生物质能源的高值资源化利用

  生物质作为零碳能源，可为应对气候平均状态随时间的变化、保障能源安全作出重要贡献，其高值资源化利用有助于推动中国经济转型升级。我国生物质能源以各类剩余物和废弃物为主，包括农业废弃物、林业废弃物、生活垃圾、污水污泥等。党的十八大以来，生物质产业作为我国七大战略性新兴起的产业之一，取得了长足的发展。党的二十大报告中也明白准确地提出，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。

  中国产业发展促进会生物质能产业分会、生态环境部环境工程评估中心等单位发布的《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书》指出，目前我国主要生物质能源年产生量为34.94亿吨，生物质能源作为能源利用的开发潜力为4.6亿吨标准煤。目前，我国生物质能源利用的主要途径包括发电、制取成型燃料及生产燃气，但随着其他新能源的加快速度进行发展，以生物质能源为原料制取液体燃料或化工品的应用前景日益明朗，为炼化行业绿色转型发展提供了一条有效路径。本期邀请专家围绕生物质能源发展有关问题进行研讨。

  生物基材料是指以可再生的生物质为原料，或经由生物制造生产的产品，包括但不限于含碳的化学原料和化学制品，如生物塑料、功能糖产品、木塑复合材料等。在不远的将来，生物基材料有望在各个应用领域有效替代传统石油基材料，成为驱动能源行业绿色转型及低碳经济稳步的增长的强大引擎。

  目前，我国生物基材料产业发展迅速，构建了较为完整的产业技术体系，产业规模逐步扩大，骨干企业逐步壮大，重点产品应用渐广，但仍存在很明显的发展隐患。我国生物基材料产业的初始原料仍以玉米为主，存在发展隐患。以玉米为例，每生产1吨生物乙醇需消耗3.3吨玉米，大规模推广后将极大增加粮食消耗量。立足我国饲料用粮和工业用粮的持续增长，玉米、豆粕等主要粮食生物质进口量居高不下的现实情境，全力发展生物基材料必将面临“与民争粮”“与畜争饲”的尖锐矛盾，不利于维护国家粮食安全。因此，立足量大面广非粮生物质、发展非粮生物基材料，是生物基材料产业破题的关键。

  2023年初，工信部、国家发展改革委、财政部、生态环境部、农业农村部、国家市场监管总局等六部门联合发布了《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》（以下简称：行动方案）。行动方案紧密承接2022年国家发展改革委发布的《“十四五”生物经济发展规划》中提出的“生物产业融合发展实现新跨越”发展目标，明白准确地提出“到2025年，我国非粮生物基材料产业要基本形成自主创造新兴事物的能力强、产品体系不断丰富、绿色循环低碳的创新发展生态，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当，高质量、可持续的供给和消费体系初步建立”。

  行动方案中指出，与基于传统粮食原料规模化生产生物基材料路线相比，非粮生物基材料要以大宗农作物秸秆及剩余物等非粮生物质为原料生产，在原料预处理、糖化和发酵转化效率、综合成本控制等方面难度更大。目前，国内基于非粮生物质的生产技术正处于攻关爬坡阶段，工业菌种（群）与酶蛋白功能元件制备、非粮生物质标准化采收保存及预处理、非粮生物质高效糖化、非粮生物质糖替代传统粮食发酵转化等关键平台技术正待突破，亟待贯通各关键平台技术并与现有工艺技术进行无缝耦合衔接，实现非粮生物质规模化生产生物基材料的全产业链应用示范。

  答：非粮生物基材料化工技术发展主要面临三方面的技术难题。一是非粮生物质原材料的预处理难题，例如秸秆、树皮等重要非粮生物质，在其主要化学组成中，化学性质较为稳定的纤维素、木质素占原材料干重的70%以上，目前亟须开发新型绿色预处理技术，以实现这些原料组分的高效分离及其向平台化合物的高效转化。

  二是生物基平台化合物的定向转化难题，生物质转化过程中涉及多种富含醛基、羟基等活泼化学基团的平台化合物或中间产物，需要开发新型催化体系抑制活泼基团的副反应，以实现平台化合物的定向转化。

  三是非粮生物基材料生产的工程技术难题，相比成熟的石油化学工业工艺技术，生物基材料生产面临完全不同的反应原料、催化体系、工艺条件等带来的挑战，必须开展颠覆性工作，构建全新的工程技术知识体系，以匹配生物基材料的发展需求。

  答：为促进我国非粮生物基材料创新发展，在集团公司科技部的部署下，石油化工科学研究院潜心开展有关技术研发，多年来针对生物基呋喃二甲酸、己二酸、乳酸、1,3-丙二醇、己二胺等重要的生物基高分子材料聚合单体，已开发出一系列具备自主知识产权的创新技术路线，其中一部分研究已转入中试放大阶段。

  答：行动方案的发布无疑是振奋人心的。行动方案直指生物基材料发展“非粮化”与“规模化”两大要点，一方面强调生物基材料发展要杜绝“与人争粮”；另一方面明确了生物基材料重点发展的品类与场景，将聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、生物基尼龙等大宗生物化工材料及其单体生产列为重点发展对象。

  为将以上两大要点落实落地，行动方案中又提出突破非粮生物质高效利用关键技术、推进技术放大和应用示范、强化渗透能力拓展应用领域、培育龙头企业和特色产业基地、强化产业支撑体系建设等5项重点任务，同时明确了加快非粮生物基材料创新发展的保障措施，包括强化统筹联动、加大政策引导力度、加强财政金融支持、完善行业管理服务等，破题精准、措施具体，必将促进我国生物基材料产业健康、快速发展。

  生物基燃料泛指由生物质组成、萃取或转化得到的固体、液体或气体燃料，包括生物天然气、生物乙醇、生物航煤、生物柴油等，可以替代由石油制取的汽油、煤油、柴油等，是可再生能源开发利用的重要方向。

  目前，生物基燃料在全球范围均受到广泛重视，被赋予重要的能源战略定位。世界各国通过制定相关政策法规推动生物燃料产业发展，其中美国、德国、巴西等国的生物质相关政策法规体系较完善。美国政府实施以美国农业法案为主的一系列立法、规划和政策制定等举措，通过联邦资金投入建立起生物质能技术开发体系，并对生物质能相关研究和生物燃料进行资金支持，持续推动生物质资源的研究、开发和利用。

  目前，生物基燃料也被我国列为能源行业转型发展重要方向。2022年，国家发展改革委发布《“十四五”循环经济发展规划》，明确提出，要推进资源节约集约利用，构建资源循环型产业体系和废旧物资循环利用体系，保障国家资源安全，推动实现碳达峰、碳中和。此外，国务院于2021年印发的《2030年前碳达峰行动方案》中也提出，要因地制宜发展生物质发电、生物质清洁供暖和生物天然气产业。

  作为燃料来源，生物质高值利用的方式主要有三种：一是燃烧发电，具有秸秆利用率高、减少传统能源消耗、产生的电力便于远距离输送等优点，生态、社会和经济效益显著。截至2020年底，我国已投产生物质发电并网装机容量2952万千瓦，年提供的清洁电力超过1100亿千瓦时，减排量超过8600万吨。二是生物质厌氧发酵，目前国内已建成大型沼气、生物天然气工程7700余项，产能约13.7亿立方米/年，供气47.8万户。其中，规模化生物天然气项目数量超过20个，年产气量超过3亿立方米。据测算，目前生物天然气的使用相当于替代标准煤超过160万吨，减排量超过400万吨。三是气化-费托合成液体燃料，目前工业化应用项目数量有限。

  答：一是原料获取难度大。生物质资源具有资源分散、种类繁杂、难以收集的特点。与诸如农林废弃物回收机构等资源拥有者建立战略同盟关系，为产业链长期稳定供应价格适宜的原料，是发展生物基燃料产业的关键。

  二是技术链仍在构建。主体技术亟待成熟完善，诸如生物质气化-费托制备液体燃料技术、高效“三废”综合利用技术等关键核心技术仍处于研发小试向中试或工业示范推进阶段，技术成熟度有待进一步提高。

  三是全产业链统筹能力不足，目前产业链尚不完善。从原料、生产过程到产品的相关标准不健全，市场不规范，无序竞争较为严重，难以实现跨领域、跨区域资源和市场统筹。

  答：一是发挥科学技术“第一生产力”作用，开展关键核心研发技术。目前，石科院已自主研发以餐饮废油为原料制备生物航煤技术，成功实现跨洋商业飞行。同时，石科院正在开发针对不同生物质采用气化或厌氧发酵技术转化为合成气或者沼气的先进技术，通过与重整、费托合成、油品提质等技术耦合，可生产绿色清洁的生物柴油、生物航煤等生物基燃料。在已掌握的较为成熟的费托合成技术和油品提质技术基础上，中国石化与国内知名研究机构合作开展了气化、发酵等生物质产气技术的开发，争取尽快实现全流程示范。

  二是承担国有企业社会责任，立足顶层设计高度，为行业健康发展建言献策。今年的全国“两会”上，全国政协委员，中国石化董事长、党组书记马永生提出《协调推进废塑料和生物质资源化利用 推动炼化行业绿色转型发展》的提案，从加强循环经济产业顶层设计、加强关键核心技术攻关、强化政府引导资源整合三个方面提出了具体的建议。针对生物质资源化利用，马永生建议，支持国有大型企业建立生物质资源化统筹利用技术国家级创新中心，发挥其在废弃有机质资源化利用技术方面的优势。鼓励地方政府和国有大型企业联合，发挥各自在技术和资源方面的优势，优化资源合理配置。支持国家层面统筹产、学、研联合攻关，推进协同创新，由龙头石化企业牵头，加大废弃生物质循环利用关键技术开发力度，尽快建立工业示范。

  答：石科院将持续推动生物基材料和燃料与传统石油化工体系耦合发展，提高生物基材料和燃料供应质量，丰富供应类型，增强市场综合竞争力，不断发展壮大生物产业，形成对现有石化基材料和燃料的部分替代和有效补充，为实现“双碳”目标及能源行业高质量发展贡献石化力量。

  根据国际能源署（IEA）的定义，生物质是光合作用的产物，是指生物通过光合作用而形成的各种有机体，包括农林业生产的全部过程中除粮食、果实外的秸秆、树木等木质纤维素，农林废弃物，以及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。顾名思义，通过生物质获取的能源被称为生物质能源。

  由于来自生物，生物质能源最突出的两个优点就是易得性和可再生性。相比存在潜在生态环境风险的核能、大型水力，以及受地理条件制约较大的风能和地热等能源，生物质能源受环境制约较小，容易获取。同时，由于来自生物，生物质能源具备可再生性，还能更加进一步转化成常规的固态、液态和气态燃料及化学品。例如煤、石油、天然气等能源，实质上也是由生物质能源经过漫长的演变转变而来的。因此，生物质能源在能源系统中占据着重要的地位，被称为除煤炭、石油、天然气之外的“第四大能源”。

  我国生物质能源以各类农林生物质为主，包括农作物及其废弃物、林业废弃物、生活垃圾、污水污泥等。据预测，到2030年我国各类生物质能利用将为全社会减碳超过9亿吨，到2060年将实现减碳超过20亿吨。

  生物质能源转化利用技术按照产品领域可大致分为生物基材料技术和生物基燃料技术两大类，近年来，我国在这两大领域多点发力，推出了一系列指导、鼓励政策，并在技术方面取得了突破性进展。

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