第20卷第5期農業(yè)工程學報Vol 20 No 52004年9月Transactions of the CSae中國生物質產業(yè)及發(fā)展取向孫振鈞(中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京100094)摘要:該文界定了生物質、生物質產品、生物質資源和生物質產業(yè)的概念和范圍,分析了中國生物質資源的潛力。針對中國當前“三農”問題和未來10~20年能源安全等重大需求,綜述了國內外生物質產業(yè)發(fā)展的4個取向:生物質發(fā)電、生物質液體燃料、生物質有機高分子材料和能源農林業(yè)。簡述了現(xiàn)代農林工生物質能一體化系統(tǒng)的生物質產業(yè)發(fā)展模式。發(fā)展生物質產業(yè)對于解決農民增收問題加快農業(yè)工業(yè)化進程和促進農村小康社會建設等具有重要意義。關鍵詞:生物質;生物質資源;生物質產業(yè);生物質能;生物質材料;農業(yè)廢棄物;能源植物中圖分類號:X17;X72文獻標識碼:A文章編號:1002-6819(2004)05-001-05資源主要是指能源農業(yè)能源林業(yè)種質資源,包括現(xiàn)有種質資源的挖掘、保護和開發(fā)及專用品種的培育。同時以生物質能源為主的生物質資源開發(fā)利用已引起也包括利用高效能源植物進行的規(guī)模化、商品化的生物世界各國政府和科學家的關注-4。有許多國家都制定質原料生產。根據(jù)中國人口多、耕地少的國情,區(qū)別于美了相應的開發(fā)研究計劃,例如,日本的新陽光計劃、印度國等糧食過剩國家,中國規(guī)模化的生物質原料生產是在的綠色能源工程美國的能源農場和巴西的酒精能源計有限的耕地優(yōu)先滿足食物和飼料的基本需求的前提下劃等-81。一個新興的生物質產業(yè)正在全球范圍蓬勃興利用低質地種植并和生態(tài)環(huán)境改善、防止水土流失有機起。在最近結束的國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃(2005-結合這里的農業(yè)廢棄物包括4大類:植物類廢棄物(農2020)中,“農林生物質工程”被列為重大專項之列,并作林生產過程中產生的殘余物)動物類廢棄物(牧、漁業(yè)為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分通過走農業(yè)工業(yè)化之生產過程中產生的殘余物)加工類廢棄物(農林牧漁業(yè)路解決農民的增收和“三農”問題。生物質產業(yè)可望在加工過程中產生的殘余物)和農村城鎮(zhèn)生活垃圾等。常未來15~20年內為解決21世紀中國面臨的能源短缺、規(guī)的農業(yè)廢棄物(主要是農作物秸稈和畜禽糞便)資源環(huán)境污染、食品安全等重大社會經濟問題,乃至全面建化(肥料化、飼料化)與農村能源利用(沼氣化)已經提倡設“小康”社會目標的實現(xiàn)做出重大貢獻。和開展多年,對遏制秸稈焚燒和集約化養(yǎng)殖帶來的畜禽1概念及范疇糞污對環(huán)境的污染起到了一定作用,取得了較好的環(huán)保效益。從生物質資源的角度看,這些(農業(yè))有機廢棄物1.1生物質與生物質產品是重要的生物質原料來源。生物質 biomass)指任何可再生的或可循環(huán)的有機1.3生物質產業(yè)物質(不包括多年生長的用材林),包括專用的能源作物生物質產業(yè)是通過工業(yè)化把能源植物和農業(yè)廢棄與能源林木,糧食作物和飼料作物殘留物,樹木和木材物等生物質原料( biomass feedstock)利用化學或生物廢棄物及殘留物,各種水生植物、草、殘留物纖維和動技術轉化為高附加值的生物質能源、生物材料、石油產物廢棄物城市垃圾和其它廢棄材料。按美國能源部的品替代品及副產品等環(huán)境友好產品的全過程生物質產定義,一般不包括為人類提供食品的農作物、家養(yǎng)動物業(yè)化既包括生物質原料生產一加工與轉化一產品與應以及常規(guī)木材生產。生物能( bioenergy)指用于生產能用一體化的產業(yè)鏈和技術體系,也包括政策法規(guī)、市場量(電,液體、固體和氣體燃料;熱)的生物質。生物質產與流通等保障體系。品或生物基工業(yè)產品( biobased industrial product)指當前,生物質開發(fā)利用主要包括燃料乙醇、生物柴用生物質生產的燃料、化學品、建筑材料、電力或熱能。油、生物質發(fā)電和工業(yè)用能;將來則主要是通過高技術包括用生物產品或可再生的農業(yè)(動植物與海洋生物)的木質纖維素生物水解或熱化學轉化生產精細化工產和林產材料生產的各種能、商業(yè)或工業(yè)產品(不包括食品(如生物高聚體)和燃料(見圖1)。品或飼料)9。2中國生物質資源潛力1.2生物質資源生物質資源在中國主要包括農業(yè)廢棄物和能源生生物質是由植物的光合作用固定于地球上的太陽物資源(能源/化工專用動植物和藻類)。目前,能源生物能,每中國煤化工勺1700億t,其能量約相當CNMHG音;而作為能源的利收稿日期:2004-05-29修訂日期:2004-08-23用量還到共息里的1x國能源部1999年組基金項目:國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究“農業(yè)廢棄物織法國、荷蘭、德國、奧地利和馬來西亞等多國科學家對資源化與農村生物質資源戰(zhàn)略研究”課題部分能源植物進行的研究表明:到2050年,全球液體燃中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院:00.Em1,mn@80d料油80%將來自木本植物、草本裁培油料和藻類等生農業(yè)工程學報2004年能源農林業(yè)提供。中國國土面積廣闊,除現(xiàn)有的耕地、林多糖平臺地和草地作為傳統(tǒng)農業(yè)外,尚有近1億hm2宜農宜林酶水解糖與木質素木質素產品中間代謝物荒山荒地,可以用于發(fā)展能源農業(yè)和能源林業(yè),至少可發(fā)展20億t的生物質資源,合10億t標準煤。在未來生物質20年,如果建設2000萬hm2能源林,每年可產生1殘留物收集燃料,化學品殖細化工產晶億t生物質,相當于5億t標準煤。此外,與西部大開發(fā)、能源作物生物材料熱與電力沙漠治理、退耕還林、三北防護林建設結合起來,至少可熱化學平臺再發(fā)展2000萬hm2的能源林,每年可產生4億t生物高溫分解質,相當于2億t標準煤。圖1生物質產業(yè)化流程簡圖(DOF,USA)3生物質產業(yè)發(fā)展取向Fig. 1 Flowchart of biomass industrilization products(DOF, USA)3.1生物質發(fā)電物質能源。據(jù)專家預測,到2050年,利用農、林、工業(yè)殘生物質發(fā)電在發(fā)達國家已受到廣泛重視。其主要工余物以及種植和利用能源作物等生物質能源有可能以藝分3類:生物質鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質一煤混合相當于或低于化石燃料的價格,提供世界60%的電力燃燒發(fā)電和生物質氣化發(fā)電美國的生物質直接燃燒發(fā)和40%的燃料,使全球CO2排放量減少54億t碳(目電占可再生能源發(fā)電量的70%。意大利發(fā)展了12MW前全球化石燃料每年排放約60億t碳)1生物質整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(IGCC)示范項中國擁有豐富的生物質能資源121,據(jù)測算,中國目,發(fā)電效率達31.7%。瑞典正試驗加壓的整體煤氣化理論生物質能資源為50億t左右標準煤,是目前中國聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(BGCC)。目前,生物質發(fā)電已占發(fā)總能耗的4倍左右。在可收集的條件下,中國目前可利達國家可再生能源發(fā)電量的70%。在美國,生物質發(fā)電裝機容量已達10.5GW,70%為生物質一煤混合燃用的生物質能資源主要是傳統(tǒng)生物質,包括農作物秸燒工藝,單機容量10~30MW,發(fā)電成本3~6美分/稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾、工業(yè)有機廢渣與廢水等。據(jù)1998~2003年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算4-10,我國的可開發(fā)(kW·h),預計到2015年裝機容量將達16.3GW。全球環(huán)境基金/世界銀行正在巴西示范一個30MW生物生物質資源總量為7億t左右標準煤其中農作物秸稈質氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目,在英國和美國有3個示范項約3.5億t,占50%以上。目,裝機容量6~10MW。由于生物質氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達40%有可能成為生物質能轉化的主導技術之1999年,中國電力生產總量為12600億kW·h,年人均用電不到1000kW·h,只有韓國的1/5左右,而年人均生活用電更低,只有110kW·h左右。要實現(xiàn)2020年國民經濟翻兩番的目標,保障可靠的電力供應是必備條件。因地制宜地利用當?shù)厣镔|能資源,秸稈、薪柴2000年中國生物質能資源可開發(fā)量(10°t標準煤)谷殼和木屑等,建立分散、獨立的離網或并網電站擁有圖2中國生物質能資源(2000年)廣闊的市場前景。如果用當前農林廢棄物產量的50%Fig 2 Bioenergy resources in China in 2000作為電站燃料可發(fā)電4000億kW·h,占目前中國總耗電量的30%左右。中國已開發(fā)和推廣MW級生物質目前,生物質資源的主要組成部分是作物秸桿(圖氣化發(fā)電系統(tǒng)應用20多套。國家高科技發(fā)展計劃(8632)。在這些可開發(fā)的生物質能資源中農作物秸稈有計劃)將建設4MW規(guī)模生物質(秸稈)氣化發(fā)電的示范40%作為飼料、肥料和工業(yè)原料,尚有60%可用于能源工程,預計系統(tǒng)發(fā)電效率可達到30%左右用途,約2.1億t標準煤;薪柴主要作為燃料,但有40%近年來畜禽糞便生產沼氣的技術在歐、美等發(fā)達國的森林剩余物未加利用,約0.3億t標準煤;禽畜糞便家發(fā)展很快。在成套熱電沼氣工程技術、不同型號氣除少部分作為肥料外,大部分成為農村的主要污染源,油聯(lián)合發(fā)電機、大型實用型沼氣發(fā)酵罐體、儲料罐體、預約有0.6億t標準煤的資源量;工業(yè)有機廢渣至少有處理和輸配氣和輸配電系統(tǒng)等方面均已遠遠超過沼氣80%即0.7億t標準煤的資源可以利用;至于生活有技機垃圾特別在農村、小城鎮(zhèn),至少可從中獲得0.8億t業(yè)中國煤化工廢棄物制氫技術和以農池技術研究有望在不標準煤的資源量。匹CNMHG農業(yè)有機廢水資源化利在未來,生物質資源主要來自能源農業(yè)和能源林用的一個重要新途徑[1。生物燃料電池是一種借助電業(yè)。中國潛在的資源量非常巨大,根據(jù)國家中長期發(fā)展極反應直接利用厭氧發(fā)酵過程中的電子傳遞轉換成電規(guī)劃2目標,到2020年,可開發(fā)生物質資源量至少可能的裝置。這種裝置的最大特點是由于反應過程中不涉達到15億t標準煤,其中30%來自傳統(tǒng)生物質,70%由及到燃燒,能量轉換率高達60%~80%。近20年來生第5期孫振鉤:中國生物質產業(yè)及發(fā)展取向物技術的巨大發(fā)展,為生物燃料電池研究提供了物質、產1,3-丙二醇(POD)的生產成本可以比化學法降低知識和技術儲備。25% Cargill-Dow公司正在建設一個140kt/a的由玉3.2生物質液體燃料米糖發(fā)酵生產聚乳酸的工廠,以開發(fā)多種聚合物塑生物質液體燃料產業(yè)已得到國際上的廣泛關注。20料20。甚至可以利用生物材料制成芯片。“用轉基因作世紀70年代末,巴西開始實施大規(guī)模的乙醇燃料計劃,物和家畜改變了農業(yè),現(xiàn)在它正在改造工業(yè)”(華盛頓郵1996~1997年度生產燃料乙醇137億L,有400萬輛汽報,2002-05-03)。新生物質材料的應用將形成一場新的車采用純乙醇,大大減少了進口石油的外匯支出,提供工業(yè)革命,引領出一批新的產業(yè)。了130萬個工作崗位。在美國,主要采用玉米、馬鈴薯等3.4能源農林業(yè)生產乙醇,現(xiàn)有39個工廠,年產乙醇40億L。乙醇以能源農林業(yè)包括能源農業(yè)和能源林業(yè),是專門用于10%的比例摻入汽油作汽車燃料。在發(fā)達國家,利用豆生物質原料生產的農業(yè)/林業(yè)生產。能源農業(yè)是利用荒油、花生油棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕櫚油和蓖麻山坡嶺等低質地種植非食用的能源作物能源農林業(yè)是籽油生產生物柴油正在形成產業(yè)20。目前,美國總的生發(fā)展生物質能源的基礎。以科學的方法培育高產、抗逆物柴油年生產能力為100萬t以上;歐盟2001年已超性強的能源植物是發(fā)展生物質能的根本保障歐盟學者過100萬t;德國2000年已達25萬t,擁有300多個生認為,種植能源型作物(其中包括輪伐期短的速生林木)物柴油加油站;意大利已擁有9家生物柴油的生產廠。是解決歐盟農業(yè)生產過剩問題的唯一有效辦法。為了探美國能源署要求,到2010年,美國要將生物柴油產量提討這種辦法的有效性歐盟已制訂并實施了 LEBEN計高到1200萬t0;歐盟委員會計劃,在2020年使生物劃。在巴西,桉樹已被廣泛用作能源,能源用林的覆柴油的市場占有率達12%2蓋面積總計約200萬hm2。美國和歐盟國家則發(fā)展轉基中國已在黑龍江、吉林和河南三省建設陳化糧為燃因大豆和油菜,作為生產生物柴油的原料2。美國能源料乙醇生產工程,主要原料為陳化的玉米、甘薯等,并已部(DOE)自1996年開始啟動了生物燃料原料發(fā)展計在全國十余個城市開展了摻和10%乙醇的汽油醇燃料劃(BFDP),由橡樹嶺(ORNL)國家實驗室領銜組織來應用示范工作自全美國的有關大學、國家實驗室和農業(yè)實驗站的科學根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃中的生物質資源培育計家聯(lián)合攻關,篩選和示范專用能源作物和能源樹木。在劃,到2020年,如果將15億t標準煤的生物質資源量美國 Auburn大學的示范田里,篩選的能源植物柳枝稷中的50%用于生產液體燃料,即可為中國石油市場提 Panicus virgatum)干物質產量約可達到37t/hm2,每供2億t液體燃料。年每hm2足以生產14023L的燃料乙醇。一批能源林木3.3石化產品替代品樹種也在奧爾良和華盛頓洲地區(qū)大面積示范種植,將逐生物質資源不僅是一種可再生能源,而且可用于開步形成另一類的“能源財富儲備庫”( Stakeholders)。發(fā)出適應未來市場且環(huán)境友好的石油和天然氣的等價中國在能源農業(yè)方面,主要發(fā)展能源用途的甘蔗、物或替代品等生物基產品。例如,生物質源有機高分子甜高粱、木薯、芒草等高能品種通過轉基因的方法可以材料。獲得光合效率很高的能源作物品種,如能源甘蔗,每高分子材料是材料工業(yè)的重要支柱,但現(xiàn)有的高分hm2產量可達到55t,甜高粱每hm2可產10t籽粒和子材料基本上均以石化資源為原料。如中國年產1500100t莖稈。如果發(fā)展2000hm2,生物質資源量可達萬t各類塑料制品,為此要消耗數(shù)以千萬噸的寶貴的輕到6億t,合3億t標準煤。中國已引進了“麗歐”、“凱油資源和大量天然氣;而且每年還要形成約500萬t的勒”、“雷伊”等若干個優(yōu)良甜高粱品種,建立了甜高粲示幾百年難以降解的塑料垃圾特別是對農業(yè)至關重要的范工程。國家十五、863計劃中,將建成利用甜高粱莖稈塑料薄膜,每年生產、使用150萬t,基本上不能回收,大生產燃料乙醇的工業(yè)示范裝置,年生產能力達5000t。部分殘留于農田,破壞土壤結構,污染環(huán)境。目前,全世同時,隨著能源農業(yè)和能源林業(yè)的大規(guī)模發(fā)展,將界每年生產的可再生淀粉4000萬t以上,纖維素、半纖有效地綠化荒山荒地;農村能源問題的徹底解決,又可維素、木質素每年可再生1500億t,但目前的利用率還大大減輕土壤侵蝕和水土流失,治理沙漠,保護生物多不到總量的5%。面對這一巨大的自然資源寶庫,全世樣性,促進生態(tài)的良性循環(huán)和現(xiàn)代種植業(yè)的發(fā)展,增加界都在力求開發(fā)和拓展生物質材料的應用范圍。例農村就業(yè)機會成為農村新的經濟增長點,改善生活環(huán)如,美國眾議院通過一項農業(yè)法案,批準在2002年撥款境,提高農民收入,增加農村新產業(yè),推動農村城鎮(zhèn)化500萬美元,2003~2007年每年撥款1400萬美元,以資振興農村經濟。助生物質材料研究。日本森林綜合研究院及相關研究單中國煤化工代農林工生物質生物質材料的開發(fā)利用非常重視,已開展大量工作。例能CNMHG如:日本豐田公司開發(fā)用白薯淀粉塑料制成了汽車配4.1總體思路件;富士通公司用玉米淀粉塑料(PLA,聚乳酸脂)制成現(xiàn)代農林工生物質能一體化系統(tǒng)81是把能源農的電腦機殼和其它配件已經商業(yè)應用。美國 DuPont公業(yè)、能源林業(yè)和能源工業(yè)相結合構成從原料到產品的生司和 Gen Corp International公司合作建成的用玉米生物質能源生產一體化體系該系統(tǒng)在為中國長期能源戰(zhàn)農業(yè)工程學報2004年略提供技術支撐的同時,從根本上解決農業(yè)廢棄物的污集、運輸和預處理技術與設備;高效纖維素原料水解工染問題,有效地改善農業(yè)環(huán)境和保護森林植被確保中藝與設備;先進乙醇發(fā)酵與精制工藝和設備;纖維素水國的農業(yè)和自然生態(tài)環(huán)境安全(見圖3)。解廢渣的氣化過程和工藝;高效的氣化爐設計;與燃料太陽能乙醇系統(tǒng)相匹配的氣化發(fā)電、供熱系統(tǒng);以沼氣和廢渣氣化合成氣為原料生產合成柴油的過程和工藝與關鍵技術;生物油生產工藝和設備等能源農業(yè)業(yè)2)技術集成:生物質能源一體化系統(tǒng)的技術集成,農業(yè)生態(tài)包括集成生物質生產燃料乙醇、廢渣氣化發(fā)電及供熱、環(huán)境安全自然生態(tài)環(huán)境安全廢渣裂解制生物質油和沼氣一合成氣生產合成柴油等關鍵技術集成,開展優(yōu)化系統(tǒng)的中試研究;開展生物質能源工業(yè)能源一體化系統(tǒng)工業(yè)化和商業(yè)示范研究。4.2系統(tǒng)構成能源安全本發(fā)展模式的技術路線與系統(tǒng)構成(圖4):以傳統(tǒng)3農林工一體化生物質能源體系農業(yè)有機廢棄物、能源農業(yè)和能源林業(yè)為產業(yè)基礎,構Fig 3 Bioenergy industry system integrated with成的生物質原料生產系統(tǒng);從工業(yè)用生物質能源和清潔agriculture and forestry的農村能源兩個層面上構成兩個不同的應用系統(tǒng);工業(yè)用生物質能源以生物質液體燃料生產為主體,包括燃料4.2技術構成乙醇和生物柴油生產技術構成生物質能轉換系統(tǒng)的核1)關鍵技術:包括高纖維素含量、高光合、抗逆性心;農村用生物質能源以生物質氣化和農村生態(tài)環(huán)境建強的能源植物,也包括各類纖維素類、糖類和淀粉類植設為主體,包括農業(yè)廢棄物生物質的氣化技術、熱解技物育種與栽培;適用于能源農業(yè)和能源林業(yè)的生物質收術、高濃度有機廢水沼氣技術和綜合利用技術。耕地使統(tǒng)農林業(yè)農林度棄裂解液化維逮生林合成過程還林繼源林業(yè)」乙醇生產上水解殘渣油料林木裂解油生物油油料作物生物柴迪燃料乙醉荒山[能源農業(yè)糖類作物生態(tài)農業(yè)水生植物常規(guī)乙醇淀粉作物規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)好氧發(fā)酵有機廢水小城鎮(zhèn)建設生活垃圾熱解圖4現(xiàn)代農林工生物質能一體化系統(tǒng)總體技術路線Fig 4 Overall technical route from biomass feedstock to products in a modernbioenergy system integrated with agriculture and forestry5結語農林業(yè)將引導新一輪農業(yè)革命。今后的農民不單純是生產糧食和飼料,更是生產能源、材料、化學制品等的“工生物質產業(yè)是在資源替代、保護環(huán)境、發(fā)展經濟和人”?？沙掷m(xù)發(fā)展的現(xiàn)代理念引領下,在化石能源漸趨枯竭、生物質產業(yè)發(fā)展方向是與振興農村經濟和改善農全球變暖、環(huán)境惡化的形勢下產生的一個新型產業(yè)。生民中國煤化工分結合的模式發(fā)展,能物質的主要來源是農林廢棄有機物質和利用低質土地源才1結合,使之形成生物質及水面種殖能源/材料等專用植物,既不與為人類提供產CNMHG、環(huán)境和戰(zhàn)略價值遠大食物的農田爭土地,又保護與改善自然及農業(yè)生態(tài)環(huán)于經濟價值,它將引導一條具有中國特色的農業(yè)工業(yè)化境,并為解決農民增收和農村小康社會的建設提供一條之路。以生物質生產為基礎的新型農業(yè)是農業(yè)與工業(yè)協(xié)新的途徑。隨著生物質產業(yè)的形成與發(fā)展,傳統(tǒng)農業(yè)將調發(fā)展的必然和新階段,它必將為石油進口和溫室氣體成為雋數(shù)靄生產為基礎的多元化的新興農業(yè),生物質滅排做出貢獻,并將促進初見端的生物質經濟的使速第5期孫振鉤:中國生物質產業(yè)及發(fā)展取向發(fā)展。中國農業(yè)出版社,2000[17] Hatje W, Ruhl M, HuttI R F, et al. 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It is significant for development of biomass industry to settle the problem of farms and accelerate the agriculturalindustrilization and rural developmentKey words: biomass, biomass resources; biomass industry; bioenergy; biobased materials; agricultural residues; energy plants