朱家華，穆立文，蔣管聰，劉立，熊晶晶，陸小華

（1 南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816；2 南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 211816）

2020年，中國(guó)二氧化碳（CO）排放大約103億噸。其中，化石燃料如煤炭、石油、天然氣，排放達(dá)到95 億噸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵、水泥和化工的碳排放量占全國(guó)碳排放總量的比例分別達(dá)到了15%、20%和16.7%。據(jù)估算，到2050 年，中國(guó)還將有約25 億噸不得不排放的CO來自于居民生活、交通、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，其中工業(yè)領(lǐng)域（冶金、化工、建材等）減排難度最大，亟需對(duì)現(xiàn)有流程工業(yè)進(jìn)行低碳/零碳/負(fù)碳技術(shù)變革。以“節(jié)能、降污、減碳”為特點(diǎn)的流程再造將是短期內(nèi)降低碳排放的重要手段，而低成本可再生能源（光電、風(fēng)電、水電、生物質(zhì)能等）、新型碳捕集、轉(zhuǎn)化和封存技術(shù)、綠氫等前沿技術(shù)將為2060 年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供核心支撐保障。

風(fēng)電、光電、水電等可再生能源不具備資源屬性，生物質(zhì)兼具能源屬性和資源屬性，是未來替代化石燃料和原料的重要載體。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，年產(chǎn)秸稈、畜禽糞便、生活垃圾等有機(jī)固廢超過50億噸，目前以焚燒、堆肥、厭氧發(fā)酵和填埋為主要的處理方式，溫室氣體年排放量超過10 億噸CO當(dāng)量。生物質(zhì)的能源化和資源化是碳減排的有效路徑，但仍需解決兩大矛盾，即生物質(zhì)面廣量大與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差的矛盾和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率與效率不匹配的矛盾。生物過程通常速率慢、效率低，而化工過程速率快、效率高。將“慢”生物過程與“快”化工過程相結(jié)合，提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的物質(zhì)、能量利用效率，以梯級(jí)利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和高附加值產(chǎn)品輸出為支撐，提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性，將有助于突破生物質(zhì)能源化和資源化過程中技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差的瓶頸難題。以經(jīng)濟(jì)可行的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)化石路線進(jìn)行可再生能源和原料替代，將對(duì)現(xiàn)有過程工業(yè)流程產(chǎn)生巨大的影響，見圖1。

圖1 生物質(zhì)通過能源化、資源化協(xié)同流程工業(yè)節(jié)能、降污、減碳示意圖

生物質(zhì)能源具有綠色、零碳和可再生的特點(diǎn)，是世界各國(guó)能源轉(zhuǎn)型及應(yīng)對(duì)氣候變化目標(biāo)的重大舉措。生物能源包括經(jīng)過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化等手段制備得到的甲烷、乙醇、航煤等能源物質(zhì)以及轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的熱和電。據(jù)國(guó)家能源局報(bào)告，2020年全國(guó)天然氣消費(fèi)量約3200億立方米。南京工業(yè)大學(xué)陸小華等估算，我國(guó)30億噸廢棄生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化可制得2000億立方米生物甲烷，且每年可減少10億噸CO排放，沼液中氮、磷資源化可代替20%～40%化肥。將固體沼渣進(jìn)行熱解制備生物炭，不僅可以固碳超過3億噸，而且利用生物質(zhì)天然微納結(jié)構(gòu)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密構(gòu)筑還可實(shí)現(xiàn)高附加值碳產(chǎn)品用于吸附、催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。低劣生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化生物甲烷、生物炭、有機(jī)肥聯(lián)產(chǎn)技術(shù)不僅充分發(fā)揮生物過程和化工過程的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)高效的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，而且可協(xié)同解決我國(guó)面源污染和碳排放問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2030年，生物質(zhì)能源可在供電、供熱等領(lǐng)域替代化石能源實(shí)現(xiàn)超過9億噸的碳減排量；到2060 年，隨著生物能源與碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)的大力發(fā)展，生物質(zhì)能可為全社會(huì)減少碳排放超過20億噸。

生物乙醇被認(rèn)為是最有潛力替代汽油的可再生燃料。2020年，全球生物乙醇產(chǎn)量達(dá)到7748萬噸，我國(guó)生物乙醇主要以玉米和木薯為原料，同年產(chǎn)量約為268 萬噸，僅占全球產(chǎn)量3%，與美國(guó)和巴西相比仍有很大的差距。目前我國(guó)燃料乙醇消費(fèi)量在(300～350)萬噸，其中自產(chǎn)(250～300)萬噸，進(jìn)口約60 萬噸。2020 年，吉林省松原市結(jié)合當(dāng)?shù)赜衩捉斩挼壬镔|(zhì)資源情況，計(jì)劃投資20 億元，引進(jìn)美國(guó)杜邦先進(jìn)成熟技術(shù)，建設(shè)酶制劑和纖維素乙醇生產(chǎn)基地，其中計(jì)劃建設(shè)酶制劑生產(chǎn)線2條、建設(shè)年產(chǎn)(5～10)萬噸的纖維素乙醇工廠3～5 個(gè)，年產(chǎn)纖維素乙醇50 萬噸。航空業(yè)碳減排的需求加速了生物航煤的發(fā)展，我國(guó)油脂原料短缺，使生物航煤的原料逐漸延伸到糖、木質(zhì)纖維素等原料。廣州能源所馬隆龍團(tuán)隊(duì)以農(nóng)林廢棄物為原料，采用羥醛縮合工藝，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的木質(zhì)纖維素水相催化合成航煤技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到美國(guó)ASTMD7566 標(biāo)準(zhǔn)的全部指標(biāo)。然而，木質(zhì)纖維素的碳鏈結(jié)構(gòu)與航煤分子的碳鏈結(jié)構(gòu)不匹配，通常將木質(zhì)纖維素解聚成平臺(tái)分子再催化合成，由此帶來生物航煤的成本為石油基航煤的1.5～3倍。隨著生物煉制技術(shù)和生物催化技術(shù)的不斷進(jìn)步，以綠色可持續(xù)的生物質(zhì)替代高能耗、高污染的有機(jī)合成，由糖、淀粉、纖維素生產(chǎn)的生物基材料及化學(xué)品的產(chǎn)能迅猛增長(zhǎng)。我國(guó)生物基化學(xué)品已經(jīng)具備一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模，以每年20%～30%的速度增長(zhǎng)，然而與國(guó)際先進(jìn)水平仍然存在一定差距。國(guó)外在生物制造領(lǐng)域已取得一系列突破，形成了一批高科技公司，如LanzaTech 公司開發(fā)了利用合成氣發(fā)酵的高效菌種用于合成乙醇；美國(guó)Newlight Technologies 利用CO和CH為原料發(fā)酵生產(chǎn)負(fù)碳生物基塑料Aircarbon；美國(guó)Calysta 公司利用微生物將天然氣、氮?dú)夂退D(zhuǎn)化成動(dòng)物食用高蛋白，并且發(fā)展了甲烷發(fā)酵制取乳酸技術(shù)。

生物質(zhì)利用正在經(jīng)歷與流程工業(yè)耦合減碳的技術(shù)探索。基于當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)資源，開展具備地域特色的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與電力、水泥等行業(yè)的過程耦合技術(shù)研究，形成跨系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流、信息流的深度融合與優(yōu)化配置，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度減排并獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)氣化熱電聯(lián)用是目前最成熟、發(fā)展規(guī)模最大的生物質(zhì)能利用技術(shù)。2021年9月，黑龍江大慶市慶翔熱電有限公司利用當(dāng)?shù)刎S富的秸稈、稻草等生物質(zhì)，成功投產(chǎn)80MW生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目年基準(zhǔn)發(fā)電量5.6 億千瓦時(shí)，供熱面積260萬平方米，每年可代替標(biāo)準(zhǔn)煤21.3 萬噸、減少CO排放56.6 萬噸。以蔗渣和桉樹皮為主要燃料的廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電廠作為國(guó)內(nèi)總裝機(jī)容量最大的生物質(zhì)發(fā)電廠，每年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤28 萬噸、減少CO排放48 萬噸。生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)部分替代燃煤經(jīng)過燃燒、氣化進(jìn)而發(fā)電供熱的技術(shù)。以湖北華電襄陽發(fā)電有限公司生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項(xiàng)目為例，利用農(nóng)業(yè)秸稈為主要原料的生物質(zhì)氣化與燃煤耦合發(fā)電，每年可“消化”秸稈、稻殼、木廢料等固廢5.14 萬噸，年供電量可達(dá)5458 萬千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)煤約2.25 萬噸，減排SO約218 噸，減排CO約6.7 萬噸。河北建投融碳資產(chǎn)管理有限公司則以臨近河湖的蘆葦為原料開展生物質(zhì)氣化發(fā)電技改項(xiàng)目，保證每年發(fā)電電量不變的前提下，可減少標(biāo)煤約5.1 萬噸和減排CO約14.6 萬噸。生物質(zhì)能源替代化石能源，在水泥行業(yè)也進(jìn)行了初步探索，安徽海螺水泥利用新型干法水泥窯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確定總體規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)30 萬噸生物質(zhì)替代燃料項(xiàng)目。正常運(yùn)行后將實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料替代率超過40%，滿足水泥熟料的大規(guī)?；a(chǎn)，節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)秸稈減量化、無害化處置。該項(xiàng)目一期投產(chǎn)運(yùn)行后，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省原煤約4.9 萬噸，同時(shí)可處理秸稈等生物質(zhì)“廢棄物”約15 萬噸。雖然生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與流程工業(yè)的耦合減碳取得了一些進(jìn)展，但生物質(zhì)多樣性、分散性、地域性的特點(diǎn)以及全國(guó)各區(qū)域工業(yè)分布的現(xiàn)狀，使生物質(zhì)能源/資源與工業(yè)流程的結(jié)合呈現(xiàn)特異性和復(fù)雜性。為了發(fā)揮區(qū)域特色生物質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)，與流程工業(yè)進(jìn)行能質(zhì)對(duì)接和優(yōu)化，完成以生物質(zhì)為代表的可再生能源與流程工業(yè)的耦合減碳，亟需發(fā)展新的基礎(chǔ)理論為該領(lǐng)域的發(fā)展提供發(fā)展動(dòng)力和方向指引。

以生物質(zhì)能源（包含綠電）為代表的可再生能源為主的流程工業(yè)主要呈現(xiàn)以下三點(diǎn)不同：①對(duì)象，能源類型（高碳轉(zhuǎn)低碳）、能源密度、能量形式、供給方式發(fā)生巨變；②系統(tǒng)，即反應(yīng)、分離、換熱等過程由熱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為電驅(qū)動(dòng)，包括電驅(qū)動(dòng)換熱、電催化反應(yīng)、由熱轉(zhuǎn)功改為電能（功）直接做功等；③目標(biāo)，對(duì)象和系統(tǒng)的差異以及各類新能源和冷、熱、電負(fù)荷具有更大的隨機(jī)性導(dǎo)致優(yōu)化目標(biāo)不同，需獲得不確定環(huán)境下具有較好的確定性和可行性的優(yōu)化結(jié)果。針對(duì)流程再造中可再生能源介入引入的新對(duì)象、新系統(tǒng)和新目標(biāo)，從理論上根據(jù)新對(duì)象特點(diǎn)，研究出現(xiàn)的新物態(tài)及其物性，探尋新能源介入后的熱力學(xué)極限變化，依據(jù)新目標(biāo)特點(diǎn)建立面向物質(zhì)、能量和信息高度集成與耦合的多尺度、多層次和多功能的流程再造復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的科學(xué)判據(jù)，最終形成流程再造的基礎(chǔ)新理論，為流程工業(yè)的低碳/零碳/負(fù)碳轉(zhuǎn)型奠定理論基礎(chǔ)。

總而言之，“節(jié)能、降污、減碳”是當(dāng)前流程工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排最直接有效的手段，如化工過程中的微界面反應(yīng)強(qiáng)化、膜分離、超重力傳質(zhì)強(qiáng)化等技術(shù)大幅降低了過程能耗，減少碳排放。發(fā)展基礎(chǔ)新理論和突破前沿顛覆性技術(shù)將為未來流程工業(yè)的零碳/負(fù)碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障。面向我國(guó)面廣量大、種類繁多的生物質(zhì)原料，構(gòu)建完整詳實(shí)的生物質(zhì)特征結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，將有助于建立生物質(zhì)原料、能量供給方式、過程耦合優(yōu)化的系統(tǒng)集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，形成適應(yīng)地域特點(diǎn)的多尺度、多變量、多目標(biāo)的優(yōu)化系統(tǒng)和技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)具有區(qū)域特色的生物質(zhì)協(xié)同“節(jié)能、降污、減碳”的流程再造示范工程與應(yīng)用。