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“廢”變油，生物質(zhì)能的饋贈

[2017/4/20]

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、可儲存和碳循環(huán)等優(yōu)點已引起全球的廣泛關(guān)注。蔣劍春帶領(lǐng)團隊針對農(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，取得了多項創(chuàng)新性成果。

 

 


 

蔣劍春在企業(yè)調(diào)研。

中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所供圖

農(nóng)業(yè)廢棄物、樹木及其殘體、動物糞便……這些看似不起眼且難以處理的東西，卻是生物質(zhì)能的重要來源。

生物質(zhì)能與太陽能、風能、地熱能等同為可再生能源，但生物質(zhì)能是唯一可存儲和運輸?shù)目稍偕茉矗菄抑攸c鼓勵發(fā)展的領(lǐng)域之一。根據(jù)《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，將“農(nóng)林生物質(zhì)綜合開發(fā)利用”作為優(yōu)先主題。

但如何轉(zhuǎn)化？需要突破哪些技術(shù)瓶頸？這是中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所研究員蔣劍春團隊長期研究的課題。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)”項目獲得了2016年度國家科技進步獎二等獎。近日，《中國科學報》記者對該團隊進行了采訪。

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、飼料作物的殘體以及樹木、動物糞便和其他有機廢棄物，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，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)！笔Y劍春告訴《中國科學報》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，不但可以彌補化石燃料不足，而且達到保護環(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、可儲存和碳循環(huán)等優(yōu)點已引起全球的廣泛關(guān)注。如日本的“陽光計劃”、印度的“綠色能源工程”、巴西的“酒精能源計劃”等等，都將生物質(zhì)能作為國家戰(zhàn)略推進。

我國生物質(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10億多噸。以農(nóng)作物秸稈為例，有學者在考慮土壤生態(tài)保留和秸稈主要用途后認為，中國可新型能源化利用秸稈生態(tài)總量約為8661.31萬噸。

“一般認為林業(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！眻F隊成員、中國林科院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所研究員徐俊明告訴《中國科學報》記者。

《國家中長期科學和技術(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)展重點已經(jīng)從第一代生物質(zhì)燃料向以木質(zhì)纖維素煉制為核心的第二代生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)變，工藝技術(shù)主要集中在生物轉(zhuǎn)化和熱化學轉(zhuǎn)化方面。

蔣劍春自1996年以來，一直從事林產(chǎn)化學加工領(lǐng)域的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化研究。他帶領(lǐng)團隊針對農(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)，蔣劍春團隊突破了降解產(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)能在利用時均須轉(zhuǎn)化，由于不同生物質(zhì)資源的物理化學方面的差異，轉(zhuǎn)化途徑各不相同。徐俊明表示，熱化學轉(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。

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)進行降解是開展生物質(zhì)高效利用的基礎(chǔ)。

蔣劍春團隊創(chuàng)新研發(fā)了農(nóng)林生物質(zhì)定向熱化學轉(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)模化應(yīng)用的工程化成套關(guān)鍵技術(shù)。

與此同時，該團隊發(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)物純度達到98%以上。

針對農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用中存在生產(chǎn)能耗高的難題，蔣劍春團隊創(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)。

“能耗比國內(nèi)傳統(tǒng)生物柴油生產(chǎn)技術(shù)降低了20%，比國外同類技術(shù)降低了9.8%，綜合生產(chǎn)成本節(jié)約15%以上！笔Y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，該團隊創(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)素的儲量僅次于纖維素，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。

該團隊還揭示了農(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)活性的作用機理、高溫重整過程溫度變化速率以及活化介質(zhì)對活性炭微孔結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控機制，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，這項技術(shù)實現(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)素利用價值和反應(yīng)活性低的問題，降低了酚醛材料原料成本，實現(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)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，總體技術(shù)達到國際先進水平。獲得授權(quán)發(fā)明專利47件，制定行業(yè)標準1項。

據(jù)介紹，該項目在木質(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)達到國際領(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4.07億元。其中，乙酰丙酸及其酯、生物柴油等產(chǎn)品在國內(nèi)市場占有率近30%。

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