曹邦威

關(guān)于生物質(zhì)利用的最新進展

曹邦威

介紹了國外生物質(zhì)利用的若干技術(shù)和商業(yè)模式。這些生物質(zhì)利用技術(shù)包括木粒生產(chǎn)技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)、生物質(zhì)電能生產(chǎn)技術(shù)和生物質(zhì)燃油生產(chǎn)技術(shù)。同時，筆者對我國制漿造紙行業(yè)是否開展生物質(zhì)利用提出了自己的建議。

生物質(zhì)利用;林業(yè)生物質(zhì)精煉;木粒;生物質(zhì)氣化;生物質(zhì)能;生物質(zhì)燃油

20世紀五六十年代，美國以南方松速生材制漿沖擊北歐針葉材制漿，激烈的市場競爭曾迫使北歐的紙廠通過降低勞動力和能源成本、開發(fā)新技術(shù)以及生產(chǎn)諸如液體包裝紙板類的高附加值產(chǎn)品，才得以站穩(wěn)腳跟。而從1990年起，以巴西為首的熱帶闊葉木(主要是桉木)漿廠的發(fā)展，對歐美造紙發(fā)達國家又形成新一輪的沖擊。

就巴西等這些發(fā)展中國家而言，除了桉木的原料優(yōu)勢外，還有低廉勞動力的優(yōu)勢。例如，美國的勞動力成本通常要比巴西和東南亞高出10～20倍。低廉的勞動力成本，有時也許比低廉原料具有更大的沖擊力。

這些低價原料和低價勞動力的優(yōu)勢，迫使原來造紙發(fā)達的國家努力尋找比漿紙產(chǎn)品有更高附加值的產(chǎn)品，從而激發(fā)了這些國家的林紙公司考慮由單純漿紙產(chǎn)品模式向生物質(zhì)精煉產(chǎn)品模式轉(zhuǎn)化的可行性。

不僅如此，世界范圍化石類能源的日益枯竭和對CO2溫室氣體排放日益嚴格的要求，也使林紙公司將生物質(zhì)精煉產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)槠蛴诰G色能源產(chǎn)品。硫酸鹽漿紙廠有可能成為生產(chǎn)漿紙 (或甚至完全不產(chǎn)漿紙)和生物質(zhì)能源產(chǎn)品的綜合企業(yè)。

硫酸鹽漿紙廠本身就是生物質(zhì)利用的一個方式。國外漿紙廠向林業(yè)生物質(zhì)精煉 (Forest Biorefinery，簡稱FBR)的轉(zhuǎn)換，實際上是生物質(zhì)利用方式的一種轉(zhuǎn)換。生物質(zhì)精煉的產(chǎn)品除漿紙外，主要是生物質(zhì)能(bioenergy)的產(chǎn)品。筆者對國外近期在生物質(zhì)利用方面發(fā)表的論文和評述進行了歸納，并提出了自己的建議。

1 生物質(zhì)能 (或生物能)利用的重要性

1.1 能源概況

被稱為技術(shù)預言家的約翰-麥克唐納 (加拿大主要航天公司MDA公司的創(chuàng)立者，現(xiàn)在是Day4能源公司的主席和總裁)認為，容易獲得的能源是我們現(xiàn)代生活方式的基礎(chǔ)。他悲觀地認為，最早在2012—2015年世界的能源需求量就將可能超過傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)量［1］。

拿什么來填補傳統(tǒng)能源的空缺呢?除了核能以外，開發(fā)可再生能源 (太陽能、風能、水力能、生物質(zhì)能和地熱能)是唯一的出路。政府的能源政策竭力推動能源多樣化，成為發(fā)展可再生能源的鼓勵者和支持者。例如在美國，有30個州已頒布可再生能源標準 (Renewable Portfolio Standards)，加強和鼓勵可再生能源的發(fā)展。

同樣在歐盟，多數(shù)國家都有對可再生能源的支持計劃。歐盟已經(jīng)規(guī)定了每個成員國必須遵守的可再生能源比例。歐盟的所謂“20-20-20計劃”就是到2020年，要求在歐盟能源中的可再生能源比例增加到 20%［2］。

在可再生能源中，太陽能、風能、水力能和地熱能都需要有一定的地域條件，而由生物質(zhì)提供的生物質(zhì)能則是一個現(xiàn)成的、蘊藏量極為豐富的 (或者從某種意義上說是取之不盡的)資源，因此它在國外的可再生能源中占有重要的地位。

例如，今天歐盟1/2以上的可再生能源均來自生物質(zhì)，其中絕大多數(shù) (約80%)是木材生物質(zhì)。隨著其他能源 (例如風電和水電)的加快發(fā)展，來自木材生物質(zhì)的可再生能源的相對比例可能會縮小，但對木材和工業(yè)廢棄生物質(zhì)的利用，仍將保持強有力的絕對需要量。

瑞典在2009年以各種形式的生物質(zhì)作為能源，其總量甚至已超過了石油，其能源總使用量中，生物質(zhì)能占31.7%，石油能占30.8%。

生物質(zhì) (Biomass)的定義是指“由自然界生物轉(zhuǎn)化而形成的不溶性有機物質(zhì)”［3］，它的范圍是很廣泛的。本文所討論的生物質(zhì)主要是指制漿造紙 (或林產(chǎn))工業(yè)范疇內(nèi)的木材生物質(zhì)以及由此衍生的黑液等生物質(zhì)。

1.2 木材生物質(zhì)范圍及目前的應(yīng)用情況［1］

(1)中小徑木材 (即制漿原木)——它的傳統(tǒng)用戶是紙漿廠和制材廠，但有時能源公司將其作為能源使用也具有一定效益。

(2)林區(qū)殘余物——主要是伐余的枝椏材，它在多數(shù)國家仍是未加利用的資源。

(3)樹皮——紙漿廠和制材廠的副產(chǎn)品，一般將樹皮就地在鍋爐中燃燒以提供熱量。由于熱值低、灰分高，不適合用于生物質(zhì)能工業(yè)。

(4)鋸末、碎片——制材廠的主要副產(chǎn)品，也是紙漿廠的重要原料，目前在木粒生產(chǎn)廠和能源公司有強烈需求。

(5)木粒 (Wood pellet)——通常由鋸末壓縮制成，具有很高的密度與極低的水分，方便運輸，是國外新近發(fā)展起來的一種高質(zhì)量木質(zhì)燃料。

木材生物質(zhì)能的發(fā)展是由政府激勵政策、能源價格上漲與要求原材料更有效利用的幾種綜合因素所推動的。隨著對生物質(zhì)能支持力度的加強，已開發(fā)出了許多木材生物質(zhì)利用的方法。

如上所述，用鋸末壓縮制成的木粒，已在不少地方 (特別是歐洲)成為民用與工業(yè)用的供熱材料。據(jù)Poyry咨詢公司顧問Jan Wintzell博士估計，2008年全球共生產(chǎn)了1170萬t木粒，北美為290萬t，俄羅斯與中國總產(chǎn)量少于100萬t，其余均為歐洲生產(chǎn)。在消費方面，歐洲占了全球木粒消費量的80%［4］。煤炭工業(yè)對木粒有較大和逐漸增加的需求;木粒與煤共燃，可作為達到CO2減排目標的一個手段。

另外還有生物質(zhì)的氣化技術(shù)，即將木材剩余物轉(zhuǎn)化成合成氣，然后再用于居民和工業(yè)用的熱電，它在加拿大等國已進入商業(yè)化運作階段。人們普遍關(guān)注的林紙廠向生物質(zhì)精煉轉(zhuǎn)型來生產(chǎn)乙醇等可再生燃料項目，已進入中試、示范階段，正處于商業(yè)化的前夕。

2 國外生物質(zhì)利用的商業(yè)模式

近期，UPM林紙公司改名為“UPM生物質(zhì)前導公司 (UPM-the Biofore Company)”，它所代表的含義遠不止是一家公司的換牌，它實際是給出了世界范圍內(nèi)以漿紙產(chǎn)品為主的林產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)大轉(zhuǎn)型的一個信號。另外，一些公司也已公開亮出它們將涉足能源市場的意圖。例如美國著名的Weyerhaeuser公司已正式宣布要研究和開發(fā)生物質(zhì)燃料。

隨著漿紙市場需求疲軟和長期供過于求，開發(fā)生物質(zhì)能為林紙公司邁向新商業(yè)模式創(chuàng)造了條件。通過產(chǎn)品多樣化和財務(wù)收入的增長，新老資產(chǎn)將獲得更高的利用效率。國外不少有識之士指出，現(xiàn)在的問題不是它們應(yīng)不應(yīng)該轉(zhuǎn)入新的市場或新的商業(yè)模式，而是這種轉(zhuǎn)變應(yīng)該有多快，程度有多深。

綜合有關(guān)文獻介紹［2］，目前國外林紙公司利用木材生物質(zhì)的商業(yè)模式大致有三大類，即:①生物質(zhì)供應(yīng)者;②生物質(zhì)電能生產(chǎn)者;③生物質(zhì)燃料生產(chǎn)者。

2.1 生物質(zhì)供應(yīng)者

林紙公司作為木材生物質(zhì)供應(yīng)者，取得成功的關(guān)鍵是掌管或控制 (例如用租賃等辦法)當?shù)厣镔|(zhì)能的原料。這種情況可能有幾種模式且需要有不同程度的投資，但不管怎樣，它將保證生物質(zhì)供應(yīng)者為電站或生物質(zhì)燃料生產(chǎn)商提供足夠的原料。生物質(zhì)供應(yīng)者也可以是一個中間商，它聯(lián)系或集中許多較小的生物質(zhì)供應(yīng)者，供貨給電站或燃料生產(chǎn)商。在此模式中，生物質(zhì)中間商必須管理報表和預付款，熟悉管理信貸風險。生物質(zhì)中間商也可精心挑選生物質(zhì)供貨者，并通過長期合同向電站集中供貨。

另一個模式是，生物質(zhì)供應(yīng)商可自己擁有靠近電站或燃料生產(chǎn)商的林地。此時生物質(zhì)供應(yīng)商可自己掌握林地的運作或承包給別人。這樣，信貸風險減輕了，但要擔負一大筆資金投入。這類模式對林紙公司是有利的。盡管國外許多林產(chǎn)公司已經(jīng)放棄了它們的林地資產(chǎn)，但它們?nèi)匀豢刂浦數(shù)匾慌鍪垆彶暮椭茲{原料的中小林場主，重新對林區(qū)實行管理，對這些公司而言是輕而易舉的。

2.2 生物質(zhì)電能生產(chǎn)者

很多林紙公司早已將電力生產(chǎn)作為其制造業(yè)務(wù)的一部分。例如，絕大多數(shù)紙漿廠、紙與紙板廠都用廢料鍋爐燒樹皮和其他廢料，以及用堿回收爐燃燒黑液，并以所產(chǎn)蒸汽供熱發(fā)電?，F(xiàn)代化制漿造紙廠實際上已經(jīng)是少量電力的輸出者，這有利于減少對外電的依賴，降低生產(chǎn)成本。

除此之外，還有另一種可能，即擴大生物質(zhì)電能生產(chǎn)。將生物質(zhì)電能生產(chǎn)設(shè)施安排在其他地區(qū) (不局限于在廠內(nèi))，生產(chǎn)的電能通過輸電線路連接到電網(wǎng)。甚至還設(shè)想將生物質(zhì)電能輸送到另一個州或國家。但要擴大到這樣的商業(yè)規(guī)模，需要有一大筆投資，包括新的或經(jīng)升級改造的鍋爐、發(fā)電機和輸電設(shè)施等。

2.3 生物質(zhì)燃料生產(chǎn)者

國外已有越來越多的林紙公司以木材生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇和生物質(zhì)柴油等燃料，從而進入了生物質(zhì)燃料市場。它們以生物質(zhì)化學和熱化學路線研制生產(chǎn)各種生物質(zhì)燃料。下面是國外幾家大型林紙公司正在開發(fā)的生物質(zhì)燃料技術(shù)的舉例［2］:

·Lignol公司:開發(fā)了一種溶劑預處理技術(shù)，將生物質(zhì)分離成單個組分，所得纖維素對酶水解十分敏感，從而形成很高得率的葡萄糖。

·Neste/Stora Enso公司:重點研究β生物質(zhì)液化技術(shù)的商業(yè)化，將木材殘余物轉(zhuǎn)化為合成柴油。

·RSE紙漿公司:開發(fā)了在制漿過程中抽提出半纖維素的專利技術(shù)。

·Royal Nedalco/Mascoma公司:開發(fā)出能將戊糖和己糖發(fā)酵成乙醇的新型酵母。

·UPM公司:考慮利用林產(chǎn)品生產(chǎn)生物質(zhì)柴油和生物質(zhì)乙醇。

·VTT公司:大范圍研發(fā)生物質(zhì)化學技術(shù)和熱化學技術(shù)，包括預處理 (生物質(zhì)的生產(chǎn)與運輸)、氣化和氣體凈化、快速熱解以及酶水解與發(fā)酵等。

3 生物質(zhì)利用技術(shù)與評介

目前，國外特別是歐美一些林紙公司生產(chǎn)生物質(zhì)燃料 (或化學品)的技術(shù)有多種多樣，有的已經(jīng)成熟，實現(xiàn)了規(guī)模化運行;有的仍在中試，有的已建成示范項目;有的在技術(shù)上雖已過關(guān)，但仍需進一步降低成本。大致可分為4種類型，即:

(1)改善生物質(zhì)燃燒的熱效率，包括改造天然氣鍋爐使之能燃燒生物質(zhì)以及能燃燒以生物質(zhì)氣化的合成氣來生產(chǎn)蒸汽。

(2)以生物質(zhì)氣化的合成氣生產(chǎn)生物質(zhì)燃油。(3)以黑液氣化的合成氣生產(chǎn)DME高級車用燃料或直接產(chǎn)汽與發(fā)電。

(4)結(jié)合制漿廠生產(chǎn)乙醇或直接以木材生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的精煉工藝。

3.1 改善生物質(zhì)燃燒的熱效率

3.1.1 改造天然氣鍋爐使之能燃燒生物質(zhì)

國外蒸汽鍋爐大多是燃燒天然氣 (或石油)的，如果以生物質(zhì)替代或部分替代天然氣，相當于減少了溫室氣體 (GHG)的排放。加拿大Thubder Bay市的AbitibiBowaer紙廠通過改造該廠的6號天然氣鍋爐(包括增加生物質(zhì)進料器和改造爐膛等)，減少了CO2溫室氣體的排放，降低了燃料成本［5］。

3.1.2 以生物質(zhì)氣化的合成氣生產(chǎn)蒸汽

位于加拿大British Columbia省New Westminster市的Kruger Products公司衛(wèi)生紙廠在2010年投產(chǎn)了一套生物質(zhì)氣化系統(tǒng) (即生物質(zhì)氣化后再燃燒產(chǎn)汽)。該系統(tǒng)是由Nexterra能源系統(tǒng)公司 (Nexterra Energy Systems Corp.)開發(fā)的［6］。

Kruger公司的新系統(tǒng)取代了已運行60年之久的燃燒木材廢料的產(chǎn)汽鍋爐。新系統(tǒng)在2臺氣化器中利用含5%～60%水分的木材廢料，將木材廢料加工成更清潔更高效的合成氣，然后輸送到與水管鍋爐直接連接的點火室。該系統(tǒng)的生產(chǎn)能力為每小時生產(chǎn)中壓蒸汽18 t。

據(jù)Kruger公司的工程部Charles Leclerc經(jīng)理估計，Kruger公司這項新技術(shù)的投資會有很大收益。例如，僅2010年的碳排放稅就要少繳38萬美元，到2012年，每年碳排放稅的少繳額將增加到58萬美元。每年減少CO2溫室氣體排放22000 t，煙塵排放基本為0。該系統(tǒng)的安裝情況如圖1所示［6］。

新系統(tǒng)的熱效率有望為原來老式廢料鍋爐 (該爐已于2007年拆除，代之以臨時性的天然氣鍋爐)的2倍。新系統(tǒng)的維護與運行費用每年要比原鍋爐減少30萬美元。與生產(chǎn)能力相當?shù)奶烊粴忮仩t比較，生物質(zhì)氣化系統(tǒng)將使每年的燃料成本降低100萬美元以上。

Kruger公司生物質(zhì)氣化系統(tǒng)項目的部分投資是由加拿大政府提供的。政府希望以該項目為樣板，進一步在加拿大西部的10多個制漿造紙廠內(nèi)推廣這項技術(shù)。

圖1 Kruger公司位于廠房與電除塵器之間的新建氣化器

3.2 以生物質(zhì)氣化的合成氣生產(chǎn)生物質(zhì)燃油

近期在瑞典舉行的世界生物質(zhì)能會議上，據(jù)瑞典Choren Industries GmbH 公司的 Jochen Vogels報告［4］，該公司在德國的Frieburg市正在建設(shè)β生物質(zhì)燃油(beta biomass-to-liquid簡稱BTL)項目，該項目的建筑工程已在2009年中期完成，2009年12月開始使用Choren公司的Carbo V型氣化器生產(chǎn)合成氣。據(jù)報道，Choren公司在2010年底驗證BTL生產(chǎn)的技術(shù)生命力，第一個商業(yè)規(guī)模的BTL生產(chǎn)車間計劃在2015年投入運行。

3.3 用黑液氣化的合成氣生產(chǎn)DME高級車用燃料或直接產(chǎn)汽與發(fā)電

3.3.1 用黑液氣化的合成氣生產(chǎn)DME高級車用燃料

2009年9月18日，位于瑞典Pitea市的Smurfit Kappa漿紙廠，正式開工建設(shè)以黑液精煉生產(chǎn)二甲基醚 (dimethyl ether，簡稱DME)的項目。這種生物質(zhì)二甲基醚是一種優(yōu)良的可再生超低碳車用燃料。該精煉裝置的核心技術(shù)是由Chemrec公司及其美國子公司開發(fā)的。這是從硫酸鹽漿廠黑液中精煉生產(chǎn)DME燃料的樣板工程。

DME燃料在燃燒時的十六烷值高，且不產(chǎn)生煙塵粒，能以低廉的成本滿足排放指標。因為DME是從以黑液形式的木材生物質(zhì)中生產(chǎn)的，與傳統(tǒng)柴油比較，它極大地減少了CO2排放量 (約95%)，并在投資不高的情況下獲得高轉(zhuǎn)化效率。

Smurfit Kappa漿廠BioDME樣板車間的第一階段是建設(shè)DP-1合成氣裝置，從黑液生產(chǎn)出合成氣，該氣化裝置到2009年6月已累積穩(wěn)定地運行了10000 h;2009年9月，開始第二階段建設(shè)，即Chemrec公司的BioDME項目。瑞典能源研發(fā)管理局批給Chemrec公司7000萬美元以建設(shè)這個BioDME中試車間。該項目的資金在2008年6月就已落實，經(jīng)過設(shè)計施工，在2010年年底投產(chǎn)。

Ingvar Landaly等［7］詳細報道了 Smurfit Kappa漿紙廠建設(shè)世界上第一個以黑液精煉生產(chǎn)生物質(zhì)二甲基醚 (BioDME)項目的工藝過程。

BioDME中試車間的生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 Pitea漿廠的DME車間流程圖

從圖2可見，氣化工序有2個目的，即從黑液制取綠液和將黑液的有機物部分精煉為合成氣。合成氣的首次凈化和冷卻也在這里進行。已有的Chemrec DP-1氣化裝置即作此之用。從氣化裝置生產(chǎn)出綠液和高質(zhì)量的合成氣。碳轉(zhuǎn)化和硫酸鹽還原率均接近100%。合成氣的焦油與甲烷的含量極低，免除了在生物質(zhì)氣化中對焦油與甲烷的二次重整處理。

中試車間的生產(chǎn)能力為20 t(黑液固形物)/d，黑液在氣化器的高壓 (3.0 MPa)、高溫 (1000℃)下運行，并通入氧氣。隨后制成的氣體在逆流冷卻器中冷卻。圖3是DP-1黑液氣化裝置示意圖。

圖3 DP-1黑液氣化裝置

從氣化器出來的合成氣成分H2/CO比非常低，因而部分CO在氣水轉(zhuǎn)換裝置中按下面的反應(yīng)式與水蒸氣起反應(yīng):

氣水轉(zhuǎn)換反應(yīng)在極低的蒸汽/干氣比時發(fā)生。由于保持低耗汽量，在經(jīng)濟上比較有利，但也意味著有甲烷化的危險，所以催化劑的選擇很重要。該氣化工序通常使用Topsoe SSK型催化劑。

由于保持低CO2含量，可使下游甲醇合成的反應(yīng)速率大大提高，而硫元素又對甲醇催化劑有不利影響。所以已部分轉(zhuǎn)換的合成氣需要進一步送入酸性氣體去除裝置 (AGR)中，酸性氣體被AGR中的MDEA(N-甲基-二乙醇胺)化學品所吸附，從而有效地去除CO2和絕大部分的硫化合物。

甲醇的合成在2個反應(yīng)器中進行，第一個反應(yīng)器主要是在有利于高反應(yīng)速率的條件下完成大部分反應(yīng)，而有特殊結(jié)構(gòu)的第二反應(yīng)器作用則是保證有極高的轉(zhuǎn)化率。兩個反應(yīng)器中的主要反應(yīng)是:

制成的甲醇經(jīng)蒸發(fā)器處理后，送入DME合成裝置中合成DME，蒸發(fā)器的設(shè)計結(jié)構(gòu)使來自甲醇合成裝置較重的副產(chǎn)物 (特別是蠟狀物)被同步排除。在DME反應(yīng)器中，甲醇再合成DME的反應(yīng)式為:

在甲醇合成裝置中，作為副產(chǎn)物生成的乙醇，亦將以同樣方式起反應(yīng)，并形成 MEE(甲基乙醚)，MEE是一種卓越的柴油機燃料。所以生成此產(chǎn)物沒有什么問題，但生成的丙醇和其他高級醇副產(chǎn)物，則會優(yōu)先形成烯烴 (olefin)，它們的沸點基本與DME類似，在柴油發(fā)動機中的燃燒狀況很不好。因此，必須考慮在DME提純裝置中除去這些化合物。提純裝置需要有3個塔，即:烯烴提取塔、DME/甲醇分離塔和廢液塔。后面的塔將從DME反應(yīng)器產(chǎn)生的廢液分離出未轉(zhuǎn)化的甲醇，再循環(huán)至DME反應(yīng)器，以便能獲取接近100%的甲醇轉(zhuǎn)化率。

意想不到的是，除上述這些優(yōu)點外，Bio DME還具有較高的效率，因為CO和H2的總轉(zhuǎn)化率比傳統(tǒng)DME工藝的還要高。與傳統(tǒng)DME工藝比較，這種工藝的另一個優(yōu)點是蒸餾系統(tǒng)比較靈活。

該生物質(zhì)DME項目不僅是一個樣板項目，而且也為制漿造紙工業(yè)展示了從低質(zhì)量木材生物質(zhì)獲取高附加值、高使用性能生物質(zhì)燃料的可能性。

3.3.2 用黑液氣化的合成氣燃燒生產(chǎn)蒸汽與電能

黑液實際是木材生物質(zhì)的另一種形式，黑液氣化的合成氣亦可燃燒產(chǎn)汽與發(fā)電。因此可用氣化系統(tǒng)來代替堿回收爐處理黑液，這在技術(shù)上是完全可行的，而且優(yōu)點是漿廠的結(jié)構(gòu)基本沒有改變。

實現(xiàn)黑液氣化發(fā)電的先決條件是，在保證制漿化學品再生 (即堿的回收)的同時，證明此項技術(shù)在工業(yè)規(guī)模上運作的可靠性與效率。據(jù)稱，在美國已有兩個紙廠成功投產(chǎn)使用MTCI/ThermoChem公司的常壓、低溫、間接加熱重整流化床技術(shù)的氣化器系統(tǒng)。

用黑液氣化器取代堿回收爐，將停用堿回收爐，需另外增加建設(shè)黑液氣化器系統(tǒng)的投資。這對新建廠或堿回收爐壽命已到期的舊廠是有可能的。因為更換已到壽命的老鍋爐亦需要大筆投資，而增加氣化系統(tǒng)的投資則要少得多。如果再增加傳統(tǒng)的燃氣透平機，利用合成氣直接發(fā)電，則還將增加額外的發(fā)電量。

3.4 結(jié)合制漿廠生產(chǎn)乙醇或直接以木材生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇 (生物質(zhì)精煉)

結(jié)合制漿廠生產(chǎn)乙醇，或直接以木材生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇和其他化學品，從技術(shù)上來說是完全可能的。從國外開始倡導將漿紙廠轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)精煉之初，就已有人提出了這樣的看法。現(xiàn)在的問題是，這樣做在經(jīng)濟成本上是否可行，以及采取何種工藝路線在經(jīng)濟上更有優(yōu)勢。

林紙公司要實施新的可持續(xù)的商業(yè)模式，以生產(chǎn)乙醇作為轉(zhuǎn)型生物質(zhì)精煉的突破口，非常具有普遍性和現(xiàn)實性，乙醇是繼漿紙產(chǎn)品后世界上在量的方面最多的生物質(zhì)產(chǎn)品。玉米乙醇觸發(fā)的糧食與燃料之爭，促使國外對木材生物質(zhì)的生物質(zhì)精煉工藝產(chǎn)生很大興趣。但利用木材生物質(zhì)原料制乙醇的最大問題是經(jīng)濟上是否可行，是否有比制漿造紙更好的效益。

已有幾種從木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物燃料的工藝技術(shù)正在研究中，總體來講，這類工藝目前還沒有進入商業(yè)運行范疇。其中一個理由是它們在經(jīng)濟上還不能與目前利用玉米和甘蔗為原料生產(chǎn)生物質(zhì)乙醇相競爭。雖然在不久的將來以木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物質(zhì)燃料會達到目標效率，但這取決于以下的因素，即:在生物化學法中所用的酶的成本很低;有很好的分離方法;制漿造紙廠是現(xiàn)代化的。

Thorp等［8-9］根據(jù)其操作原理將以生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的方法分為兩大類:

(1)熱化學法:將原料熱分解成含一氧化碳和氫的合成氣，然后再合成為乙醇。

(2)生物化學法，也稱糖平臺法 (sugar platform processes):通常含糖和淀粉的原料更容易經(jīng)由生物化學法合成乙醇。它是先將原料的多糖轉(zhuǎn)化為糖，然后進一步發(fā)酵制成乙醇。

一種有發(fā)展前途的熱化學法是黑液氣化，即把來自制漿過程的黑液先轉(zhuǎn)化為合成氣，再進一步合成為乙醇。

一種有發(fā)展前途的生物化學法是利用制漿前價值(Value Prior to Pulping，簡稱VPP)以制取乙醇，即在制漿前先提取半纖維素用來生產(chǎn)乙醇，纖維素則繼續(xù)用作制漿造紙生產(chǎn)［10］。第一批示范的生物質(zhì)精煉項目現(xiàn)正在建設(shè)中 (美國)，其中在邁阿密Old Town市建設(shè)的一個項目，就是將VPP工藝應(yīng)用到硫酸鹽漿廠中。

有文獻［11］提及生物質(zhì)精煉生產(chǎn)能力愈大，噸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與投資成本愈低;但也提到，如與漿廠相結(jié)合，則小型生物質(zhì)精煉可能更靈活些。這在決策生產(chǎn)大批量生物質(zhì)乙醇等產(chǎn)品時應(yīng)引起重視。

3.4.1 熱化學法

熱化學法適用于所有原料。熱化學法生產(chǎn)乙醇一般分4個工序，即:

(1)原料進行機械粉碎與干燥預處理。

(2)生物質(zhì)加熱降解成合成氣。

(3)凈化氣體以除去無機物組分并經(jīng)由水-氣交換反應(yīng)而調(diào)整合成氣的H2與CO分子比。

(4)將氣體壓縮并通過生物催化劑 (酶)合成制取乙醇，或通過化學催化劑合成制取混合醇。

氣化前的原料預處理、生產(chǎn)合成氣以及合成氣的凈化與調(diào)整，都已經(jīng)是成熟技術(shù)。熱化學法的氣化技術(shù)有幾種，其中兩個較成熟的技術(shù)是:1000℃的高溫氣化 (或稱高強度氣化)和600℃的中溫氣化 (或稱低強度氣化)。在高溫氣化中，直接向氣化器通入部分氧氣燃燒以產(chǎn)生吸熱氣化反應(yīng)所需的熱量。而在中溫的間接加熱氣化器中，通常利用所產(chǎn)合成氣的外部燃燒以提供過程所需的熱量。

雖然已有幾個用化學和生物化學催化劑合成制取醇的研究成果，但主要的一道工序 (即醇的合成)現(xiàn)在還沒有達到商業(yè)化階段。如上所述，在化學催化劑的“化學合成”中，最終產(chǎn)品是混合醇 (包括甲醇、乙醇和高分子醇)，然后再從混合醇分離出所需組分。在生物催化劑的“生物合成”中，合成氣直接發(fā)酵即可制成乙醇。與化學合成相比，生物合成的優(yōu)點是，合成氣絕大部分可直接轉(zhuǎn)化成乙醇而不是混合醇，因此乙醇的得率比較高。但生物合成也因為CO在乙醇中的溶解度低而受到制約。因此，生物合成乙醇需要25天，而化學合成混合醇只需1～2天。另外，通過調(diào)整H2與CO分子比，還可能優(yōu)化合成的混合醇，而獲得較高的乙醇得率?？偟膩碚f，熱化學法生產(chǎn)乙醇有4條工藝路線 (見表1)。

3.4.2 生物化學法

生物化學法 (或糖平臺法)適用于絕大多數(shù)原料。但它尚無法轉(zhuǎn)化木素和原料中的其他組分 (如將蛋白質(zhì)和脂肪轉(zhuǎn)化成糖)。

表1 熱化學法生產(chǎn)乙醇的工藝路線

生物化學法制乙醇亦可分為4個主要工序，即:

(1)進行預處理，以機械、熱和 (或)化學的方法分散原料。

(2)以酸水解或酶水解進行糖化，將多糖轉(zhuǎn)化成單糖。

(3)利用發(fā)酵將糖轉(zhuǎn)化成乙醇。

(4)通過提純，將乙醇從發(fā)酵液中分離出來。

這項技術(shù)的特征通常是以糖化工序為主:糖化工序主要進行酸水解或酶水解。酸水解路線利用稀酸或濃酸 (主要是硫酸)將纖維素與半纖維素裂解為糖。酶水解路線則是用纖維素酶混合物進行轉(zhuǎn)化。酶水解的速度一般要慢于酸水解。另外，酸水解產(chǎn)物在進入發(fā)酵工序前必須加以中和，酶水解則一般不需要調(diào)整pH值。較為成熟的生物化學法有2條工藝路線 (見表2)。

表2 生物化學法生產(chǎn)乙醇的工藝路線

根據(jù)所用原料的不同，生物質(zhì)精煉可采取不同的工藝路線。為對不同工藝路線的效率進行評述，Wright等［11］曾以不同原料及不同工藝路線進行制取乙醇的實驗，表3是不同原料實驗所采取的工藝路線。實驗表明，以木質(zhì)纖維為原料、采用熱化學法生產(chǎn)的混合醇的理論最高得率為90%，混合醇的乙醇得率為85%;玉米稈制取的乙醇得率略低些，因為它含有約10%的灰分;采用生物化學法生產(chǎn)乙醇的理論最高得率分別為65%和75%。

表3 不同原料所采取的工藝路線

3.4.3 不同工藝路線的經(jīng)濟評價

Hyyonen等［12］對生物質(zhì)精煉的不同原料和不同工藝路線的經(jīng)濟效益進行了詳細分析。所選取的案例如圖4所示。

圖4 結(jié)合制漿的生物質(zhì)精煉流程

原則是制漿廠仍生產(chǎn)紙漿，但適當進行改造以使半纖維素和木素 (黑液形式)由生物質(zhì)精煉車間加工成乙醇和其他副產(chǎn)品。改造鍋爐以使能燃燒來自生物化學處理的固體廢渣。經(jīng)濟評估的變數(shù)為:折舊回收期7年，生產(chǎn)設(shè)施壽命20年，通脹因素3%，乙醇售價2美元/加侖，混合醇1.15美元/加侖 (注:1加侖=0.264 L，下同)。

研究結(jié)果表明，利用玉米稈和制漿木材為原料，采用熱化學法生產(chǎn)乙醇時，在原料價格合適且大規(guī)模生產(chǎn)時尚有利可圖。而利用林區(qū)剩余物、并用熱化學法生產(chǎn)乙醇 (混合醇)則似乎在較小規(guī)模時才有利可圖。

與熱化學法比較，以林產(chǎn)品為原料的生物化學法生產(chǎn)線，如果不與玉米乙醇生產(chǎn)相結(jié)合，經(jīng)濟吸引力不高。而在制漿前提取半纖維素制造乙醇時，如與玉米乙醇的制造相結(jié)合 (來自半纖維素的乙醇占5%)，則在經(jīng)濟上比較有利。

最近，Cohen等［13］選取了7個可能的技術(shù)方案(見表4)，從環(huán)境影響評估、新產(chǎn)品潛能、能耗與綜合利用可能性、產(chǎn)品與財務(wù)收入多樣化、技術(shù)風險、原料可靈活性和投資回報率等幾方面進行了綜合分析。由于客觀情況的不同，不可能得出絕對的結(jié)論，相對比較，以表4中的第7個 (G)方案為最佳。但這是根據(jù)北美具體情況得出的結(jié)論，其他各地仍需根據(jù)具體情況進行獨立分析。

表4 正在研究的乙醇生產(chǎn)技術(shù)方案

目前，木材生物質(zhì)制取乙醇的生物質(zhì)精煉工藝，總體仍處于中試階段。表5［12］列出了北美的一些林紙公司正在開發(fā)生物質(zhì)乙醇所采用的工藝路線及生產(chǎn)能力。從表5可以看到，采用熱化學法的公司明顯較生物化學法的多。

表5 正在開發(fā)的木材生物質(zhì)乙醇項目

3.5 林紙公司向生物質(zhì)精煉轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略合作伙伴

國外林紙公司對建立生物質(zhì)精煉、使產(chǎn)品和財務(wù)收入多樣化的商業(yè)模式越來越感興趣，因為這樣的商業(yè)模式同時還可大大減少溫室氣體的排放。這方面有許多可供選擇的工藝路線，但要能帶來持續(xù)競爭性效益的卻只有少數(shù)幾個方案。因此，林紙公司在實施生物質(zhì)精煉時，必須精心選擇可靠的石化工業(yè)的合作伙伴。

Chambost等［14］介紹了有關(guān)公司與一些石化工業(yè)公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系的例子。例如，UPMKymmene林紙公司為開發(fā)生物質(zhì)氣化與生物質(zhì)柴油生產(chǎn)技術(shù)，與Andritz-Carbona實行戰(zhàn)略合作，生物質(zhì)柴油產(chǎn)品已被UPM認為是公司業(yè)務(wù)的自然延伸，主要目的是增加木材原料的附加值。北美的Wyerhaeuser林紙公司與Chevron公司合作，已創(chuàng)立了一個稱之為Catchlight Energy LLC的聯(lián)合體，目標是在最大限度獲取競爭性利益的同時，發(fā)展經(jīng)濟實惠的低碳生物質(zhì)燃料。另一個例子是Stora-Enso林紙公司，它已與Neste公司簽約開發(fā)生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的技術(shù) (例如從木材廢棄物制取生物質(zhì)柴油)。具體的合作案例如表6所示。

表6 建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系的案例

4 結(jié)語

生物質(zhì)的利用，特別是制漿造紙廠是否需要以及如何向生物質(zhì)精煉轉(zhuǎn)換，這是一篇大文章。從長遠來說，生物質(zhì)利用對制漿造紙業(yè)具有重要意義。

國外在硫酸鹽漿紙廠轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)精煉的設(shè)想剛提出時，各種方案都有，經(jīng)過幾年的研究和實踐，似已逐漸傾向于以開發(fā)生物燃料為主。但開發(fā)生物質(zhì)燃料也有好幾種方案，需要反復比較和選擇。目前總的說來，技術(shù)發(fā)展已進入了中試和示范階段，輪廓已慢慢清晰。除了仍在探討是否一次性建設(shè)好生物燃料與化工產(chǎn)品的生物質(zhì)精煉外，在不改變現(xiàn)有漿紙格局的前提下，先易后難，以生物質(zhì)氣化和黑液氣化為前導的漿紙廠轉(zhuǎn)型已經(jīng)開始。這方面有不少經(jīng)驗值得我們吸取。

由于我國造紙歷來以草漿為主，近些年來草木并舉，著重發(fā)展大型林紙結(jié)合基地。特別是南方大力發(fā)展桉木造紙，成本較低，具有較大的國際競爭力。因此木材生物質(zhì)的進一步利用或者制漿造紙廠向生物精煉廠的轉(zhuǎn)換，似乎還不是非常急迫。但這并不等于我們現(xiàn)在對國際上掀起的這種生物質(zhì)利用熱潮可以無動于衷。筆者認為，至少有下列幾點理由促使我們應(yīng)該積極關(guān)心國外在生物質(zhì)利用上的進展，并盡快行動起來，采取應(yīng)對措施:

(1)我國有大量的禾草類生物質(zhì)沒有得到很好利用，用于造紙的原料品質(zhì)較低，污染嚴重。萬噸以下的中小型草漿廠大多已轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉。替代下來的禾草原料如用來生產(chǎn)乙醇等生物質(zhì)燃料，可以減少碳排放，增加農(nóng)民收入。原來草漿廠的廠房和部分設(shè)備，亦可用來改產(chǎn)生物質(zhì)燃料，降低投資費用。據(jù)悉，國內(nèi)目前已經(jīng)開展了這方面的研究工作。

(2)我國目前尚有不少以針葉木為原料的制漿造紙廠 (例如吉林、佳木斯、開山屯等老紙廠)，由于原料成本高，經(jīng)濟效益較差，或瀕臨倒閉。如能適當改造，利用現(xiàn)在國家對綠色能源的支持政策，發(fā)展生物質(zhì)燃料，可適當增加財務(wù)收入，獲得較光明的前途。

(3)我國森林面積正在迅速擴大。統(tǒng)計數(shù)字表明，1978年全國森林覆蓋率僅為12.7%，至2003年底的全國森林覆蓋率增加到18.2%，而至2008年底的調(diào)查數(shù)據(jù)，全國森林覆蓋率已增加到20.4%?，F(xiàn)有人工林面積為6200萬hm2，國家計劃加速人工林建設(shè)，到2020年再增加4000萬hm2人工林，屆時森林覆蓋率將增加至約24%。隨著森林面積，特別是人工林面積的迅速增加，間伐材和林區(qū)廢棄物等的利用必然會提到議事日程。而且不少人工林本來就是林紙聯(lián)合企業(yè)的林地，現(xiàn)在未雨綢繆，尚為時未晚。

(4)開發(fā)綠色可再生能源是目前大勢所趨，國家對可再生能源的開發(fā)極為重視，有不少的優(yōu)惠政策。目前我國在水能、太陽能、風能的開發(fā)上，均居于世界前列，唯獨在生物質(zhì)能的開發(fā)上尚相對滯后。究其原因，主要是觸及到了糧食安全問題。糧食自給是我們的根本國策，國家不可能用大量玉米和甘蔗來發(fā)展生物質(zhì)能。因此利用木材剩余物和多余禾草，發(fā)展綠色可再生能源是必然的選擇。而正是在這一領(lǐng)域，與林紙界的關(guān)系最為密切。它將影響林業(yè)、紙業(yè)、甚至農(nóng)業(yè)在今后較長一段時間內(nèi)的發(fā)展。

當前，應(yīng)充分利用國家對可再生能的優(yōu)惠政策，積極開展生物質(zhì)能的利用，或集中組織一批有關(guān)生物質(zhì)利用的重大科研課題項目。從收集信息、及時掌握國外研究動態(tài)入手，確定研究方針和要達到的目的，一步步把生物質(zhì)能的利用開展起來。同時應(yīng)鼓勵國內(nèi)大林紙聯(lián)合企業(yè)，根據(jù)自身情況積極開展生物質(zhì)利用的研究。

當然，在具體行動上，應(yīng)該先易后難，循序漸進?？梢詮谋容^成熟的生物質(zhì)氣化、黑液氣化和半纖維素轉(zhuǎn)化等項目開始，逐步向縱深發(fā)展。當前我國制漿造紙工業(yè)仍有利可圖，漿紙也是國計民生所需要的，所以重點放在結(jié)合制漿造紙的生物質(zhì)精煉項目上是比較恰當?shù)?。在研究步驟上必須堅持從小試、中試到示范項目，循序漸進?？膳c石化專業(yè)部門聯(lián)合，建立戰(zhàn)略合作關(guān)系。最重要的是，任何一項決策，即使是成熟的技術(shù)，都應(yīng)認真分析經(jīng)濟上的可行性。

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Recent Progress of Biomass Utilization

CAO Bang-wei
(E-mail:bangweicao@163．com)

Recently pulp and paper mills abroad have showed a keen interest in converting to forest biorefinery(FBR)，which is another way of biomass utilization．In addition to pulp and paper the product of biorefinery mainly is bioenergy．The literature in this field are reviewed in this paper．

biomass utilization;forest biorefinery;pulp and paper

TS7

A

0254-508X(2011)07-0057-09

曹邦威先生，教授級高級工程師。

2011-01-19

(責任編輯:常 青)