雙碳背景下生物質能源轉化技術的研究進展

摘要：生物質來源廣泛，且是一種可再生資源，若廢棄生物質得不到妥善處置，將產生大量碳足跡。生物質精煉過程可以將其轉化為高價值化學能源，如生物柴油、生物天然氣和生物乙醇等。因此，研發生物質能源轉化技術將有效緩解能源危機和溫室效應，為我國碳達峰碳中和（簡稱雙碳）目標的實現提供可行思路。

關鍵詞：生物質；能源；轉化技術；資源化利用；雙碳

中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）02-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.02.032

Research progress on biomass energy conversion technology under the background of dual carbon

YAN Fengzhe1， ZHANG Shuai2

（1. Planning and Construction Service Center of Jinkou Town People’s Government， Jimo District， Qingdao 266200， China;

2. Dezhou Ecological Environment Monitoring Center of Shandong Province， Dezhou 253000， China）

Abstract： Biomass has a wide range of sources and is a renewable resource， if waste biomass is not properly disposed of， it will generate a large carbon footprint. The biomass refining process can convert it into high-value chemical energy， such as biodiesel， biogas， and bioethanol. Therefore， the development of biomass energy conversion technology will effectively alleviate the energy crisis and greenhouse effect， providing feasible ideas for achieving China’s carbon peak and carbon neutrality （referred to as dual carbon） goals.

Keywords： biomass; energy; conversion technology; resource utilization; dual carbon

目前，化石能源仍主導全球能源體系[1]。然而，化石能源的過度開采和使用引發能源危機和溫室效應。為此，我國制定碳達峰碳中和（簡稱雙碳）目標，旨在通過能源轉型、企業綠色低碳生產以及二氧化碳（CO2）捕集和綜合利用等來應對上述挑戰。另外，生物質可以來源于農業、林業以及藻類等，量大且易得。據不完全統計，2021年我國僅農業秸稈生物質的產量就高達7.3億t[2]。如果廢棄生物質得不到有效處理處置，其腐敗后將產生大量的CO2排放，不利于雙碳目標的達成。若將廢棄生物質視為一種可再生資源，通過加工精煉等過程將其轉化為高熱值產物，則可減少生物質本身的碳排放，而且有望部分取代甚至替代化石燃料，從而達到碳減排的目的。近年來，將廢棄生物質能源化的技術得到長足的發展，其目標產物主要有3種，即生物柴油、生物天然氣以及生物乙醇。

1 生物柴油

生物柴油是由生物質資源化得到的可再生脂質（如C12、C14、C16、C18和C22）進一步精煉制成的單烷基酯[3]。生物柴油的原料主要分為三代，如表1所示[3]。第一代是油籽、植物提煉油和食用作物提煉油。這一代所生產的生物柴油可以與汽油混用，甚至單獨作為發動機燃料。但是，全球糧食危機仍然嚴峻，以食用作物作為生物柴油的原料加劇糧食安全、水資源短缺、土壤退化等問題。因此，以非食用作物、農業生物質廢棄物、林業廢棄生物質等作為生物柴油的原料是更加合適的選擇，這些原料被劃分成第二代生物柴油原料。相比第一代原料，第二代原料不涉及糧食安全問題，且得到的生物柴油為辛烷值含量較高的無腐蝕性燃料。然而，上述生物柴油原料的粒徑較大，通常需要經過預處理（破碎和預加熱等）才能進一步精煉，而預處理過程需要額外的成本投入和能源消耗。因此，無須預處理且不涉及糧食安全問題的微藻或者微生物被認為是第三代生物柴油原料。微藻的脂質產量較高，繁殖方式簡單且迅速，并且能夠吸收污水中氮磷元素作為營養物質進行繁殖，可以同時實現污水凈化和生物柴油原料生產。

目前，將生物柴油原料轉化為柴油發動機替代燃料的工藝主要有4種[4]。一是直混工藝。直混工藝是指將石油柴油和生物柴油進行混合，從而降低柴油黏度。二是微乳化技術。它是指將生物柴油與合適的溶劑進行混合，從而降低生物柴油的黏度，增加生物柴油的穩定性和抗氧化性。三是熱解技術。熱解是指在惰性氣體保護下將生物柴油中的大分子分解為小分子的技術。但是，熱解過程中轉化并不完全，通常會產生低價值副產物。四是酯交換反應。酯交換反應又稱醇解反應，該工藝反應條件溫和且環保，是生產生物柴油最主流的工藝。總的來說，發展生物柴油有助于工業的低碳化生產和促進企業能源轉型。同時，要出臺相關政策來刺激生物柴油的技術研發和推廣使用[5]。

2 生物天然氣

天然氣在燃燒過程中不會產生二次污染，因此被視為一種清潔能源。然而，全球天然氣產量供不應求，預計到2040年，天然氣需求量將達到天然氣產量的1.54倍[6]。因此，急需開發和尋找天然氣的替代品。生物天然氣是將沼氣進一步提純和去除雜質后的產品，其甲烷含量可以超過90%，與天然氣相當。相比沼氣，生物天然氣的雜質含量大大減少，如表2所示[7]。

廢棄生物質厭氧消化后產生的沼氣含有大量的水、N2、H2S、NH3和CO2等雜質。因此，要進一步提純，才能將其轉化為生物天然氣。提純過程一般包括加壓水洗、變壓吸附、化學吸附、膜過濾、變溫吸附、物理吸附以及生物過濾等，如表3所示[6]。其中，加壓水洗是最常用的方法。通常，通過物理方式（壓縮和液化）和化學方式（催化重整和費托合成）對生物沼氣進行凈化，隨后，該氣體在20～25 MPa下進行壓縮。今后，隨著沼氣純化技術的逐漸成熟以及相關政策的逐步完善，生物天然氣有望進行大規模生產和分銷。

3 生物乙醇

生物乙醇可以作為一種清潔的可替代燃料，其相關政策和市場也相對成熟。21世紀以來，生物乙醇的年產量逐年遞增，2021年中國生物乙醇的產量已經達到260萬t，占全球生物乙醇產量的3%～4%[8]。生物乙醇的原料也可以分為三代，第一代主要為木薯、馬鈴薯以及蔗糖等，其涉及食品安全而存在較大的爭議。隨后，非食用型農作物成為第二代生物乙醇原料。但是，其大量種植將占據耕地，從而影響糧食產量。因此，來源廣泛且不涉及食品和環境問題的木質纖維素逐漸成為研究的熱點，其被稱為第三代生物乙醇原料。

目前，比較成熟的生物乙醇制備方法是先進行生物發酵或氣化，然后進行蒸汽重整，分離乙醇。前者是指在厭氧條件下，纖維素被水解成小分子糖類，然后經過一系列酶促反應生成乙醇和二氧化碳。厭氧生物發酵工藝比較簡單，但是酶解動力學緩慢，且相關酶的成本較高。該過程的有效碳原子利用率不高，因為不可避免地會有碳原子被轉化為CO2。另外，在蒸汽重整階段，高溫會使一部分纖維素、半纖維素以及木質素轉化為合成氣（H2/CO），合成氣經過進一步催化轉化為乙醇之前還需要去除雜質，這些步驟都增加潛在成本。

最近，已報道的化學-催化法避免上述生物發酵和蒸汽重整的相關缺點，而且其過程更加簡單便捷，有望工業化推廣。簡單來說，化學-催化法在密閉反應器中進行，其中的介質為亞臨界水，涉及水解、反醛縮合和加氫分解等級聯反應。該反應大大提高碳原子的有效利用率，因為纖維素衍生的葡萄糖發生反醛縮合，生成的C3和C4中間體通過加氫反應進一步生成乙醇，然后產物經過精餾塔進行分離純化。由此可見，以纖維素為原料生產生物乙醇可以緩解對化石能源的依賴，促進生物質能源經濟市場的擴大和碳減排。

4 結論

在碳達峰碳中和的背景下，生物質能源的興起與發展是必然趨勢。開發生物質能源可以被視為一石二鳥的舉措，生物質可以被視為一種可再生資源，與其任其腐敗產生大量碳足跡，不如將其資源化利用，既減少碳排放，也緩解能源危機。生物柴油可以逐步成為內燃機的主流燃料，從而減少對石化能源的依賴。生物天然氣作為一種清潔能源，可以有效補充天然氣的供給，待技術成熟后可以作為燃氣汽車的燃料，從而減少汽車尾氣污染和對汽油的需求。生物乙醇的用途廣泛，不僅可以用作燃料，還可以用于醫學和化工等行業。生物質能源的發展將帶動生物質能源經濟和市場的繁榮，有利于促進我國雙碳目標的達成。

參考文獻

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