中国轻工业出版社制浆造纸产业生物质精炼发展研究

第1章 生物质精炼的基本概念 随着人类经济社会的快速发展，资源及能源危机日益凸现。据估计，地球上已探明储量可开采的煤、石油和天然气等化石资源将在不久的将来消耗殆尽[1]。因此，开发和利用可再生资源已成为世界各国寻求可持续发展的主要方向。在众多的自然资源中，生物质以其资源丰富、可持续再生、清洁环保、价格低廉等特点而被认为是目前主要可替代化石资源潜力的天然资源，生物质精炼技术及其产业发展也随之成为人类充分利用这一天然资源的重要工具，是解决资源和环境问题、实现人类可持续发展和生态文明的有效途径。 1.1生物质精炼的起源 目前，人类面临着全球环境污染、资源短缺、能源危机、循环经济可持续发展等一系列问题。随着石油、煤和天然气等化石资源的枯竭，基于化石能源高消耗的传统产业发展模式已不能满足人类经济社会发展日益增长的物质需求。生物质精炼产业的建立和发展，将循环经济、节能降耗、清洁生产和产业调整四大领域融为一体，为解决这一系列问题提供了一种根本性的新方法[2]。 地球上生物质资源非常丰富。每年仅植物生物质或木质纤维素类生物质（Ligno- cellulosic biomass）的总产量就达约1700亿t，如以能量换算，相当于当前全球石油年产量的15～20倍。其中，林木类资源量*大，约为730亿t，约占总木质纤维素生物质的42.9％；其次是草类生物质，约为187亿t，约占总木质纤维素生物质的11.0％[3]。 1982年，“生物质精炼”（Biorefinery）的概念在Science上首次被提出，随着能源、资源、环境问题的日趋严峻，生物质精炼已经成为世界各国的战略性研究方向。生物质精炼的提出也是与石油精炼相对应的。石油精炼以原油为原料，将其转化为燃料、合成材料和肥料等多种产品。生物质精炼则以基于光合作用的植物为原料，生产出能量载体、动力、纸浆和纸等材料以及化学品等多种产品[4]。 生物质精炼技术是*大化地利用生物质资源，将其转化为各种生物质产品和能源，可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品、生物质燃料与生物质之间的可持续循环，是一项高效率、低成本、绿色无污染的技术；采取能量和碳元素的“捕捉—释放”的使用方式，有利于减少大气环境的CO2排放量，缓解和应对全球气候变化，同时满足人们当前对化学品、材料和能源等各方面的需求，符合低碳经济和可持续发展的要求。目前世界各国生物质精炼研究的热点主要包括生物发酵、提取分离、绿色制浆、热解、气化等技术[3]。 多年来，北美森林工业面临巨大的挑战，由于高昂的能源费用和不断增加的纤维成本导致行业整体效益持续下滑。北美森林工业的领导者们不断寻求创造性的措施以重振该工业。1990年，美国纽约州立大学环境科学与林业科学学院、缅因大学化学与生物工程系等研究单位率先提出“将硫酸盐制浆厂变为复合型森林生物质精炼工业（Integrated Forest Biorefinery，IFBR）”的概念与构想，建立以制浆造纸工业为平台的生物质精炼概念和体系[5,6]。对传统的漂白硫酸盐浆厂进行改造，使之不再仅仅局限于生产纸浆和与其相关的纸产品，还将生产具有更高附加值的生物产品，诸如乙醇、有机聚合物、碳纤维和内燃机燃料等。这种新型工厂将以木材为原料，生产出多种生物制品和能源[7,8]。这对北美森林工业来说无疑是个很好的选择，在过去几年的发展中也呈现了勃勃生机。 1.2生物质精炼的概念 1. 2.1生物质精炼的定义 生物质精炼是指将转换生物质的各种方法组合到一起，以生产出生物燃料、动能、热量并生产出增值的化学品的一系列技术。其许多观念与石油精炼近似，是一个系统的工程问题[9,10]。 国际能源署对生物质精炼给出的定义是：持续地对生物质加工并生产出广谱的生物产品（食品、饲料、化学品、材料等）和生物能（生物燃料、动能或热量）[11]。 美国可再生能源国家实验室将生物质精炼定义为：以生物质为原料（木质纤维原料、植物基淀粉、农业废弃物等），整合生物质转化的各种过程和设备，进行再资源化和增值化，生产燃料、动力和化学品的综合产业[12]。 生物质精炼是生物转化技术和化学裂解技术的组合，可以高效地利用可再生植物资源，使之成为环境友好的可持续发展的工业门类。 生物质精炼技术是一种以木质纤维素可再生资源为主要原料，通过各种物理和化学及生物转化的方法，综合利用原料各组分和中间产物，实现以精炼生产液体燃料与大宗化工产品为目标的新型工业模式，是建立新型生物质产业*有希望的技术路线。 1. 2.2 生物质精炼的主要特点 ①资源高值化。生物质精炼的*大优势是充分利用生物质含有的众多组成成分及其中间产品，尽力做到?吃?榨尽”，在生产出多种产品的同时，从生物质原料中获得*大的附加值。例如，生物质精炼可生产出多种小容量的化学品或功能食品，又如生物质精炼能生产出大容量的交通运输用的燃料生物乙醇（酒精燃料）和生物柴油，并通过热电站技术，同时发电并供热。 ②再生、清洁化。生物质精炼技术可*大化地利用生物质资源，将其转化为各种生物质产品和能源等，同时又不造成对环境的污染；既满足人们当前对化学品、材料和能源等方面的需求，又符合可持续发展的要求，生物质精炼技术可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品、生物质燃料与生物质之间的可持续循环，是一项高效率、低成本、绿色无污染的技术[11]。 ③产品多元化。生物质精炼的产品主要包括三个方面：生物质化学品（如乙烯、丙烯酸、丙烯酰胺、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、琥珀酸等），生物质材料（如PLA、PTT、尼龙工程塑料等），生物质能源（如沼气、生物乙醇、生物柴油等）[13]。 1. 2.3 生物质精炼技术的发展历程 生物质精炼主要经历了三代技术的发展，分别为**、第二和第三代生物质精炼技术。**代和第二代精炼技术的区别主要是原料的不同：**代生物质精炼技术以淀粉、糖和动植物油脂为原料， 通过精炼来制备化学品和液体燃料。这种技术与人争粮、与粮争地， 正在被逐步淘汰。第二代生物质精炼技术开始使用非粮食原料，主要以纤维素类生物质为原料， 用于制备柠檬酸、乙醇、醋酸、乳酸等单一化工产品。相比于第二代，第三代生物质精炼技术的优势是可以同时生产出多种产品，走多元化产品发展道路，而不仅仅是一种产品[14-15]。 总之，生物质精炼可*大化地利用生物质资源，生物质精炼技术可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品、生物质燃料与生物质之间的可持续循环，是一项高效率、低成本、绿色无污染的技术[16]。 1.3制浆造纸产业与生物质精炼 1. 3.1 制浆造纸产业的特征 制浆造纸工业用木质纤维素生物质原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分和少量挥发性抽出物组成。制浆造纸工厂主要通过蒸煮（如化学制浆）和化学与机械结合的方法（如化机浆）将木材或非木材生物质原料分离成单根纤维，即纸浆。化学制浆过程中，木质素从纸浆中分离出来，脱除的木质素进入液相（黑液），通过碱回收系统回收其中蕴含的能源和化学品（主要是NaOH和Na2S）；制得的纸浆纤维（主要成分是纤维素，还含少量半纤维素和木质素）进入后续纸品生产系统，原料中大部分半纤维素在蒸煮时进入液相，少量随纸浆纤维进入后续工序。 现代制浆造纸产业是由*先进的技术和装备武装的、与环境协调的、具有先进的科学管理和参与国际市场竞争能力的大型或特大型企业组成的产业。其共有的特点是：具有技术密集、资金密集的特征；规模经济效益显著；资源和能源消费特征突出。 1. 3.2 制浆造纸产业与生物质精炼的关系 制浆造纸产业是*早大规模利用生物质的产业，拥有规模化收集、处理、加工植物生物质的基础设施和技术。传统制浆造纸工业是生物质精炼工艺的雏形，在生物质精炼这一概念出现之前，制浆造纸产业其实很早就已经开始注重综合利用，比如在生产植物纤维（纸）产品的同时还综合利用过程中产生的副产物，如废液中的木质素作为燃料、制浆厂回收松节油和塔尔油、生产木质素基表面活性剂及其他化学品、造纸污泥制备建筑砖材等，并实现能源回收，大型企业可以实现能源自给。 制浆造纸产业具备实现生物质精炼与研发应用生物技术的基本优势条件，是制造业中唯一一个大规模利用生物质原料的工业，本身就是一个典型的生产生物质产品的行业，并具有发展生物质精炼与研发生物质多元化产品的优势与空间。制浆造纸产业在延伸的产业链中，应力求从纸浆及纸以外生物质产品获得更大的经济效益和社会效益，把传统造纸厂转化为能够同时生产纸浆和纸、高分子材料、化学品和生物质能源的复合型生物质提炼厂，达到充分合理高值化利用植物纤维原料中的纤维素、半纤维素和木素三大组分是制浆科学研究的新发展趋势。 目前，制浆造纸产业是生物质资源工业化利用的*大行业，因此，生物质精炼技术必然可以与制浆造纸产业进行广泛的结合。 1. 3.3 生物质精炼技术与制浆造纸产业结合发展的意义 生物质精炼技术和造纸产业的结合可以综合高值化利用生物质资源，将传统单一的制浆造纸过程转化为能够生产纸浆和纸、生物基材料、生物化工产品和生物质能源的复合型生物质精炼的过程，使制浆造纸过程低消耗、低排放并提高经济效益，让造纸行业真正步入循环发展和低碳发展之路[18]。 ①杜绝污染、大力降低并消除温室气体排放，实现低碳经济、循环经济、可持续发展是时代对当今企业的要求，传统的制浆造纸业转型为“制浆造纸生物质精炼业”可以满足这一要求。 ②制浆造纸产业转型为“制浆造纸生物质精炼产业”可完全利用现有的工艺、设备或必要时添加较少的费用来实现企业的生物质精炼化，从而大大减少企业转型为生物质精炼产业的困难和负担。 ③实现制浆造纸产业的生物质精炼化可为企业在转轨、扩容和产品更新换代时补充和增加所急需的热能、动能供应，可生?出市?需要的、产值利润高的生物化学制品，为造纸业发展提供生命力和活力[19]。 ④中国造纸协会《造纸工业技术进步十二五指导意见》中多处提到生物质的资源化和利用，并明确指出：造纸工业是采用可再生物质为原料规模*大的加工业，在物质循环利用和低碳生产技术和开发利用方面，具有独特的优势。并着重指出，日益加剧的行业竞争使传统造纸工业面临巨大的压力，把传统造纸厂转化为能同时生产纸浆和纸、高分子材料、化学品和生物质能源的复合型生物质精炼厂，达到充分合理利用植物纤维中的纤维素、半纤维素、木素三大组分是制浆科学研究的新的发展趋势。 显而易见，生物质精炼技术在造纸产业的应用前景十分广阔，制浆造纸产业也是生物质精炼工业化应用*好的平台[16]。二者的结合，对促进整个造纸产业的绿色、低碳、可持续发展具有重大的意义。