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第二代非粮乙醇产业化将在 “十四五”实现
专访中国工程院院士谭天伟
作者:贺春禄 摄影/马珉 发表时间:2018年06月30日

 

 

    深埋地下的石油、煤等化石能源,是地球这颗蓝色行星赠予人类的能量“原石”。人类使用石油的历史最早可追溯至古埃及时代,中国新石器时代晚期也已出现煤的踪迹。而随着近现代科技的飞速发展,化石能源更是一跃成为人类社会赖以生存的能源基石。

  但如今目之所及,这些曾被视为用之不竭的化石能源正迅速减少,对环境所造成的严重污染也日益显现。寻找可替代的绿色新能源已成为全球性的科研热点。

  与生物质能源打了30余年交道的北京化工大学校长、中国工程院院士谭天伟,近年来持续专注于生物燃料乙醇的研发及产业化之路。他表示,我国第二代非粮乙醇产业化目标在两三年内便将实现,预计“十四五”期间产业化将取得突破。

  生物化工前景优于生物质能

  如今依然坚持给北京化工大学本科生授课的谭天伟,每每在向学生介绍生物质时,都会强调一点——生物质的利用贯穿于人类使用能源的历史。

  谭天伟说:“人类社会最初利用能源的方式便是烧柴,这就是一种天然的生物质能源。煤、石油被陆续发现后,人类逐渐开始大面积集中使用这些易开采且能量密度高的资源。事实上煤、石油等化石能源的形成,追根溯源均来自太阳能的光合作用,但这需要几百万年甚至上亿年的时间。人类的历史迄今为止才多少年?因此这些物质只能归属为不可再生能源。”

  与之相比,生物质能是一种可再生且对环境友好的能源。自然界中的植物不断地进行着光合作用,以化学能的形式将太阳能储存起来,整个过程也不会产生任何碳排放。

  可是,为何多年来绿色环保的生物质能在全球普及速度如此缓慢?

  “最根本的原因其实也源自光合作用。只有接触到阳光,生物质才能产生光合作用,但太阳光长距离照射至地球表面后转化率并不高,使得植物的能量密度也低,一吨生物质的热值甚至低于同等重量的煤油,相较之下确实没有什么优势。”谭天伟说。

  他指出,可以通过多种植能量转化率高的植物,提高作物产量,从面积上提升能源密度。

  而与生物质能源相比,谭天伟表示,自己更看好生物化工的发展前景,“生物质能源在与化石能源的价格竞争中很难取胜,但大众在选择生物化工产品时却并不只关注价格。”

  目前生物化工产品已涵盖高中低各个档次,一些可降解生物材料的产品价格高于化石产品,而部分生物化工产品在精细化方面也已超过化石产品。

  如国外已经基本停产、但在中国仍大量生产的尼龙66,便是一款较为典型的生物基产品。国外通过化学法合成尼龙66核心物质——癸二酸的难度很大,而蓖麻油却可裂解后直接形成癸二酸。“中国种植蓖麻的面积非常大,因此尼龙66的产量一直很高,这就是生物基产品优于石油基产品的例子。此外在高附加值的精细化工,如医药等领域,生物化工也拥有先天优势,石油化工很难与其竞争。”谭天伟说。

  他预计,未来生物化工领域的发展速度将超过生物质能源,“生物质能只有燃料乙醇等几种产品,但化学品的数量动辄数以万计,因此生物化工领域未来前景自然更被看好”。

  生物质能产业化“道阻且长”

  从产业化推广的角度看,当前阻碍生物质能产业化发展的最大“拦路虎”仍是高昂的成本。

  关键技术尚未取得突破,以及没有形成“生物链”发展思路,是谭天伟眼中导致成本过高的两大重要原因,“比如生产燃料乙醇的就只做乙醇,没有想过可以借鉴石油化工吃干榨净的‘石油链’方式,走全链条式生产的路线”。

  的确,与从汽油、柴油、煤油到沥青、烯烃等各种产品一应俱全的“石油链”相比,“生物链”中的产品数量少得可怜。如生物质能中最常采用的秸秆,其主要含有纤维素、半纤维素、木质素三种元素。当前采用最多的方式仍只是将纤维素制成乙醇,半纤维素制成木糖的技术仍然尚未成熟,对木质素的利用就更不知该如何下手。

  那么,是否能将木质素用于生产重要的化工原料PX(对二甲苯)?谭天伟近年来一直在带领团队寻找技术突破。

  “木质素基本上最后都被直接焚烧了,从利用率来看是绝对不合算的。生物质能源为什么这么贵?就是没有将其中的原料一一吃干榨净。如果能突破木质素制造PX的难题,那么打造生物链的突破口便找到了。”

  除了关键技术尚未被突破外,生物质能源产品也远不如石油产品做得那般精细,“能化是能源和化学品的集合,相比石油,生物质研发的历史并不长。生物质能与化学品的最优结合还需要长时间的攻关,学界尤其应当发挥多学科的集成优势”。

  此外,谭天伟建议,生物质能未来还应当采取分散性、小规模的加工模式。动辄上万吨的煤化工工程、几千万吨的炼油项目,并不适用于生物质能的加工模式。在他的设想中,今后每个小镇都可建设一个生物质发电厂,这与煤化工、石油化工的大规模发展方式截然不同。

  他强调,生物质能源的竞争对手永远都是化石能源。从价格上看,生物质能比后者贵得多,我国应当借鉴美国、欧盟等国家的政府立法、政府补贴等方式,通过行政立法等手段助力生物质能的推广普及。

  《欧盟生物燃料战略》规划显示,到2030年欧盟计划要实现生物质燃料在交通运输燃料中占25%的目标。美国政府近十几年来也通过一系列立法、规划及政策制定等,持续推动生物质能的研发与利用。如对生物燃料的税费减免政策,从原料、转化、基础设施、市场方面提出生物质原料研发战略建议等。

  以燃料乙醇为例。目前,我国对于生产燃料乙醇的企业给予政府补贴,而美国采用的则是各个州强制立法的方式支持产业的发展。比如美国一些州政府强制性要求加油站必须全部出售添加燃料乙醇的汽油。

  “在近几年国际油价一直下跌的情况下,美国年生产销售燃料乙醇的数量竟然高达4000多万吨。相比之下,我国一年连200万吨都卖不出去,生产燃料乙醇的厂家几乎已经生存不下去了,必须通过相应的立法等手段帮助行业渡过难关。”谭天伟对记者说。
        第二代非粮乙醇产业化即将实现

  《中国能源发展报告2017》显示,2017年中国能源消费总量为44.9亿吨标煤,煤炭占能源消费总量的比重为60.4%,清洁能源消占比达20.8%,其中非化石能源消费占一次能源消费比重达到13.8%。

  而在当前“清洁低碳、安全高效”能源发展方向的指导下,可以预见,今后燃料乙醇将成为非化石能源中重要的发展领域之一。

  “十五”期间,我国已正式启动生物燃料乙醇的生产试点,虽然起步较晚,但已成为继美国和巴西之后的世界第三大燃料乙醇的生产和使用国。不过,由于第一代与1.5代燃料乙醇生产始终难以突破产量瓶颈,业界对以农业秸秆、林业残渣等木质生物质为原料的第二代非粮乙醇的发展一直给予更多的期望。

  谭天伟告诉记者,目前我国的第二代非粮乙醇正走向产业化,美国、欧盟等国家地区已经建成了几个以秸秆为主要原料的大型乙醇生产基地,杜邦公司也斥巨资建成几个研发中心。

  “我国第二代非粮乙醇的研发已经取得很大进展,预计两三年后可以实现产业化,‘十四五’期间产业化肯定将获得较大突破。”不过他强调,实现产业化意味着在经济上可行,但若国家政策能再给予一定的倾斜,将会进一步推动第二代非粮乙醇的产业化进程。

  对于发酵法与热化学法的路径之争,谭天伟指出,谁更能推动第二代非粮乙醇的产业化,国外对此也一直存在不小争议。事实上,发酵法是更为传统成熟的工艺,但近两年热化学法的异军突起也引起业内普遍关注,原因便在于这一方法可以突破发酵法在能源转化效率方面的瓶颈。

  谭天伟说:“发酵法最大的瓶颈在于,投入2克糖最多只能产出1克乙醇——这还只是理论上的最大值,实际操作中是达不到的。而热化学法可以将原料先变为合成气再变成醋酸,最后还原成乙醇。通过热化学法可以获得比发酵法更高的乙醇产量,比如1克糖可以获得超过0.6克的乙醇。”

  对于两者的优劣比较,谭天伟认为,生物质可以与热化学法等多种不同的方法结合,今后并不一定都要采用发酵法,化学法确实具备一些优势。
       横空出世的第三代非粮乙醇

  而更令人欣喜的是,目前谭天伟与团队已成功在实验室实现了以二氧化碳为原料的第三代非粮乙醇的研制,并已经向相关的国际期刊进行投稿。

  谭天伟感慨地对记者回忆道,多年前一位石化界的老专家在某次会议交流中曾对他表示,生物质能永远替代不了化石能源——因为在中国没有那么多的生物质原料可供使用。

  “现在回想起来,老专家说得没错,事实也的确如此。”他向记者算了一笔账,假设每年将全国产生的所有8亿吨秸秆(理论数据的上限值)均用以生产乙醇,最多也只能产出1亿吨左右的成品。而仅2017年一年,中国能源消费总量已高达44.9亿吨标煤。这1亿吨理论上可生产出的乙醇,对中国巨大的能源消费需求量无异于杯水车薪。

  谭天伟说:“可再生能源若要实现在能源结构中占据主导地位的目标,仅仅依靠粮食、秸秆等原料进行生产是远远不够的。而一旦以二氧化碳为原料的第三代燃料乙醇实现产业化,这一目标在未来有可能实现。”

  相比粮食与秸秆,二氧化碳的储量可用“源源不绝”加以形容。不过,目前第三代非粮乙醇的研发仍未走出实验室,还面临成本过高、经济性不合算等诸多问题。但对多年来始终关注绿色生物能源的谭天伟而言,这无疑是今后重点的研究方向之一,“我们一定要坚持继续大力发展生物质,一年一收割的植物,是太阳赐予人类的宝贵财富”。

  目前,生物汽油中被我国大众接受度最高、最安全的自然当属燃料乙醇。但今后燃料乙醇是否就是中国生物质能源发展最重要的方向?在谭天伟看来,这并非最佳的发展路径。

  他指出,生物汽油领域最适合推广的产品实为生物丁醇,其与传统汽油的热值更为接近,未来的研发方向应当以生物丁醇为目标。

  “为什么现在生物丁醇推广这么难?因为与燃料乙醇相比,它的生产成本更高,现阶段就让老百姓花更多的钱使用生物丁醇并不现实。我国生物丁醇离产业化的目标还有不短的距离,这也迫切需要政府立法加以扶持与推广。”谭天伟说。

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