生物質(zhì)能源進(jìn)入新一輪發(fā)展期

“近年來(lái)，我國(guó)能源界普遍存在的一種觀點(diǎn)認(rèn)為，生物質(zhì)能源成不了"大氣候"，其理由是生物質(zhì)能源原料有限，而且生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。這些已經(jīng)影響到了決策部門(mén)對(duì)生物質(zhì)能源的看法，極大地牽制了生物質(zhì)能源發(fā)展。而現(xiàn)在全球生物質(zhì)能源已迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。”6月7日，在北京國(guó)家會(huì)議中心舉行的2014年中國(guó)新能源國(guó)際高峰論壇上，農(nóng)業(yè)部科技司原司長(zhǎng)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授程序說(shuō)。

程序表示，現(xiàn)代生物質(zhì)能源完全可以成為可再生能源的主力軍。2011年，在全球一次能源消費(fèi)量中，可再生能源所占份額已達(dá)19%，傳統(tǒng)生物質(zhì)能源利用、現(xiàn)代生物質(zhì)能源利用和水力發(fā)電分列可再生能源的前3位。與現(xiàn)代生物質(zhì)能源利用占比4.91%相比，風(fēng)能和太陽(yáng)能僅分別為0.56%和0.084%，這種差距在發(fā)達(dá)國(guó)家和巴西尤為明顯。與之相比，我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于風(fēng)能和太陽(yáng)能。

為此，程序從生物質(zhì)能源的發(fā)展軌跡、各階段代表性技術(shù)，以及領(lǐng)軍企業(yè)生物能源產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，闡述了新一輪全球生物質(zhì)能源發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

幾度沉浮的發(fā)展之路

第一代生物燃料是以食用谷物和油料為原料，加上諸多的不確定性，即只能與化石燃油摻混使用，且摻入比不能高于10%。這就是所謂的“混合墻”，意味著總用量有限，所以第一代生物燃料的可持續(xù)性一直頗受爭(zhēng)議。這些也直接傳導(dǎo)到了市場(chǎng)：2010年以來(lái)，第一代生物燃料增長(zhǎng)勢(shì)頭明顯受挫，2009年~2010年其產(chǎn)量增長(zhǎng)率尚有13.6%，而2010年~2011年這一數(shù)據(jù)大幅下降為3.1%；第一代生物燃料投資總額的增速也明顯放緩，甚至有250家第一代生物燃料企業(yè)已經(jīng)關(guān)張，這些企業(yè)大部分在美國(guó)。

由于第一代生物燃料開(kāi)發(fā)應(yīng)用還有很大的局限性，人們開(kāi)始將開(kāi)發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向不爭(zhēng)奪谷物和油料資源的纖維素乙醇，這就是第二代生物燃料。第二代生物燃料曾被寄予厚望。但問(wèn)題是，生物乙醇摻混入現(xiàn)行汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而無(wú)需改裝的最大比例不能超過(guò)15%，還需要專用的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，這大大限制了生物乙醇的應(yīng)用。雖然各國(guó)專家經(jīng)過(guò)了10多年的努力，但纖維素乙醇的研發(fā)至今仍未能突破商業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)瓶頸，生產(chǎn)成本的下降也遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期?；诖耍?010年7月美國(guó)環(huán)保署（EPA）被迫宣布，將原定的2011年纖維素乙醇產(chǎn)量目標(biāo)2.5億加侖（約合70萬(wàn)噸）大幅下調(diào)為650萬(wàn)加侖~2550萬(wàn)加侖，而2012年美國(guó)纖維素乙醇的實(shí)際產(chǎn)量?jī)H為2萬(wàn)加侖。

商業(yè)化的第一代生物燃料和纖維素乙醇的最大問(wèn)題，均是無(wú)法解決占原料總量達(dá)40%左右的木質(zhì)素、半纖維素的利用問(wèn)題，因而不能充分利用生物質(zhì)資源總量中占很大比重的木質(zhì)類原料。第一代生物燃油有著很大的局限性，且發(fā)展已近極限，而第二代纖維生物乙醇的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性難題也久“攻”不克。這時(shí)，“先進(jìn)生物燃料”應(yīng)運(yùn)而生，主要是指通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑，而非傳統(tǒng)生物（微生物）途徑，制取合成生物燃油和生物合成天然氣，從根本上克服了傳統(tǒng)生物質(zhì)能源在原料和應(yīng)用上的諸多“先天性”局限，從而為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為此，美國(guó)環(huán)保署（EPA）提出要重點(diǎn)支持“先進(jìn)生物燃料”研發(fā)。所謂“先進(jìn)生物燃料”，是指第一代生物質(zhì)能源以外的新型生物燃料，其生命全周期的溫室氣體排放量比化石燃料低至少50%。

實(shí)現(xiàn)熱化學(xué)合成技術(shù)突破

在此背景下，能克服傳統(tǒng)生物質(zhì)能源缺陷的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法走上了歷史舞臺(tái)，并迅速在制取裂解提質(zhì)（合成）生物燃油和生物合成天然氣等先進(jìn)生物燃料方面取得重大進(jìn)展，成為最重要的“先進(jìn)生物燃料”。

生物質(zhì)氣化合成制燃油和生物天然氣熱化學(xué)合成技術(shù)的突破，使得生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一舉擺脫了原料方面的重大局限性—既不再占用緊缺的可食用谷物和油料，也不只局限于使用易于生物轉(zhuǎn)化但數(shù)量較為有限的原料，極大地拓展了原料范圍；特別是可充分利用占生物質(zhì)資源總量約60%以上的木質(zhì)纖維類原料，幾乎包括所有的有機(jī)垃圾，同時(shí)在使用方面又打破了“混合墻”的制約，從而確保生物質(zhì)能源最終真正成為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的新興產(chǎn)業(yè)。

生產(chǎn)生物合成柴（汽）油和生物合成航空煤油最主要的新途徑是熱裂解（氣化）-合成，關(guān)鍵是生物質(zhì)變油木質(zhì)類生物質(zhì)直接、間接的液化技術(shù)路線。生物合成柴（汽）油屬于“直接使用燃油”，即可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不改裝的情況下，以純態(tài)或任何摻混比作為車用燃油，因而完全擺脫了“混合墻”的制約。

2008年~2013年，全球各種先進(jìn)生物燃料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（包括中試和生產(chǎn)性示范）的數(shù)目增加了3倍，而總產(chǎn)量則擴(kuò)大了10倍，達(dá)到年產(chǎn)24億公升（相當(dāng)于168萬(wàn)噸）。其中，生物質(zhì)氣化合成燃油已占到27%的份額。

美國(guó)環(huán)保署（EPA）最新發(fā)表的公報(bào)顯示，2014年，其可再生燃油總產(chǎn)量目標(biāo)是達(dá)到152億加侖，而在“先進(jìn)生物燃料”的范疇中，采用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)路線的生物柴油為12.8億加侖；相比之下，第二代生物乙醇僅列了1700萬(wàn)加侖的指標(biāo)，只及生物柴油的1/8。

不僅美國(guó)如此，有著極為豐富的木質(zhì)類生物質(zhì)資源的歐盟國(guó)家也表現(xiàn)得尤為積極，其目標(biāo)是到2030年其生物天然氣將占有每年500億立方米的市場(chǎng)消費(fèi)量。瑞典計(jì)劃到2030年使生物天然氣年產(chǎn)量達(dá)到70億立方米，其中60億立方米來(lái)自生物氣化合成法，目前其年產(chǎn)量為1.2億立方米。原本靠微生物法產(chǎn)沼氣等生物天然氣量很少的荷蘭，計(jì)劃主要依靠生物氣化合成法，到2030年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)生物天然氣30億立方米，到2050年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)生物天然氣300億立方米。

新一輪發(fā)展的技術(shù)路線

生物合成液體和氣體燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要有3條技術(shù)路線，分別是生物質(zhì)氣化合成燃油、生物質(zhì)裂解生物油提質(zhì)制取生物燃油、木質(zhì)類生物質(zhì)氣化合成生產(chǎn)生物合成天然氣。

生物質(zhì)氣化合成燃油技術(shù)是在煤氣化合成燃油技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但原料特性發(fā)生了很大變化，同時(shí)也使得轉(zhuǎn)化技術(shù)更為復(fù)雜，主要包含4項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)條件：適應(yīng)多種生物質(zhì)原料的高效氣化爐；粗合成氣的凈化和調(diào)制技術(shù)；高效、持久性的費(fèi)托合成催化劑；合成粗混合油的提質(zhì)精煉技術(shù)。

與生物質(zhì)氣化合成燃油相比，生物質(zhì)裂解生物油提質(zhì)制取生物燃油是另一條新的技術(shù)路線。美國(guó)克奧公司研制出“一步催化法”提質(zhì)制取生物燃油技術(shù)之后，于2013年3月投資2.1億美元在密西西比州建成工廠并投產(chǎn)，用木質(zhì)纖維類生物質(zhì)直接（無(wú)氧裂解）制成生物柴（汽）油裝置，以美國(guó)南方盛產(chǎn)的黃松整枝枝條及木片為原料，年產(chǎn)3.6萬(wàn)噸生物合成燃油。

在將木質(zhì)纖維類生物質(zhì)制生物柴（汽）油技術(shù)商業(yè)化的領(lǐng)域，加拿大因幸公司開(kāi)發(fā)出不使用催化劑的裂化技術(shù)，再將提質(zhì)后的裂解油摻入化石原油里共同精煉，得到的車用油品質(zhì)量甚至優(yōu)于常規(guī)汽油和柴油，且已贏利。2011年，該公司建成了生產(chǎn)車用生物合成柴油的示范廠，日耗料150噸木質(zhì)類生物質(zhì)。另外，該公司正在夏威夷建設(shè)制取綠色車用燃油的示范工廠，以林木下腳料和柳枝稷等為原料，將于2014年投產(chǎn)。該公司的第二家年產(chǎn)11萬(wàn)噸生物合成燃油的工廠也已動(dòng)工。投產(chǎn)后，其生物燃油因規(guī)模效益將具備對(duì)常規(guī)汽油、柴油的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

第三條技術(shù)路線是生物質(zhì)氣化合成生產(chǎn)生物合成天然氣，這與生物質(zhì)氣化合成燃油的費(fèi)托合成不同，是甲烷化合成，幾乎把無(wú)法實(shí)行微生物厭氧發(fā)酵的物料—木質(zhì)纖維類有機(jī)廢棄物或下腳料，轉(zhuǎn)化成生物合成天然氣，從而大大拓寬了原料來(lái)源的渠道。

目前，歐盟國(guó)家生產(chǎn)生物天然氣大都是以微生物為原料，年產(chǎn)能約100億立方米天然氣當(dāng)量。而其采用的“氣化-合成”的新技術(shù)路線，將數(shù)倍乃至十幾倍地提高產(chǎn)氣能力，目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化示范階段。在突破了生物質(zhì)氣化合成生產(chǎn)合成天然氣的技術(shù)瓶頸之后，木質(zhì)類資源豐富的歐盟國(guó)家在生物天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域變得信心十足。

領(lǐng)軍企業(yè)推動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

這些生物質(zhì)能源新技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)領(lǐng)軍企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)。除了上述一些代表性企業(yè)之外，還有德國(guó)的科林公司、芬蘭UPM公司，以及美國(guó)的倫泰克公司和索萊納公司，這些公司是生物質(zhì)能源新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)軍者。

本世紀(jì)初，德國(guó)科林公司便開(kāi)發(fā)出核心關(guān)鍵技術(shù)—“雙反應(yīng)器氣化器”，將各種植物和動(dòng)物廢料轉(zhuǎn)化為合成氣，徹底解決了結(jié)焦堵塞、炭沉積問(wèn)題。2003年，該公司在世界上首次生產(chǎn)出用木屑合成的合成柴油。目前，公司已與芬蘭一家公司合作建設(shè)了一座年產(chǎn)13萬(wàn)噸的生物合成柴油（石腦油）工廠，計(jì)劃2016年底投產(chǎn)。

芬蘭UPM公司是2013年投資1.5億歐元建成的，為全球首家利用木質(zhì)原料—紙漿黑液（含木質(zhì)素和半纖維素）生產(chǎn)生物合成柴油的規(guī)?；S。該公司完全使用木質(zhì)原料，年使用量為100萬(wàn)噸，年產(chǎn)生物合成燃油10.5萬(wàn)噸，其中80%為生物合成柴油，20%是生物石腦油。

美國(guó)倫泰克公司擁有雙流化床生物質(zhì)專用氣化技術(shù)專利，自行開(kāi)發(fā)了合成氣凈化（調(diào)質(zhì)）技術(shù)和F-T合成的專利技術(shù)。2011年，該公司投資1.5億美元建成BTL商業(yè)示范廠并投產(chǎn)，日投料20噸甘蔗渣，年產(chǎn)能1萬(wàn)噸生物合成燃油，產(chǎn)品為高標(biāo)準(zhǔn)生物合成柴油和生物航空煤油。該公司計(jì)劃于2015年在加拿大安大略省建成生物氣化合成柴油和航空煤油工廠，年產(chǎn)能萬(wàn)噸，每年利用當(dāng)?shù)靥蕴帜?10萬(wàn)立方米。

此外，美國(guó)的另一家公司—索萊納公司開(kāi)發(fā)出“以有機(jī)（分撿）垃圾和木質(zhì)廢棄物為原料，以生產(chǎn)生物航空煤油為主”的一整套技術(shù)。生物航空煤油幾乎都是植物油（如小桐子油）或用過(guò)的烹飪油經(jīng)酯化、加氫制成。但這兩類原料油的資源量十分有限，不可能滿足加工百萬(wàn)噸航空煤油的需求。而索萊納公司自行研制的等離子極高溫氣化爐（SPGR），配以另一家公司提供的臥式費(fèi)托反應(yīng)器組成整套技術(shù)，氣化溫度高達(dá)3500攝氏度，不但徹底解決了焦油問(wèn)題，而且可將包括有機(jī)垃圾在內(nèi)的幾乎所有的有機(jī)物質(zhì)作為原料。項(xiàng)目無(wú)需申請(qǐng)政府補(bǔ)貼也能贏利。目前，索萊納公司通過(guò)與英國(guó)航空公司合作，正在倫敦東部建造“倫敦綠色天空”生物燃料工廠，建成后每年將接收約55萬(wàn)噸的城市有機(jī)垃圾，將其轉(zhuǎn)化為12萬(wàn)噸生物燃油，預(yù)計(jì)2017年投產(chǎn)。

通過(guò)以上國(guó)外眾多生物質(zhì)能源項(xiàng)目的分析，程序認(rèn)為，合成燃油的單廠年生產(chǎn)規(guī)模已是數(shù)萬(wàn)噸至數(shù)十萬(wàn)噸的量級(jí)；合成生物天然氣的單廠年生產(chǎn)規(guī)模也已達(dá)上億立方米。以往，由于生物質(zhì)能源原料有限、預(yù)處理任務(wù)繁重、工藝落后等問(wèn)題，生物質(zhì)能源只能是“小打小鬧”，但現(xiàn)在這種概念正在發(fā)生改變，生物質(zhì)能源已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入新一輪的發(fā)展期。