雪晶，侯丹，王旻烜，張佳，張家仁

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司石油化工研究院）

　　摘要：生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源及唯一的可再生碳源。發(fā)展生物質(zhì)能是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、能源短缺和環(huán)境污染最有潛力的方向之一。圍繞生物航煤、燃料乙醇、生物柴油等主要生物質(zhì)能利用形式，介紹了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。其中，燃料乙醇和生物柴油產(chǎn)業(yè)整體穩(wěn)步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)技術(shù)相對(duì)成熟，生物航煤起步雖晚但進(jìn)展快速；未來(lái)提高經(jīng)濟(jì)可行性、非糧原料和劣質(zhì)原料適應(yīng)性、產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)性是生物質(zhì)能技術(shù)升級(jí)方向。結(jié)合道達(dá)爾、殼牌、?？松梨?、BP、中國(guó)石化和中國(guó)石油等國(guó)內(nèi)外主要能源公司在生物質(zhì)能領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及業(yè)務(wù)進(jìn)展，闡述了我國(guó)加快發(fā)展生物質(zhì)能的必要性。建議我國(guó)大型能源企業(yè)發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)時(shí)應(yīng)抓住時(shí)代機(jī)遇，做好頂層設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化整體布局、整合資源力量，加快實(shí)質(zhì)性建設(shè)步伐，以技術(shù)創(chuàng)新支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　生物質(zhì)能指太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，直接或間接來(lái)源于綠色植物的光合作用，是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源。生物質(zhì)能中的碳來(lái)自大氣中的CO₂，其生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程不增加大氣中的碳總量，是清潔可再生的能源形式，也是唯一可替代化石能源轉(zhuǎn)化成液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)燃料及其他化工原料或產(chǎn)品的碳資源。生物質(zhì)能是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、能源短缺和環(huán)境污染最有潛力的發(fā)展方向之一，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)通過(guò)立法鼓勵(lì)甚至強(qiáng)制推廣使用生物質(zhì)能。我國(guó)已將生物質(zhì)能作為六大重點(diǎn)發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)之一。

　　目前，生物質(zhì)能已成為包括中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）在內(nèi)眾多大型能源公司新能源領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的業(yè)務(wù)。本文重點(diǎn)圍繞生物液體燃料，對(duì)全球主要國(guó)家地區(qū)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，結(jié)合國(guó)內(nèi)外主要能源公司在生物質(zhì)能領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)我國(guó)大型能源企業(yè)發(fā)展生物質(zhì)能提出建議。

　　1世界生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展

　　生物液體燃料、生物沼氣、生物質(zhì)發(fā)電是生物質(zhì)能源的主要利用形式。從全球看，生物液體燃料、生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、生物天然氣的技術(shù)、裝備和商業(yè)化運(yùn)作模式已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在快速擴(kuò)展。生物液體燃料可直接替代石油燃料，又可進(jìn)一步生產(chǎn)其他化工品，是生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)中最具商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的方向。

　　1.1產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1.1燃料乙醇和生物柴油穩(wěn)步發(fā)展

　　燃料乙醇是世界消費(fèi)量最大的液體生物燃料。據(jù)美國(guó)可再生燃料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)[1]，2019年，世界燃料乙醇產(chǎn)量8672×10⁴t，比2014年增長(zhǎng)16%（圖1），混配出約6×10⁸t乙醇汽油，超過(guò)同期全球車用汽油消費(fèi)總量的60%。全球有66個(gè)國(guó)家推廣使用乙醇汽油。

　　美國(guó)是全球第一大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，2019年產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的54%，主要以玉米為原料。E10乙醇汽油在美國(guó)基本實(shí)現(xiàn)全境覆蓋，并逐步開始使用E15乙醇汽油，此外E15~E85混配的乙醇汽油也在探索中。巴西是世界第二大乙醇汽油生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，以甘蔗為主要原料，2019年產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的30%，燃料乙醇替代了巴西國(guó)內(nèi)約一半以上的汽油。

　　全球生產(chǎn)生物柴油的主要國(guó)家和地區(qū)有美國(guó)、阿根廷、印度尼西亞、巴西和歐盟[2]。據(jù)德國(guó)《油世界》歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2008年以來(lái)，全球生物柴油產(chǎn)量快速上漲（圖2），2018年全球生物柴油產(chǎn)量約為4020×10⁴t，2019年已超過(guò)4500×10⁴t。

　　歐盟以菜籽油為主要原料，是世界上生物柴油產(chǎn)量最大的地區(qū)，約占成品油市場(chǎng)的5%。德國(guó)生物柴油已替代普通柴油使用，產(chǎn)量占可再生能源總量的60%以上。法國(guó)是歐盟生物柴油消費(fèi)量最大的國(guó)家，年均增長(zhǎng)率近20%。美洲主要以大豆油為原料生產(chǎn)生物柴油。據(jù)EIA數(shù)據(jù)，截至2019年，美國(guó)共有102家生物柴油工廠，總產(chǎn)能約為890×10⁴t/a。巴西正在新建及擴(kuò)建的生物柴油工廠共21家，建成后產(chǎn)能將增至1100×10⁴t/a。東南亞國(guó)家主要以棕櫚油為原料生產(chǎn)生物柴油。印度尼西亞于2020年1月1日啟動(dòng)B30生物柴油計(jì)劃，年消費(fèi)量目標(biāo)為834.34×10⁴t。馬來(lái)西亞規(guī)定從2019年2月起，生物柴油摻混率從7%提升至10%，并計(jì)劃在2025年前進(jìn)一步提高至30%。

　　1.1.2生物航煤快速崛起

　　目前，全球民航業(yè)商業(yè)航班的航煤年消費(fèi)量約為2.7×10⁸t，溫室氣體年排放量約為8.59×10⁸t，占行業(yè)排放總量的96%以上。由于航空燃料產(chǎn)生的溫室氣體排放在平流層，對(duì)氣候變化影響更大，開發(fā)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)碳減排的航空替代燃料已成為國(guó)際民航業(yè)的普遍共識(shí)。國(guó)際民航組織（ICAO）已于2019年1月1日實(shí)施國(guó)際航空全球碳抵消和減排機(jī)制，要求以2019—2020年航空碳排放量為基準(zhǔn)，在2021—2035年保持零增長(zhǎng)。截至2019年，全球采用航空生物燃料的載客商業(yè)飛行已超過(guò)16萬(wàn)架次，有40多家航空公司使用生物航煤[3]。

　　美國(guó)、加拿大、挪威、芬蘭等國(guó)已經(jīng)形成航空生物燃料規(guī)模化市場(chǎng)，建立了“原料—煉制—運(yùn)輸—加注+認(rèn)證”的完整產(chǎn)業(yè)鏈。美國(guó)、瑞典、挪威的7個(gè)機(jī)場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)生物航煤常規(guī)加注，8個(gè)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了航空生物燃料的批次加注[4]。

　　共有5種航煤產(chǎn)品列入ASTMD7566-15c附件且完成燃料試飛。HEFA路線（油脂加氫脫氧—加氫改質(zhì)）由于生產(chǎn)成本最低，已陸續(xù)投產(chǎn)。目前，全球已建成10余套生物航煤生產(chǎn)裝置或示范裝置，9個(gè)項(xiàng)目正在籌建[5]。各大能源公司、航空公司、飛機(jī)制造商積極參與生物航煤的研發(fā)、生產(chǎn)或試用。全球主要的加氫法生物航煤生產(chǎn)裝置如表1所示。截至2019年，生物航煤訂單量累計(jì)已達(dá)635×10⁴t。根據(jù)CORSIA實(shí)施方案，2021—2035年，我國(guó)生物航煤需求總量可達(dá)（1.6~1.8）×10⁸t。

　　1.1.3其他生物質(zhì)能同步發(fā)展

　　生物沼氣提純后甲烷純度可達(dá)97%以上，可用來(lái)加熱、發(fā)電或作為車用燃料。2018年，全球沼氣產(chǎn)量約580×10⁸m³，其中德國(guó)沼氣年產(chǎn)量已超過(guò)200×10⁸m³，瑞典生物天然氣滿足了國(guó)內(nèi)約30%的車用燃?xì)庑枨骩7]。

　　生物質(zhì)可直燃或與煤混燃進(jìn)行發(fā)電。直燃電廠單機(jī)容量一般為25~30MW，鍋爐燃燒效率為80%~90%，發(fā)電效率為20%~30%，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)可節(jié)約燃料約28%，減排CO₂約47%，能量利用率達(dá)80%~90%?；烊茧姀S單機(jī)容量多為50~100MW，鍋爐燃燒效率可達(dá)94%，發(fā)電效率約為49%。目前全球已有200多座混燃示范電站，其中100多套在歐盟，60多套在美國(guó)，其余在澳大利亞等國(guó)。美國(guó)將生物質(zhì)發(fā)電作為可再生能源發(fā)電的重要形式，預(yù)計(jì)2020年將利用生物質(zhì)發(fā)電1880×10⁸kW•h。我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)體系已基本形成，2017年生物質(zhì)發(fā)電量約為三峽全年發(fā)電量的81.4%，占整個(gè)可再生能源發(fā)電量的4.67%，預(yù)計(jì)2020年裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1500×10⁴kW，年發(fā)電量超過(guò)900×10⁸kW·h[7]。

　　1.2產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

　　生物質(zhì)原料來(lái)源極為豐富，但目前利用率僅為2%~3%。盡管成本因素在一定程度上限制了生物質(zhì)能的發(fā)展，未來(lái)生物質(zhì)能將在新能源體系中發(fā)揮更大作用。根據(jù)IRENA調(diào)查問(wèn)卷顯示，生物液體燃料仍是生物質(zhì)能最具商業(yè)價(jià)值的方向，多數(shù)被調(diào)查者認(rèn)為，國(guó)際協(xié)議、經(jīng)濟(jì)性是影響生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。國(guó)際協(xié)議對(duì)SO_X、NO_X和溫室氣體排放的限制，將促使飛機(jī)、輪船等重型運(yùn)輸工具轉(zhuǎn)向使用生物液體燃料。約65%的被調(diào)查者認(rèn)為，未來(lái)5~15年，車用燃料電池并不會(huì)對(duì)生物液體燃料市場(chǎng)構(gòu)成大的威脅[8]。經(jīng)濟(jì)性是產(chǎn)業(yè)發(fā)展無(wú)法回避的關(guān)鍵問(wèn)題，副產(chǎn)品和聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物將成為生物燃料具有商業(yè)價(jià)值的重要組成部分。

　　盡管與車用液體燃料相競(jìng)爭(zhēng)的多種新能源形式相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，在航運(yùn)航空等要求能量密度高、難以電氣化的行業(yè)中，生物液體燃料更具優(yōu)勢(shì)[8]。隨著國(guó)際航空碳抵消和減排計(jì)劃的實(shí)施，生物航煤產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速上升期。美國(guó)計(jì)劃到2025年，生物質(zhì)燃料替代中東進(jìn)口原油的75%，2030年生物質(zhì)燃料替代車用燃料的30%。日本計(jì)劃將車用燃料中乙醇摻混比例達(dá)到50%以上。印度、巴西、歐盟分別制定了“陽(yáng)光計(jì)劃”“酒精能源計(jì)劃”和“生物燃料戰(zhàn)略”，加大生物質(zhì)燃料的應(yīng)用規(guī)模。預(yù)計(jì)到2035年，生物質(zhì)燃料將替代世界約一半以上的汽柴油，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益十分顯著[9]。

　　1.3技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.3.1生物航煤技術(shù)快速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)性有待提升

　　生物航煤與石油基航煤的組成與結(jié)構(gòu)相似，性能接近，可滿足航空器動(dòng)力性能和安全要求，不需更換發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)，全生命周期溫室氣體減排幅度為67%~94%，是目前最現(xiàn)實(shí)可行的燃料替代方案和溫室氣體減排的有效途徑。生物航煤技術(shù)發(fā)展迅速，自2009年以來(lái)，已有6種技術(shù)路線通過(guò)ASTMD7566認(rèn)證（表2），分別是費(fèi)托合成制備生物航煤（FT-SPK）、油脂加氫脫氧制備生物航煤（HEFAs）、糖發(fā)酵加氫制備生物航煤（SIP）、輕芳烴烷基化制備生物航煤（SPK/A）、低碳醇制備生物航煤（ATJ-SPK）[10]、催化水熱裂解噴氣燃料（CHJ）[11]。這些技術(shù)路線的成本均較高，其中HEFAs路線是目前成本較低、應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)技術(shù)，以非食用動(dòng)植物油脂為原料，通過(guò)兩段加氫（前加氫脫氧、后加氫改質(zhì)）工藝生產(chǎn)生物航煤，產(chǎn)品包括石腦油、生物航煤、生物柴油及重組分燃料等。

　　1.3.2燃料乙醇技術(shù)逐漸由第一代向第二代過(guò)渡

　　以糧食為原料的第一代燃料乙醇技術(shù)成熟度高，是目前國(guó)內(nèi)外燃料乙醇商業(yè)化生產(chǎn)的主要技術(shù)。玉米是第一代技術(shù)最常用的原料。為了充分利用玉米顆粒中與纖維相連的淀粉（約占玉米質(zhì)量的1%~2%），開發(fā)了玉米纖維乙醇技術(shù)，增加對(duì)粉碎調(diào)漿后原料再次細(xì)粉碎、對(duì)發(fā)酵前后分離玉米纖維預(yù)處理等環(huán)節(jié)，使乙醇產(chǎn)量最多提高10%，高品質(zhì)DDGS蛋白質(zhì)含量提高10%以上[15]。目前，ICM、Syngenta、D3MAX、FQTP和Edeniq這5家公司已將玉米纖維乙醇技術(shù)商業(yè)化。

　　第二代纖維素乙醇是未來(lái)生物燃料乙醇行業(yè)的發(fā)展方向，但目前商業(yè)運(yùn)行仍面臨預(yù)處理效率低、纖維素酶成本高等瓶頸，一些示范項(xiàng)目由于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)無(wú)法達(dá)成而停產(chǎn)或出售。僅有美國(guó)艾奧瓦州的POET-DSM公司7.5×10⁴t/a玉米芯/玉米秸稈產(chǎn)乙醇示范項(xiàng)目、巴西圣保羅州的Raizen & Iogen公司3.2×10⁴t/a蔗渣乙醇示范項(xiàng)目[7]和我國(guó)的龍力公司5×10⁴t/a玉米芯乙醇項(xiàng)目運(yùn)行良好。

　　第三代微藻燃料乙醇技術(shù)代表著更超前的研究方向。該技術(shù)路線具有光合效率高、生產(chǎn)周期短、吸收大氣中CO₂等顯著優(yōu)勢(shì)，目前正處于研發(fā)起步階段。涉及的高效光生物反應(yīng)器、工程藻株開發(fā)、有害生物污染控制、低能耗微藻收集、高抗逆性的菌種培育等技術(shù)有待突破，還遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平。

　　1.3.3生物柴油技術(shù)相對(duì)成熟，提高原料適應(yīng)性是關(guān)鍵

　　生物柴油制備方法通常分為酶催化法、超臨界或近臨界法、酸催化法和堿催化法[16-19]，整體技術(shù)較成熟。目前應(yīng)用最廣泛的是德國(guó)Lurgi公司開發(fā)的均相堿兩級(jí)連續(xù)醇解工藝，已經(jīng)承建的生產(chǎn)能力為（10~25）×10⁴t/a生物柴油的生產(chǎn)裝置超過(guò)40套。堿催化法需要嚴(yán)格限制原料中的游離酸和水含量（通常小于0.5mgKOH/g，幾乎無(wú)水）[20]，具有催化劑廉價(jià)、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速率較快等優(yōu)勢(shì)。法國(guó)石油研究院（IFP）開發(fā)了Esterfip-H工藝，使用具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鋅鋁復(fù)合氧化物固體堿催化劑[21]，能顯著簡(jiǎn)化產(chǎn)品后處理。目前利用該技術(shù)承建的生物柴油生產(chǎn)裝置總生產(chǎn)能力超過(guò)80×10⁴t/a。我國(guó)生物柴油的主要原料是廢棄油脂和地溝油，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)主要采用先將均相酸催化預(yù)酯化，降低酸值，然后均相堿催化酯交換，制備生物柴油。

　　近年來(lái)，業(yè)界有嘗試通過(guò)催化加氫工藝得到成分類似于石油基柴油的燃料，由于不符合嚴(yán)格意義上生物柴油“脂肪酸甲酯”的定義，被稱為“綠色柴油”或“可再生柴油”。生產(chǎn)綠色柴油的工藝主要分為獨(dú)立加氫工藝和共加氫工藝。芬蘭Neste的NExBTL工藝、美國(guó)UOP和ENI公司的Ecofining工藝均是典型的獨(dú)立加氫工藝，通過(guò)對(duì)動(dòng)植物油脂進(jìn)行加氫脫氧異構(gòu)生產(chǎn)綠色柴油，也可用來(lái)生產(chǎn)生物航煤。巴西國(guó)家石油公司開發(fā)的H-BIO共加氫工藝，將部分動(dòng)植物油脂加入柴油精制進(jìn)料中進(jìn)行摻煉，既可提高柴油產(chǎn)量質(zhì)量和產(chǎn)品十六烷值，還可節(jié)省投資[22]。與傳統(tǒng)生物柴油相比，綠色柴油十六烷值高，低溫流動(dòng)性好，與石油基柴油相容性更好，但收率略低，且投資成本是傳統(tǒng)生物柴油的1.5倍[23]，目前推廣應(yīng)用有限。

　　1.3.4生物沼氣技術(shù)向高值化利用方向發(fā)展

　　歐盟地區(qū)沼氣技術(shù)世界領(lǐng)先，德國(guó)、丹麥等國(guó)多采用傳統(tǒng)全混式沼氣發(fā)酵工藝，工程技術(shù)及裝備已達(dá)到系列化、工業(yè)化水平。其特點(diǎn)是：（1）規(guī)模較大，平均池容約為1000m³；（2）產(chǎn)氣量高，可達(dá)15m³/m³；（3）厭氧反應(yīng)器能耗較低，發(fā)電余熱利用率達(dá)90%；（4）技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)化。不過(guò)，生物沼氣替代燃煤直接燃燒經(jīng)濟(jì)性較差，沼氣發(fā)電或提純后作為生物天然氣進(jìn)入管網(wǎng)或用作車用燃?xì)飧郊又递^高，因此，沼氣凈化技術(shù)是生物沼氣高值化利用的關(guān)鍵[24]。目前，我國(guó)沼氣利用仍以代替原煤直接燃燒為主，只有約1%用于發(fā)電，提純項(xiàng)目更少。

　　1.4技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　世界各國(guó)重視生物質(zhì)技術(shù)創(chuàng)新，降低成本、提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性是生物質(zhì)科技特別是生物液體燃料技術(shù)發(fā)展的主要方向。生物航煤技術(shù)以降低成本為主要目標(biāo)，原料成本、催化劑成本、產(chǎn)品收率等問(wèn)題亟待解決。以木質(zhì)纖維素為原料的第二代技術(shù)是未來(lái)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。生物柴油制備技術(shù)正朝著提高原料適應(yīng)性、降低能耗、減少物耗和排放的方向持續(xù)改進(jìn)。高值化利用是生物沼氣的發(fā)展方向，生物質(zhì)發(fā)電是將農(nóng)林廢棄物和垃圾規(guī)模化能源利用的重要途徑。

　　1.4.1經(jīng)濟(jì)可行是生物質(zhì)能技術(shù)升級(jí)的方向

　　降低成本是未來(lái)生物質(zhì)能技術(shù)攻關(guān)的重要目標(biāo)，也是產(chǎn)業(yè)能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。開發(fā)高效纖維素預(yù)處理工藝、低成本纖維素酶生產(chǎn)、低氫耗油脂加氫脫氧技術(shù)、劣質(zhì)油脂原料深加工高值化利用技術(shù)、長(zhǎng)壽命催化劑制備技術(shù)、藻種基因誘變技術(shù)、沼氣提純凈化技術(shù)、氣化發(fā)電技術(shù)等，都是改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要研究方向。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，纖維素乙醇成本將與汽油成本相當(dāng)，生物沼氣成本可低于天然氣成本，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)成本與燃煤成本持平[24]，生物柴油、生物航煤將更具商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　1.4.2市場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將更受青睞

　　處于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，面對(duì)激烈的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，一方面降低原料成本，另一方面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高值化是生物質(zhì)能的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。生物乙醇聯(lián)產(chǎn)功能糖及電力、生物航煤聯(lián)產(chǎn)生物柴油及化學(xué)品、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)等，將在工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成中更受重視。

　　2國(guó)外主要能源公司探索與實(shí)踐

　　國(guó)外多家大型能源公司均較早進(jìn)入生物質(zhì)能領(lǐng)域并進(jìn)行各有側(cè)重的探索，核心皆是以燃料乙醇、生物柴油、生物航煤為主的生物液體燃料。

　　2.1道達(dá)爾探索生物質(zhì)能起步早

　　1992年，道達(dá)爾開始研發(fā)第一代生物燃料，由乙醇生產(chǎn)乙基叔丁基醚（ETBE）及植物油甲酯（VOME），并逐步在比利時(shí)、德國(guó)、法國(guó)和西班牙擁有（含合作擁有）7套ETBE生產(chǎn)裝置，在法國(guó)、德國(guó)和意大利的煉廠在柴油中調(diào)入VOME。之后，與Neste石油公司合作開發(fā)綠色柴油/生物航煤（NExBTL）。2015年，道達(dá)爾在美國(guó)加利福尼亞開設(shè)以研發(fā)發(fā)酵工藝和生物分子凈化技術(shù)為主的生物工藝平臺(tái)。2019年，公司出資改建的法國(guó)第一座生物燃料工廠La Mede投產(chǎn)，70%原料來(lái)自植物油，30%來(lái)自處理后的廢油，產(chǎn)品為綠色柴油和生物航煤[25]。

　　2.2殼牌致力于推動(dòng)非糧原料利用

　　2011年，殼牌與巴西第三大生物燃料公司Raizen合作利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，開始大規(guī)模生物燃料生產(chǎn)，2016年底產(chǎn)能達(dá)20.4×10⁸L/a。同時(shí)，殼牌致力于開發(fā)應(yīng)用第二代纖維素乙醇技術(shù)，在美國(guó)休斯敦建造2座纖維素乙醇生產(chǎn)廠，在印度班加羅爾建設(shè)1座纖維素乙醇生產(chǎn)廠。目前，纖維素乙醇技術(shù)可行，但經(jīng)濟(jì)成本偏高，隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)。2019年，殼牌與香港美心集團(tuán)合作，利用食用廢油生產(chǎn)生物柴油，并通過(guò)3個(gè)加油站為香港船隊(duì)、貨運(yùn)卡車等提供生物柴油[26]。

　　2.3?？松梨陉P(guān)注第三代生物燃料技術(shù)

　　2009年，埃克森美孚與生物基因公司Synthetic Genomics合作，投資6億美元用于微藻生物燃料研發(fā)。2018年開始，在美國(guó)加利福尼亞種植天然藻類進(jìn)行室外實(shí)地研究，預(yù)計(jì)到2025年，每天可以生產(chǎn)1×10⁴bbl藻類生物燃料[27]。2019年，?？松梨诤涂稍偕茉醇瘓F(tuán)（Renewable Energy Group，REG）與瑞士ClariantAG公司合作，研究利用微生物一步發(fā)酵過(guò)程，將復(fù)雜的纖維素糖轉(zhuǎn)化為低碳生物柴油[28]。

　　2.4BP生物質(zhì)能業(yè)務(wù)核心是燃料乙醇和燃料丁醇

　　自2008年起，BP先后收購(gòu)巴西熱帶生物能源公司Tropical BioEnergia SA、美國(guó)生物燃料技術(shù)公司Verenium Corp、巴西乙醇生產(chǎn)企業(yè)Cerradinho、巴西燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)Companhia Nacionalde Acucare Alcoo部分股份或業(yè)務(wù)。2019年，BP與美國(guó)農(nóng)業(yè)商品公司Bunge共同出資在巴西推進(jìn)生物燃料和生物發(fā)電業(yè)務(wù)，目前已擁有11個(gè)生物燃料生產(chǎn)基地，甘蔗乙醇產(chǎn)能為3200×10⁴t/a，成為巴西甘蔗乙醇生物燃料行業(yè)第二大參與者[29]。此外，BP還與杜邦公司成立了生物燃料合資公司Butamax，率先開發(fā)了插入式生物燃料丁醇汽油，解決了車輛及基礎(chǔ)設(shè)施與生物燃料兼容性的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　近年隨著歐美國(guó)家在生物能源領(lǐng)域政策推動(dòng)力度的加大，國(guó)外大型石油公司紛紛進(jìn)入生物質(zhì)能領(lǐng)域。從合作建立研究機(jī)構(gòu)，到合作建設(shè)生產(chǎn)廠，從糧食基原料拓展到非糧纖維素及藻類原料，從嘗試性介入到實(shí)質(zhì)性擴(kuò)大規(guī)模，逐漸掀起了傳統(tǒng)石油公司開發(fā)生物質(zhì)能的熱潮[30]。

　　3中國(guó)加快發(fā)展生物質(zhì)能的戰(zhàn)略意義、現(xiàn)狀與規(guī)劃

　　3.1加快發(fā)展生物質(zhì)能的戰(zhàn)略意義

　　3.1.1發(fā)展生物質(zhì)能契合我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的現(xiàn)實(shí)需求

　　我國(guó)是全球第一大油氣進(jìn)口國(guó)，2018年石油對(duì)外依存度高達(dá)72%，為近50年來(lái)最高[31]，能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻。與此同時(shí)，全球資源供應(yīng)緊張，環(huán)境惡化，各國(guó)致力于從根本上改變能源供應(yīng)模式。我國(guó)政府積極推進(jìn)能源革命，承諾碳排放于2025年前后達(dá)到峰值。而能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型正是我國(guó)能源革命的核心。與其他新能源相比，生物質(zhì)能技術(shù)研發(fā)起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，且生物質(zhì)能的碳源來(lái)自自然界，在全生命周期內(nèi)呈碳中性，能有效改善傳統(tǒng)化石能源使用過(guò)程中所帶來(lái)的碳排放問(wèn)題，因此發(fā)展生物質(zhì)能成為這場(chǎng)能源革命最有潛力的方向之一。

　　3.1.2生物質(zhì)能具有獨(dú)特的資源及性能優(yōu)勢(shì)

　　化石能源不可再生且資源有限，據(jù)BP《2020年世界能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告》發(fā)布，2019年底我國(guó)石油探明儲(chǔ)量為36×10⁸t，占全球儲(chǔ)量1.5%，儲(chǔ)采比為18.7年。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，可利用的農(nóng)林廢棄物、油脂、畜禽養(yǎng)殖和生活垃圾等有機(jī)廢物供應(yīng)量超過(guò)4×10⁸t/a（折合標(biāo)準(zhǔn)煤），僅餐飲業(yè)廢油等劣質(zhì)油脂資源約為1000×10⁴t/a。木質(zhì)素和纖維素以約2000×10⁸t/a的速度再生，按能量換算，相當(dāng)于石油產(chǎn)量的15~20倍。未來(lái)能源將呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，生物質(zhì)能具有其他新能源難以比擬的優(yōu)勢(shì)，如更適合轉(zhuǎn)化成液體運(yùn)輸燃料，可與化石能源一樣用于塑料和化工原料等下游產(chǎn)品生產(chǎn)。此外，生物液體燃料可作為應(yīng)急能源提供重要保障，具有特殊的戰(zhàn)略意義。

　　3.1.3我國(guó)在生物質(zhì)能領(lǐng)域積蓄了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

　　我國(guó)是發(fā)展生物質(zhì)能較早的國(guó)家，乙醇汽油已推廣應(yīng)用近15年，建立了穩(wěn)定的原料供應(yīng)渠道、合理的定價(jià)機(jī)制。糧食基乙醇適度發(fā)展，纖維素乙醇由示范向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡的趨勢(shì)逐漸明朗。生物航煤起步雖晚，但發(fā)展迅速，以小桐子油、蓖麻油、廢棄油脂、纖維素等不同原料、不同工藝的技術(shù)路線均得到快速發(fā)展，同時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、轉(zhuǎn)化效率、原料供應(yīng)渠道、劣質(zhì)原料與工藝的匹配性等問(wèn)題，在技術(shù)放大的過(guò)程中受到更多關(guān)注，為工業(yè)化成套技術(shù)研發(fā)和工業(yè)示范指明了方向。生物沼氣已由小規(guī)模戶用沼氣，向規(guī)?；笮驼託夤こ毯蜕锾烊粴夤こ躺?jí)，高值化利用導(dǎo)向清晰。配合國(guó)家出臺(tái)的一系列推動(dòng)政策，前期實(shí)踐積累和當(dāng)前技術(shù)突破為現(xiàn)階段大力發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　3.2發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)是世界第三大燃料乙醇生產(chǎn)國(guó)，2019年產(chǎn)量約為269×10⁴t[1]，產(chǎn)能約為317×10⁴t/a，其中以玉米為原料的乙醇產(chǎn)能占57%，木薯占25%?；谀举|(zhì)纖維素的第二代燃料乙醇技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)示范，正處于規(guī)?；瘧?yīng)用的起步階段。截至2019年底，我國(guó)已有13個(gè)省市使用乙醇汽油，包括天津、黑龍江、河南、吉林、遼寧、安徽、廣西、山西8省市全境和河北、山東、江蘇、內(nèi)蒙古、湖北5省31地市。我國(guó)目前主要采用第一代燃料乙醇技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，主要原料為玉米等淀粉類原料，發(fā)酵產(chǎn)乙醇工藝可分為“干法”和“濕法”。河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司主要采用“干法”技術(shù)，玉米經(jīng)干燥粉碎后加入水成糊漿，再進(jìn)行液化、糖化、發(fā)酵、蒸餾、脫水；吉林燃料乙醇采用“改良濕法”技術(shù)，玉米經(jīng)濕式粉碎，只分離出玉米胚芽并提取胚芽油，剩余淀粉經(jīng)液化、糖化等。副產(chǎn)品均為酒糟蛋白飼料DDGS/CO₂。

　　我國(guó)生物柴油生產(chǎn)目前普遍采用較成熟的酸堿催化技術(shù)，即先通過(guò)均相酸催化進(jìn)行預(yù)酯化，降低原料酸值，然后進(jìn)行均相堿催化酯交換，制取生物柴油。該技術(shù)成本較低，但存在工藝流程長(zhǎng)、物耗大、廢物排放多等問(wèn)題。2010年，我國(guó)擁有生物柴油企業(yè)約150家，總產(chǎn)能約為350×10⁴t/a，年產(chǎn)量超過(guò)100×10⁴t。2015年，由于稅收政策調(diào)整、原料供應(yīng)不足及國(guó)際原油價(jià)格下跌等原因，多數(shù)企業(yè)經(jīng)營(yíng)困難，截至2018年，生物柴油生產(chǎn)企業(yè)已縮減為40~50家。近3年，我國(guó)生物柴油市場(chǎng)逐漸好轉(zhuǎn)，出口量快速增長(zhǎng)。2018年，我國(guó)生物柴油產(chǎn)量103×10⁴t，其中出口30×10⁴t。上海、昆明等地在公交系統(tǒng)開展生物柴油試運(yùn)行，效果良好，國(guó)內(nèi)生物柴油消費(fèi)市場(chǎng)正在形成。

　　我國(guó)生物航煤技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，2011年以來(lái)已完成4次生物航煤飛行試驗(yàn)（表3），目前尚未形成產(chǎn)業(yè)，僅有中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）獲得生物航煤適航許可證，中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司10×10⁴t/a生物航空生產(chǎn)裝置即將建成。中國(guó)石化和中國(guó)石油均采用的是HEFA路線下的兩步法加氫脫氧技術(shù)，即生物質(zhì)原料經(jīng)預(yù)處理脫除掉磷、鈉、鈣、氯等雜質(zhì)后，通過(guò)加氫脫氧得到長(zhǎng)鏈烷烴，再經(jīng)加氫改質(zhì)使長(zhǎng)鏈烷烴發(fā)生選擇性裂化和異構(gòu)化反應(yīng)，生成異構(gòu)烷烴，最終分餾得到生物航煤等產(chǎn)品。

　　3.3發(fā)展規(guī)劃

　　據(jù)《中國(guó)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖2050》[9]，我國(guó)生物質(zhì)能的利用總量在2030年、2050年將分別達(dá)到2.42×10⁸t標(biāo)準(zhǔn)煤和3.37×10⁸t標(biāo)準(zhǔn)煤。未來(lái)，生物液體燃料將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，原料增量將基本用于生物液體燃料的生產(chǎn)需求。預(yù)計(jì)到2050年，生物質(zhì)能替代化石能源總量約占同時(shí)期全社會(huì)能源消費(fèi)總量的5%~8%。

　　我國(guó)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》[33]提出，盡快在全國(guó)推行乙醇汽油和生物柴油。“十三五”期間，我國(guó)大力推動(dòng)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等15部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，指出以生物燃料乙醇為代表的生物能源是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，要求到2020年在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用車用乙醇汽油，基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，生物燃料乙醇使用規(guī)模達(dá)到1100×10⁴t左右；纖維素燃料乙醇5×10⁴t級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行。

　　國(guó)家能源局2014年11月發(fā)布《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》[34]，提出構(gòu)建適合以廢棄油脂為主、木（草）本非食用油料為輔的可持續(xù)原料供應(yīng)體系，鼓勵(lì)京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域推廣使用生物柴油，鼓勵(lì)公交、環(huán)衛(wèi)等政府管理的車輛優(yōu)先使用生物柴油調(diào)和燃料。國(guó)家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》實(shí)施能源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)，要求民航業(yè)推進(jìn)新能源應(yīng)用等綠色民航項(xiàng)目實(shí)施，保障行業(yè)分解目標(biāo)完成。《環(huán)境保護(hù)稅法》對(duì)大氣污染物（CO、SO₂、NO_x等）開始征稅，進(jìn)一步擴(kuò)大了航空公司對(duì)生物航煤的需求。據(jù)IATA預(yù)測(cè)，未來(lái)5~10年生物航煤市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到5000萬(wàn)美元。預(yù)計(jì)2021—2035年，我國(guó)生物航煤需求總量可達(dá)（1.6~1.8）×10⁸t。

　　4國(guó)內(nèi)兩大石油企業(yè)生物質(zhì)能業(yè)務(wù)進(jìn)展

　　中國(guó)石油是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行生物質(zhì)能研究和應(yīng)用的公司之一。燃料乙醇方面，吉林燃料乙醇有限責(zé)任公司是我國(guó)政府批準(zhǔn)建立的國(guó)內(nèi)第一個(gè)專業(yè)化大型燃料乙醇生產(chǎn)基地，現(xiàn)擁有產(chǎn)能60×10⁴t/a，采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的改良濕法工藝，實(shí)現(xiàn)了原料轉(zhuǎn)化率高、裝置運(yùn)行周期長(zhǎng)、能耗物耗低、節(jié)能效果顯著、副產(chǎn)收率高等目標(biāo)。中國(guó)石油還積極開展第二代纖維素乙醇技術(shù)攻關(guān)和第三代微藻燃料乙醇技術(shù)探索。生物柴油方面，中國(guó)石油石油化工研究院（簡(jiǎn)稱中國(guó)石油石化院）在開發(fā)原料適應(yīng)性強(qiáng)、流程短、產(chǎn)率高的生物柴油制備技術(shù)方面取得重要突破，有望降低生物柴油生產(chǎn)成本；綠色柴油技術(shù)研發(fā)在加氫脫氧、異構(gòu)降凝催化劑和工藝等相關(guān)技術(shù)方面也取得了積極進(jìn)展。生物航煤方面，2011年10月28日，中國(guó)石油牽頭成功進(jìn)行了我國(guó)首次生物航煤驗(yàn)證飛行。之后，迅速啟動(dòng)加氫法生物航煤重大科技專項(xiàng)，開展核心催化劑自主開發(fā)、工藝包設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)方法建立等一系列科技創(chuàng)新工作。為進(jìn)一步降低成本，中國(guó)石油石化院持續(xù)研發(fā)新一代生物航煤技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了新的催化工藝技術(shù)，有望顯著改善生物航煤的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

　　中國(guó)石化在非糧作物生物燃料生產(chǎn)領(lǐng)域開展了積極實(shí)踐。燃料乙醇方面，2006年，中國(guó)石化與中糧合作建設(shè)廣西合浦20×10⁴t/a木薯生物燃料乙醇項(xiàng)目，已于2007年12月投產(chǎn)；2009年2月，中國(guó)石化與中糧及其合作伙伴諾維信達(dá)成協(xié)議，共同開發(fā)纖維素燃料乙醇；2018年，與江西雨帆生物能源有限公司合建10×10⁴t/a木薯燃料乙醇項(xiàng)目。此外，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱中國(guó)石化石科院）在產(chǎn)油微藻種庫(kù)建設(shè)、大規(guī)模養(yǎng)殖微藻技術(shù)、微藻脫硝組合工藝技術(shù)等方面積極探索。生物柴油方面，中國(guó)石化石科院成功開發(fā)出SRCA生物柴油技術(shù)，2009年應(yīng)用于海南6×10⁴t/a生物柴油工業(yè)裝置，后又開發(fā)第二代生物柴油技術(shù)（SRCA-II）。生物航煤方面，2011年，中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化分公司改建生物航煤工業(yè)裝置及調(diào)和設(shè)施，同年12月生產(chǎn)出合格生物航煤；2014年2月，獲中國(guó)民航局頒發(fā)的生物航煤適航許可證，可投入商業(yè)化應(yīng)用[33]。

　　5我國(guó)能源企業(yè)加快發(fā)展生物質(zhì)能的建議

　　5.1抓住時(shí)代機(jī)遇，扛起國(guó)企擔(dān)當(dāng)

　　當(dāng)前，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)前所未有的發(fā)展良機(jī)。大型能源企業(yè)肩負(fù)著保障國(guó)家能源安全和履行節(jié)能減排承諾的責(zé)任，應(yīng)加快推進(jìn)生物質(zhì)能業(yè)務(wù)發(fā)展，穩(wěn)步踐行綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，當(dāng)好國(guó)家能源革命的排頭兵。抓住機(jī)遇快速發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)，對(duì)培育新能源經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)、助力能源企業(yè)在時(shí)代浪潮中轉(zhuǎn)型發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　5.2做好頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化整體布局

　　在挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存、能源轉(zhuǎn)型的時(shí)代變革中，綠色環(huán)保將是能源行業(yè)新的核心競(jìng)爭(zhēng)力。大型能源企業(yè)必須敏銳把握生物質(zhì)能領(lǐng)域科技創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)，緊緊抓住和用好能源轉(zhuǎn)型所帶來(lái)的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇，做好頂層設(shè)計(jì)，加快投資布局生物質(zhì)能等新能源產(chǎn)業(yè)，配合國(guó)家出臺(tái)的試行試點(diǎn)政策，支撐現(xiàn)有業(yè)務(wù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)，為實(shí)現(xiàn)全面、可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮重要作用。

　　5.3整合資源力量，加快實(shí)質(zhì)性建設(shè)步伐

　　生物液體燃料是唯一可替代石油基燃料使用及后加工的碳資源，也是鏈接能源企業(yè)、特別是石油公司主營(yíng)業(yè)務(wù)和新能源業(yè)務(wù)的最佳結(jié)合點(diǎn)之一。因此，有必要加快資源整合，形成科技創(chuàng)新體系，從應(yīng)用基礎(chǔ)研究、重點(diǎn)攻關(guān)和試驗(yàn)、集成配套推廣應(yīng)用3個(gè)層次，有計(jì)劃、有步驟地落實(shí)頂層設(shè)計(jì)，著力關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)“卡脖子”技術(shù)的突破，加快生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化建設(shè)步伐，推動(dòng)生物質(zhì)能在能源補(bǔ)充和能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更重要的支撐作用。

　　5.4加快技術(shù)創(chuàng)新，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　生物質(zhì)能技術(shù)的開發(fā)，既要解決原料的工藝適應(yīng)性問(wèn)題，也要考慮產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)性問(wèn)題。一方面應(yīng)加快開發(fā)劣質(zhì)原料適應(yīng)性強(qiáng)、主產(chǎn)品收率高的生物質(zhì)能生產(chǎn)技術(shù)；另一方面也要開發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓展性強(qiáng)、過(guò)程成本低、副產(chǎn)品價(jià)值高的生產(chǎn)工藝，使技術(shù)體系更具柔性，更好地適應(yīng)市場(chǎng)變化。