美国生物质燃料产业的机遇和挑战

专题论坛|Foum美国生物质燃料产业的机遇和挑战Biofuels in the U.S.Challenges and Opportunities黄小雷( Huang Xiaolei)吴严亮( Wu Yanliang)编译摘要:总结了美国在生物质燃料方面采取的一系列政策和措施,阐述了生物质燃料的应用趋势,重点指出通过加大研发力度以促进第二代生物质燃料的发展和商业化。目前,研发工作已经在许多领城同时开展,主要有生物质资源评价、开发新的生物质原料、提高转化技术以及系统的整体化等。其他需考虑的重要因素还包括燃料的质量和规格,对燃料混合、分配和储存的要求等。大量的研发、政策及制度的实施和开展都必须考虑生物质燃料对能源和环境产生的影响。这些影响不仅包括车辆使用的直接排放量,还包括与燃料生命周期相关的能源的总使用量、温室气体排放量等的影响。由于生物质原料、转化技术和系统整体化方法都具有多样性,所以生物质燃料生命周期的影响也可以有很大差异生物质燃料生产可提高能源安全性、多样性生物质燃料生产有利于提高能源安全性、促进和可持续性,也可减少温室气体排放量,因此生经济和环境的发展,但生物质燃料的生产还必须克物质燃料的发展日益受到重视。近年来,美国已服诸多挑战。表1列出了生物质燃料产业的主要机通过制定法规、确立积极的目标来鼓励增加生物遇和挑战。质燃料的使用。美国有些州(尤其是加利福尼亚表1生物质燃料产业的潜在机遇和挑战州)在生物质燃料使用方面的支持力度更大。初提高能源安全性提高经济生产力保护环境米)的淀粉发酵转化为乙醇。如今,美国对生物资源分配促进农村发展标准大气污步研究主要集中在乙醇,将农产品(主要是玉国内供应稳定物价土地和水资源的使供应的依赖性降低贸易赤字温室气体质燃料的重视程度进一步加强,扶持重点向第二石油减少提高在全球的竞争力野生动植物的栖息地代生物质燃料转移,原料由农作物向多渠道的原生物多样性料供给转移碳的吸收美国2006年的国情咨文指出,美国过度依赖石油。与此同时,美国制定了先进的能源计划1生物质燃料方面的政策(AEⅠ),以减轻对石油能源的依赖程度,促进能中国煤化工源生产技术取得突破性的进展,如纤维素生物质燃美国“1HCNMH在2006年之前料的生就已被广泛达成共识,并且美国针对这一问题出台国际造纸2011年第30卷第6期方数据Foum|专题论坛。■了一系列的政策和调控措施。美国2005年的能源政员会(CARB)共同努力提出并实施本州改变燃料策法案( EPAct2005)是其中一个最重要的举措。计划(AFP),以提高除汽油外其他燃料的用量。这个总额为140亿美元的国家能源计划涉及一系列而且,AFP必须设定2012、2017、2022年应达到的条款,包括能源效率、能源转化、能源基础设施以特定目标,并同时确保不造成空气及水污染或不产及可再生能源种类的增加。生其他危害人类健康的物质。目前,AFP已经开始美国2005年的能源政策法案包括了许多促进实施,该计划周期短至3年,长将会延续到2020一生物质燃料发展的条款。其中,第九大部分(从2050年。AFP包括了一系列法律、鼓励政策和市场属于研究开发部分)中包含了鼓励政府、工业部调控等措施,以达到促进除汽油以外其他燃料使用门和学术机构相互合作来研发有关生物质燃料的的目的。表2中简要列出了AFP的主要目标,计划中先进技术。该部分内容同样包括了对来源于非食提出的主要生物质燃料包括乙醇、生物质柴油、可用植物原料的纤维素生物质燃料的产量刺激计再生柴油和生物质甲烷。划,以保证2015年纤维素生物质燃料年产量达到表2加利福尼亚州AFP的主要目标10亿gal(1gal=3.785L,美制)年份新燃料产量亿gaa传统燃料减少比例%美国2005年的能源政策法案中第十五部分包括2012了一个可再生能源的标准(RFS),即截止到2006017年天然气总量中需要混入乙醇达40亿gala,2012年2022262030达到7512012年后,每年到少要有250g1_20如在美国2007年的国情咨文中,布什总统提出了加利福尼亚州政府的行政命令S-01-07要求燃一个更为积极的方案,以减少汽油的消耗量并进一料的供应商和运输商到2020年将单个生命周期基础步增加生物质燃料的用量。20-in-10计划要求,截上的燃料含碳量降低10%。要达到这一目标,就必止到2017年,传统燃料的消耗量要减少20%,并通须增加生物质燃料的用量,为了达到行政命令的要过提高能源利用效率和增加可再生能源的使用量来求,加利福尼亚空气资源委员会近来提出了一个本达到这一目标。此外,20-in-10计划还设定了一个州低碳燃料标准(LCFS)。可再生能源标准,即截止到2017年,可再生能源用在AB-32法案实施后,政府的行政命令S-0305量要达到350亿gala——超过美国2005年的能源政确立了加利福尼亚州的温室气体排放目标。这策法案中所设定的2012年的目标的4倍目标要求到2010年加利福尼亚州的温室气体排放美国许多州已相继采取措施来促进生物质燃料量降低到2000的水平,到2020年降低到1990的水的使用和发展,最突出的是加利福尼亚州。为了平,到2050年降低到1592水平(1990水平的80%)顺应2000年颁布的本州法律,加利福尼亚州能源以下。为实现这些目标,需要做出更多的努力委员会和空气资源董事会共同发表了一份报告,其中包括使用生物质燃料。以降低本州对汽油的依赖度。该报告指出,应保最近,美国国会通过并且签订了2007能源独立证到2020年交通运输所需燃料总量的20%由除汽油安全法案,该法案比2005年的能源政策法案更为具以外的其他燃料供应,到2030年这一比例应上升体和严格。该法案要求到2022年,可再生燃料的用至30%。量达到360亿ga/a,其中的210亿ga/a必须来自于生2005年,加利福尼亚州立法机构通过了一项众物质燃料。这些V凵中国煤化工是不可食用议院法案(AB-1007, Pavley),要求加利福尼亚的植物,不包括CNMHG部分生物质州能源委员会(CEC)与加利福尼亚州空气资源委燃料将来源于纤维素原料。生物质柴油第一次被专World Pulp and Paper Vol. 30, No. 641H中国煤化工CNMHGFoum|专题论坛D1200口核能目前,美国每年使用约1.42亿t(按绝干质量100·水力能计)森林资源,主要有木材燃料(木材废料和工四太阳能和风能800·生物质燃料业产生废料)、制浆废液、锯木厂废料。“亿吨60化石燃料调研”结果表明,美国能够保持森林资源以2.5倍400的速度增长。这需要增加现有的森林资源,同时开拓新资源。开拓新资源需要应对的困难有:资源来源、运输成本、劳动力、收割设备、环境减9902005202020352050206520802095排等多方面的可行性。潜在可使用的森林资源量注数据来自美国能源部GTL路线图(2005年4月)如图4所示。图3生物质燃料在稳定全球CO2浓度为目前用潜在用量550mLm3时的潜在作用142亿ta(以绝干计368亿Ua(以绝干计)5.7%用于生物质燃料生产的生物质原料14.2%24.8%目前,美国用于生产生物质燃料的主导原料是16.3%202玉米(主要生产乙醇),大豆是生产生物质柴油的最重要原料,尽管生物质柴油产量也在快速增长但美国生物质柴油年产量只有约45亿ga,约占乙口木材燃料■城市固体废弃物醇年产量的7%。由于生物质燃料在满足美国交通运口制浆废液日林业燃烧处理输需求中起着重要的作用,所以生物质原料供应将■木材处理残留物口原木残余物继续增加并多元化。注数据来自美国能源部和农业部统计数据(2005年4月)。近来,美国能源部和农业部联合开展了一项生图4美国森林生物质资源利用概况物质资源的评估研究,以确定美国土地资源是否能生物质资源更大的潜在增长空间可能在农业部满足生物质燃料生产的原料的可持续供应,生产的门。农作物、土地利用形式的变化、产量、耕种以生物质燃料至少能替代全国目前30%以上的汽油用及四季生农作物的引进都应该综合考虑,以促进生量。不论是现在还是将来,林业和农业资源都应发物质资源的开发。美国潜在的可利用的农业资源见生很大的变化。可用于生产生物质燃料的原料,如图5。表3所示。由图5可知,第一部分为美国目前的农业状表3美国可利用的生物质原料况,可利用生物质资源的量为194亿ta(尽管大部森林资源农业资源分还未被利用),并且可利用生物质资源的量将持原木残余物农产品残余物续增长。第二部分仅继续利用传统的农作物,但主要林业燃料处理谷物燃料用的木材多年生草类是农作物的产量不断增长(增加的产量大致相当于木质作物2020年和2040年的预期产量)。第三部分因引入了工厂残余物动物肥料多年生植物(树木和草类),且对传统农作物而其次制浆废液饲养动物的残余物言,残余物和谷物之间的比例增长了。第二部分和木材加工废料建筑垃圾碎片城市固体废弃物QMS第三部分指出了应在满足谷物需求的前提下,将剩再次破坏的森林垃圾地最填理气余的谷物用于生城市树木残枝所示预期的生物厨H中国煤化工到如图5CNMHG农作物产包装废料量,改变农耕方式,加大新技术的研发力度。然而World Pulp and Paper Vol. 30, No. 6H中国煤化工CNMHGForm丨专题论坛翻表5美国能源部大力支持的纤维素乙醇工业化规模生产厂转化方法主要企业合作者原料工艺详情项目地点预期产量Abengoa生物质 Antar Crop公司700td农业残余物(玉酶水解,糖乙醇(1500万gala),热能源公司Taylor工程公司米芯、麦秆、柳枝稷)化,发酵能,电能废料管理厂Blue Fire乙醇厂JGC Crop公司7001d圾填埋地绿色浓酸水解,发乙醇(1900万gla),热MBCS公废物及木材废料如和福尼要能电能生物化学忪公司处理法Broin公司(现为840d农业残余物(玉水解,糖化,1ow米纤维、玉米棒子和Poet公司)s公司乙醇(3000万gala)NREL公司茎发酵生物质精炼 Goldman Sach公司700d衣业残余物(小,Royal Dutch Sh分发和大麦秸杆、环米水解,糖化,ho.乙醇(18008/)生物工程资源公司华盛顿国际集团乙醇(1400万gala),氢AlicoGeosyntec公司770ud堆场废料,木材气化,合成气曲罗里达(88ta),氨气(50废料和植物废料的发酵BG Katz Crop公司td),热能,电能热化学Merrick公司处理法西方研究学院乔治亚林业委员会1200d木材残余物、,气化,合成气乔治亚乙醇(4000万gaa),Range燃料公司生物质转化工艺公司农作物的催化反应甲醇(900万gala),热Khosla ventur公能,电能d以公司题,如生物质原料的预处理以及热处理单元的喂料法和生物化学法共同用于将木质纤维素转化为生物等。气化法存在的挑战有:将焦油的产生量降到最质燃料,同时也应允许有传统的方法,即用淀粉生低、合成气的净化、高效催化剂的开发。热解法存产乙醇以及石油精炼等,如图6所示。在的主要挑战是生物质油的净化和稳定,以便于运为了进一步加快用生物质燃料替代石油燃料的输及进行精烁。研究和开发,美国能源部选定了3个生物质能源研目前,美国能源部正大力支持6家工业规模的究中心,如表6所示。美国将在未来5年向这3个生纤维素乙醇生产厂的发展,如表5所示。美国能源部将在未来年向这6家工厂提供3.85淀粉或谷物淀粉水解亿美元的资金以及更多的实物投资,用于糖的发酵实现工业化规模的生产,乙醇产量将达13葡萄糖可发酵的糖产品回收亿gal/a。这些工厂同时使用生物化学法和五我/六食品热化学法生产技术。除已知的这些转化技术碳动物饲料纤维素水解乙醇外,美国能源部鼓励发展利用更多的原料,化学品木素残余物采用更多的转化处理新技术。因此,投资了预处理约2亿美元来支持一些小型的中试工厂,其热能和电能中10%的中试工厂已经达到工业化规模。木质纤维素画热化学法燃料和化学品热裂解汽油目前,这些生物化学法和热化学法已合成气中国煤化工经发展得比较成熟,期待这些方法能相互注来自2006年国家可CNMHG结合,共同用于生物质精炼中。将热化学图6综合生物精燎模式World Pulp and Paper Vol. 30, No. 6H中国煤化工CNMHGFoum|专题论坛■多研究得出了相差甚远的结论。这很大程度上是因乙醇相对于石油基燃料而言,可降低85%的温室气为对农业耕种、生产乙醇过程中使用的化石能源、体排放量。收集所排放的温室气体来生产副产品、土地利用发数篇报道表明,生物质燃料会对温室气体排放生变化的程度和影响等有不同的假设。Farl!的造成显著的负面影响。这主要是由于土地利用形式项研究提出了生物质燃料分析模式并用其分析了的变化会增加温室气体的排放量,而在生命周期评以前的研究,以期提供界定和假设都一致的分析方估(LCA)模式中未对此增加量加以处理。尽管许法。基于这种模式提出的结果是:在单一最佳条件多生命周期评估研究表明,直接改变土地利用形下,玉米乙醇可减少95%的石油用量(相对于汽油式会造成影响(如原先种植大豆,现改种更多玉而言),但是只能降低13%的温室气体排放量。为米),但还未解释间接改变土地利用形式可能造成更多地降低温室气体排放量,还需要生产纤维素乙的影响(如砍伐树林以改种农作物等,这些都是由醇。对先前乙醇的研究进行了类似的回归分析,美国国家可再生能源政策所驱动)。Hammerschlag计算出了能源回收投资(r),认为其他需要重点考虑的是,用特定的农作物耕作玉米乙醇的生产对节约能源和降低温室气体排放量方式来生产生物质燃料的原料,这些特殊耕种方式的贡献要小于纤维素乙醇。将增加温室气体的排放量,尤其是N2O气体。Farrell等用他们的分析模式来分析了3个玉米所有这些有关生物质燃料生命周期温室气体排乙醇的实际生产案例,并与汽油生产进行了比较,放的影响方面的问题尚存在一些争议,有待进一步分析二者的温室气体排放量和能源输入,分析结果深入研究如图7所示。由图7可知,目前玉米乙醇的生产对降低温室气体排放量的贡献较小,主要由于其“二氧6其他生物质燃料的商业化影响化碳密度”较大,造成温室气体排放量略高于汽油的排放量(玉米由农田运输到乙醇生产厂要经过长发展可持续耐用的生物质燃料工业需要一个巨途运输,这显然要消耗矿物燃料)。然而,纤维素而复杂的供应链,供应链中5个主要环节如图8所能源输入(1)原料生产大型企业应能够提供足量的口石油生物质原料。但是随需求量的增加,需要更谨慎地口天然气■煤种植原料,有必要采用生物质工程技术减少农作物礼06■其他生长的需水量,提高生长速度和抵抗自然灾害的能力,提高产量等(2)新型农作物的处理用于生产生物质燃l20料的新型农作物,如柳枝稷、水藻等,还需要专门温室气体排放的设备和方法,以实现高效收割、贮存和预处理。运输成本也是十分关键的问题。生物质燃料全年生产要求持续可靠的原料供应。废料的有效分离技术仍然存在问题0(3)生物质燃料生产有必要不断改进转化汽油普通乙醇目前玉米乙醇纤维素乙醇工艺,降低生产注CO2产生量以燃料产1MJ能量计。中国煤化工种方法应有机结合应用于实图7乙醇的生命周期评估中能源和CNMHG利用副产品温室气体排放的影响(包括热能和电能)来提高经济效益。World Pulp and Paper Vol 30, No 6专题论坛|Foum原料生原料运输生物质燃科L「生物质燃料L「生物质燃料1:很大程度上受能源安全和温室气的生产的分送的终端使用:体排放政策的驱动。国家和各州政策的制定和实施将促进生物质燃料的大量使用。当前,生物质燃料产品主要以玉米乙醇为主,数器今后会更注重生产第二代生物质注来自美国国家能源部多年项目计划(2007年)燃料,即以木质纤维素和甘油三图8由生物质原料到生物质燃料的供应链酯为原料生产生物质燃料。目前生产生物质燃料的热化(4)生物质燃料的配送现有基础设施(贮存、混合、运输和配送)的相容性是很重要的。另学法和生物化学转化技术发展迅速。由于一系列集体和个人的投资,有望在不久的将来不断取得新的外,质量控制也十分关键,确保生物质燃料产品能满足实际应用的需要。进步。对生产生物质燃料的最佳方法目前暂无定论,因为产品的最佳化取决于当地的原料结构、现(5)生物质燃料的最终使用必须开发出适合生物质燃料的运输工具。为了让消费者满意,这有的基础设施、与其他工业生产厂家联合(包括石些运输工具的性能必须与传统的运输工具相当。油精炼厂)以及其他方面。当然这些措施还需要因总之,整个供应链中需关注的核心就是经济成地制宣美国的自然资源可以为大量生产第二代生物质本。因为生物质燃料要实现大规模工业应用,要求供应链上的每一个环节必须经济可行。燃料提供充足的原料,在未来30~50年内可以替代30%~50%的现有石油燃料。然而,需更多关注转化成生物质燃料的可持续性和经济可行性,同时还必结语须将生物质燃料对环境造成的负面影响降到最低。美国生物质燃料产业正在快速发展和转变,这(责任编辑:陈丽卿)纸业资讯2011年中国造纸工业10项要闻评选及读者竞猜即将揭晓由中国造纸杂志社《造纸信息》杂志举办的“中国造纸工业10项要闻评选”活动,至今已连续进行了12年。2011年度“中国造纸工业10项要闻评选”及“读者竞猜”活动目前正在进行,欢迎广大读者予以关注。《造纸信息》已于2011年12月中下旬,召开在京专家和领导参加的“2011年中国造纸工艺10项要闻评选会”,在全国专家和领导推荐的基础上,评选出了本年度对中国造纸工业发展有重大影响或重要意义的10项要闻。评选结果将刊登在《造纸信息》2012年第1期和中国造纸杂志社网站上。《造纸信息》将对读者竞猜结果进行评奖和抽奖。依次评出一等奖3名(奖金800元/名)、二等奖5名(奖金600元/名)、三等奖8名(奖金400元/名)以及参与奖若干名(赠送2012年《造纸信息》一套/名)。获奖结果将在2012年第2期或第3期《造纸信息》和中国造纸杂志社网站上公布。随后颁发奖金或奖品。欲进一步了解活动详情,请联系中国造纸杂志社《造纸信息》。联系人:田风洲、刘振华、陈悦龙电话:010-65831256,6TH中国煤化工CNMHG传真:010-65817480E-mail:cpi@vip.163.com48国际造纸2011年第30卷第6期方数据