现代生物能源第二波研发和产业化浪潮

液态和气态生物燃料一直是生物能源研发的"重中之重"。纤维素乙醇这种所谓的"第二代生物燃料"的开发热持续了近10年,但始终未能突破商业化生产的技术、经济瓶颈。物料预处理成本和酶成本过高,是木质纤维素乙醇产业化的两大根本性障碍,同时还存在着其他不确定性。而基于热化学平台和糖平台的新型液体生物燃料正在走上世界能源舞台。近年来生物质气化-合成油、生物质裂解提质油、EL类生物燃油、生物MTG油、CBGTL油、藻类油/燃气、生物质气化-合成天然气等各种新型的生物燃料不断涌现,而且研发和产业化速度很快,若干品种的研发已处于产业化的前夜,有望在今后2~4年内实现商业化。它们不但符合"先进生物燃料"关于碳减排的要求,而且还是所谓的"可直接使用生物燃料",即能以任何比例与常规汽柴油调合,或完全单独用于现有的发动机,无需像燃料乙醇那样必须有专用的储运设施。液态和气态生物能源正在迎接研发和产业化的第二波浪潮,中国在其中也占有了一席之地。在这样的大背景下,上述新型生物燃料的主要原料木质纤维素类物料的重要性将愈发凸显。     

国内外生物合成燃油和生物乙醇产业发展现状及趋势

交通运输用液态和气态生物燃料一直是国内外期望用以替代化石燃料的研发热点,作为"第二代生物燃料"的纤维素乙醇曾被寄予厚望,然而对其的研发热虽已持续近10年,但迄今未能正式商业化。在这一背景下,一方面是某些纤维素乙醇企业探索"多产品联产"以求生存;另一方面,国际上研发的重点正在向基于热化学转化途径的新型液体生物燃料转变。包括生物质气化-合成油、生物裂解-提质油、生物MTG油、CBGTL油等在内的"先进生物燃料"正在走上历史舞台,它们不但符合关于碳减排和洁净燃料的标准,而且还是可"直接使用"(drop-in)的燃料,即能以任何比例与常规汽柴油掺混,或单独用于现有的发动机,比生物乙醇具有更广阔的市场。更重要的是,适合制生物合成油的原料范畴比生物乙醇大幅拓宽,木质类废弃物乃至有机垃圾等均可用作原料,同时还能充分利用现有石油炼制设备。当前生物合成油的开发已经处于商业化的前夜。在激烈的竞争中,中国个别民企虽已占有一席之地,但在国家层面应尽快将生物质热化学转化置于生物能源研发的真正战略制高点。     

我国生物质能源现代化应用前景展望(二)——生物质制备液体燃料的转化途径

利用可再生生物质资源转化制备液体燃料已成为全球关注的热点。常见的生物质能源原料主要有草本植物、木本植物、微藻和脂肪类生物质资源,丰富的生物质资源为生物质液体燃料的生产提供了广泛的原料来源,也为生物质能源的多样性发展提供了坚实的物质基础。不同的生物质原料种类和转化方式可生产出性能各异的多种液体燃料,主要包括醇类燃料(乙醇、丁醇等)、烃类燃料和生物柴油等,由此构建出生物质转化制备液体燃料的转化途径网络。醇类燃料的生物质转化途径主要包括生物质直接发酵、生物质合成气发酵、生物质合成气化学合成等;烃类燃料的生物质转化途径主要有生物质液化加氢、微藻热化学途径、生物质合成气费托合成、生物质发酵脂肪酸加氢及油脂类加氢途径等;生物柴油的转化途径主要有油脂酯交换和微藻萃取酯交换。在这些液体燃料的转化途径中,只有生物质发酵制乙醇途径和油脂酯交换途径基本实现了商业化应用,其他大部分转化途径仍处于开发阶段。     

我国生物质能源现代化应用前景展望(三)——生物质能源转化技术经济评估

秸秆、动植物油脂、微藻等生物质原料可以生产液体运输燃料,生物燃料的化学成分包括醇、酯、烃三类。燃料乙醇主要替代汽油,受到各国重视,其中纤维素乙醇技术发展较快。脂肪酸甲酯是第一代生物柴油的主要成分,价格主要受油脂原料价格的影响,由于和柴油相容性差,低温流动性不好,将逐渐被加氢生产的第二代生物柴油取代。相比醇、酯等含氧燃料,烃类生物燃料在使用性能上有很多优势。有多条技术路线可以生产烃类燃料,其中油脂加氢制喷气燃料已接近商业应用,热解油加氢可将木质生物质原料中的"木质素"组分转化为生物油,大型快速热解工厂可以和热电联产装置组成联合系统,从而提高工厂综合热效率,降低生物燃料生产成本。因此,快速热解生产汽柴油将成为主要的生物燃料生产路线。生物质与煤共气化技术通过提高气化温度,不仅可以提高生物质气化效率,减少焦油的生成,还可以解决生物质供给的季节性问题,为生物质的高效利用提供了一条新的技术途径。微藻高压液化生产柴油是最具发展潜力的第三代生物燃料技术,我国需要加强微藻养殖及加工技术攻关。     

我国生物燃料技术开发成果

正我国生物燃料产业经过十几年的发展,已经形成十几条技术转化路线,生物质气化-合成油、生物质裂解提质油、EL类生物燃油、生物MTG油、CBGTL油、藻类油/燃气、生物质气化-合成天然气等各种新型生物燃料有望在今后几年商业化。用生物质原料制合成气,目前已开发出多系列达到示范工厂和商业应用规模的气化炉。采用气化-合成工艺生产生物天然气,可用木质类和干秸秆类原料,突破了微生物发酵法对原料的严格限制。     

烃类生物燃料加工技术

正烃类生物燃料加工技术中一些技术的突破可能加快产业化进程。专家预测,以烃类为主要成分的第二代生物柴油取代以脂肪酸甲酯为主要成分的第一代生物柴油是大势所趋。有多条技术路线以生物质为原料生产的烃类燃料可与传统燃料以任意比例调配。油脂加氢异构生产可再生柴油和喷气燃料将首先实现商业化,气化、热解转化木质生物质生产可再生柴油的技术已接近商用或者处于示范阶段,热解油加氢制烃燃料和CBGTL将成为主要的生物燃料生产路线。     

木质纤维素预处理技术及其机理研究进展

由于生物质能源具有储量大、分布广、可再生等特点而被人们开发为煤、石油、天然气等化石燃料的替代能源,将木质纤维素转化为燃料乙醇是生物质能源开发利用的一个重要方向。纤维素、半纤维素和木质素是组成木质纤维素的主要成分,它们之间通过共价和非共价键结合形成致密的结构,阻碍了酶对木质纤维素的降解,因此在将木质纤维素酶解发酵之前必须进行预处理。本文综述了生物法、物理法、化学法和物理化学法四大类预处理技术及其相关原理并对木质纤维素预处理技术发展前景作了展望。     

纤维素燃料乙醇预处理技术研究进展

木质纤维素类生物质可经过预处理-酶水解-发酵等过程转化为纤维素燃料乙醇,其不仅是粮食乙醇的有益补充,还是未来生物燃料发展的主要方向。预处理是制备纤维素燃料乙醇的关键步骤,预处理可以破坏木质纤维素原料的致密结构,提高底物与纤维素酶之间的可及性,从而提高后续的酶解和发酵效率。目前,预处理技术主要包括物理法、生物法、化学法和物理化学法。文章主要对碱法、酸法等重要的化学预处理方法进行了论述,对近年来新开发的有机溶剂和离子液体溶剂体系预处理的研究进行了重点分析,其中有机溶剂体系具有对设备腐蚀较小的优点,离子液体溶剂体系具有热稳定性和化学稳定性高的优点。目前,二者是生物质预处理技术的研究热点。     

燃料乙醇炼制系统优化与碳减排研究进展

生物质是丰富可再生的碳源,以糖、淀粉、秸秆纤维素或其他生物质原料高效生产燃料乙醇,可减少化石能源的需求,其中以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇具有广阔的发展前景。与化石能源相比,燃料乙醇具有环保、经济、可再生的优势,但其在生产工艺技术、经济效益和环境影响等方面仍需要深入研究。近年来,通过开展燃料乙醇炼制系统优化及全生命周期分析研究,有力地促进了燃料乙醇技术进步,推动了燃料乙醇碳减排相关研究。文章主要论述了近年来燃料乙醇生产技术的发展,重点对燃料乙醇系统的模拟优化和碳减排研究进展进行了总结,并对燃料乙醇发展趋势进行了展望,以期为燃料乙醇的可持续发展提供参考。     

我国生物质能科技发展思路

<正>《国家能源科技"十二五"规划》提出的生物质能科技发展思路是以木质纤维素为原料生产乙醇、丁醇、生物汽油等液体燃料及适应多种非粮原料的先进生物燃料产业化关键技术,实施二代燃料乙醇技术工程示范。同时,开发农业废弃物生物燃气高效制备及其综合利用关键技术,实现生物燃气规模化示范应用。其核心目标是实现先进生物燃料技术产业化     

第二代和第三代生物燃料发展现状及启示

第二代生物乙醇以生物质为原料,包括纤维素乙醇和纤维素生物汽油两种产品。目前已建有示范装置和/或工业装置的纤维素乙醇生产技术包括硫酸/酶水解-发酵技术、硫酸水解-发酵技术、酸水解-发酵-酯化-加氢技术、酶水解-发酵技术。业内专家认为,用酶替代硫酸水解是纤维素乙醇生产的发展方向。目前已经和准备进行示范装置试验的纤维素生物汽油生产技术包括快速热解-加氢改质技术和BioForming技术。第二代生物柴油主要以动植物油脂为原料,通过催化加氢生产非脂肪酸甲酯生物柴油,它是理想的优质柴油调合组分。生产第二代生物柴油的加氢技术包括加氢脱氧、回收丙烷和其他轻烃气体、脱水、异构化和裂化、蒸馏等5个步骤,主要有NExBTL可再生柴油生产技术、Ecofining绿色柴油生产技术、Haldor Topsoe可再生柴油生产技术、EERC可再生柴油生产技术。第三代生物燃料有两种:一种是以海藻油为原料生产乙醇、丁醇、喷气燃料和柴油,海藻培养(生长)和萃取海藻油是核心步骤,目前尚处于初期阶段;另一种是以生物质原料通过气化合成生产汽油、喷气燃料和柴油,重点是开发生物质气化技术,降低生产成本。我国应借鉴国外发展第二代和第三代生物燃料的做法,把技术开发工作做深做细做透,搞清楚原料的供应情况;目前我国生物柴油主要采用酯交换法生产脂肪酸甲酯,应考虑开发和采用加氢法生产第二代生物柴油,并努力扩大除麻风果油以外的原料来源;同时应加大海藻生物燃料和生物质气化合成生物燃料的开发力度。     

木质纤维素生物质生产乙醇的预处理技术

木质纤维素生物质经过预处理后，原料的内孔面积增大，纤维素的结晶性降低，并且半纤维素和木质素被去除．预处理后的生物质容易进行酶水解生产燃料乙醇。总结了近些年来的预处理技术，如物理法、化学法和生物法。     

石油炼厂加工纤维素/木质纤维素生物质原料的前景

生物质热解与生物油改质、生物质气化与合成气费-托转化工艺是正在研究开发的第二代生物燃料技术,前者利用快速热解工艺对生物质进行热解或热加氢改质生成热解油;后者用生物质直接合成或先转化为生物油后再生成合成气,合成气经改质和转化生产费-托合成烃。许多石油公司都在以纤维素/木质纤维素为原料,研究开发在石油炼厂内对生物质原料进行后续加工和应用的相关技术。在石油炼厂中引入生物质原料,其挑战是要找到源自非食用生物质或生物质废弃物的原料,而且这些原料应易于运输并易于在炼厂中进行处理,同时应尽可能使用现有的工艺和装置。虽然石油炼厂加工生物质原料尚存在一些问题,但近来开发势头十分强劲。从长远角度来看,任何能为炼厂提供原料,生命周期分析证明能减少CO2排放,并在经济上可行的技术均会在生物燃料开发竞争中成为赢家。     

我国燃料乙醇发展现状和趋势分析

原油价格高企和日益严重的环境污染问题,使得人们越来越关注燃料乙醇等清洁环保的可再生能源。我国2001年开始发展燃料乙醇,已成为第三大燃料乙醇生产国,但我国目前以玉米和小麦等粮食为原料生产燃料乙醇,成本较高且影响国家粮食安全。本文从产业政策和经济效益角度分析了我国燃料乙醇发展趋势和原料路线选择,燃料乙醇的发展应立足于中国国情,走以非粮作物如木薯和纤维素为原料的生产路线。以木薯为原料生产燃料乙醇,技术成熟,经济效益良好。以纤维素为原料生产燃料乙醇,具有广阔的发展前景,是未来燃料乙醇的发展趋势,但目前技术不成熟,生产燃料乙醇成本较高。     

全球乙醇生物质原料开发加快

出于降低对石油产品的依赖以及减少污染的需要，全球燃料乙醇的生产量正持续增长。同时，其原料的开发步伐也在加快。谷物或甘蔗是全球乙醇生产所用的主要原料。分析认为，谷物或甘蔗未来增长潜力有限，而含有木质纤维素的各种生物质原料成为生产乙醇所需的替代来源．其开发日益加快。木质纤维素材料存在于谷物和生活固体废弃物之中，木质纤维素材料因其具有复杂的聚合结构，要转化为化学产品颇为困难。     

我国生物质能源现代化应用前景展望(四)——生物质能源转化生命周期分析

生物质种类不同,转化为运输燃料的途径也是多种多样,生命周期排放的温室气体和能耗也不相同。总结对比主要生物质转化途径的全生命周期分析(LCA)结果,有助于明确需要进一步改进的技术难题和方向。生物质转化为醇类燃料时,使用E85比使用传统汽油的碳排放明显下降,纤维素生化转化途径排放的二氧化碳当量值约为传统汽油的0.2~0.7倍,热化学途径约为传统汽油的0.6~0.9倍,玉米干法为传统汽油的0.8~1倍。油脂类生物质转化为酯类燃料时,生物柴油减排温室气体的效果,动物油脂地沟油、棕榈油豆油、椰子油菜籽油。动物油脂、地沟油生产生物柴油可减排温室气体70%~90%,以植物为原料的生物柴油可减排10%~90%。生物质转化为烃类燃料时,菜籽油基喷气燃料可减排温室气体13%~55%,F-T合成油比油脂加氢具有更好的减排效果,BTL通常可减排80%以上的温室气体,CBTL的减排效果与掺入生物质的比例有关,热解汽柴油的温室气体减排率为58%~70%。对于微藻生物燃料工艺过程,在微藻产率和含油量不太低的情况下,池子系统的温室气体排放低于石油柴油。     

生物燃料开发应用进展

正在生物质能源产品结构中,液体生物燃料及气体生物燃料可替代车用汽柴油,因而一直以来都是生物能源产品研发中的"重中之重"。生物燃料乙醇和生物柴油一直以较高的速度发展,2010年,全世界生物燃料产量为0.593×10~8t标油,全部为第一代生物燃料,主要原料为甘蔗、玉米,少量油菜籽、葵花籽和其它农业、林业产品。生物燃料产业发展初期,主要原料使用谷物(在我国主要是粮食玉米)和食用油,唯有巴西等几个国家用甘蔗等植物作原料。此后,由用粮食作原料转向     

我国生物质能利用现状与展望

生物质能是重要的可再生能源资源,具有广阔的开发利用前景。介绍了我国生物质能的发展现状,包括固态生物质燃料、液态生物质燃料（燃料乙醇、生物柴油）、气态生物质燃料的开发利用和技术进展。对我国发展生物质能提出了建议,包括生物质能原料的利用和开发,生物质能开发利用的路线与技术,以及开展国际合作与交流,引进吸收国外先进的技术和设备等。     

木质纤维素制取燃料乙醇菌种的研究

目前,随着石油资源的日益枯竭,寻求一种廉价的、清洁的、可再生的新型能源成为各国能源领域科研人员的一项重要任务.乙醇作为一种工业燃料,具有许多优点,利用生物质制取燃料乙醇技术,越来越受到人们的广泛关注.文章报道了国内外近年来利用木质纤维素稀酸水解液制取燃料乙醇的菌种的研究现状,主要包括木质纤维素稀酸水解液乙醇发酵的酵母菌、细菌及基因重组菌的菌种构建等.     

微藻生物能源研究现状及展望

能源是现代社会发展的命脉,目前仍以化石燃料为主,而对化石燃料过度依赖导致的能源危机和环境问题日益突出,人类需要寻找可再生的清洁能源作为替代能源。微藻作为可持续的生物能源原料,具有巨大的发展潜力。本文综述了微藻原料获取各环节的研究现状,包括微藻育种、规模培养和采收,并重点论述了微藻生物质转化为生物能源产品的研究进展,包括生物柴油、生物乙醇、生物燃气、生物油,同时指出了微藻生物能源未来的研究方向。