化工在生物燃料发展中的核心作用

□ 摘译 李伟  

    2012年5月23日，国际能源署（IEA）在北京举行了《交通用生物燃料技术路线图》（以下简称《路线图》）中文版发布会。IEA的蓝图情景显示，到2050年把与能源相关的二氧化碳排放量缩减到2005年的50%。预计到2050年，生物能源需求量将达到35亿吨石油当量，相当于目前全球一年的石油消费量；生物燃料需求量将达到32艾焦（7.6亿吨石油当量），约占目前石油消费量的五分之一。届时，生物燃料可以替代5500万吨到7500万吨石油，同时不会对环境及粮食安全带来重大负面影响。在该《路线图》签发之前，国际化工协会联合会（ICCA）委托SRI对化学工业在生物燃料和生物能源领域未来可持续发展中的决定性作用进行了调查分析。ICCA希望通过该研究报告传达化学工业为生物燃料技术路线所做的贡献和实现减排目标所做的努力。

    SRI的研究主要分为两部分：第一部分为生物燃料，第二部分为生物能源。

第一部分——生物燃料

如今，大范围使用生物燃料面临着诸多问题。首先是原料来源问题。想要在有限的土地上种植更多的能源作物，必须攻克针对农作物、肥料、灌溉及土地管理等方面改进的技术难题；其次是使用效率问题。生物质燃料的能量密度较低，也直接限制了其扩大使用。

    ICCA和SRI通过以下五个方面阐述了化学工业在促进生物燃料大范围使用的过程中所起的作用。

    可持续发展  化工公司通过生产缓释、包覆化肥，帮助农作物更有效的吸收利用肥料，同时避免化肥流失和污染，从而进一步减少强效温室气体一氧化二氮的释放。

    提高效率  使用隔膜技术，可减少生物乙醇生产过程中所需能源，提高工艺效率。化学工业能通过提高热传导效率降低原料和运营成本，通过热电联产、电力和燃料的生产等一体化，可以提高生物燃料的生产效率，并为农业生产和水产养殖提供能源。

    扩大经济效益  原料成本是扩大利用生物燃料的主要障碍。而新型透气防水织物的使用则是一种简单而又经济的方式。此外，诸如简化纤维素水解的化学预处理等工艺，降低纤维素酶的生产成本或减少对其需求，对提高燃料生产的经济效益也具有重要意义。

    拓宽市场前景  目前许多生物燃料的利用并不充分，往往只有碳水化合物成分得到了有效利用。化工工艺则可从生物蛋白和木质素中提取开发高附加值产品，减少生物燃料的生产成本，降低投资技术创新的风险。

    技术保障  生物燃料生产中最关键的催化过程离不开化学工业的贡献，此外，气化、生物炼制等均需要依赖化工技术。

    报告中列举了化学工业针对生物燃料扩大使用所进行的创新，具体包括：

　　1. 原料开发——为了提高农作物产量并减少温室气体排放，科学家正在研究一种表面包覆涂层的硫酸铵和尿素颗粒。经实地测试表明，与未包膜的化肥相比，此种包膜化肥可使氮的利用率提高60%，90%的氮都可被土壤吸收，仅有10%的氮释放到大气中。

　　2. 改进生物燃料生产过程——木质纤维素生物质的化学预处理是改善生物燃料生产过程中的一种方式。生物预处理后，再经过水解和发酵得到生物燃料。水解过程中所用的纤维素酶对生物燃料的成本控制起着重要作用。科学家已开发出一种酵母菌株，此种酵母产生纤维素酶，将纤维素转化为糖后发酵成乙醇。酵母繁殖能产生新的纤维素酶，从而使纤维素酶的使用成本大大减少。

　　3. 改进产品回收——使用膜技术，可以显著降低从发酵液中生成乙醇所需的能量。三菱化学公司针对这种分离开发出管状分子筛膜，并在印度的工厂进行测试。结果表明，使用膜技术后，在共沸蒸馏过程所需能源将减少50%。

　　4. 综合生物炼制——像石油炼厂一样，建设一种综合性的生物炼制和生化处理的生产模式，能使生物燃料的生物能得到充分利用，其所产生的能量也可循环使用。目前许多公司正在积极开发这种综合炼制模式。

　　5. 多品种联产——通过建设综合生物炼制工厂，获得附加值更高，种类更丰富的产品。

    在化工行业，提高生产效率和降低生产成本，改进流程和操作是企业保持竞争力的关键点。这对企业进入生物燃料领域，从事技术开发、产品生产和销售也具有借鉴作用。化工行业在提高热传导效率、降低催化作业和催化剂生产的成本、实现热电联产等方面的突出优势，对于发展生物燃料经济起着尤为重要的作用。在生物燃料所涉及的电力、农业、木质原料、石油和天然气等领域中，可能发挥的作用包括以下内容：

　　1.电力——化学热处理工艺能给生物质气化发电提供专业支持；

　　2.农业——肥料和分子/生化工艺培育可以培育出快速生长的能源作物品种；

　　3.木质原料——随着木质原料公司逐渐成为生物能源和生物燃料的供应商，改进的化学品和催化剂则能为气化及气体净化集成气化发电和供热系统提供专业支撑；

　　4.石油和天然气——催化剂、催化反应器和操作、材料科学都不可或缺；

　　5.资本和金融——解决筹集资金、立项和技术问题，及为先进技术提供产业化支持；

　　6.过程控制——热交换和热源收集方面的化工专业知识，对于生物能源企业IGCC、CHP和其他相似路线的成本控制起到重要作用。

    报告中列举了从事与生物燃料相关的著名企业或其部门以及他们的核心竞争力。其中许多化工企业都是研究种子（包括传统的和转基因的）的先驱，参与肥料和土壤调理剂的生产与销售，如表1所示。其中专门从事特种化学品的公司也在化学转化和固、液、气三相分离方面进行研究与实践，与生物燃料的开发和规模化生产进展相关。

表1  生物燃料相关化工企业及其核心竞争力

     领域                             代表企业                              核心竞争力

通用化学品      陶氏化学、杜邦、巴斯夫、三菱化学、首诺、          化工、材料、化工工艺、催化

　　三井物产化学、住友化学、LG化学、壳牌化学、

　　埃克森美孚化工 

特种化学品      罗门哈斯、路博润、可乐丽、塞拉尼斯、阿科玛、      催化剂、化工工艺

　　雅宝、科宁、东丽、  阿克苏、赢创、陶氏化学、

康宁、帝斯曼、苏威、罗地亚 

医药            诺华、辉瑞、赛诺菲-安万特、武田                 新药探索、合成、配方、化学处理

生物制药        基因泰克、安进、诺和诺德                        基因工程

生物技术        孟山都、克迪科斯、杰能科、阿米瑞斯、英力士、    基因工程、化学处理 

　　日本触媒、杜邦 

工业气体        空气化工、液化空气、普莱克斯                    气体净化

石油天然气      皇家壳牌、埃克森美孚、英国石油、日本石油、      资源开发、燃料生产

　　道达尔、耐斯特石油、雷普索尔   

石油化学        布拉斯科、伊士曼、韩国湖南、宇部、东曹          催化剂、过程控制、副产品应用

第二部分——生物能源

      SRI与ICCA的代表举行了一次研讨会，主题聚焦于化工行业在生物能源领域可能做出的贡献。该研讨会讨论了获得生物能源的三个主要途径：（1）燃烧，（2）热解和气化，（3）微生物技术。

    第一种途径的主要产品有电力和热力；第二种途径的产品大多是固体和液体燃料（热解油），及少量的气体燃料（低热值气体）；第三种途径的主要产品是气体。

    在讨论过程中，关于这三个途径需要注意的关键点见以下表2、表3、表4和表5。

表2  “燃烧技术”原料生产环节涉及的关键点

原料生产环节要点

化肥:从农作物中以更低的成本和更低的温室气体排放获得更优异能源作物

  缓释包覆化肥              减少化肥用量从而减少温室气体排放

  行业低碳发展              寻求在合成氨生产过程中使用替代能源

  自施肥

  氮氧化物和硫氧化物通过    生物碳的应用，提高了土壤的质量，并有助于保持水分和肥料

    生物碳去除 

  生物碳特性                在土壤有机碳利用方面，生物能可替代现在常用的煤炭

  土壤辅助属性与生物碳的相关性      生物碳有助于提高土壤产出能力

用水：促进水的有效利用

  隔膜                      作物下用隔膜减少水分和肥料流失

  农业和一般用途的水过滤    使用低纯净的水灌溉

  生物隔膜反应              适用于藻类

  农业节水                  减少农业用水,间接减少灌溉和输送过程中的能耗，从而降低碳排放

对物种进行改造从而提高本身蕴含的能量并改进化学反应过程

  成长速度快且耐旱的原料    通过基因改造培育较耐旱的植物

  抗盐碱的原料              培育植物抗盐碱能力，从而减少对洁净水的需求

  低灌溉原料                通过分子生物学和生物化学的选择提高能源作物的特性，并加快选择或

　　　改进的过程

增产：在发展生物能源过程中削减成本的重要因素

  增产并减少土地使用        土地是有限的，因此增加产出十分重要

  提高生长效率              通过缩短作物生产时间来提高土地利用率

  提高能量含量              通过选择和培育或分子生物学和生物化学等方法，获得含油量高或者其他

　　　能量含量高的植物品种

表3 “燃烧技术”其他环节涉及的关键点预处理环节要点
预处理环节要点
增加密度 预处理形成颗粒
　 利用烘焙使生物质能源更加致密而接近固体燃料形式
　 生物质的能量密度增加
干燥 利用太阳光能或其他廉价能源对原料进行干燥
　 利用烘干设备快速干燥
　 利用隔膜实现干燥
　 利用高分散度提高干燥效率
加工 本地化生产减少运输
　 促进原料同质化
　 减少原料含碱量
　 制浆预处理
粉尘和副产物环节要点
处理CO2 生物碳转化
　 将CO2作为原料
　 利用藻类进行生物捕集与封存
　 碳捕集
废物废液 回收利用
粉尘 在工艺中减少粉尘产生
　 设备所需防腐涂层
氧化燃烧环节要点
利用现有技术 规避生物能源的周期性问题
　 提高生物能源的适用面
　 优化电力生产
　 协同燃烧原料检测杂质
　 发挥生物质和化石能源的协同作用
燃烧技术 催化氧化
　 超临界燃烧
　 流化床反应器
　 燃烧室/锅炉结渣
　 空气控制工艺
　 燃烧过程中的清理
　 针对氮氧化物、硫氧化物的催化剂
　 低温热回收
其他技术 离子运输空气分离装置
　 富氧燃烧
　 烟气脱硫脱碳

表4 “热解和气化”涉及的关键点
气化炉 低热值和低压燃料的高效涡轮机
　 紧凑型气化炉
　 生物质和煤质气化混合
　 催化气化
　 生物质气化的催化剂
　 提高气化炉的效率
　 降低成本以获得广泛应用
　 高效紧凑
　 规模与效益的平衡
合成气清洁 优化煤气清洗
　 改进固体气化过程中/后处理
　 合成气净化生物质原料的应用
　 合成气清洁中的催化剂使用
　 粉尘控制（结渣与干燥）
　 粉尘去除
 分离催化剂
 CO2捕集与封存
 化学循环
能量汇集 气体和燃料电池技术之间的温度匹配
 低品质的能源处理
 热交换
 热平衡控制的软件需求
 化石能源与生物质能源的混合
 提高气化和气体净化
比例调整 增加H2/CO比例
 运用水煤气调整比例
热解 生物柴油稳定剂
 热解油的存储
 抗氧化剂、螯合剂的需求