生物质能替代传统化石能源的探析(0)

1、生物质能替代传统化石能源的探析摘要：传统化学能源，特别是石油资源的日益短缺，促使人们不断开发新的可再生能源来替代目前的传统化学能源。本文讨论了生物质在能源和化工领域替代石油资源的各种可能途径，分析了这些途径的发展前景，提出了各种生物质资源,不但能够成为石油资源的直接替代，如燃料乙醇、生物柴油等；而且能够成为开发各种化工产品的资源平台，形成对石油化工产品的产业竞争 ，实现对石油资源的间接替代，如各种生物基本有机化学品和功能性高分子材料等。开发生物质转化制液体燃料技术和生物化工技术将对石化工业的发展起到推动作用，有助于石油化工产业的可持续发展。关键词：生物化工；生物燃料；生物资源；生物质利用;燃料

2、乙醇；生物柴油；石油化工产品；功能性有机高分子材料Abstract：The traditional energy resources，especially the petroleum ，become more and more limited，which push our society to develop new continuously renewable energy sourcesIn this paper, some possible route sand their future in energy and petrochemicals replacing by biomass

3、are describedIt shows that the biomass resources can not only be the direct substitute of liquid fuels，such as fuel ethanol and biodiesel， but also can be the indirect substitute of petroleum ， such as basic biochemicals and functional polymers Biochemical technology development will accelerate the

4、progress of petrochemical industry， and make it more sustainableKeywords： biochemicals： biofuels； bioresources； biomass utilization；fuel ethanol；biodiesel；petrochemicals；Functional polymers1、 前景展望能源短缺、粮食危机、环境污染等三大问题日益困扰着我国经济发展。要解决这些问题的关键就是寻求能源替代的有效途径。在能源替代的各种选择中，如风能、太阳能、水能、地热能和生物质能等可再生能源中，只有生物质能是直接以

5、各种化合物和化学质能的形式存在的，从现有的工业体系和社会应用体系的角度，用生物质能替代石油能源有着得天独厚的的优势。生物质对石油资源的替代方式是多方面的，一方面发展生物燃料替代化石燃料，另一方面发展各种生物质化工产品替代化石产品，从而利用可再生的资源间接替代化石燃料。本文将通过介绍各种生物质能利用方式的特点出发，分析各种利用方式的适应环境和发展前景【1-2】2、 生物质能在替代能源资源中的地位与作用生物质是人类历史上应用时间最长，并仍然在大量使用的能源资源。化石能源是满足能源需求的主要资源，人类所需能量的大部分自于煤炭、石油和天然气等化石能源 。但是化石能源属于不可再生资源，随着化石能源的逐渐

6、枯竭，生物质能源越来越受到广泛的重视。生物质能作为一种可再生能源，能够有效降低CO2温室效应，减缓环境污染 ，同时改变现有不平衡的石油供求关系，从保持持续供应的角度看，生物质能比化石燃料具有更明显的优势。生物质能来源非常广泛 ，包括木材及林业废弃物 、农作物及农业废弃物 、水生植物 、油料植物 、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等，因此开发潜力巨大。随着现代工业的发展，我国CO2的排放量也在逐步上升 。有机化合物和合成高分子材料是石油化工的一大支柱产业，现有石油的20被用于合成各种化合物和高分子材料。人工合成的各种化合物和高分子材料应用于人类衣食住行的各个方面 。尽管人工合成化合物和高分子材料

7、性能优 良、成本低廉，在其发明之后很快就取代了天然化合物和高分子材料的地位，但其难降解特性正成为环境污染的重大问题。现在，研究人员正越来越多的将眼光投向利用生物质资源 ，以期能够开发出性能能够与各种合成材料相媲美的生物质改性的合成材料或合成材料改性的生物基高分子材料。实际上，生物质是一类由纤维素、半纤维素、木质素和各种小分子化合物组成的天然高分子材料 ，而纤维素、半纤维素、木质素等高分子又可拆分为组成它们的糖基和芳烃化合物，将其与目前的各种合成高分子或高分子单体进行聚合、接枝共混等各种改性，具有非常大的技术发展空间。 3、 生物质能直接替代燃料和各种液体运输燃料生物质能的直接利用途径多种多样，

8、如直接燃烧，气化生产合成气并进一步生产液体燃料，热解生产合成气 、液体燃料、焦炭等 ，发酵生产甲烷气、乙醇、丁醇等各种转化方式。生物质能源转换技术的研究开发工作主要包括生物转换、化学转换、物理转换三大类转换技术。生物质能源转换的方式涉及气化、液化、热解 、固化和直接燃烧等技术，其中，生物质的热解、液化和气化是热化学转化中几种主要的方式 (图 1) 【3】。物理转换技术是最传统和最直接的生物质能利用技术。生物质 的直接燃烧虽然成本非常低，便于应用，但由于很多生物质的能量密度较低，很难达到很高的燃烧温度从而限制了其能效提高和应用范围，且这种利用方式不能得到市场更加急需的液体燃料，这也是资源利用上的

9、一种浪费。对生物质进行生物转化可以制取甲烷、乙醇、丁醇等高能量密度清洁气体、液体燃料，其中生物乙醇【4】是现在生产最多的生物燃料，另外，各种生活废料厌氧发酵生产甲烷是我国小城镇和农村地区广泛实践的一种能源转化手段。原则上生物乙醇可从任何来源的可发酵糖制取，与石油化工路线相比，微生物发酵工艺生产的乙醇具有较强的竞争力，特别是以可再生的农副产品为原料，不仅可以减少化石能源的消耗，更重要的是可以调节农副产品的市场价格。生产生物柴油的前提是培养和大面积生产高油脂含量的动植物；理论上说生物柴油可从任何来源的生物油制取，但现实是仍主要由各种谷物、含油种籽等油脂作物来生产。4、生物质能的化学转化途径分析。目

10、前国内外常用的生物质热化学转化方法包括热解、液化 、气化等转化技术 。采用不同的操作条件和装置可得到不同的转化产品，针对不同转化产品可运用各种进一步的加工技术 ，得到用途广泛的二次产物【5】。 4、1、生物质气化制合成气或氢气，合成气再通过费托合成生产液体燃料产品 (间接液化 )是目前比较成熟的一条生物质能化学转化的途径，如 BTL技术路线。但这种路径存在着转化路径长、投资和能耗大、碳的利用率低等缺点。4、2、生物质能化学转化的另一条途径是将生物质在氢气的参与下进行加氢裂化反应 ，从而直接得到所需要的液体燃料产品，这种路径的碳利用率高、加工流程短，但需要将生物质充分的粉化 ，反应所需的氢气高，

11、且大量的氢资源变成了水，造成加工成本太高而没有太大的经济价值。生物质热解是指生物质在没有氧化剂 (空气、氧气等)存在或只提供有限氧气的条件下，通过高温加热作用使生物质大分子物质 (木质素、纤维素和半纤维素)分解成较小分子的燃料物质 (可燃气、生物油、固态炭)的热化学转化技术。4、3、热解是生物质能化学转化最有前景的转化方式之一。生物质热解技术将低品位的生物质(热值大约 1215MJkg)转化成易储存、易运输、能量密度高的燃料油 (热值高达 2022MJkg)、合成气和焦炭，最大限度地将生物质转化为能源产品，物尽其用【6】。该技术具有明显的优点：热解产物为燃气、生物油和焦炭，并可根据不同需要改变

12、产物收率加以利用；环境污染小，生物质在无氧或缺氧 的条件下热解时，NO 、SO2等污染物排放少，且热解烟气中灰量小；生物质中的重金属等有害成分大部分被固定在焦炭中，可以从中回收金属，进一步减少环境污染；热解可以处理不适于焚烧的生物质【7】；更为重要的是热解过程所得到的产物能够较好地整合进 目前的炼厂流程中，从而充分利用 已有的资产和成熟技术 。目前，生物质热解技术仍处于研究开发阶段，这主要是 由于：人们对热解反应的机理知之甚少 ，热解反应 的控制十分复杂，难于实现工业化连续生产 ；热解反应的产物 ，特别是液体产物组成十分复杂，需要经过复杂的后续加工改质才能成为合格的液体燃料产品，这一加工过程的

13、经济性如何仍需大量的研究工作才能予 以合理的评估 。4、4、生物质能间接替代石化能源资源从组成来看，可再生生物质由于含有大量的碳氢化合物，相对分子质量从成百上千到几千万，理论上可以生产出任何碳链长度的化学品，几乎涵盖整个石油基化学品。虽然出于价格和性能考虑，目前大多数化学品仍来自石油基原料，但随着生物质化合物和高分子材料生产技术的不断改进 ，用生物质为原料生产的化合物和高分子材料将以其碳利用率高和产品绿色环保性成为化工领域重点发展的行业【5】。生物质的化工利用途径多种多样，如直接利用生物基高分子材料 、利用生物高分子与合成高分子合成半合成高分子材料、利用糖基化合物单体与合成化合物单体聚合生产高

14、分子材料、生物质化学转化生产精细化学品等 (图 2)。利用生物质生产各种精细化学品是一项古老的新兴技术 ，通过发酵将淀粉等转化为各种医药和食品添加剂，如抗生素、氨基酸、甾体激素、维生素、淀粉糖等早已实现工业化 。但从生物质出发通过催化转化和生物转化生产大宗化学品代替石油原料则是近二三十年来引人关注 的领域 (图 3)。世界上许多大型的石油化工集团和公司都纷纷把注意力转向生物化工技术。如果说利用生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 ，利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，正成为化学工业发展的一个重要趋势。生物质利用的最有效途径就是对生物高分子进行直接利用 。如果不对生物

15、高分子进行必要的改性而直接利用 ，则其所得到的材料性质将难于调变 ，满足不了实际应用中对材料性能的多数要求。纤维素、木质素是植物界中最具潜力的高分子材料资源，目前利用纤维素、木质素及其衍生物制备和改性高分子材料有两种途径：一种是通过新方法、新技术、新工艺的研究，将这些生物质高分子的热塑性、阻燃和耐热性 、防老化性、防紫外辐射 、成核性以及物降解等性能移植于新材料之中，开发出市场需求量大、性能好、经济效益好的生物质高分子产品；另一种是通过对生物高分子结构的可控化学修饰，提高其化学反应活性或控制其聚集态结构和相互作用力强度 ，在分子水平实现对材料性能的优化设计 。这种利用途径也可称为半合成高分子材

16、料途径。近年来，随着研究的深入，人们更加深入地了解了各种纤维素、木质素的结构及其特殊性能，开发出了一系列的高分子添加剂，通过胺化、环氧化、酚化、羟基化、聚酯化等化学反应引入高活性基团，优化生物高分子的结构性能 ，提高其产品的应用价值 。同时将生物 高分子与合成高分子通过适当的分子结构修饰技术进行接枝共聚，将会大大提高生物高分子材料性能的调变性 ，提高合成高分子材料的生物可降解性 ，实现生物质能对能源资源的高效替代 。5、结语在“燃料直接替代 ”和 “原料间接替代”的双重推动下，石化工业的生物能源和生物化工技术得以起步和发展 。随着生物技术在生物燃料 、聚合物单体生产 、化学品的生产以及污染物治理等方面的应用，生物化工技术必将对中国的石化业务发展起到较大的推动作用 。【1】1 王莉生物能源的发展现状及发展前景J化工文摘，2009(2)：4850【2】 章惟生物燃料的发展前景和展望J精细化工原料及 中间体 ，2009 (4) ： 1215【3】宋晓锐，黄仲涛，崔英德 ，等生物质能通过热化学加工的开发利用lJ1.现代化工，2000，20(2)：711【4】 梁宗言，徐雅琴燃料乙醇的生产及发展趋势J农产品加工：创