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生物质能源进入新一轮发展期

来源: 时间:六月 20, 2014, 1:35 a.m.

http://www.mlr.gov.cn/xwdt/jrxw/201406/t20140619_1321015.htm


“近年来,我国能源界普遍存在的一种观点认为,生物质能源(Biomass energy)成不了‘大气候’,其理由是生物质能源原料有限,而且生物质能源转化技术难以实现商业化。这些已经影响到了决策部门对生物质能源的看法,极大地牵制了生物质能源发展。而现在全球生物质能源已迎来了新的发展机遇。”6月7日,在北京国家会议中心举行的2014年中国新能源国际高峰论坛上,农业部科技司原司长、中国农业大学教授程序说。

  程序表示,现代生物质能源完全可以成为可再生能源的主力军。2011年,在全球一次能源消费量中,可再生能源所占份额已达19%,传统生物质能源利用、现代生物质能源利用和水力发电分列可再生能源的前3位。与现代生物质能源利用占比4.91%相比,风能和太阳能仅分别为0.56%和0.084%,这种差距在发达国家和巴西尤为明显。与之相比,我国生物质能源的发展远远落后于风能和太阳能。

  为此,程序从生物质能源的发展轨迹、各阶段代表性技术,以及领军企业生物能源产业化现状,阐述了新一轮全球生物质能源发展的态势。

  几度沉浮的发展之路

  第一代生物燃料(biofuel)是以食用谷物和油料为原料,加上诸多的不确定性,即只能与化石燃油掺混使用,且掺入比不能高于10%。这就是所谓的“混合墙”,意味着总用量有限,所以第一代生物燃料的可持续性一直颇受争议。这些也直接传导到了市场:2010年以来,第一代生物燃料增长势头明显受挫,2009年~2010年其产量增长率尚有13.6%,而2010年~2011年这一数据大幅下降为3.1%;第一代生物燃料投资总额的增速也明显放缓,甚至有250家第一代生物燃料企业已经关张,这些企业大部分在美国。

  由于第一代生物燃料开发应用还有很大的局限性,人们开始将开发重点转向不争夺谷物和油料资源的纤维素乙醇,这就是第二代生物燃料。第二代生物燃料曾被寄予厚望。但问题是,生物乙醇掺混入现行汽油发动机而无需改装的最大比例不能超过15%,还需要专用的储运设备,这大大限制了生物乙醇的应用。虽然各国专家经过了10多年的努力,但纤维素乙醇的研发至今仍未能突破商业化生产的技术及经济瓶颈,生产成本的下降也远未达到预期。基于此,2010年7月美国环保署(EPA)被迫宣布,将原定的2011年纤维素乙醇产量目标2.5亿加仑(约合70万吨)大幅下调为650万加仑~2550万加仑,而2012年美国纤维素乙醇的实际产量仅为2万加仑。

  商业化的第一代生物燃料和纤维素乙醇的最大问题,均是无法解决占原料总量达40%左右的木质素、半纤维素的利用问题,因而不能充分利用生物质资源总量中占很大比重的木质类原料。第一代生物燃油有着很大的局限性,且发展已近极限,而第二代纤维生物乙醇的技术、经济可行性难题也久“攻”不克。这时,“先进生物燃料”应运而生,主要是指通过热化学转化途径,而非传统生物(微生物)途径,制取合成生物燃油和生物合成天然气,从根本上克服了传统生物质能源在原料和应用上的诸多“先天性”局限,从而为大规模工业化生产奠定了坚实的基础。

  为此,美国环保署(EPA)提出要重点支持“先进生物燃料”研发。所谓“先进生物燃料”,是指第一代生物质能源以外的新型生物燃料,其生命全周期的温室气体排放量比化石燃料低至少50%。

  实现热化学合成技术突破

  在此背景下,能克服传统生物质能源缺陷的热化学转化法走上了历史舞台,并迅速在制取裂解提质(合成)生物燃油和生物合成天然气等先进生物燃料方面取得重大进展,成为最重要的“先进生物燃料”。

  生物质气化合成制燃油和生物天然气热化学合成技术的突破,使得生物质能源产业的发展一举摆脱了原料方面的重大局限性——既不再占用紧缺的可食用谷物和油料,也不只局限于使用易于生物转化但数量较为有限的原料,极大地拓展了原料范围;特别是可充分利用占生物质资源总量约60%以上的木质纤维类原料,几乎包括所有的有机垃圾,同时在使用方面又打破了“混合墙”的制约,从而确保生物质能源最终真正成为大规模工业生产的新兴产业。

  生产生物合成柴(汽)油和生物合成航空煤油最主要的新途径是热裂解(气化)-合成,关键是生物质变油木质类生物质直接、间接的液化技术路线。生物合成柴(汽)油属于“直接使用燃油”,即可以在发动机不改装的情况下,以纯态或任何掺混比作为车用燃油,因而完全摆脱了“混合墙”的制约。

  2008年~2013年,全球各种先进生物燃料开发项目(包括中试和生产性示范)的数目增加了3倍,而总产量则扩大了10倍,达到年产24亿公升(相当于168万吨)。其中,生物质气化合成燃油已占到27%的份额。

  美国环保署(EPA)最新发表的公报显示,2014年,其可再生燃油总产量目标是达到152亿加仑,而在“先进生物燃料”的范畴中,采用热化学转化技术路线的生物柴油为12.8亿加仑;相比之下,第二代生物乙醇仅列了1700万加仑的指标,只及生物柴油的1/8。

  不仅美国如此,有着极为丰富的木质类生物质资源的欧盟国家也表现得尤为积极,其目标是到2030年其生物天然气将占有每年500亿立方米的市场消费量。瑞典计划到2030年使生物天然气年产量达到70亿立方米,其中60亿立方米来自生物气化合成法,目前其年产量为1.2亿立方米。原本靠微生物法产沼气等生物天然气量很少的荷兰,计划主要依靠生物气化合成法,到2030年实现年产生物天然气30亿立方米,到2050年实现年产生物天然气300亿立方米。

  新一轮发展的技术路线

  生物合成液体和气体燃料产业的发展主要有3条技术路线,分别是生物质气化合成燃油、生物质裂解生物油提质制取生物燃油、木质类生物质气化合成生产生物合成天然气。

  生物质气化合成燃油技术是在煤气化合成燃油技术的基础上发展起来的,但原料特性发生了很大变化,同时也使得转化技术更为复杂,主要包含4项关键性技术条件:适应多种生物质原料的高效气化炉;粗合成气的净化和调制技术;高效、持久性的费托合成催化剂;合成粗混合油的提质精炼技术。

  与生物质气化合成燃油相比,生物质裂解生物油提质制取生物燃油是另一条新的技术路线。美国克奥公司研制出“一步催化法”提质制取生物燃油技术之后,于2013年3月投资2.1亿美元在密西西比州建成工厂并投产,用木质纤维类生物质直接(无氧裂解)制成生物柴(汽)油装置,以美国南方盛产的黄松整枝枝条及木片为原料,年产3.6万吨生物合成燃油。

  在将木质纤维类生物质制生物柴(汽)油技术商业化的领域,加拿大因幸公司开发出不使用催化剂的裂化技术,再将提质后的裂解油掺入化石原油里共同精炼,得到的车用油品质量甚至优于常规汽油和柴油,且已赢利。2011年,该公司建成了生产车用生物合成柴油的示范厂,日耗料150吨木质类生物质。另外,该公司正在夏威夷建设制取绿色车用燃油的示范工厂,以林木下脚料和柳枝稷等为原料,将于2014年投产。该公司的第二家年产11万吨生物合成燃油的工厂也已动工。投产后,其生物燃油因规模效益将具备对常规汽油、柴油的价格优势。

  第三条技术路线是生物质气化合成生产生物合成天然气,这与生物质气化合成燃油的费托合成不同,是甲烷化合成,几乎把无法实行微生物厌氧发酵的物料——木质纤维类有机废弃物或下脚料,转化成生物合成天然气,从而大大拓宽了原料来源的渠道。

  目前,欧盟国家生产生物天然气大都是以微生物为原料,年产能约100亿立方米天然气当量。而其采用的“气化-合成”的新技术路线,将数倍乃至十几倍地提高产气能力,目前已进入产业化示范阶段。在突破了生物质气化合成生产合成天然气的技术瓶颈之后,木质类资源丰富的欧盟国家在生物天然气开发领域变得信心十足。

  领军企业推动技术产业化

  这些生物质能源新技术的发展离不开领军企业的产业化推动。除了上述一些代表性企业之外,还有德国的科林公司、芬兰UPM公司,以及美国的伦泰克公司和索莱纳公司,这些公司是生物质能源新技术产业化的领军者。

  本世纪初,德国科林公司便开发出核心关键技术——“双反应器气化器”,将各种植物和动物废料转化为合成气,彻底解决了结焦堵塞、炭沉积问题。2003年,该公司在世界上首次生产出用木屑合成的合成柴油。目前,公司已与芬兰一家公司合作建设了一座年产13万吨的生物合成柴油(石脑油)工厂,计划2016年底投产。

  芬兰UPM公司是2013年投资1.5亿欧元建成的,为全球首家利用木质原料——纸浆黑液(含木质素和半纤维素)生产生物合成柴油的规模化工厂。该公司完全使用木质原料,年使用量为100万吨,年产生物合成燃油10.5万吨,其中80%为生物合成柴油,20%是生物石脑油。

  美国伦泰克公司拥有双流化床生物质专用气化技术专利,自行开发了合成气净化(调质)技术和F-T合成的专利技术。2011年,该公司投资1.5亿美元建成BTL商业示范厂并投产,日投料20吨甘蔗渣,年产能1万吨生物合成燃油,产品为高标准生物合成柴油和生物航空煤油。该公司计划于2015年在加拿大安大略省建成生物气化合成柴油和航空煤油工厂,年产能万吨,每年利用当地淘汰林木110万立方米。

  此外,美国的另一家公司——索莱纳公司开发出“以有机(分捡)垃圾和木质废弃物为原料,以生产生物航空煤油为主”的一整套技术。生物航空煤油几乎都是植物油(如小桐子油)或用过的烹饪油经酯化、加氢制成。但这两类原料油的资源量十分有限,不可能满足加工百万吨航空煤油的需求。而索莱纳公司自行研制的等离子极高温气化炉(SPGR),配以另一家公司提供的卧式费托反应器组成整套技术,气化温度高达3500摄氏度,不但彻底解决了焦油问题,而且可将包括有机垃圾在内的几乎所有的有机物质作为原料。项目无需申请政府补贴也能赢利。目前,索莱纳公司通过与英国航空公司合作,正在伦敦东部建造“伦敦绿色天空”生物燃料工厂,建成后每年将接收约55万吨的城市有机垃圾,将其转化为12万吨生物燃油,预计2017年投产。

  通过以上国外众多生物质能源项目的分析,程序认为,合成燃油的单厂年生产规模已是数万吨至数十万吨的量级;合成生物天然气的单厂年生产规模也已达上亿立方米。以往,由于生物质能源原料有限、预处理任务繁重、工艺落后等问题,生物质能源只能是“小打小闹”,但现在这种概念正在发生改变,生物质能源已经开始进入新一轮的发展期。



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