生物质能研讨现状及未来开展战略
生物质能是一种重要的可再生动力，直接或直接来自植物的光协作用，一般取材于农林废弃物、日子废物及畜禽粪便等，可经过物理转化（固体成型燃料）、化学转化（直接燃烧、气化、液化）、生物转化（如发酵转化成甲烷）等方式转化为固态、液态和气态燃料。由于生物质能具有环境友好、本钱低价和碳中性等特征，迫于动力缺少与环境恶化的两层压力，各国政府高度注重生物质资源的开发和运用。近年来，全球生物质能的开发运用技能获得了飞速展开，运用本钱快速下降，以生物质工业为支撑的“生物质经济”被世界学界认为是正在到来的“接棒”石化基“烃经济”的下一个经济形状。因而，体系整理生物质能技能的展开现状及趋势，清晰我国展开生物质能面临的应战并拟定未来战略，对推动我国生态文明建造、动力革新和低碳经济展开，保证美丽村庄建造、应对全球气候变化等国家严重战略施行具有重要意义。
生物质能展开现状
跟着世界社会对保证动力安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益注重，加速开发运用生物质能等可再生动力已成为世界各国的遍及共同和共同举动，也是全球动力转型及完成应对气候变化方针的严重战略行动。生物基资料、生物质燃料、生物基化学品是触及民生质量和国家动力与粮食安全的严重战略产品。2017年，全球生物基资料与生物质动力工业规划超越1万亿美元，美国到达4000亿美元。美国规划2020年生物基资料代替石化基资料的25％；全球经济协作与展开安排（OECD）发布的“面向2030生物经济施政纲领”战略陈述估计，2030年全球将有大约35％的化学品和其他工业产品来自生物制作；生物质动力已成为位居全球榜首的可再生动力，美国规划到2030年生物质动力占运送燃料的30％，瑞典、芬兰等国规划到2040年前后生物质燃料彻底代替石油基车用燃料。
现在，世界各国都提出了清晰的生物质动力展开方针，拟定了相关展开规划、法规和方针，促进可再生的生物质动力展开。例如，美国的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇、北欧的生物质发电、德国的生物燃气等工业快速展开。
经过多年的尽力，我国科学家也在生物质动力的几个研讨范畴中占有世界抢先或许齐平的位置。在国家相关经费尤其是中国科学院战略性先导科技专项的支撑下，中国科学院以具有颠覆性特征的木质纤维素质料制备生物航油联产化学品技能、支撑国家燃料乙醇和生物质燃料工业展开的农业废弃物醇烷联产技能为中心，打破要害技能并进行工业演示。针对低值生物质资源的高值运用难题，已树立了世界首套百吨级秸秆质料水相催化制备生物航油演示体系，产质量量到达?ASTM－D－7566（A2）规范，并拟于近年建成世界首套千吨级演示体系、千吨级呋喃类产品／异山梨醇的中试与工业演示、30?万吨秸秆乙醇及配套热电联产工业演示、年千万立方米生物燃气归纳运用与分布式供能工业化演示工程等一批表现技能特征、区域特征和产品特征的演示工程，进一步强化坚持我国以上生物质能范畴技能立异的世界抢先位置。
生物质能技能首要包含生物质发电、生物液体燃料、生物燃气、固体成型燃料、生物基资料及化学品等，以下将针对各个详细技能的展开现状别离进行剖析。
生物质发电技能
生物质发电技能是最老练、展开规划最大的现代生物质能运用技能。现在，全球共有?3?800?个生物质发电厂，装机容量约为?6?000?万千瓦，生物质发电技能在欧美展开最为完善。丹麦的农林废弃物直接燃烧发电技能，挪威、瑞典、芬兰和美国的生物质混燃发电技能均处于世界抢先水平。日本的废物燃烧发电展开敏捷，处理量占日子废物无害化清运量的?70％?以上。
我国的生物质发电以直燃发电为主，技能起步较晚但展开十分敏捷。到?2017?年末，我国生物质发电并网装机总容量为?1?476.2?万千瓦，其间农林生物质发电累计并网装机?700.9?万千瓦，日子废物燃烧发电累计并网装机?725.3?万千瓦，沼气发电累计并网装机?50.0?万千瓦；我国生物质发电装机总容量仅次于美国，居世界第二位。
生物液体燃料
生物液体燃料已成为最具展开潜力的代替燃料，其间生物柴油和燃料乙醇技能现已完成了规划化展开。
2017?年全球生物柴油的产值到达?3?223.2?万吨，美国、巴西、印尼、阿根廷和欧盟是生物柴油出产的首要国家和区域，其间欧盟的生物柴油产值占全球产值的?37％，美国占?8％，巴西占?2％。我国生物柴油出产技能世界抢先，国家规范也已与世界接轨，但由于推行运用困难，导致现在国内生物柴油产值呈逐年下滑态势。
2017?年全球生物燃料乙醇的产值达?7?981?万吨，美国和巴西是燃料乙醇出产值最大的国家，产值别离为?4?410?万吨和?2?128?万吨。我国以玉米、木薯等为质料的?1?代和?1.5?代出产技能工艺老练安稳，以秸秆等农林废弃物为质料的?2?代先进生物燃料技能已具有工业化演示条件，现在我国生物燃料乙醇产值约为?260?万吨／年，仅占全球总产值的?3％，依然有较大的展开空间。
我国运用纤维素动身生物航油技能获得打破，完成了生物质中半纤维素和纤维素共转化组成生物航空燃油，现在已在世界上首先进入演示运用阶段。运用动植物油脂为质料，选用自主研制的加氢技能、催化剂体系和工艺技能出产的生物航空燃油已成功运用于商业化载客飞翔演示，这使我国成为世界少量几个具有生物航空燃油自主研制出产技能并成功商业化的国家。
生物燃气技能
生物燃气技能现已老练，并完成工业化。欧洲是沼气技能最老练的区域，德国、瑞典、丹麦、荷兰等发达国家的生物燃气工程配备已到达了规划规范化、产品系列化、拼装模块化、出产工业化和操作规范化。德国是现在世界上村庄沼气工程数量最多的国家；瑞典是沼气提纯用于车用燃气最好的国家；丹麦是会集型沼气工程展开最有特征的国家，其间会集型联合发酵沼气工程现已十分老练，并用于会集处理畜禽粪便、作物秸秆和工业废弃物，大部分选用热电肥联产形式。
我国生物质气化工业首要由气化发电和村庄气化供气组成。村庄户用沼气运用有着较长的展开前史，但生物燃气工程建造起步于?20?世纪?70?年代。我国现在在生物质气化及沼气制备范畴都具有世界一流的研讨团队，如中国科学院广州动力研讨所、中国科学院成都生物研讨所、农业村庄部沼气研讨所、农业村庄部规划规划研讨院和东北农业大学等，这为相关研讨供给了要害技能及渠道根底。近年来，规划化生物燃气工程得到了较快的展开，构成了热电联供、提纯车用并网等形式。
固体成型燃料技能
欧美的固体成型燃料技能归于领跑水平，其相关规范体系较为完善，构成了从质料搜集、贮藏、预处理到成型燃料出产、配送和运用的整个工业链。现在，德国、瑞典、芬兰、丹麦、加拿大、美国等国的固体成型燃料出产值均可到达?2?000?万吨／年以上。
我国生物质固体成型燃料技能获得显着的展开，出产和运用已开端构成了必定的规划。但近几年，我国成型燃料工业展开出现先增后降趋势，全国年运用规划由?2010?年的?300?万吨添加到?2014?年的?850?万吨，2015?年后开端回落，首要是由于生物质直燃发电的环境效益遭到争议，部分省份乃至约束了生物质直燃、混燃发电项目。此外，我国许多中小型成型燃料出产车间由于环境卫生不合格而被强制关停。
生物基资料及化学品
生物基资料及化学品是未来展开的一大要点，现在，世界各国都在经过多种手法活跃推动和促进生物基组成资料的展开。跟着生物炼制技能和生物催化技能的不断进步，促进高能耗、高污染的有机组成逐渐被绿色可继续的生物组成所代替，由糖、淀粉、纤维素出产的生物基资料及化学品的产能添加迅猛，首要是中间体渠道化合物、聚合物占有主导位置。我国生物基资料现已具有必定工业规划，部分技能挨近世界先进水平。当时，我国生物基资料职业以每年?20％—30％?的速度添加，逐渐走向工业规划化实践运用和工业化阶段。
生物质能展开趋势
生物质能本钱不断下降
估计到?2020?年前，生物质混燃发电的技能本钱将低于燃煤发电；生物质直燃发电的技能本钱在?2025—2030?年可与燃煤发电相等，生物质气化发电技能老练时刻约为?2030?年，可成为未来生物质发电的重要途径。生物质热电联产供热的本钱到?2020?年前即可与燃煤供热全本钱适当。生物质锅炉供热则需到?2025—2030?年才能与燃煤供热全本钱适当。到?2020?年，饲养场畜禽粪便制取沼气的本钱与天然气挨近，其他生物质质料出产的沼气以及生物质热解气本钱均可低于天然气，是未来天然气的有用弥补。到?2022?年，以非粮淀粉类和糖类为质料的生物乙醇本钱可与一起期汽油本钱适当，到?2025—2030?年，纤维素乙醇的本钱与一起期汽油本钱适当。
生物质液体燃料和生物燃气的大工业年代行将到来
生物质液体燃料被列为我国“十三五”要点项目；2018?年末，国家动力局向各省及?9?家央企下发了《国家动力局归纳司关于请编制生物天然气展开中长期规划的告诉》，生物质燃气被列入国家动力展开战略，生物质液体燃料和生物质燃气大规划代替化石动力的年代行将到来。美国方案到?2025?年生物质燃料代替中东进口原油的?75％，2030?年生物质燃料代替车用燃料的?30％；德国估计到?2020?年沼气发电总装机容量到达?950?万千瓦；日本方案在?2020?年前车用燃猜中乙醇掺混份额到达?50％?以上；别的印度、巴西、欧盟别离拟定了“阳光方案”“酒精动力方案”和“生物燃料战略”，加大生物质燃料的运用规划。估计到?2035?年，生物质燃料将代替世界约一半以上的汽、柴油，经济环境效益显着。
高值化生物基资料及化学品越来越受注重
在市场经济和工业竞赛剧烈的今日，高值化生物质产品开发是生物质能展开趋势之一，如高质量生物航油、军用特种燃油增能添加剂、军用超低凝点柴油、己二酸、高分子单体乙二醇、低本钱生物塑料和生物质染色剂等。现在，我国生物质现代高值运用技能打破现已到了新年代，与发达国家技能同步展开，具有支撑工业的展开的根底。例如，大规划运用秸秆做生物航油、功用优秀的生物基资料、高附加值化学品等技能现已抢先于发达国家，具有经济竞赛力，仍需进一步夯实世界抢先位置。当时中美买卖冲突正处于焦灼时刻，应紧紧抓住世界、国内展开战略机会期，体系规划“另一半农业——农业生物质与生物质动力”的归纳运用和展开战略，这将对我国社会经济的转型展开发挥重要作用。
多学科穿插，多技能深度交融展开
跟着现代信息技能、生物技能、计算机技能、先进制作技能、高分子资料等范畴获得的严重科学打破，“互联网＋”“大数据”和“人工智能”将为生物质能展开带来新的机会，多学科深度交融将成为未来展开的必然趋势，生物质能开发运用将出现多元化、智能化和网络化的展开态势。
新式生物质大规划展开
跟着生物质工业的飞速展开，传统生物质资源缺乏以支撑巨大的生物质资源需求，在高效循环运用传统农林生物质的根底上，有必要展开新式生物质（如藻类和动力植物等）以满意工业展开需求。
我国生物质能面临的应战
根底研讨单薄，源头立异缺乏
我国生物质发电在质料预处理及高效转化与成套配备研制等中心技能方面仍存在瓶颈。①生物质直燃发电技能方面。我国在锅炉体系、配套辅佐设备工艺等方面与欧洲国家还有较大距离，燃烧设备堆积结渣和防腐技能需求打破；气化发电技能存在功率低、规划小、副产物处置难等缺陷；混烧发电技能还没有树立完善的混烧份额检测体系、高效生物质燃料锅炉及其喂料体系。②生物质液体燃料方面。我国纤维素质料燃料乙醇出产技能尚处于中试阶段；生物质组成燃料技能仍处于起步阶段；生物质液体燃料的转化反响机理、高效长寿命催化剂、酶转化等方面的根底研讨单薄，精制工艺和副产物收回技能开发力度缺乏，存在转化率不高、产质量量不安稳等问题。③生物质燃气方面。我国生物质制氢仍停留在实验室阶段，催化组成气技能处于中试阶段；沼气技能展开敏捷，大中型沼气工程建造速度显着加速，但高效厌氧发酵技能、沼气提纯与储运技能需进一步进步。④生物质成型燃料方面。固体成型燃料的成型粘接机制和络组成型机理尚不清楚。⑤生物基化学品及资料方面。与世界先进水平比较，我国在产品功用、制作本钱、要害技能集成与工业化规划等方面还存在较大距离。动力植物资源种类培育的分子遗传育种才刚起步，且对培育出来的优秀种类的运用与推行较少。
要害技能和配备世界依存度高
发达国家在生物质资源运用和产品制作范畴已居于抢先位置而且占据了工业主导权。为了保护其引领工业展开的战略位置和经济利益，发达国家遍及对生物质转化运用的中心技能进行封闭和独占，我国许多要害技能（如生物质转化的纤维素酶、己二酸等渠道化合物、高分子单体乙二醇、高功用低本钱生物塑料单体技能和非金属仿真催化剂等）和要害设备（如活动反响器、集储设备的打结器、反响器自控体系等）依托进口，导致生物质质料规划化出产、集储功率低，工业本钱高。
生物质资源未能高效运用成为污染源
我国每年约发生作物秸秆?9?亿吨，畜禽粪便?45?亿吨，林业三剩物?4.5?亿吨，农业加工剩余物?1?亿吨，以及日子废物?2?亿吨。这些生物质资源大部分没能有用资源化运用，而是被露天燃烧或许随意丢掉，成为大气污染、水体污染和土壤污染的源头。假如将这些有机废弃物转化成生物质动力或产品，每年可削减上千万吨的化学需氧量（COD）排放量，每年削减CO2排放量约?20?亿吨、NOx排放量约?200?万吨、SO2排放量约?560?万吨、粉尘约?3?亿吨。
我国生物质展开对策
加强原始性立异，促进生物质高值归纳运用
生物质资源运用要走归纳化、高值化的途径。在高值化的研讨方面需求深化知道生物质不同营养安排、不同成长阶段的微观结构及其演化规则，探究生物质结构演化规则对解聚特性的影响。交融更多学科的常识与研讨办法，多维度、多视角地对生物质的水热转化进程进行研讨，逐渐丰厚与完善生物质水热催化转化理论与办法。树立多元化运用新理念，展开生物质资源高效转化为燃料、化学品、资料等多种产品的特征技能和理论体系。
生物质归纳运用要点是展开绿色制作、促进多能互补、展开工农一体化运用。绿色制作要以工业生物技能为中心，结合生物学、化学、工程学等技能，从生物质等质料动身，构建出产化学品、动力与资料的新工业形式。多能互补是树立习惯社会可继续展开的“等第对口、多子相干、能势匹配、多能互补、碳氢循环”的动力转化运用新理念，构建洁净低碳、安全高效的国家动力供给与转化运用新体系，完成多能互补、提质增效的动力归纳高效转化运用形式。生物质资源工农一体化运用是将生物燃料、肥料、饲料进行一体化规划，完成生物质全组分的高效转化与循环运用。
加强顶层规划，进行体系规划规划
展开生物质能技能，有必要与美丽村庄建造、精准扶贫等国家严重战略相结合。要统筹考虑各种需求，协同考虑动力、资源、环境、出产形式、日子方式等，进行多元技能集成；要经过工业化的手法完成技能的规划化、安排化、配备化；选用市场化的运转形式，将资本运作、技能服务、商品买卖等融入生物质能工业的展开中。有必要改动村庄零星化、个体化的出产日子形式，规划、规划与人居环境相耦合的会集饲养和会集栽培区域，以村庄废物循环代谢及资源化、动力化运用为操控要素，完成废物的近零排放与资源最大化运用，构建出产－日子－生态一体化协调展开的新的村庄展开形式，以完成连片展开、协同展开、规划展开。
构建多种废物协同处理的动力化工体系
构建智能化、规划化多质料来历的物理、化学、生物转化一体的村庄废弃物归纳运用体系，改动传统单一处置形式，增进各种生物质的互补与交融，完成多种废弃物协同处置与多联产。首要包含：畜禽粪便－动力作物协同处置与动力化运用体系、村庄废物－畜禽粪便－生物质废物协同处置与多联产体系、多联产技能产品深加工体系等，建造“代谢共生工业园”，完成区域内单一工程对各类村庄废物处置运用，完成各类村庄废物全量协同资源化运用，将农林废弃物转化为可燃气、化工质料、有机肥及其他资源，进步村庄废弃物归纳运用的有用性和经济性。
加强世界交流与协作
引入国外先进的生物质运用技能和设备，并进行消化、吸收和再立异，加速研制生物质要害技能和配备，打破世界独占，树立具有自主常识产权的技能体系，树立契合中国国情的生物质能开发运用结构体系；加强渠道建造并完善技能立异体系，依托科研院所、大学和大型骨干企业，联合国内相关组织，组成工程技能中心及要点实验室。树立严重科技专项，对农林废物动力化工体系、日子固废归纳运用体系、特征农林废物资源化体系、畜禽粪便动力化工体系、多种废物协同处置与多联产体系及动力植物选种育种与运用体系等技能方向的要害技能展开技能攻关。推动生物质能人才培育归入人才规划大纲，特别是针对动力植物、生物质功用资料运用范畴的科研人才。
我国生物质未来展开要点
生物液体燃料
打破农林畜牧废弃物转化为航空火油、生物柴油和乙醇等生物质液体燃料的动力化工要害技能，加速推动生物质液体燃料清洁制备与高值化运用技能工业化。加速推动新一代木质纤维素生物航油技能研制和规范拟定，打破发达国家在传统航油、费托组成油、油脂生物航油技能壁垒，进步我国生物航空燃油工业的世界竞赛力；立异处理新式生物质动力的培育与转化技能，掌握藻转化制取液体燃料的反响调控机制及改性提质原理，打破产油微藻中心性状的遗传多样性、进化途径与诱变育种技能，显着进步燃料的转化功率，使得微藻固碳制油本钱显着下降；加速燃料乙醇推行运用，促进质料多元化供给，适度展开非粮燃料乙醇；晋级改造生物柴油项目，加速推动生物柴油在交通范畴的工业化运用。未来，生物质转化为液体燃料的技能将获得严重打破，一大批演示工程和工业基地将树立，出产规划将到达年产千万吨级以上。
生物天然气
结合国家调整动力消费结构、减排克霾、村庄复兴的需求，推动生物天然气技能进步及商业化。打破高负荷温度厌氧消化及“三沼”运用等要害技能，完成各项技能优化及工程演示推行；树立高负荷厌氧消化安稳操控体系，加强厌氧消化进程生物强化制剂研讨，打破酷寒区域中温厌氧消化恒温补偿机理；展开沼气会集供气、热电联供、纯化车用及入网成套要害技能研制，打破沼气生物甲烷化原位脱碳及制备化工产品要害技能，完成沼气动力化工运用；经过移动式沼气提纯及吸附式储运要害技能研制，打破沼液水肥一体化施用、浓缩调质制水溶肥及沼液氮磷矿化收回和出产饲料／资料要害技能，完成沼液营养收回运用；打破保氮保水等生物有机肥制备要害技能，展开催腐、除臭、保水、保氮堆肥专用菌剂研讨，打破模块化移动式堆肥配备研制要害技能，完成经过沼渣出产功用有机肥。展开规划化生物天然气工程和大中型沼气工程建造，执行沼气和生物天然气增值税即征即退方针，支撑生物天然气和沼气工程展开碳买卖项目。
生物基资料及化学品
针对生物基资料产品功用单一、产品功用和附加值低一级问题，运用农林生物质资源，要点打破纤维素／木质素大分子动态键合、活性可控聚合、天然大分子自拼装及可控光催化聚合等定向组成及功用化改性要害技能，创制具有高机械强度、光磁、抗菌、环境呼应、自修正、缓释等功用的化学品，构建高功用、高附加值产品技能体系，完成生物质质料对石化质料的大规划代替；打破提取剩余物热解制备生物炭要害技能，生物炭物理活化与高效运用要害技能及生物炭制备进程能量自给体系要害技能，加速推动生物炭功用资料运用；加速推动特征有机废物（如板栗壳、椰壳、虾头、葛根等）的高值化运用。
固体成型燃料供热
针对我国固体成型燃料现状，构成从秸秆质料搜集、贮存、运送成型、配送到高效转化的完善工业链。经过技能研制掌握生物质成型粘接机制和络组成型机理，完成生物质成型燃料的高质量化和低能耗化。加强大型生物质锅炉低氮燃烧要害技能进步和设备制作，推动设备制作规范化系列化成套化。加强检测认证体系建造，强化对工程与产品的质量监督。
生物质发电
进一步完善合适我国国情的秸秆燃烧发电技能和配套设备，使秸秆燃烧发电的功率和运转时刻与燃煤电厂挨近；掌握生物质燃烧设备堆积结渣和腐蚀特性，改进生物质直燃项目的运转质量和可靠性。打破低结渣、低腐蚀、低污染排放的生物质直燃发电技能、混燃发电计量检测技能与高效洁净的气化发电技能，并经过技能配备立异完成大规划工业化运用。加速推动清洁环保的废物燃烧发电技能，活跃建造废物填埋气发电项目，量体裁衣推动沼气发电项目建造，归纳运用工业有机废水和城市日子污水出产沼气并发电。进步生物质热电联产的功率，活跃推动生物质分布式动力体系建造。
作为可再生动力的“中心”，生物质能的开发运用不仅能改进生态环境，有力支撑美丽宜居村庄建造，一起可处理我国村庄的动力缺少，推动村庄动力革新，并促进绿色农业展开，发明新的经济添加点，是完成动力、环境和经济可继续展开的重要途径。在新年代，生物质资源运用要走归纳化、高值化的途径。紧紧围绕城乡一体化展开、村庄复兴与环境污染管理严重需求，经过科学技能打破，尤其是根底科学发现，找到生物质高值运用的新途径，找到生物质工业展开的新方案。要点瞄准生物基资料、化学品、高质量燃料等高值化的转化途径，依托科技立异添加工业附加值，完成生物质工业的转型晋级。现在生物质能工业正处于技能攻坚和商业化运用开辟的要害阶段，生物质能的展开需结合我国实践情况，面临各种应战，做好顶层规划，掌握具有根底性、前瞻性的技能展开方向，立异展开形式，为我国生物质能工业的快速展开供给科技支撑。
（作者：马隆龙，中国科学院广州动力研讨所；唐志华，中国科学院广州动力研讨所；汪丛伟，中国科学院广州动力研讨所；孙永明，中国科学院广州动力研讨所；吕雪峰，中国科学院青岛生物动力与进程研讨所；陈勇，中国科学院广州动力研讨所。《中国科学院院刊》)
