生物质资源高效利用模式探索_生物_省略_物质材料_生物.pdf

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1、第 30卷?第 6期?西?南?林?学?院?学?报?Vo.l 30?N o.6?2010年 12月?JOURNAL OF SOUTHWEST FORESTRY UN I VERSI TY?Dec.2010?收稿日期:2010-09-29第 1作者:王清文(1961?),男,博士,教授,博士生导师,长江学者。研究方向:木材保护,生物质聚合物复合材料。E-mai:l qwwang nefu?edu?cn。生物质资源高效利用模式探索?生物质-生物质材料-生物质能源?产业链模式王清文,郭垂根(东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150040)摘要:生物质是一类由纤维素、半

2、纤维素和木质素为主要成分构成的天然有机高分子物质,主要以森林抚育采伐剩余物、木材竹材及其加工剩余物、秸秆、果壳等形式存在,是可自然再生的天然资源,我国的生物质产生量在 7亿 t/a以上。目前,国际上生物质资源的利用途径主要有 3条,即生物质材料、生物质能源和纸浆。从提高生物质资源的利用效益出发,以拓展生物质产业链为基本途径,提出?生物质-生物质材料-生物质能源?的生物质资源高效利用模式,并重点针对?生物质-生物质聚合物复合材料-生物质燃油?生态产业链模式及其研究进展展开讨论。关键词:生物质;生物质材料;生物质能源中图分类号:S788?文献标识码:A?文章编号:1003-7179(2010)06

3、-0011-04Research on EfficientUtilizationMode of Bio-based Resources?on theChain of?Biomass-BiomassMaterial-Biomass?Energy?IndustryWANG Qing-wen,GUO Chu-i gen(K ey Laboratory of Bio-basedM aterial Science and T echnology ofMOE,Northeast Forestry University,HarbinHeilongjiang 150040,China)Abstract:Bio

4、-based materials are categories of natural organic polym er materialsm ainly composed of cellu-lose,he m icelluloses and lignin,whichm ainly exist in the form of logging remainder from forest tending,bamboo andwood processing residues,straw,husk and others.Bio-basedmaterials are naturally renewable

5、resources,and the an-nual production of such bio-basedmaterials in China is over 7m illion tones.At presen,t there arem ainly three util-ization approaches of bio-based resources in theworld,.i e.,bio-based materia,l bio-based energy and pulp.A i m ingat i mproving the utilization efficiency of bio-

6、based resources,and establishing the industry chain for bio-basedmate-rial resources as the basic approach,the efficient utilizationmodal for bio-basedmaterial resourceswas proposed as?B io-material-Bio-based material-B io-energy?,the model of ecological industrial chain?Bio-m aterial-B io-based pol

7、ym er composites-Bio-based fuel?and the relevant research advanceswere discussed.Key words:bio-based materia;l bio-based materia;l bio-energy?生物质是生命活动(如植物光合作用)产生的物质,主要由纤维素、半纤维素和木质素 3种高分子和淀粉、果胶、蛋白质等其他多种成分构成,为复杂天然有机物质,以各种形态的木材、竹材、秸秆和果壳等形式存在,来源于农林生产的产品和剩余物、人类生活的废弃物等,是储量巨大而可再生的宝贵自然资源。目前生物质资源的利用,主要是通过生物质

8、材料和生物质能源两条独立的途径,急需探索新的高效利用模式。1?生物质资源及其利用状况生物质资源在地球上数量庞大、种类繁多。世界上已知的生物多达 25万多种,其中任何 1种生物(包括植物、动物和微生物)都有可能为人类提供 1种以上的生物质。作为植物光合作用产物的生物质(主要含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉)每年以约1 640亿 t的速度不断再生,如以能量换算,相当于目前石油年产量的 15 20倍,这是 21世纪可被人类利用的最丰富的可再生绿色资源 1。全世界木材蓄积量达 3100亿 m3,其中俄罗斯和巴西两国的木材蓄积量约占 47%。我国现有森林面积 1?75亿 hm2,蓄积量 124亿 m3,

9、林木生物质资源总量在 180亿 t以上。农作物秸秆是世界上最为丰富的生物质之一,据统计,全世界每年秸秆的产量为 29亿多,t 其中小麦秸秆占 21%,稻草占 19%,大麦秸秆占 10%,玉米秸秆占 35%2。我国每年产生 7亿 t农作物秸秆,加上 2亿 t林地废弃物和木材加工剩余物,每年共产生约 9亿 t农林剩余物 3。生物质作为材料或者复合材料的主要组分利用时,称为生物质材料。传统生物质材料主要有 2种利用方式 4:一是通过机械加工将木材制成一定规格的实体木材使用,这就形成了很久以来仍在采用的锯解、刨切、砂光等以损失大量原材料为代价的加工方式,出材率低,尤其对于小径木、间伐材、采伐剩余物和最

10、终尺寸较小的工件,加工所造成的资源浪费极其严重,木材的一次有效利用率一般在 50%以下;二是首先将木材、竹材、秸秆等生物质材料加工成一定单板、刨花、碎料、纤维等形态的单元,然后通过胶合技术将其加工成各种人造板材 5。人造板技术在拓宽原料来源的同时还提高了生物质原料的利用率,是木材加工技术的重大成就,不过存在胶粘剂污染环境、产品力学性能和尺寸稳定性偏低等问题,产业发展受到一定制约。我国是木材消费大国,年消费木材 3?5亿 m3以上,而商品材年产量不足 7千万 m3,木材安全形势严峻 3。国内木材资源总量供应严重不足,用材供应结构性矛盾突出,木材高效利用水平和综合利用率低,进口木材被误解为大量破坏

11、世界森林,影响国际形象。充分利用各种生物质资源,发展生物质材料产业,以保障经济建设和人民生活的需要,将成为保障国家木材安全的一项重要措施。由生物质作为能量载体直接利用,或者通过化学、生物等方法转化其他形式的含能物质,称为生物质能源。由生物质生产生物质能源的方式主要有以下几种:(1)生物质粉末或压缩成型为固体燃料;(2)生物质厌氧发酵制沼气(主要成分为甲烷);(3)生物质水解再发酵制成燃料乙醇;(4)生物质高温热解气化制生物燃气(主要成分为一氧化碳和氢气);(5)生物质快速裂解制生物燃油(主要成分为烃类及其衍生物)。此外,生物质能源还包括将能源植物生产的油脂或废弃油脂通过醇解转化为脂肪酸酯类(甲

12、酯、乙酯)燃料,俗称生物柴油。可见,生物质能源可分为气体生物质燃料、固体生物质燃料、液体生物质燃料 3种形态。20世纪 70年代,第一次世界石油危机使发达国家和贫油国家重视石油替代,开始发展生物质能源。根据联合国粮农组织的预测,到 2050年,生物质将为世界提供 1/5的电力和 2/5直接使用的燃料 6。我国生物质能源的发展一直是在改善农村能源结构的观念和框架下运作,以农村用沼气为代表的气体生物质燃料在我国起步较早,但至今仍以小厌氧消化池为主,到 2006年底,建设农村用沼气池的农户达 2260万户,年产沼气 87?0亿 m3,使 7 500万农民增收约 180亿元。在生物质气化技术开发方面,

13、我国对农林业废弃物等生物质资源的气化技术的深入研究开始于 20世纪 70年代末,近几年,我国生物质能源气化技术受到了越来越多的关注,建成生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量 500余处,年生产燃气 1?5亿 m3,年发电量 160 k W?h的稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。固体生物质燃料分为直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为燃料的原料,是传统的能源转化形式,到 2004年底已在我国累计推广省柴节煤炉灶 1?89亿户。我国固体生物质燃料发电目前已具有一定规模,两广地区共有小型发电机组 300余台,总装机容量 800MW,其中利用糖厂的甘蔗渣发电占有一定优势。液体生物质燃料目前主

14、要指通过生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油。我国以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模,不过由于受到粮食产量和生产成本制约,尤其是鉴于粮食安全的突出重要性,我国近期加大了非粮食原料(非食用薯类、甜高粱、秸秆等)乙醇生产技术的开发。从技术和原料来源看,木薯是替代粮食生产乙醇最现实可行的原料,全国具有年产 500万 t燃料乙醇的潜力。另一类发展潜力巨大的液体生物质燃料,是利用秸秆、12西?南?林?学?院?学?报?第 30卷木材加工剩余物等生物质的快速裂解生产的液态有机化合物的混合物,由于原料来源广、产品性质与石油燃料相近,因而作为化石燃料的替代能源发展前景广阔。2?生物质资源的高效利用模式作为生

15、物质资源利用的重要方式,生物质材料和生物质能源已经展现出良好的发展前景。然而,现有的利用模式将两者割裂开来,资源利用的潜力和效益有待深入开发和提升。鉴于由植物纤维构成的生物质适用于制造生物质材料,而后者及其废弃物又能够转化为生物质能源,我们提出通过两者的有机结合,以延长生物质的服务周期、拓展生物质产业链为途径,提升生物质资源利用的经济效益和生态效益,构建生物质-生物质复合材料-生物质能源产业链,探索生物质资源高效利用的新模式 7。2?1?生物质-生物质复合材料-生物质能源产业链的构建?生物质-生物质复合材料-生物质能源产业链,就是首先利用生物质纤维材料与其他材料复合制造生物质复合材料,生物质复

16、合材料利用或者再生循环利用之后,其产生的废弃物再作原料生产生物质能源,而不是直接从生物质原料生产能源。在这种模式下,生物质能源产业链增加了一个材料链节,或者看作是生物质材料产业链增加了能源链节。尤为重要的是,在获得材料与能源的同时,不仅生物质资源的消耗没有增加,而且生物质的固碳储碳周期延长了,经济和生态效益显著提高,符合低碳经济的要求。作为一个具体的模式,生物质-生物质聚合物复合材料(WPC)-生物质燃油产业链具有突出的优势。WPC由生物质纤维材料与废旧塑料等高分子聚合物熔融复合而得,是一类综合性能优异的生态环境材料,废弃后可回收再生并循环利用;对于多次循环利用后降解严重的 WPC,可作为裂解

17、的原料用于生物质燃油的生产。可见,生物质?生物质-聚合物复合材料(循环利用)?生物质能源,这种生物质资源的利用模式比目前的生物质能源生产模式(气化、液化、发电)增加了重要的链节?生物质复合材料 WPC,并且在材料链接上可进行多次循环。因此,这是一种产业链长、附加值高、集约化的生物质资源高效利用模式,完全符合循环经济和低碳经济的要求,也是建设社会主义新农村过程中具有广阔发展前景的新兴产业。2?2?生物质-WPC-生物质燃油产业链的重点研究方向?1)生物质原料的定向制备与改性关键技术:生物质材料必须具有适当的含水率、尺寸、形态、表面性质和适当的抽提物含量,才能用于生物质-聚合物复合材料的制备。以生

18、物质-聚合物复合材料所需的生物质原料供应为重点,围绕生物质材料的加工处理与基本单元形态的定向制备技术与设备、表面改性技术、热处理(干燥)技术与设备等开展研究,重点建立低成本、高品质的生物质原料(纤维)定向制备、表面改性及快速干燥技术,改造设计相关用于生物质纤维定向制备的高效率、低能耗生产设备,为生物质-聚合物复合材料生产所需稳定而廉价的原料供应提供技术和设备保障。2)生物质-聚合物复合材料先进成型技术及关键设备研究:生物质-聚合物复合材料的成型技术和关键成型设备是生物质-聚合物复合材料研究的关键与核心内容,重点围绕废旧塑料的再生改性技术、先进的一步法连续挤出成型技术与关键设备、界面调控技术、加

19、工过程中熔体流变行为控制技术、长纤维的喂料技术与生物质-聚合物复合材料强化技术等方面进行基础和应用研究,重点建立高效节能的生物质-聚合物复合材料成型技术体系。3)生物质-聚合物复合材料功能化与重点制品生产技术:鉴于生物质-聚合物复合材料应用领域的不断扩展,使生物质-聚合物复合材料产品具有一种或同时具有多种功能是提高产品附加值的关键。重点研究具有阻燃、防静电与电磁辐射等功能的生物质-聚合物复合材料,以适应室内应用和特定需求,获得高附加值,建立高附加值的生物质-聚合物复合材料产品的功能化理论和技术。同时根据国内外生物质-聚合物复合材料的发展趋势和我国的资源结构与市场需求,重点研究市场需求量大面广(

20、如门窗)或附加值高(功能性地板)的生物质-聚合物复合材料产 品 的应 用技 术 和配 套 技术,建 立生 物质-聚合物复合材料门窗、功能性地板等重点制品的生产技术。4)生物质-聚合物复合材料热解制取生物燃油的关键技术:生物质-聚合物复合材料,废弃后可回收再生并循环利用;对于多次循环利用后降解严13第 6期?王清文等:生物质资源高效利用模式探索重的 WPC,热解转化为生物质燃油。重点研究原料种类及各种成分对生物质-聚合物复合材料热化学反应过程及产物的影响、快速热解制取生物质燃油的热转化机理与符合时代发展的绿色化学工艺,以及用于热化学催化反应过程的低污染高效催化剂、生物燃油精炼技术 8等,建立生物

21、质复合材料快速热制备生物质燃油的技术体系。3?生物质-WPC-生物质燃油产业链的预期效益?可自然再生的生物质资源在国家可持续发展战略中具有重要的战略地位,生物质资源的高效利用是当前国内外广泛关注的重大课题,探索生物质资源的高效利用途径和模式是解决?三农?问题、促进社会经济持续发展的重要任务。目前,我国丰富的生物质资源中,仅有少量被作为低质燃料或原材料简单利用,既浪费资源,又污染环境。通过高新技术将丰富的生物质资源转化为市场容量大、经济效益好的大宗产品,特别是采用木材加工剩余物、废弃秸秆和废旧塑料为原料生产的生物质-聚合物复合材料,是综合性能突出而生态和经济效益显著的生态环境材料;对于多次循环利

22、用后降解严重的生物质-聚合物复合材料,作为裂解的原料用于生产生物质燃油,建立生物质-生物质聚合物复合材料-生物质能源产业链,这种生物质资源的利用模式比传统的生物质原料直接转化能源生产模式,增加了生物质材料这一重要环节,是一种产业链长、附加值高、集约化的生物质资源高效利用模式,完全符合资源节约、循环利用、低碳经济的理念,具有显著的社会效益。随着WPC产业规模的迅速扩大,其应用已经不再局限于运输业托盘、建筑、景观、铺板、栏杆等室外应用领域,在室内装饰、门窗、地板、家具、汽车内饰等领域已开始形成巨大市场空间。同时在市场需求大的 WPC制品方面,WPC 门窗材料不仅无污染而且能够回收循环利用,具有突出

23、的环保和节能优越性,是最有希望的塑钢门窗升级换代产品。2007年,我国整个家居业产值为 14 100亿元,其中家装达 8 700亿元,预计 2010年建筑装饰行业的产值将达到 21 000亿元,其中家居行业的产值将达 13 000亿元左右 7。这种良好的发展态势为 WPC门窗、装饰材料的应用提供了广阔的市场空间,即使仅占装饰行业产值的 5%,也将有 1000亿元的份额。因此,预期生物质-聚合物复合材料的间接和远期效益,达到 1 000亿元/a。由 WPC热解制造生物质燃油,产品含碳量高、热值大,是更优质的生物质能源,发展潜力大。参?考?文?献 1?蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景 J.

24、林产化学与工业,2002,22(2):75-80.2?王海.生物质资源及其产业 C/中国农业工程学会2005学术年会论文集,2005:210-212.3?段新芳,吕建雄.生物质材料产业发展任重道远 N.中国绿色时报,2008-08-08.4?李坚.生物质复合材料学 M.北京:科学出版社,2008:16-21.5?于文吉,王天佑.我国非木材人造板的发展现状和存在问题 J.人造板通讯,2004,11(12):5-7.6?汪大纲.世界生物质能利用的现状和展望 J.世界林业研究,1996(6):60-70.7?王清文,王伟宏,郭垂根,等.木塑复合材料与制品M.北京:化学工业出版社,2007:1-19.8?Zhang Zhijun,W ang Q ing wen,Yang Xula,i et a.l Sulfonicacid resin-catalyzed addition of phenols,carboxylic acids,andwater to olefins:Model reactions for catalytic upgra-ding of bio-oil J.Bioresources Technology,2010,101(10):3685-3695.(责任编辑?赵粉侠?曹?龙)14西?南?林?学?院?学?报?第 30卷