生物质协同流程工业节能、降污、减碳路径思考

朱家华，穆立文，蒋管聪，刘立，熊晶晶，陆小华

（1 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 211816；2 南京工业大学化工学院，江苏 南京 211816）

2020年，中国二氧化碳（CO）排放大约103亿吨。其中，化石燃料如煤炭、石油、天然气，排放达到95 亿吨。据统计，钢铁、水泥和化工的碳排放量占全国碳排放总量的比例分别达到了15%、20%和16.7%。据估算，到2050 年，中国还将有约25 亿吨不得不排放的CO来自于居民生活、交通、农业、工业等领域，其中工业领域（冶金、化工、建材等）减排难度最大，亟需对现有流程工业进行低碳/零碳/负碳技术变革。以“节能、降污、减碳”为特点的流程再造将是短期内降低碳排放的重要手段，而低成本可再生能源（光电、风电、水电、生物质能等）、新型碳捕集、转化和封存技术、绿氢等前沿技术将为2060 年碳中和目标的实现提供核心支撑保障。

风电、光电、水电等可再生能源不具备资源属性，生物质兼具能源属性和资源属性，是未来替代化石燃料和原料的重要载体。我国生物质资源丰富，年产秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等有机固废超过50亿吨，目前以焚烧、堆肥、厌氧发酵和填埋为主要的处理方式，温室气体年排放量超过10 亿吨CO当量。生物质的能源化和资源化是碳减排的有效路径，但仍需解决两大矛盾，即生物质面广量大与技术经济性差的矛盾和生物质转化速率与效率不匹配的矛盾。生物过程通常速率慢、效率低，而化工过程速率快、效率高。将“慢”生物过程与“快”化工过程相结合，提高生物质转化过程的物质、能量利用效率，以梯级利用多联产技术和高附加值产品输出为支撑，提高系统整体经济性，将有助于突破生物质能源化和资源化过程中技术经济性差的瓶颈难题。以经济可行的生物质转化技术为基础，对传统化石路线进行可再生能源和原料替代，将对现有过程工业流程产生巨大的影响，见图1。

图1 生物质通过能源化、资源化协同流程工业节能、降污、减碳示意图

生物质能源具有绿色、零碳和可再生的特点，是世界各国能源转型及应对气候变化目标的重大举措。生物能源包括经过热化学转化和生物化学转化等手段制备得到的甲烷、乙醇、航煤等能源物质以及转化过程中产生的热和电。据国家能源局报告，2020年全国天然气消费量约3200亿立方米。南京工业大学陆小华等估算，我国30亿吨废弃生物质的高效转化可制得2000亿立方米生物甲烷，且每年可减少10亿吨CO排放，沼液中氮、磷资源化可代替20%～40%化肥。将固体沼渣进行热解制备生物炭，不仅可以固碳超过3亿吨，而且利用生物质天然微纳结构对其结构进行精密构筑还可实现高附加值碳产品用于吸附、催化、储能等领域。低劣生物质高效转化生物甲烷、生物炭、有机肥联产技术不仅充分发挥生物过程和化工过程的互补优势实现高效的生物质转化，而且可协同解决我国面源污染和碳排放问题。据统计，到2030年，生物质能源可在供电、供热等领域替代化石能源实现超过9亿吨的碳减排量；到2060 年，随着生物能源与碳捕获和储存技术的大力发展，生物质能可为全社会减少碳排放超过20亿吨。

生物乙醇被认为是最有潜力替代汽油的可再生燃料。2020年，全球生物乙醇产量达到7748万吨，我国生物乙醇主要以玉米和木薯为原料，同年产量约为268 万吨，仅占全球产量3%，与美国和巴西相比仍有很大的差距。目前我国燃料乙醇消费量在(300～350)万吨，其中自产(250～300)万吨，进口约60 万吨。2020 年，吉林省松原市结合当地玉米秸秆等生物质资源情况，计划投资20 亿元，引进美国杜邦先进成熟技术，建设酶制剂和纤维素乙醇生产基地，其中计划建设酶制剂生产线2条、建设年产(5～10)万吨的纤维素乙醇工厂3～5 个，年产纤维素乙醇50 万吨。航空业碳减排的需求加速了生物航煤的发展，我国油脂原料短缺，使生物航煤的原料逐渐延伸到糖、木质纤维素等原料。广州能源所马隆龙团队以农林废弃物为原料，采用羟醛缩合工艺，形成了具有自主知识产权的木质纤维素水相催化合成航煤技术，产品质量均达到美国ASTMD7566 标准的全部指标。然而，木质纤维素的碳链结构与航煤分子的碳链结构不匹配，通常将木质纤维素解聚成平台分子再催化合成，由此带来生物航煤的成本为石油基航煤的1.5～3倍。随着生物炼制技术和生物催化技术的不断进步，以绿色可持续的生物质替代高能耗、高污染的有机合成，由糖、淀粉、纤维素生产的生物基材料及化学品的产能迅猛增长。我国生物基化学品已经具备一定产业规模，以每年20%～30%的速度增长，然而与国际先进水平仍然存在一定差距。国外在生物制造领域已取得一系列突破，形成了一批高科技公司，如LanzaTech 公司开发了利用合成气发酵的高效菌种用于合成乙醇；美国Newlight Technologies 利用CO和CH为原料发酵生产负碳生物基塑料Aircarbon；美国Calysta 公司利用微生物将天然气、氮气和水转化成动物食用高蛋白，并且发展了甲烷发酵制取乳酸技术。

生物质利用正在经历与流程工业耦合减碳的技术探索。基于当地的生物质资源，开展具备地域特色的生物质转化系统与电力、水泥等行业的过程耦合技术研究，形成跨系统物质流、能量流、信息流的深度融合与优化配置，可实现传统产业的深度减排并获得较好的经济效益。生物质气化热电联用是目前最成熟、发展规模最大的生物质能利用技术。2021年9月，黑龙江大庆市庆翔热电有限公司利用当地丰富的秸秆、稻草等生物质，成功投产80MW生物质热电联产项目。该项目年基准发电量5.6 亿千瓦时，供热面积260万平方米，每年可代替标准煤21.3 万吨、减少CO排放56.6 万吨。以蔗渣和桉树皮为主要燃料的广东粤电湛江生物质发电厂作为国内总装机容量最大的生物质发电厂，每年可替代标准煤28 万吨、减少CO排放48 万吨。生物质气化与燃煤耦合发电技术是将生物质部分替代燃煤经过燃烧、气化进而发电供热的技术。以湖北华电襄阳发电有限公司生物质气化耦合发电项目为例，利用农业秸秆为主要原料的生物质气化与燃煤耦合发电，每年可“消化”秸秆、稻壳、木废料等固废5.14 万吨，年供电量可达5458 万千瓦时，节约标煤约2.25 万吨，减排SO约218 吨，减排CO约6.7 万吨。河北建投融碳资产管理有限公司则以临近河湖的芦苇为原料开展生物质气化发电技改项目，保证每年发电电量不变的前提下，可减少标煤约5.1 万吨和减排CO约14.6 万吨。生物质能源替代化石能源，在水泥行业也进行了初步探索，安徽海螺水泥利用新型干法水泥窑的技术优势，确定总体规划建设年产30 万吨生物质替代燃料项目。正常运行后将实现生物质燃料替代率超过40%，满足水泥熟料的大规模化生产，节约资源，降低生产成本，实现秸秆减量化、无害化处置。该项目一期投产运行后，预计每年可节省原煤约4.9 万吨，同时可处理秸秆等生物质“废弃物”约15 万吨。虽然生物质转化与流程工业的耦合减碳取得了一些进展，但生物质多样性、分散性、地域性的特点以及全国各区域工业分布的现状，使生物质能源/资源与工业流程的结合呈现特异性和复杂性。为了发挥区域特色生物质资源优势，与流程工业进行能质对接和优化，完成以生物质为代表的可再生能源与流程工业的耦合减碳，亟需发展新的基础理论为该领域的发展提供发展动力和方向指引。

以生物质能源（包含绿电）为代表的可再生能源为主的流程工业主要呈现以下三点不同：①对象，能源类型（高碳转低碳）、能源密度、能量形式、供给方式发生巨变；②系统，即反应、分离、换热等过程由热驱动转为电驱动，包括电驱动换热、电催化反应、由热转功改为电能（功）直接做功等；③目标，对象和系统的差异以及各类新能源和冷、热、电负荷具有更大的随机性导致优化目标不同，需获得不确定环境下具有较好的确定性和可行性的优化结果。针对流程再造中可再生能源介入引入的新对象、新系统和新目标，从理论上根据新对象特点，研究出现的新物态及其物性，探寻新能源介入后的热力学极限变化，依据新目标特点建立面向物质、能量和信息高度集成与耦合的多尺度、多层次和多功能的流程再造复杂系统结构的科学判据，最终形成流程再造的基础新理论，为流程工业的低碳/零碳/负碳转型奠定理论基础。

总而言之，“节能、降污、减碳”是当前流程工业实现碳减排最直接有效的手段，如化工过程中的微界面反应强化、膜分离、超重力传质强化等技术大幅降低了过程能耗，减少碳排放。发展基础新理论和突破前沿颠覆性技术将为未来流程工业的零碳/负碳目标的实现提供坚实的基础保障。面向我国面广量大、种类繁多的生物质原料，构建完整详实的生物质特征结构和物化性质数据库，结合先进的机器学习和人工智能技术，将有助于建立生物质原料、能量供给方式、过程耦合优化的系统集成神经网络，形成适应地域特点的多尺度、多变量、多目标的优化系统和技术方案，实现具有区域特色的生物质协同“节能、降污、减碳”的流程再造示范工程与应用。