1、 西南科技大学 罗学刚l生物质是指可再生或循环的有机物质，包括农作物、树木和其它植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等。生物质资源是世界上潜在的最大的可再生的燃料及化学物的来源。l生物质产业是以生物质为原料，通过工业性加工转化，进 行 生 物 基 产 品（Biobased products)、生物燃料(Biofuels)和生物能源(Bioenergy)生产的一种新兴产业。l生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位。l生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的14%，而在发展中国家高达40%以上。l广义的生物质能包括一切以生物质为
2、载体的能量，具有可再生性。据估计，全球每年水、陆生物质产生的热当量为31021J左右，是全球目前总能耗量的10倍。l生物质产业直面我国“三农”、能源和环境三大主题，是世界发展之大势和新兴的朝阳产业，在宏观和战略上是可行的。l战术层面上，生物质资源的丰度与成本，原料生产与转化技术，以及产品市场等都是可行的。l在世界范围内，它并没有得到大规模的应用，主要原因是其经济性仍不理想。这与原料的成本、生产规模、工艺成本、产率等因素有关。l自上世纪末，化石能源渐趋枯竭，温室气体导致全球变暖，以及环境恶化的危机感和紧迫感，使国际社会由理性呼吁和国际协议，发展到制订国家战略和采取对策行动。l2000年美国国会通
3、过了“生物质研发法案”；2002年提出了发展和推进生物质基产品和生物能源报告和生物质技术路线图，成立了“生物质项目办公室”和生物质技术咨询委员会。l欧盟委员会提出，到2020年，运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代；日本有“阳光计划”；印度有“绿色能源工程计划”；加拿大大力调整生物质行业政策，迎头赶上美欧和日本；l世界经合组织(OCED)的最新研究报告(2004年9月)指出：“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，减小它与传统原油及天然气产品的价格差距，以最终达到替代的结果。”l自上世纪70年代，美欧等发达国家在发展生物质产业上已积累了许多经验。现况是，美国年产燃料乙醇500
4、万吨，巴西1300万吨；欧洲以油菜为原料年产生物柴油200万吨，法国计划2010年达8001000万吨；美国卡杰尔-道氏公司已建成以玉米为原料年产14万吨聚乳酸(PLA)及多种聚合物树脂；沼气发电和固化成型燃烧在德国和北欧已经商品化。历时30余年的生物质能源产业已是星火遍地和蓄势待发。l我国生物质产业刚刚起步：豫、吉、皖三省4套年产30万吨燃料乙醇装置已建成投产和乙醇汽油销售开始封闭运行；我国自行培育的，具高抗逆性和可全国种植的甜高梁，每公顷能生产燃料乙醇6吨，比甘蔗高30%，比玉米高3倍，在新疆、内蒙古等地已有可喜进展。麻疯树籽粒含油率50%以上，可直接生产生物柴油，西南地区已有上十万亩种植
5、，计划2010年发展到1000万亩。此外，淀粉基热塑性和聚乳酸树脂技术正酝酿突破。l1、生物质热解能源转化研究：l生物质热解液化是在中温(500600)、高加热速率(104105/s)和极短气体停留时间(约2s)的条件下，将生物质直接热解，产物经快速冷却，可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，得到高产量的生物质液体油，液体产率(质量比)可高达7080。l气体产率随着温度和加热速率的升高及停留时间的延长而增加，较低的温度和加热速率会导致物料的碳化，使固体生物质炭产率增加。快速热裂解液化反应对设备及反应条件的要求比较苛刻，但其最大的优点在于产品油的易存储和易运输，不存在产品的就地消费问
6、题，因而得到了国内外的广泛关注。生物质通过热解进行转化比化石资源转化有更多的环境与经济优势。l2、生物质裂解液化转化研究：l通过物理、化学或生物方法,可使木材转化为醇类、可燃性油或者其它带有特定官能团的化合物，从而可作为燃料或化工原料使用。通过裂解液化使生物质大分子降解成具有反应活性的液态小分子，从而转化成新的高分子材料。l生物质裂解液化转化的研究是上世纪70年代发展起来的。l1971年Appell等在350温度下，使用均相碳酸钠为催化剂，在水和高沸点溶剂(蒽油,甲酚等)混合物中，用1424MPa压力的CO/H2混合气将生物质液化为重油。反应温度300350，反应时间约1h，苯溶物(油)的产率
7、可达40%60%，原料转化率可达95%99%，此法亦称为PERC法。lYokoyama等人也在300的高温和10MPa的高压水中，以碳酸钠为催化剂，在没有还原性气体氢气和一氧化碳存在的情况下，将生物质液化成燃油。l也可用相当于原料质量2%5%的碱金属盐为催化剂，水为溶剂，通N2加压，在300反应60min。原料液化后得到焦油状物质，用丙酮等溶剂可将其分离出来。在300温度下，油的产率最高，可达28.4%。而当温度升至350时，产率降至5%。l美国加利福尼亚大学先对生物质进行前处理，再用与Appell相同的方法进行液化，且液化后生物质组分仍可保持其高分子化合物性质。此法称为LBL法。l日本白石信
8、夫等人发现在有机溶剂中，生物质可以在比较温和的条件下液化，没有催化剂作用时，其液化条件一般是240270，而在酸性催化剂作用下仅在80150即可液化；并相继发展了在各种介质中，以不同物质作催化剂的液化方法及其产物的利用对策。l美英等国将生物质加工成液体燃料的技术已达到实用阶段。美国俄勒冈州一家以木片为原料加工原油的工厂，1000kg木片可制成300kg石油，英国一家公司采用液化技术，用100kg木材生产生24kg石油、16kg沥青和15kg蒸汽。据称，这种“木质石油”与中东地区生产的石油质量相近；俄罗斯用锯末制取石油，产率达70%92%。l3、裂解油及裂解液化产物的分离与精制研究l裂解油及裂解
9、液化产物与传统燃料油相比性质较不稳定，蒸馏加工过程中对温度的敏感性和不挥发性很高，有时还存在粘度过高和水分层问题。因此对裂解油和裂解液化产物进行改良是十分必要的。l(1)加氢处理，所需H2可以通过生物质或其焦油就地气化来解决。催化加氢处理的关键在于催化剂的选择，最近的研究表明：传统的催化剂体系，如以氧化铝作载体的CoMo和NiMo催化剂的寿命和稳定性及产品的产率都不太理想，如以碳或改性氧化铝作载体，则能克服上述缺点。在填充床上，使用NiMo硫化物催化剂，在140280，15 MPa条件下加氢处理生物原油，得到的改良油产率可近72%。l(2)分子筛处理，分子筛改良与加氢处理比较有更大潜在的优势，
10、因为是低压操作，温度又与生物质产油量最好时的工艺相近，易于将裂解和改良两个步骤紧密相联，提供了一个方便的加工方法，并且成本上优于氢处理。虽然目前最优的催化剂和工艺条件以及催化剂寿命和再生仍需进一步确定，但许多相关工作已有进展。l(1)基础研究有待加强。生物质裂解液化技术如加氢液化技术、定向液化技术正处于发展阶段，其裂解液化机理和过程控制因素还不完全清楚，还要通过试验采集大量数据，进行理论研究，建立液化动力学模型，进而开发出更合理的工艺路线和设备。l(2)在掌握生物质裂解液化机理的基础上，结合超临界状态下的反应体系等新技术，开发新的催化剂，溶剂与反应体系，进一步发展新的裂解液化方法，实现液化过程的“绿色化”。l(3)裂解液化产物的精制技术有待完善。裂解液化所得的产物含氧量高、热值低、腐蚀性强，需要进一步精制才能利用，但其不稳定性又导致精制比较困难。目前对产品油的分析测试还不完善，分离手段也有待改进。l(4)进一步研究裂解液化产物在高新技术领域的应用，以提高产品的附加值，为裂解液化技术走向产业化奠定基础。l(5)生物质能源产物和生物基化工产品的成本还较高。生物质的成本较低，但是利用其制取低分子量的化合物或者燃料油的成本较目前的石化原油还是偏高了一些，所以有待进一步开发出合理的生产工艺。
