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寧艷春1，王豐鑫2，趙香香2，伊鳳1，許芳1
（1.中國石油吉林石化公司研究院，吉林132021；2.中國石油咨詢中心，北京100724）
摘要：從我國實現“碳達峰、碳中和”的愿景出發，通過對我國一些區域秸桿“五化”綜合利用的情況調研，分析了發展以秸稈為原料的生物質能的重要意義；并提出具體建議。
2019年全球的碳排放量高達401億t，其中86%來自化石燃料的使用。因此，減少化石能源的使用，更多地使用低碳能源仍是全球共同追求的目標和能源消費趨勢。2020年9月，我國在第75屆聯合國大會上莊嚴承諾，中國將力爭2030年前達到碳達峰，2060年前實現碳中和。
在此大背景下，能源的多元化研究和實踐愈加受到重視。其中，生物質能源以其綠色、低碳、清潔、可再生的特點，也越來越受到社會各界的關注。在我國實現“雙碳”目標的愿景中，生物質能源也將迎來新的發展機遇。本文通過對我國秸稈“五化”（肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化）綜合利用的調研，提出了我國秸稈燃料化生物質能源的發展趨勢和建議。
1秸桿“五化”綜合利用的調研情況
1.12020年我國秸桿“五化”綜合利用情況
中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所霍麗麗等[1]，針對秸稈綜合利用存在的溫室氣體排放問題，開展的調研結果表明：2020年全國秸稈產生量為8.56億t，可收集量為7.22億t，利用量為6.33億t，秸稈綜合利用率達到87.6%。從“五料化”利用結構分析，2020年，肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用量占秸稈可收集資源量的比例分別為62.1%、15.4%、8.5%、0.7%和1.0%。我國秸稈肥料化、飼料化、能源化（燃料化）、基料化、原料化利用的溫室氣體減排占比分別為62.7%、4.4%、30.0%、0.4%、2.6%。肥料化和能源化利用的減排量最高，占總減排量的92.7%，溫室氣體減排貢獻較大。
1.2某地區2021年秸桿“五化”的綜合利用情況
筆者調研了東北某地級市2021年秸稈“五化”利用情況。該市2021年秸稈總量為653萬t，其中農民自用86萬t，占13.2%；打包離田利用后散落無法收集秸稈29萬t，占4.4%；“五化”利用的秸稈達到300萬t，占46%；未“五化”利用的秸稈238萬t，占36.4%。
（1）秸稈能源化利用。主要形式為秸稈焚燒發電。2021年已建成生物質發電企業3家，生物質供熱企業5家，帶動生物質顆粒加工企業19家，實現秸稈能源化利用量58萬t。
（2）秸稈原料化利用。主要用于生產可降解秸稈紙膜、秸稈板材等，提高了秸稈的附加值。秸稈原料化利用量6萬t。
（3）秸稈肥料化利用。采取玉米秸稈全量翻埋還田、玉米秸稈松耙碎混還田、玉米秸稈聯合整地碎混還田、水稻秸稈翻埋還田、旋耕還田原位攪漿還田及造肥等方式，有效提高秸稈肥料化利用率。秸稈肥料化利用達到66萬t。
（4）秸稈飼料化利用。大力發展“秸稈變肉”工程，鼓勵秸稈粗飼料利用，擴大秸稈飼料化利用規模。秸稈飼料化利用達到169萬t。
（5）秸稈基料化利用。大力發展食用菌秸稈基料化生產、發展秸稈基質育苗、發展秸稈基質栽培生產等利用方式，帶動秸稈基料化產業發展。秸稈基料化利用達到1萬t。
綜上，該地區2021年實現秸稈“五化”利用300萬t，主要體現在“肥料化、基料化、飼料化、能源化以及原料化”。其中，肥料化利用即秸稈還田66萬t，秸稈基料化、基質化利用量1萬t，秸稈飼料化利用量169萬t（省“秸稈變肉”工程目標任務），秸稈能源化利用量58萬t，原料化利用6萬t。2021年秸稈“五化”利用中肥料化利用量、基料化利用量、飼料化利用量、秸稈能源化利用量以及原料化利用量分別占“五化”利用總量的占比情況詳見表1。
從表1可以看出，肥料化利用量和飼料化利用量占比大，占總量的78.33%；能源化占比為19.34%、原料化占比2%，均處于比較低的水平；基料化利用的秸稈由于需求量少，只占比0.33%。
2存在的問題
通過調研，總結出了秸稈“五化”利用存在的問題，主要是：收儲運服務體系不完善、利用技術不夠先進、激勵扶持政策還有待完善等。“肥料化”、“飼料化”利用占比78.33%，雖然可以解決農作物剩余秸稈，但利用率低、投入產出比不高，屬于低值化利用。而相對屬于高值化利用的能源化及原料化利用還處于比較低的水平。秸稈全域禁燒后綜合利用率要達到100%，一方面要擴大“五化”利用，補上未“五化”利用的秸稈缺口238萬t，另一方面要高值化利用，尤其是能源化及原料化利用方面要加大力度。
3發展以玉米秸稈為原料的生物質能勢在必行
2022年1月29日，國家發展改革委、國家能源局印發的《“十四五”現代能源體系規劃》中明確了“在能源低碳轉型方面，到2025年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發電量比重達到39%左右”；“按照不與糧爭地、不與人爭糧的原則，提升燃料乙醇綜合效益，大力發展纖維素燃料乙醇、生物柴油、生物航空煤油等非糧生物燃料。”
汽油和柴油等化石燃料是把原來固定的碳通過燃燒使其流動化，并以二氧化碳的形式累積于大氣環境，從而產生溫室效應；而以玉米秸稈為原料生產燃料乙醇是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，并把太陽能變成有機物而儲藏的能量。在這個過程中，相對于化石燃料，燃料乙醇可以顯著減少溫室氣體排放，改善大氣環境[2]。
近年來，纖維素燃料乙醇憑借其“清潔能源”和“綠色能源”的屬性也已得到社會各界的廣泛認可和大力支持，不少專家學者提出通過燃料乙醇替代煤炭、石油和天然氣等燃料，不僅可以減少對傳統化石能源的依賴，還可以減少顆粒物質排放、溫室氣體排放以及對水體和土壤的污染等，纖維素乙醇是具有發展潛力的化石燃料替代能源。以玉米秸稈為原料的纖維素燃料乙醇，具有可再生性、低污染性和減少溫室氣體排放等優點。
發展纖維素乙醇有著優化能源結構、改善生態環境、促進農業發展的重要作用，符合我國建設清潔低碳、安全高效現代能源體系的要求，是我國倡導綠色低碳發展，實現“2030年碳達峰、2060年碳中和”目標不可或缺的重要舉措之一。
目前，我國生物質能轉化研發的關鍵技術還有待突破，經濟性也有待進一步提高。據有關方面預計，隨著我國研發技術水平和裝備水平的不斷提高，纖維素乙醇將有望在2025年實現規模化生產。玉米秸稈、麥稈等農林廢棄物的資源化利用，對促進我國能源結構的綠色轉型，防止環境污染和碳減排將具有重要的意義。
4發展建議
玉米秸稈轉化為乙醇這個看似并不太復雜的加工過程，其實困難重重。原料預處理、纖維素和半纖維素水解糖化、戊糖與己糖發酵、蒸餾脫水等環節都有一系列科學、技術和工程問題需要探索和解決。纖維素乙醇技術難以產業化生產的主要原因在于原材料、能耗及環境成本居高不下，難以與第一代燃料乙醇競爭[3~5]。為了強化綠色低碳科技創新，助力我國“雙碳”目標實現，建議如下。
4.1要統籌解決高效預處理工藝、低成本纖維素酶生產以及戊糖高效利用乙醇菌種等關鍵技術瓶頸問題，完善和優化過程技術
（1）解決生物質抗降解屏障解聚：可通過基因調控的手段改造能源作物、獲得木質素含量較低或木質素易解構、糖含量高的生物能源生產原料；建立多種預處理方法，使得木質素改性或者脫除，以便于后期木質纖維素材料轉化為可發酵糖[5]。
（2）開發低成本纖維素降解酶及酶解工藝：結合合成生物學技術的進展，充分挖掘酶制劑的高效性與專一性，創建與處理工藝相匹配的酶制劑復配配方，協同開發預處理與媒介工藝，最終進行工藝集成[5]。
（3）通過增加新的代謝通路提升發酵效率：菌株的選育和發酵工藝的優化是研究重點，合成生物學可為乙醇發酵菌株開發提供新的手段，設計全新代謝途徑，從而實現碳原子經濟，促進纖維素乙醇發酵工程的整體提升[5]。
4.2構建纖維素燃料乙醇整合生物煉制系統，全面降低工藝成本、酶成本、能耗和環境成本
（1）重點從高效利用纖維素的微生物底盤出發，通過深入研究木質纖維素降解規律，建立基于生物大數據和人工智能的數字細胞設計技術，設計構建戊糖、己糖利用與乙醇、高級醇、脂肪酸、脂肪烴等能源化學品高效合成的途徑，重構物質與能量代謝調控網絡，促進碳流定向分配和快速轉化，使超過80%的碳流用于目標能源化學品的合成，構建出國際領先的、具有自主知識產權的木質纖維素整合生物煉制（consolidated biomass processing，CBP）系統，實現纖維素乙醇等萬噸級到十萬噸級的產業化示范，推進作為低碳交通燃料的應用[5]。
（2）運用合成生物學技術，在代謝工程、基因組工程等層面，繼續深入研究纖維素乙醇生產制備過程中關鍵酶的催化機理，理性設計與定向改造重要底盤生物的生理生化性質，進行代謝調控與遺傳改造，高效定向設計構建優質生產纖維素乙醇的人工細胞、多細胞體系、生物與化學耦合系統[5]。
（3）結合過程工程技術，在生物反應器設計、生物反應過程放大與系統控制等層面上，研究纖維素乙醇相關的生物發酵工藝優化、智能發酵控制、發酵產品分離純化等，實現纖維素乙醇的高效低成本生產，從而在與石化能源的競爭中取得優勢[5]。
參考文獻：
[1]霍麗麗，姚宗路，趙立欣，等.秸稈綜合利用減排固碳貢獻與潛力研究[J].農業機械學報，2022，53（01）：349—359.
[2]鄒才能，潘松圻，黨劉栓.論能源革命與科技使命[J].西南石油大學學報（自然科學版），2019，41（03）：1—12.
[3]陳瑜琦，王靜，蔡玉梅.發展燃料乙醇和生物柴油的碳排放效應綜述[J].可再生源，2015，33（02）：257—266.
[4]寧艷春，陳希海，王碩，屈海峰.纖維素乙醇研發現狀與研究趨勢分析[J].化工科技，2020，28（01）：65—68.
[5]張媛媛，王欽宏.合成生物能源的發展狀況與趨勢[J].生命科學，2021，33（12）：1502—1509. |
