中国生物质产业及发展取向

第20卷第5期农业工程学报Vol 20 No 52004年9月Transactions of the CSae中国生物质产业及发展取向孙振钧(中国农业大学资源与环境学院,北京100094)摘要:该文界定了生物质、生物质产品、生物质资源和生物质产业的概念和范围,分析了中国生物质资源的潜力。针对中国当前“三农”问题和未来10~20年能源安全等重大需求,综述了国内外生物质产业发展的4个取向:生物质发电、生物质液体燃料、生物质有机高分子材料和能源农林业。简述了现代农林工生物质能一体化系统的生物质产业发展模式。发展生物质产业对于解决农民增收问题加快农业工业化进程和促进农村小康社会建设等具有重要意义。关键词:生物质;生物质资源;生物质产业;生物质能;生物质材料;农业废弃物;能源植物中图分类号:X17;X72文献标识码:A文章编号:1002-6819(2004)05-001-05资源主要是指能源农业能源林业种质资源,包括现有种质资源的挖掘、保护和开发及专用品种的培育。同时以生物质能源为主的生物质资源开发利用已引起也包括利用高效能源植物进行的规模化、商品化的生物世界各国政府和科学家的关注-4。有许多国家都制定质原料生产。根据中国人口多、耕地少的国情,区别于美了相应的开发研究计划,例如,日本的新阳光计划、印度国等粮食过剩国家,中国规模化的生物质原料生产是在的绿色能源工程美国的能源农场和巴西的酒精能源计有限的耕地优先满足食物和饲料的基本需求的前提下划等-81。一个新兴的生物质产业正在全球范围蓬勃兴利用低质地种植并和生态环境改善、防止水土流失有机起。在最近结束的国家中长期科技发展规划(2005-结合这里的农业废弃物包括4大类:植物类废弃物(农2020)中,“农林生物质工程”被列为重大专项之列,并作林生产过程中产生的残余物)动物类废弃物(牧、渔业为国家能源战略的重要组成部分通过走农业工业化之生产过程中产生的残余物)加工类废弃物(农林牧渔业路解决农民的增收和“三农”问题。生物质产业可望在加工过程中产生的残余物)和农村城镇生活垃圾等。常未来15~20年内为解决21世纪中国面临的能源短缺、规的农业废弃物(主要是农作物秸秆和畜禽粪便)资源环境污染、食品安全等重大社会经济问题,乃至全面建化(肥料化、饲料化)与农村能源利用(沼气化)已经提倡设“小康”社会目标的实现做出重大贡献。和开展多年,对遏制秸秆焚烧和集约化养殖带来的畜禽1概念及范畴粪污对环境的污染起到了一定作用,取得了较好的环保效益。从生物质资源的角度看,这些(农业)有机废弃物1.1生物质与生物质产品是重要的生物质原料来源。生物质 biomass)指任何可再生的或可循环的有机1.3生物质产业物质(不包括多年生长的用材林),包括专用的能源作物生物质产业是通过工业化把能源植物和农业废弃与能源林木,粮食作物和饲料作物残留物,树木和木材物等生物质原料( biomass feedstock)利用化学或生物废弃物及残留物,各种水生植物、草、残留物纤维和动技术转化为高附加值的生物质能源、生物材料、石油产物废弃物城市垃圾和其它废弃材料。按美国能源部的品替代品及副产品等环境友好产品的全过程生物质产定义,一般不包括为人类提供食品的农作物、家养动物业化既包括生物质原料生产一加工与转化一产品与应以及常规木材生产。生物能( bioenergy)指用于生产能用一体化的产业链和技术体系,也包括政策法规、市场量(电,液体、固体和气体燃料;热)的生物质。生物质产与流通等保障体系。品或生物基工业产品( biobased industrial product)指当前,生物质开发利用主要包括燃料乙醇、生物柴用生物质生产的燃料、化学品、建筑材料、电力或热能。油、生物质发电和工业用能;将来则主要是通过高技术包括用生物产品或可再生的农业(动植物与海洋生物)的木质纤维素生物水解或热化学转化生产精细化工产和林产材料生产的各种能、商业或工业产品(不包括食品(如生物高聚体)和燃料(见图1)。品或饲料)9。2中国生物质资源潜力1.2生物质资源生物质资源在中国主要包括农业废弃物和能源生生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳物资源(能源/化工专用动植物和藻类)。目前,能源生物能,每中国煤化工勺1700亿t,其能量约相当CNMHG音;而作为能源的利收稿日期:2004-05-29修订日期:2004-08-23用量还到共息里的1x国能源部1999年组基金项目:国家中长期科学和技术发展规划战略研究“农业废弃物织法国、荷兰、德国、奥地利和马来西亚等多国科学家对资源化与农村生物质资源战略研究”课题部分能源植物进行的研究表明:到2050年,全球液体燃中国农业大学资源与环境学院:00.Em1,mn@80d料油80%将来自木本植物、草本裁培油料和藻类等生农业工程学报2004年能源农林业提供。中国国土面积广阔,除现有的耕地、林多糖平台地和草地作为传统农业外,尚有近1亿hm2宜农宜林酶水解糖与木质素木质素产品中间代谢物荒山荒地,可以用于发展能源农业和能源林业,至少可发展20亿t的生物质资源,合10亿t标准煤。在未来生物质20年,如果建设2000万hm2能源林,每年可产生1残留物收集燃料,化学品殖细化工产晶亿t生物质,相当于5亿t标准煤。此外,与西部大开发、能源作物生物材料热与电力沙漠治理、退耕还林、三北防护林建设结合起来,至少可热化学平台再发展2000万hm2的能源林,每年可产生4亿t生物高温分解质,相当于2亿t标准煤。图1生物质产业化流程简图(DOF,USA)3生物质产业发展取向Fig. 1 Flowchart of biomass industrilization products(DOF, USA)3.1生物质发电物质能源。据专家预测,到2050年,利用农、林、工业残生物质发电在发达国家已受到广泛重视。其主要工余物以及种植和利用能源作物等生物质能源有可能以艺分3类:生物质锅炉直接燃烧发电、生物质一煤混合相当于或低于化石燃料的价格,提供世界60%的电力燃烧发电和生物质气化发电美国的生物质直接燃烧发和40%的燃料,使全球CO2排放量减少54亿t碳(目电占可再生能源发电量的70%。意大利发展了12MW前全球化石燃料每年排放约60亿t碳)1生物质整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)示范项中国拥有丰富的生物质能资源121,据测算,中国目,发电效率达31.7%。瑞典正试验加压的整体煤气化理论生物质能资源为50亿t左右标准煤,是目前中国联合循环发电技术(BGCC)。目前,生物质发电已占发总能耗的4倍左右。在可收集的条件下,中国目前可利达国家可再生能源发电量的70%。在美国,生物质发电装机容量已达10.5GW,70%为生物质一煤混合燃用的生物质能资源主要是传统生物质,包括农作物秸烧工艺,单机容量10~30MW,发电成本3~6美分/秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾、工业有机废渣与废水等。据1998~2003年的统计数据估算4-10,我国的可开发(kW·h),预计到2015年装机容量将达16.3GW。全球环境基金/世界银行正在巴西示范一个30MW生物生物质资源总量为7亿t左右标准煤其中农作物秸秆质气化联合循环发电项目,在英国和美国有3个示范项约3.5亿t,占50%以上。目,装机容量6~10MW。由于生物质气化联合循环发电效率可达40%有可能成为生物质能转化的主导技术之1999年,中国电力生产总量为12600亿kW·h,年人均用电不到1000kW·h,只有韩国的1/5左右,而年人均生活用电更低,只有110kW·h左右。要实现2020年国民经济翻两番的目标,保障可靠的电力供应是必备条件。因地制宜地利用当地生物质能资源,秸秆、薪柴2000年中国生物质能资源可开发量(10°t标准煤)谷壳和木屑等,建立分散、独立的离网或并网电站拥有图2中国生物质能资源(2000年)广阔的市场前景。如果用当前农林废弃物产量的50%Fig 2 Bioenergy resources in China in 2000作为电站燃料可发电4000亿kW·h,占目前中国总耗电量的30%左右。中国已开发和推广MW级生物质目前,生物质资源的主要组成部分是作物秸杆(图气化发电系统应用20多套。国家高科技发展计划(8632)。在这些可开发的生物质能资源中农作物秸秆有计划)将建设4MW规模生物质(秸秆)气化发电的示范40%作为饲料、肥料和工业原料,尚有60%可用于能源工程,预计系统发电效率可达到30%左右用途,约2.1亿t标准煤;薪柴主要作为燃料,但有40%近年来畜禽粪便生产沼气的技术在欧、美等发达国的森林剩余物未加利用,约0.3亿t标准煤;禽畜粪便家发展很快。在成套热电沼气工程技术、不同型号气除少部分作为肥料外,大部分成为农村的主要污染源,油联合发电机、大型实用型沼气发酵罐体、储料罐体、预约有0.6亿t标准煤的资源量;工业有机废渣至少有处理和输配气和输配电系统等方面均已远远超过沼气80%即0.7亿t标准煤的资源可以利用;至于生活有技机垃圾特别在农村、小城镇,至少可从中获得0.8亿t业中国煤化工废弃物制氢技术和以农池技术研究有望在不标准煤的资源量。匹CNMHG农业有机废水资源化利在未来,生物质资源主要来自能源农业和能源林用的一个重要新途径[1。生物燃料电池是一种借助电业。中国潜在的资源量非常巨大,根据国家中长期发展极反应直接利用厌氧发酵过程中的电子传递转换成电规划2目标,到2020年,可开发生物质资源量至少可能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉达到15亿t标准煤,其中30%来自传统生物质,70%由及到燃烧,能量转换率高达60%~80%。近20年来生第5期孙振钩:中国生物质产业及发展取向物技术的巨大发展,为生物燃料电池研究提供了物质、产1,3-丙二醇(POD)的生产成本可以比化学法降低知识和技术储备。25% Cargill-Dow公司正在建设一个140kt/a的由玉3.2生物质液体燃料米糖发酵生产聚乳酸的工厂,以开发多种聚合物塑生物质液体燃料产业已得到国际上的广泛关注。20料20。甚至可以利用生物材料制成芯片。“用转基因作世纪70年代末,巴西开始实施大规模的乙醇燃料计划,物和家畜改变了农业,现在它正在改造工业”(华盛顿邮1996~1997年度生产燃料乙醇137亿L,有400万辆汽报,2002-05-03)。新生物质材料的应用将形成一场新的车采用纯乙醇,大大减少了进口石油的外汇支出,提供工业革命,引领出一批新的产业。了130万个工作岗位。在美国,主要采用玉米、马铃薯等3.4能源农林业生产乙醇,现有39个工厂,年产乙醇40亿L。乙醇以能源农林业包括能源农业和能源林业,是专门用于10%的比例掺入汽油作汽车燃料。在发达国家,利用豆生物质原料生产的农业/林业生产。能源农业是利用荒油、花生油棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕榈油和蓖麻山坡岭等低质地种植非食用的能源作物能源农林业是籽油生产生物柴油正在形成产业20。目前,美国总的生发展生物质能源的基础。以科学的方法培育高产、抗逆物柴油年生产能力为100万t以上;欧盟2001年已超性强的能源植物是发展生物质能的根本保障欧盟学者过100万t;德国2000年已达25万t,拥有300多个生认为,种植能源型作物(其中包括轮伐期短的速生林木)物柴油加油站;意大利已拥有9家生物柴油的生产厂。是解决欧盟农业生产过剩问题的唯一有效办法。为了探美国能源署要求,到2010年,美国要将生物柴油产量提讨这种办法的有效性欧盟已制订并实施了 LEBEN计高到1200万t0;欧盟委员会计划,在2020年使生物划。在巴西,桉树已被广泛用作能源,能源用林的覆柴油的市场占有率达12%2盖面积总计约200万hm2。美国和欧盟国家则发展转基中国已在黑龙江、吉林和河南三省建设陈化粮为燃因大豆和油菜,作为生产生物柴油的原料2。美国能源料乙醇生产工程,主要原料为陈化的玉米、甘薯等,并已部(DOE)自1996年开始启动了生物燃料原料发展计在全国十余个城市开展了掺和10%乙醇的汽油醇燃料划(BFDP),由橡树岭(ORNL)国家实验室领衔组织来应用示范工作自全美国的有关大学、国家实验室和农业实验站的科学根据国家中长期发展规划中的生物质资源培育计家联合攻关,筛选和示范专用能源作物和能源树木。在划,到2020年,如果将15亿t标准煤的生物质资源量美国 Auburn大学的示范田里,筛选的能源植物柳枝稷中的50%用于生产液体燃料,即可为中国石油市场提 Panicus virgatum)干物质产量约可达到37t/hm2,每供2亿t液体燃料。年每hm2足以生产14023L的燃料乙醇。一批能源林木3.3石化产品替代品树种也在奥尔良和华盛顿洲地区大面积示范种植,将逐生物质资源不仅是一种可再生能源,而且可用于开步形成另一类的“能源财富储备库”( Stakeholders)。发出适应未来市场且环境友好的石油和天然气的等价中国在能源农业方面,主要发展能源用途的甘蔗、物或替代品等生物基产品。例如,生物质源有机高分子甜高粱、木薯、芒草等高能品种通过转基因的方法可以材料。获得光合效率很高的能源作物品种,如能源甘蔗,每高分子材料是材料工业的重要支柱,但现有的高分hm2产量可达到55t,甜高粱每hm2可产10t籽粒和子材料基本上均以石化资源为原料。如中国年产1500100t茎秆。如果发展2000hm2,生物质资源量可达万t各类塑料制品,为此要消耗数以千万吨的宝贵的轻到6亿t,合3亿t标准煤。中国已引进了“丽欧”、“凯油资源和大量天然气;而且每年还要形成约500万t的勒”、“雷伊”等若干个优良甜高粱品种,建立了甜高粲示几百年难以降解的塑料垃圾特别是对农业至关重要的范工程。国家十五、863计划中,将建成利用甜高粱茎秆塑料薄膜,每年生产、使用150万t,基本上不能回收,大生产燃料乙醇的工业示范装置,年生产能力达5000t。部分残留于农田,破坏土壤结构,污染环境。目前,全世同时,随着能源农业和能源林业的大规模发展,将界每年生产的可再生淀粉4000万t以上,纤维素、半纤有效地绿化荒山荒地;农村能源问题的彻底解决,又可维素、木质素每年可再生1500亿t,但目前的利用率还大大减轻土壤侵蚀和水土流失,治理沙漠,保护生物多不到总量的5%。面对这一巨大的自然资源宝库,全世样性,促进生态的良性循环和现代种植业的发展,增加界都在力求开发和拓展生物质材料的应用范围。例农村就业机会成为农村新的经济增长点,改善生活环如,美国众议院通过一项农业法案,批准在2002年拨款境,提高农民收入,增加农村新产业,推动农村城镇化500万美元,2003~2007年每年拨款1400万美元,以资振兴农村经济。助生物质材料研究。日本森林综合研究院及相关研究单中国煤化工代农林工生物质生物质材料的开发利用非常重视,已开展大量工作。例能CNMHG如:日本丰田公司开发用白薯淀粉塑料制成了汽车配4.1总体思路件;富士通公司用玉米淀粉塑料(PLA,聚乳酸脂)制成现代农林工生物质能一体化系统81是把能源农的电脑机壳和其它配件已经商业应用。美国 DuPont公业、能源林业和能源工业相结合构成从原料到产品的生司和 Gen Corp International公司合作建成的用玉米生物质能源生产一体化体系该系统在为中国长期能源战农业工程学报2004年略提供技术支撑的同时,从根本上解决农业废弃物的污集、运输和预处理技术与设备;高效纤维素原料水解工染问题,有效地改善农业环境和保护森林植被确保中艺与设备;先进乙醇发酵与精制工艺和设备;纤维素水国的农业和自然生态环境安全(见图3)。解废渣的气化过程和工艺;高效的气化炉设计;与燃料太阳能乙醇系统相匹配的气化发电、供热系统;以沼气和废渣气化合成气为原料生产合成柴油的过程和工艺与关键技术;生物油生产工艺和设备等能源农业业2)技术集成:生物质能源一体化系统的技术集成,农业生态包括集成生物质生产燃料乙醇、废渣气化发电及供热、环境安全自然生态环境安全废渣裂解制生物质油和沼气一合成气生产合成柴油等关键技术集成,开展优化系统的中试研究;开展生物质能源工业能源一体化系统工业化和商业示范研究。4.2系统构成能源安全本发展模式的技术路线与系统构成(图4):以传统3农林工一体化生物质能源体系农业有机废弃物、能源农业和能源林业为产业基础,构Fig 3 Bioenergy industry system integrated with成的生物质原料生产系统;从工业用生物质能源和清洁agriculture and forestry的农村能源两个层面上构成两个不同的应用系统;工业用生物质能源以生物质液体燃料生产为主体,包括燃料4.2技术构成乙醇和生物柴油生产技术构成生物质能转换系统的核1)关键技术:包括高纤维素含量、高光合、抗逆性心;农村用生物质能源以生物质气化和农村生态环境建强的能源植物,也包括各类纤维素类、糖类和淀粉类植设为主体,包括农业废弃物生物质的气化技术、热解技物育种与栽培;适用于能源农业和能源林业的生物质收术、高浓度有机废水沼气技术和综合利用技术。耕地使统农林业农林度弃裂解液化维逮生林合成过程还林继源林业」乙醇生产上水解残渣油料林木裂解油生物油油料作物生物柴迪燃料乙醉荒山[能源农业糖类作物生态农业水生植物常规乙醇淀粉作物规模化养殖业好氧发酵有机废水小城镇建设生活垃圾热解图4现代农林工生物质能一体化系统总体技术路线Fig 4 Overall technical route from biomass feedstock to products in a modernbioenergy system integrated with agriculture and forestry5结语农林业将引导新一轮农业革命。今后的农民不单纯是生产粮食和饲料,更是生产能源、材料、化学制品等的“工生物质产业是在资源替代、保护环境、发展经济和人”。可持续发展的现代理念引领下,在化石能源渐趋枯竭、生物质产业发展方向是与振兴农村经济和改善农全球变暖、环境恶化的形势下产生的一个新型产业。生民中国煤化工分结合的模式发展,能物质的主要来源是农林废弃有机物质和利用低质土地源才1结合,使之形成生物质及水面种殖能源/材料等专用植物,既不与为人类提供产CNMHG、环境和战略价值远大食物的农田争土地,又保护与改善自然及农业生态环于经济价值,它将引导一条具有中国特色的农业工业化境,并为解决农民增收和农村小康社会的建设提供一条之路。以生物质生产为基础的新型农业是农业与工业协新的途径。随着生物质产业的形成与发展,传统农业将调发展的必然和新阶段,它必将为石油进口和温室气体成为隽数霭生产为基础的多元化的新兴农业,生物质滅排做出贡献,并将促进初见端的生物质经济的使速第5期孙振钩:中国生物质产业及发展取向发展。中国农业出版社,2000[17] Hatje W, Ruhl M, HuttI R F, et al. 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It is significant for development of biomass industry to settle the problem of farms and accelerate the agriculturalindustrilization and rural developmentKey words: biomass, biomass resources; biomass industry; bioenergy; biobased materials; agricultural residues; energy plants