農(nóng)林生物質(zhì)定向熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)成功研發(fā)

　　但如何轉(zhuǎn)化?需要突破哪些技術(shù)瓶頸?這是中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究員蔣劍春團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究的課題。據(jù)悉，今年1月，由蔣劍春主持完成的“農(nóng)林生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)化制備液體燃料多聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目獲得了2016年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。近日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者對(duì)該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了采訪。

　　一種綠色能源

　　日常生活中，生物質(zhì)資源眾多，包含農(nóng)作物、樹木、糧食、飼料作物的殘?bào)w以及樹木、動(dòng)物糞便和其他有機(jī)廢棄物，是唯一可再生的碳資源，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的液態(tài)和氣態(tài)燃料以及其它化工原料或產(chǎn)品。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物質(zhì)能潛力巨大，地球上的植物每年通過太陽能光合作用生成的生物質(zhì)能總量約為1440億～1800億噸，大約等于現(xiàn)在世界能源消耗總量的10倍左右。

　　“開發(fā)利用生物質(zhì)能具有取之不盡、用之不竭的物質(zhì)基礎(chǔ)。”蔣劍春告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，以生物質(zhì)作為原料經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換制造的液體燃料，不但可以彌補(bǔ)化石燃料不足，而且達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

　　作為唯一能夠轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資源，生物質(zhì)以其產(chǎn)量巨大、可儲(chǔ)存和碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)已引起全球的廣泛關(guān)注。如日本的“陽光計(jì)劃”、印度的“綠色能源工程”、巴西的“酒精能源計(jì)劃”等等，都將生物質(zhì)能作為國(guó)家戰(zhàn)略推進(jìn)。

　　我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，如每年僅農(nóng)作物秸稈和林業(yè)采伐加工剩余物就達(dá)10億多噸。以農(nóng)作物秸稈為例，有學(xué)者在考慮土壤生態(tài)保留和秸稈主要用途后認(rèn)為，中國(guó)可新型能源化利用秸稈生態(tài)總量約為8661.31萬噸。

　　“一般認(rèn)為林業(yè)采伐剩余物、加工剩余物可收集的約有1億噸，農(nóng)業(yè)秸稈的可收集量比林業(yè)多，農(nóng)林可收集總量約在2億噸以上。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究員徐俊明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

　　《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》已經(jīng)將生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)等可再生能源低成本、規(guī)?；_發(fā)利用作為能源領(lǐng)域優(yōu)先主題。

　　據(jù)介紹，生物質(zhì)能源技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)從第一代生物質(zhì)燃料向以木質(zhì)纖維素?zé)捴茷楹诵牡牡诙镔|(zhì)燃料轉(zhuǎn)變，工藝技術(shù)主要集中在生物轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方面。

　　蔣劍春自1996年以來，一直從事林產(chǎn)化學(xué)加工領(lǐng)域的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化研究。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中存在的降解產(chǎn)物組分復(fù)雜、原料轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、能耗高等問題，開展了木質(zhì)纖維和植物油脂定向轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)理論研究。

　　記者在采訪中了解到，經(jīng)過二十多年的持續(xù)攻關(guān)，蔣劍春團(tuán)隊(duì)突破了降解產(chǎn)物定向調(diào)控、生產(chǎn)過程持續(xù)化、多聯(lián)產(chǎn)值化利用等工程化關(guān)鍵技術(shù)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。

　　利用均須轉(zhuǎn)化

　　據(jù)介紹，各種生物質(zhì)能在利用時(shí)均須轉(zhuǎn)化，由于不同生物質(zhì)資源的物理化學(xué)方面的差異，轉(zhuǎn)化途徑各不相同。徐俊明表示，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化能夠直接將固體類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成液體，是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的重要途徑，具有效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)。

　　以木質(zhì)纖維類資源為例，它是由本身均具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的高分子化合物纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超分子復(fù)合物，而將其生物質(zhì)進(jìn)行降解是開展生物質(zhì)高效利用的基礎(chǔ)。

　　蔣劍春團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了農(nóng)林生物質(zhì)定向熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，揭示了木質(zhì)纖維和植物油脂等不同原料的定向降解過程的基本規(guī)律，首次成功開發(fā)出規(guī)?；瘧?yīng)用的工程化成套關(guān)鍵技術(shù)。

　　與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了新型離子熱體系的木質(zhì)纖維降解專用催化劑，實(shí)現(xiàn)五碳糖苷和六碳糖苷一步法轉(zhuǎn)化為乙酰丙酸及酯，轉(zhuǎn)化率提高約30%，產(chǎn)物純度達(dá)到98%以上。

　　針對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用中存在生產(chǎn)能耗高的難題，蔣劍春團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)了連續(xù)甲酯化制備燃料油工程化技術(shù)，首創(chuàng)高酸價(jià)油脂連續(xù)酯化與酯交換制備生物柴油工程化技術(shù)。

　　“能耗比國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)生物柴油生產(chǎn)技術(shù)降低了20%，比國(guó)外同類技術(shù)降低了9.8%，綜合生產(chǎn)成本節(jié)約15%以上。”蔣劍春表示，這解決了目前生物柴油生產(chǎn)過程中原料預(yù)處理工藝復(fù)雜、間歇式反應(yīng)工藝能耗高、安全性差、催化劑回收污染環(huán)境等問題。

　　此外，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了農(nóng)林生物質(zhì)高值化利用多聯(lián)產(chǎn)工程化關(guān)鍵技術(shù)，如創(chuàng)新開發(fā)了木質(zhì)素替代苯酚制備酚醛塑料關(guān)鍵技術(shù)。

　　木質(zhì)素是廣泛存在于植物體內(nèi)的天然多酚類化合物。在自然界，木質(zhì)素的儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素，且每年以500億噸左右的速度再生。但目前，超過95%的分離木質(zhì)素未被利用。

　　該團(tuán)隊(duì)還揭示了農(nóng)林生物質(zhì)活性炭活化控制與吸附性能的構(gòu)效關(guān)系，創(chuàng)立了活性炭微孔與介孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法。發(fā)現(xiàn)了催化劑提高木質(zhì)炭反應(yīng)活性的作用機(jī)理、高溫重整過程溫度變化速率以及活化介質(zhì)對(duì)活性炭微孔結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控機(jī)制，制備出介孔結(jié)構(gòu)豐富(>60%)的類分子篩型專用活性炭。

　　蔣劍春表示，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素改性酚醛泡沫的連續(xù)化生產(chǎn)，解決了木質(zhì)纖維素液化過程中木質(zhì)素利用價(jià)值和反應(yīng)活性低的問題，降低了酚醛材料原料成本，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維資源的全質(zhì)高值化利用。

　　綜合效益明顯

　　據(jù)悉，該項(xiàng)目屬于技術(shù)開發(fā)類，集成了農(nóng)林生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)化制備液體燃料多聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。獲得授權(quán)發(fā)明專利47件，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。

　　據(jù)介紹，該項(xiàng)目在木質(zhì)纖維原料全質(zhì)利用選擇性轉(zhuǎn)化乙酰丙酸及其酯，植物油脂連續(xù)轉(zhuǎn)化高品質(zhì)燃油聯(lián)產(chǎn)環(huán)保增塑劑工程化等關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　截至目前，成果推廣到江蘇、浙江、山東、內(nèi)蒙古、安徽等地區(qū)，建成了年處理8萬噸木質(zhì)纖維素制備乙酰丙酸及其酯、年產(chǎn)10萬噸生物柴油等連續(xù)化生產(chǎn)線，以及全球最大的年產(chǎn)5000噸催化裂解制備富烴燃油和國(guó)內(nèi)外首條年產(chǎn)6萬立方米木質(zhì)素酚醛泡沫示范線。

　　值得一提的是，近三年，成果新增銷售收入31.5億元，利潤(rùn)4.07億元。其中，乙酰丙酸及其酯、生物柴油等產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率近30%。

　　“成果的推廣應(yīng)用,對(duì)于農(nóng)林生物質(zhì)能源化高效利用, 減少農(nóng)林廢棄物資源對(duì)環(huán)境的影響，有效替代化石燃料，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。”蔣劍春說。