新能源体系之：生物质转化技术与应用研究进展

巴西乙醇燃料的生产以甘蔗、砂糖为原料。目前巴西年产乙醇燃料近800万t，约占汽油总耗量的1/3，使用乙醇燃料的车辆达370多万辆，成为世界上最大的乙醇燃料消费国。美国是世界上另一个大量生产使用乙醇燃料的国家。与巴西不同的是，美国主要用玉米为原料生产乙醇，所耗玉米占全国玉米总产量的7%～8%。1990年美国乙醇燃料销售量为265万t，到2000年达到559万t，年均增产率达8%。

除此之外，欧共体和日本等国家也有开发利用乙醇燃料的计划。1993年欧共体建议提高燃料级乙醇生产量，要求汽油掺混乙醇燃料不低于5%，并将生物乙醇燃料的税率降低到相当干矿物燃料税率的水平。日本从l983年开始实施燃料乙醇开发计划，重点开发以农村废弃物为原料直接生产乙醇的技术。20世纪90年代，用可再生资源替代石油资源，并用生物技术取代化工制备生物燃料已成为世界各大化学公司发展战略的热点。中国政府一直重视乙醇燃料的研究与开发，特别是利用非粮食原料生产乙醇燃料的战略

储备性研究与开发，一直被科技部列为国家重点科技攻关课题和“863”计划。20世纪80年代以来，“甜高粱”的育种技术和乙醇燃料的生产技术得到一定发展，到2001年其试产规模达到5000t˙a-1。近几年，随着石油进口压力的增加，以粮食(主要是玉米)为原料的乙醇燃料生产也提到了日程上。经国务院批准，投资29亿元在吉林省新建60万t燃料乙醇项目，河南年产20万t、黑龙江年产10万t2个变性燃料乙醇项目也相继投产。

生物柴油是一种洁净的生物燃料。借助酶法即脂酶进行酯交换反应，可将废食用油转变为生物柴油，混在反应物中的游离脂肪酸和水对酶的催化效应无影响。反应液静置后，脂肪酸甲脂即可与甘油分离，从而可获得较为纯净的柴油。为提高柴油生产效率，采用酶固定化技术，并在反应过程中分段添加甲醇，更有利于提高柴油的生产效率。生物柴油于1988年诞生，由德国聂尔公司发明。生物柴油主要是把植物和动物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇用酸性或碱性催化剂在230～250℃下进行脂化反应，生成以脂肪酸甲脂或乙脂为主要成分的生物柴油。生物柴油有良好的环保性(含硫量低)，较好的发动机低温启动性(无添加剂时冷凝点达-20℃)，较好的安全性(闪点高)，良好的燃料性能(十六烷值高，燃烧性能优于普通柴油)，最重要的是它是一种可再生能源。基于以上优点。生物柴油具有广阔的发展前景。

生物柴油使用最多的是欧洲，份额已占到成品油市场的5%。德国现有8家生物柴油生产厂，生产能力为25万t˙a-1，拥有300多个生物柴油加油站，并制定了生物柴油标准DINV51606，对生物柴油免税。法国有7家生物柴油生产厂。总生产能力为40万t˙a-1。意大利有9个生物柴油生产厂，总生产能力为33万t˙a-1。奥地利有3个生物柴油生产厂，总生产能力为5.5万t˙a-1。比利时有2个生物柴油生产厂，总生产能力为24万t˙a-1。欧盟确定了较高的生产目标，2010年达830万t。美国从20世纪90年代初就开始将生物柴油投入商业性应用，生物柴油已成为其产量增长最快的替代燃油。另外，日本、巴西、泰国、韩国等国家也积极推广和使用生物柴油。目前中国生物柴油研究开发尚处于起步阶段。先后由上海内燃机研究所、中国农业工程研究设计院、辽宁省能源研究所、中国科技大学、云南师范大学等单位都对生物柴油作了不同程度的研究。并取得了可喜的成绩。生物柴油在今后几十年中会迅速发展起来，形成生物柴油产业。

生物质快速裂解生产生物油被认为是最经济的生物质生产液体燃料的路线。快速裂解技术自20世纪80年代提出以来，得到了迅速的发展。现已发展了多种工艺，加拿大Watedoo大学流化床反应器、荷兰Twente大学旋转锥反应器、瑞士自由降落反应器等均达到最大限度地增加液体产品收率的目的。生物质快速裂解液体产率可高达70%～80%。快速裂解条件比较难控制，条件控制不好。

对产率影响较大。生物油是一种液体含氧混合物，主要包括羧酸、酚和醛酮等含氧化合物。由于生物质油的独特性质，导致其不稳定。尤其是它的热不稳定性，限制了其直接应用的范围。同时也正因为此，生物质油的精制比较困难。不同于原油馏分及煤液化组分的精制。所以，为了提高其使用性能，生物质油精制方法的研究开发仍然是一个亟待解决课题之一。王树荣等进行了快速热裂解制取生物油的试验，生物油产率高达60%。美国乔治亚技术研究所生物油的产率已达到70.6%，生产规模达到日产200t。加拿大CastleCapital公司生产的成套生物油设备已投放市场。近年来，国际上提出了生物油精制的可能处理方法包括催化裂化和催化加氢。

催化裂化主要以HZSM-5为催化剂，生成芳烃含量较高的精制油。但催化剂易发生结焦反应而使催化剂失活。催化加氢是在高压加入氢，采用过度型金属催化剂，在供氢溶剂存在下进行加氢处理，可使氧含量减少。

此外，生物质还可制成甲醇，二甲醚等液体燃料。甲醇是能量密度较高的液体燃料，而且其燃烧要比乙醇干净，燃烧时只释放二氧化碳和水蒸气。生物质制甲醇主要是气化法，首先是原料进行加氢气化反应，产生富含甲烷的气体。经热解生成含一氧化碳和氢的合成气，在催化剂的条件下生成甲醇。由于生物甲醇价格相对较高。所以，一些国家只是为了保护环境出发，而将其在舰艇等方面进行了使用。

由广州能源研究所生物质合成燃料实验室开展的生物质催化制氢及液体燃料合成新工艺研究项目已经取得新进展，实现了在小型装置上由生物质一步法合成绿色燃料二甲醚的连续运行。目前，由生物质合成气制备液体燃料二甲醚，使用固定床反应器，CO单程转化率已经达到80%以上，在低压就具有比较高的产率，利用浆态床合成二甲醚的工作也已展开，将会进一步提高产率。二甲醚作为对石油资源的补充，可作为汽车燃料。研究表明，大规模生产二甲醚的成本不会高于柴油，成本和污染都低于丙烷。因此，二甲醚作为汽车燃料发展前景诱人。