī)模用于代替常規(guī)能源的生物能將成為未來可再生能源的主體，尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物。以科學(xué)的方法培育高產(chǎn)、抗逆性強的能源植物是發(fā)展生物質(zhì)能的根本保障。如：速生的桉樹，每年產(chǎn)量可達30～50t/hm2，甘蔗的年產(chǎn)量在40～80t/667m2，甜高粱是普通高粱的變種，每公頃可產(chǎn)10t籽粒和100莖稈，單位面積產(chǎn)糖量達到甜菜產(chǎn)糖量的2.5～2.7倍。美國、巴西、南非、阿根廷、印度等國都開展了培育和種植甜高粱及其生產(chǎn)燃料乙醇方面的研究與開發(fā)，而且取得了成果，中國在甜高粱木薯、菊芋、黃連木、麻瘋樹和耶路撒冷菜薊（Artichoke）等的開發(fā)上成果顯著。(2）覆蓋汽車用燃料燃料乙醇是國際上近年來最受關(guān)注的石油替代燃料之一，在汽油中摻入10%～15%的乙醇可使汽油燃燒得更完全，減少CO2的排放量。巴西2002年產(chǎn)乙醇1200多萬t，全面覆蓋汽車用燃料并大量出口美國。2000年，美國生產(chǎn)600萬t玉米乙醇，相當(dāng)于汽油消耗量的1%。據(jù)估計，如果美國農(nóng)林廢棄物都利用起來，可替代美國國內(nèi)40%的汽油。我國已在黑龍江、吉林、河南和安徽4省建設(shè)陳化糧生產(chǎn)燃料乙醇工程，并已在全國10余個城市開展了添加10%乙醇的汽油燃料應(yīng)用示范工作。利用數(shù)量巨大的農(nóng)作物秸稈和林產(chǎn)下腳料（含木質(zhì)纖維素）制取燃料乙醇是解決原料來源和降低成本的主要途徑之一，已經(jīng)列入我國的“十五”、“十一五”科技發(fā)展計劃中。(3）生物柴油生產(chǎn)發(fā)生快速增長，生物柴油生產(chǎn)已全面啟動利用大豆、油菜和食物殘（廢）油生產(chǎn)生物柴油很有前途。目前美國生物柴油年生產(chǎn)能力為100萬t以上；歐盟2001年已超過100萬t，計劃在2020年使生物柴油的市場占有率達12%；意大利已擁有9家生物柴油的生產(chǎn)廠；德國2000年已達25萬t，擁有300多個生物柴油加油站，1999年，德國Choren公司成功開發(fā)了生物質(zhì)間接液化生產(chǎn)合成柴油，2003年開始建設(shè)年產(chǎn)量達10萬t工業(yè)示范工程，預(yù)計2005年投產(chǎn)運行。美國能源署要求，到2010年，美國要將生物柴油產(chǎn)量提高到1200萬t。在“十五”期間，我國已在攻關(guān)計劃和“863”計劃中立項，開展野生植物油，如綠玉樹（Euphorbiatirucalli）和廢食用油生產(chǎn)生物柴油的研究。(4）生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電在發(fā)達國家已受到廣泛重視，主要工藝分3類：生物質(zhì)鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電。美國的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電占可再生能源發(fā)電量的70%；意大利發(fā)展了12MW生物質(zhì)IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)）示范項目，發(fā)電效率達31.7%；瑞典正試驗加壓氣化BIGCC；我國已開發(fā)和推廣應(yīng)用20多套MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。國家高科技發(fā)展計劃（“863”計劃）已建設(shè)4MW規(guī)模生物質(zhì)（秸稈）氣化發(fā)電的示范工程，系統(tǒng)發(fā)電效率可達到30%左右。(5）分離系統(tǒng)和發(fā)酵系統(tǒng)均有較好的發(fā)酵能力近年來畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的技術(shù)在歐、美等發(fā)達國家發(fā)展很快，在成套熱電沼氣工程技術(shù)、不同型號氣-油聯(lián)合發(fā)電機、大型實用型沼氣發(fā)酵罐體、儲料罐體、預(yù)處理和輸配氣和輸配電系統(tǒng)等方面均已遠遠超過沼氣的發(fā)源地———中國。英國有45座大型沼氣工程；瑞典2000年前后的2年內(nèi)建造了5座大型沼氣發(fā)酵裝置；丹麥2000年之前已經(jīng)建造了19座集中沼氣場和18座農(nóng)場沼氣裝置；德國建立了以沼氣發(fā)電并網(wǎng)為基礎(chǔ)的環(huán)境保護策略，吸納剩余勞動力。我國農(nóng)業(yè)部組織開展的以沼氣技術(shù)為核心的生態(tài)富民工程和以能源環(huán)境相結(jié)合的大型沼氣項目規(guī)模和數(shù)量還很??；在干發(fā)酵、沼氣發(fā)電等方面正進入探索性研究。(6）合成柴油的方法生物質(zhì)液化分為直接液化和間接液化。生物質(zhì)直接液化也稱為生物質(zhì)熱解液化，生物質(zhì)熱解液體產(chǎn)物呈棕黑色，粘度和中等的燃料油近似，含氧量高，熱穩(wěn)定性好，熱值約為17MJ/kg。生物質(zhì)間接液化是先將生物質(zhì)進行高溫氣化，得到合成氣，經(jīng)凈化后，合成二甲醚或甲醇等液體燃料，或進一步合成生產(chǎn)合成柴油。國際能源署（IEA）組織了包括Batelle、MIT等國際著名大學(xué)及實驗室在內(nèi)的10余個研究小組進行20余年工作；加拿大西安大略大學(xué)開發(fā)的生物質(zhì)直接超短接觸液化技術(shù)，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成本僅為50加元/t（約合300人民幣元/t），是生物質(zhì)液化技術(shù)重大突破；德國TUBINGEN大學(xué)開發(fā)了低溫裂解裝置處理城市垃圾，加料流量達2000kg/h；美國太陽能研究所建立了不同工藝的生物質(zhì)裂解油試驗裝置，產(chǎn)油率達70%左右；我國在熱解液化方面做了一系列的理論和實驗研究工作，中試裝置的建設(shè)已在國家十五“863計劃”中完成。(7）知識產(chǎn)權(quán)在非織造材料中的應(yīng)用國內(nèi)外企業(yè)對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)材料的開發(fā)利用非常重視，已開展大量工作。全世界每年生產(chǎn)可再生淀粉4000萬t以上，可再生纖維素（Cellulose）、半纖維素（Hemicellulose）、木質(zhì)素（Lignose)1500億t，但目前的利用率還不到總量的5%。美國眾議院通過一項農(nóng)業(yè)法案，批準(zhǔn)在2002年撥款500萬美元，2003～2007年，每年撥款1400萬美元，資助生物質(zhì)材料研究；富士通公司用玉米淀粉塑料（PLA，聚乳酸脂）制成的電腦機殼和其它配件已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用。美國DuPont公司和GenecorInternational公司合作建成的用玉米生產(chǎn)1,3-丙二醇（POD）的生產(chǎn)成本可以比化學(xué)法降低25%。中國石化正在研究聚乳酸的紡絲和加工應(yīng)用技術(shù)。1.3-丙二醇和對苯二甲酸，縮聚得到聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）是非常優(yōu)良的聚酯新品種[10,11,12,13,14,15,16,17,18]。聚乳酸具有良好的生物相容性和生物降解性，有一定的融化性能和組合性能，聚乳酸生產(chǎn)已經(jīng)引起了國外的高度重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦铜h(huán)保產(chǎn)業(yè)。3建設(shè)生物燃料、生物柴油生產(chǎn)在現(xiàn)階段，生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用的目標(biāo)是完成單項關(guān)鍵技術(shù)突破和中試研究，同時，利用現(xiàn)有適用技術(shù)，建設(shè)現(xiàn)代生物質(zhì)能源一體化系統(tǒng)的工業(yè)示范工程和新型生產(chǎn)型沼氣工程示范。在近1億hm2宜農(nóng)、宜林荒山荒地，種植能源林10000hm2和能源作物5000hm2，可分別建設(shè)3個年生產(chǎn)能力達到10～20萬t燃料乙醇、2～5萬t生物柴油、2～5萬t生物油規(guī)模的生產(chǎn)廠，年沼氣發(fā)電能力達到140億kWh和5000萬t固化成型燃料，減少1.6億tCO2排放量。在化工原料、交通材料、建筑材料等材料領(lǐng)域取得一批適合我國資源和市場特點，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的理論技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品，力爭在上述領(lǐng)域趕上發(fā)達國家水平，延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的價值鏈，提升農(nóng)產(chǎn)品的深加工水平，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。(2）生物質(zhì)新材料生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用的方向是改變農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)，加快農(nóng)村“三生”（生產(chǎn)、生態(tài)和生活）工程、循環(huán)經(jīng)濟和社會主義新農(nóng)村建設(shè)，使農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)領(lǐng)域向外拓展的可靠途徑。根據(jù)各種生物質(zhì)資源的結(jié)構(gòu)與化學(xué)特性，開展應(yīng)用研究，重點研究實現(xiàn)生物質(zhì)材料高效綜合利用的生物技術(shù)、化學(xué)改性技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、合成技術(shù)及樹脂化技術(shù)。以系統(tǒng)工程的組織形式，圍繞未來全球市場和科技發(fā)展趨勢以及中國可供資源特點，以拓展資源的高附加值產(chǎn)出為根本目標(biāo)；以資源培育與加工關(guān)系研究為起點，重點在農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源高效利用和替代礦物資源等層面上開展多學(xué)科的綜合基礎(chǔ)性應(yīng)用研究。(3）發(fā)展的關(guān)鍵(1)．能源作物的利用技術(shù)。我國能源作物的培育主要是對具有高光合效能、抗逆性強、不與或少與農(nóng)作物（特別是糧食作物）爭地的能源作物（包括纖維素類、糖類、淀粉類植物和油料作物）的資源、種植技術(shù)、初加工技術(shù)的開發(fā)；開發(fā)速生、抗逆性強的能源林木育種與栽培技術(shù)；開發(fā)適用于能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)的生物質(zhì)收集、運輸和預(yù)處理技術(shù)與設(shè)備以及農(nóng)業(yè)廢棄物的收集和預(yù)處理設(shè)備。(2)生物柴油及生物油的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)能值密度低體積龐大的農(nóng)、林物料的就地處理技術(shù)；秸稈和林木下腳料高效氣化技術(shù)；大中型沼氣換代技術(shù)；生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)及工業(yè)化體系；木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精工藝與關(guān)鍵技術(shù)（高效水解工藝與設(shè)備；高效纖維素水解酶的篩選和改造；先進的乙醇發(fā)酵與精制工藝和設(shè)備）；糖-淀粉類生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)（低成本高效常規(guī)乙醇發(fā)酵工藝與設(shè)備改造；先進、低成本的燃料酒精精制工藝和設(shè)備）；利用植物油生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備；利用廢棄食用油和動物脂肪生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備；利用微生物工程藻生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備；生物油和合成柴油生產(chǎn)技術(shù)；合成氣生產(chǎn)合成柴油工藝與關(guān)鍵技術(shù)；以植物纖維氣化生產(chǎn)可燃?xì)夂托笄菁S便厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣為原料合成生物油技術(shù)；農(nóng)林纖維素類廢棄物裂解液化開發(fā)生物油的工藝和設(shè)備等。(3)按化學(xué)成分的發(fā)展趨勢，主要有利用膜、木基復(fù)合材料、木質(zhì)素針對目前國內(nèi)外對淀粉基可降解塑料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，開展可完全降解的聚合型生物降解塑料等高分子材料的研究；利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化聚酯及聚氨酯型生物可降解材料和地膜等方面的研究與開發(fā)；改善纖維素和其它高聚物的組合方法，開展纖維素高值化和木質(zhì)素的改性與樹脂