生物质能具有清洁、普遍、易取、蕴藏量大、可循环利用等特点，是唯一可以贮存与运输的可再生能源，大力发展生物质能已经成为世界各国转变能源结构的重要战略措施。
《生物质炼油化工产业分析报告》概述了生物质炼油化工厂的概念、分类和特点，介绍了国内外生物质炼油化工厂的发展现状与趋势，分析了我国以木薯、秸秆、油脂、海藻等为原料的生物质炼油化工厂的发展现状及其相关工艺技术，并在此基础上对我国生物质炼油化工厂的发展前景进行了展望，对相关技术的产业化提出了针对性建议。
《生物质炼油化工产业分析报告》对生物质炼油、能源技术研究和生物化工领域的科技人员及相关领域的管理决策者具有重要的参考价值，也可供相关专业的高校教师、研究生和高年级本科生阅读，同时有助于增进社会公众对生物质能源和生物质炼油产业的了解。
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《生物质炼油化工产业分析报告》旁征博引、深入浅出，用详实的数据、丰富的案例介绍了国内外生物质炼油化工厂的发展现状与趋势，详细分析了我国以木薯、秸秆、油脂、海藻等原料建设生物质炼油化工厂的现状及其相关工艺技术等科学问题，提出了我国发展生物质炼油化工厂的对策建议。本书由闵恩泽、张利雄编著。
目录
序言 i
前言 iii
第一章 生物质炼油化工厂概述 1
第一节 生物质炼油化工厂的概念 1
第二节 生物质炼油化工厂的分类 5
参考文献 18
第二章 国外生物质炼油化工厂发展现状 19
第一节 世界主要国家生物质炼油化工厂的建设情况 19
第二节 国外木薯燃料乙醇产业发展现状 27
第三节 国外秸秆燃料乙醇发展现状 28
第四节 国外生物柴油发展现状 30
第五节 国外微藻生物柴油发展动向 43
第六节 生物质炼油化工厂生物质原料化工利用平台 44
第七节 世界主要国家生物质炼油化工厂发展现状与规划 73
参考文献 79
第三章 我国以木薯为原料的生物质炼油化工厂发展现状 83
第一节 我国开发木薯燃料乙醇的重要意义 83
第二节 木薯燃料乙醇涉及的科学与工程问题 85
第三节 我国木薯燃料乙醇的研究现状 91
第四节 国外木薯燃料乙醇产业发展对我国的启示 93
参考文献 93
第四章 我国以秸秆为原料的生物质炼油化工厂发展现状 94
第一节 开发秸秆燃料乙醇的重要意义 94
第二节 秸秆燃料乙醇涉及的科学与工程问题 95
第三节 生物乙醇的化工利用 101
第四节 我国秸秆燃料乙醇的研究基础 103
第五节 国外秸秆燃料乙醇发展对我国的启示 106
参考文献 107
第五章 以油脂为原料的生物质炼油化工厂发展现状 109
第一节 我国发展生物柴油现状与政策 109
第二节 我国发展生物柴油的原料 111
第三节 我国生物柴油生产技术的进展 112
第四节 脂肪酸甲酯的化工应用 114
第五节 甘油的化工利用 121
第六节 国外生物柴油发展对我国的启示 125
参考文献 126
第六章 以微藻为原料的生物质炼油化工厂的发展现状 130
第一节 开发微藻生物柴油的重要意义 130
第二节 微藻生物柴油涉及的科学与工程问题 132
第三节 我国微藻生物柴油研究基础 136
第四节 利用微藻生产高附加值产品 141
第五节 小结 144
参考文献 144
第七章 发展我国生物质化工厂的建议与展望 146
第一章
生物质炼油化工厂概述
第一节
生物质炼油化工厂的概念
生物质炼油化工厂这一概念起源于20世纪90年代①,是指以各种各样的生物质资源为原料,将生物质的转化处理过程机械化,最终联产燃料(主要是生物质燃料乙醇、生物丁醇、生物柴油)、动力(能量)和化学品的一个体系[1] 。生物质炼油化工厂与石油炼油厂一样,是一体化的联合工厂,可用各种原料生产燃料和大量产品(图1-1)。
图1-1 石油炼油化工厂和生物质炼油化工厂大体流程的比较
传统的石油化工企业以石脑油为原料,通过蒸汽裂解得到“三烯三苯”,它们作为基本原料再进一步被加工成塑料、化纤、橡胶、有机原料等产品。在这一高效的生产线上,已经形成了一个生产基础化学品、中间产
①参见:LyndLR,JinH,MichelsJG,etal．Bioenergy:background,potentialandpolicy．2002．http://rmtools．org/ref/Lynd_et_al_2002．pdf[2009-4-24]．
生物质炼油化工产业分析报告
┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈品和复杂化学品的树状产品链。这条以石油为原料的炼油化工厂的产品链也同样适用于生物质炼油化工厂,这意味着,生物质炼油化工厂不仅可以用生物质原料生产运输燃料,还可以生产许多有用的化学品(图1-2和图1-3)。更为优越的是,生物质炼油化工厂的原料是可再生资源,生产出的燃料乙醇、生物柴油等燃料和聚乳酸、聚麦芽三糖(普鲁兰)、聚氨酯等化学品对环境的污染更小。目前,工业化的生物质炼油化工厂已经被认为是创建生物基础经济的最理想的途径。
图1-2 从生物质到产品的流程图[4]
生物质炼油化工厂是以生物质为原料进行加工利用的工厂。在美国总统克林顿发表的《生物质产品和生物能源的发展与提高》报告中,对生物质这一概念进行了这样的定义:“任何建立在可再生或可循环的基础上的有机物(不包括老旧的木材),包括能源专用作物和林木、农作物和饲料作物残渣、水生植物、木头和木屑、动物废弃物和其他废材料。”[2]
图1-3 生物质炼油化工厂示意图[3]
生物质内部碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)4种元素的比例与石油不同。植物生物质往往由碳水化合物、木质素、蛋白质、脂肪和一系列不同结构物质(如维生素、染料、香料、芳香族的香精等)组成[4] 。显然,开发生物质资源,主要的注意力应该集中在如何有效利用碳水化合物,以及将它们转化为大量的基础化学品(中间体)和相应的终端产品。
生物质炼油化工厂的主要目的是通过一系列单元操作生产价值高、体积小(HVLV)的化学品和体积大、价值低(LVHV)的化学品。这些单元操作要最大化地提取有用物质,同时将价值低的化工中间体转化为能量。
已建成的或规划中的生物质炼油化工厂的主要原料来源是淀粉、木质纤维素和油脂等,这几种物质的来源和转化过程见图1-4。淀粉和纤维素都属于碳水化合物,通过生物法或化学法可以将它们转化为葡萄糖。葡萄糖作为关键的基础化学品,可以转化为各种环状或非环状的醇、醛、酮、酸、酯和醚,如乙醇、乳酸、醋酸和乙酰丙酸等。乙醇是很好的可替代汽油的燃料资源,乳酸、醋酸和乙酰丙酸是很理想的中间产物,能进入各种工业相关产品链。因此,将葡萄糖转化为大宗化学品的过程和将这些化学品转化为后续产品的过程结合起来,非常具有现实意义。这种转化过程可以考虑通过以下两种可能的策略实现:一是开发新的可生物降解的产品(乳酸和乙酰丙酸的后续产品),二是使它们作为中间体(丙烯酸、2,3-戊二酮)
进入传统的石化炼油化工厂的产品线。由于可以转化为葡萄糖的生物原料供应很充足,该转化过程一旦实现将可能产生很大的经济价值。
图1-4 涵盖所有生物质炼油化工厂生产原理的流程示意图[5]
植物的主要成分是木质素、纤维素和半纤维素,其中纤维素和半纤维素是碳水化合物,能分解为葡萄糖等糖类物质。木质素是由4种醇单体形成的一种复杂酚类聚合物,分为紫丁香基木质素、愈创木基木质素和对-羟基苯基木质素3种[5] 。木质素在自然界中的储量仅次于纤维素(生物圈中估计有3×1011 吨,每年生物合成速率为2×1010 吨),并且可再生、可自然降解。木质素成本较低,高温裂解后可以转化为合成气,可作为燃料使用,也可以转化为各种化学品。木质素及其衍生物还具有多种功能性,可用做生产分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂等,应用前景十分广阔。
以油脂为原料生产的脂肪酸甲酯,俗称为生物柴油。生产生物柴油是生物质炼油化工厂的另一个重要项目。生产生物柴油的原料可以是各种植物油(大豆油、菜籽油、棕榈油、棉籽油等)、动物油和各种废油脂,其主要成分都是甘油三酯。甘油三酯经醇解反应后可生成脂肪酸甲酯和甘油
(图1-5),两者均是高附加值的化工产品。
图1-5 油脂转化为生物柴油的反应式
脂肪酸甲酯可作为燃料使用,能满足机动车欧Ⅲ排放标准,可按任意比例与石油柴油调配。此外,它还可用做性能优异的工业溶剂,以及作为制造高附加值的表面活性剂、农业化学品、润滑剂、黏合剂、增塑剂、生物塑料等的原料。甘油可以精制成医药级甘油,也可以作为原料用于制备丙二醇、二羟丙酮、丁二酸、聚甘油、多元酯等。
第二节
生物质炼油化工厂的分类
石油炼油厂是从石油中生产出多种燃料和化学品,生物质炼油化工厂类似于今天的石油炼油厂。生物质炼油化工厂是生物质转化、加工及设备的集合,它利用自然界中的各种生物质资源,将其转化为燃料、能源和化学品。其组成包含初级生物质炼油化工厂、次级热化学生物质炼油化工厂、次级生物化学生物质炼油化工厂三个层次①。
(1)初级生物质炼油化工厂研究和开发的主要任务是分析生物质原料中各种原材料的规格(如灰分、可发酵糖、木质素的含量),同时提取高附加值成分,由此建立一个有效的生物质预处理体系。其内容包括原料与产物的标准与表征方法的制订,以及一个有效合理的生产、收集、表征、储存、预处理活性和原料的进口与运输的基础设施的建设,开发出一些经济上可行的、
①参见:NationalRenewableEnergyLaboratory．Conceptualbiorefinery．http://www．nrel．gov/biomass/biorefinery．html[2005-08-01]．
可商业化的生物质原料。采用一些复杂的加工处理策略,将自然界中可利用的生物质原料用于生产各类传统产品,如燃料、电、热和化学品等。初级生物质炼油化工厂要在经济上可行必须做到以下两点:一是要开发出一种高吞吐量体系的分离、分馏技术,从而获得高附加值的产品;二是要使各种处理原料的通用溶剂在整个生产过程直接使用或循环使用,无废料排放。
(2)次级热化学生物质炼油化工厂由预处理(如原料干燥、尺寸缩减)、进料、转化(如气化、高温裂解)、产物收集及清扫和产物最终用途等单元操作组成。在这些单元操作中,气化是最为重要的一步。气化是指在有氧条件下将生物质转变为二氧化碳和氢气(即合成气)。高温裂解则是将生物质转化为裂解油。合成气可通过多种化学转化过程合成出汽柴油或常见的石化产品。
(3)次级生物化学生物质炼油化工厂主要有三个基本工艺过程:①将生物质转化为糖或其他发酵原料;②通过生物催化将糖或发酵原料等发酵;
③将发酵产品加工处理得到燃料级乙醇或其他燃料、化学品、热和电能等。其核心过程是发酵。
目前,通过发酵所能获得的产物很多,如用于食用和燃料的乙醇,用于食用和作为聚乳酸单体的乳酸,采用氨基酸、葡萄糖酸或柠檬酸制得的抗生素等。相对于传统的化学反应,发酵通常是一步合成,降低了投入成本。但是微生物控制的化学反应并未对高功能化合物化学合成的工艺现状提出挑战。要与传统的化学反应竞争,还必须要解决发酵过程中的一些问题,例如在总的过程中发酵过程所占费用高于化学法中相应的费用;在自然界中由微生物生产的产品数量是有限的;在发酵工艺中,小规模的几条流股可能会给主体流股造成很大的负担。
一、生物质炼油化工厂的类型
按原料类型的不同,生物质炼油化工厂主要分为三种类型。
(1)以木质纤维素类为原料的生物质炼油化工厂。
(2)以谷物素类为原料的生物质炼油化工厂。
(3)以草、苜蓿类绿色植物为原料的生物质炼油化工厂。不同企业和地区根据自身的原料供应建设各具特色的生物质炼油化工厂。
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