生物质资源高效利用模式探索

——“生物质-生物质材料-生物质能源”产业链模式

 

生物质是生命活动（如植物光合作用）产生的物质，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种高分子和淀粉、果胶、蛋白质等其他多种成分构成的复杂天然有机物质，以各种形态的木材、竹材、秸秆和果壳等形式存在，来源于农林生产的产品和剩余物、人类生活的废弃物等，是储量巨大而可再生的宝贵自然资源。目前生物质资源的利用，主要是通过生物质材料和生物质能源两条独立的途径，急需探索新的高效利用模式。

1 生物质资源及其利用状况

生物质资源在地球上数量庞大，种类繁多。世界上任何一种生物（包括植物、动物和微生物）都有可能为人类提供一种以上的生物质。作为植物光合作用产物的生物质（主要含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉）的生物质每年以约1640亿吨的速度不断再生，如以能量换算，相当于目前石油年产量的15～20倍，这是21世纪可被人类利用的最丰富的可再生绿色资源。

生物质作为材料或者复合材料的主要组分利用时，称为生物质材料。传统生物质材料主要有两种利用方式：一是通过机械加工将木材制成一定规格的实体木材使用，木材的一次有效利用率一般在50%以下；二是首先将木材、竹材、秸秆等生物质材料加工成一定单板、刨花、碎料、纤维等形态的单元，然后通过胶合技术将其加工成各种人造板材。

由生物质作为能量载体直接利用，或者通过化学、生物等方法转化其他形式的含能物质，称为生物质能源。由生物质生产生物质能源的主要有以下方式：1）生物质粉末或压缩成型为固体燃料；2）生物质厌氧发酵制沼气（主要成分甲烷）；3）生物质水解在发酵制燃料乙醇；4）生物质高温热解气化制生物燃气（主要成分一氧化碳和氢气）；5）生物质快速裂解制生物燃油（主要成分为烃类及其衍生物）。此外，生物质能源还包括将能源植物生产的油脂或废弃油脂通过醇解转化为脂肪酸酯类（甲酯、乙酯）燃料，俗称生物柴油。

固体生物质燃料分为直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为燃料的原料，是传统的能源转化形式，到2004年底已在我国累计推广省柴节煤炉灶1.89亿户。我国固体生物质燃料发电目前已具有一定规模，两广地区共有小型发电机组300余台，总装机容量800兆瓦，其中利用糖厂的甘蔗渣发电占有一定优势。

液体生物质燃料目前主要指通过生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油。我国以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模，另一类发展潜力巨大的液体生物质燃料，是利用秸秆、木材加工剩余物等生物质的快速裂解生产的液态有机化合物的混合物，由于原料来源广、产品性质与石油燃料相近，因而作为化石燃料的替代能源发展前景广阔。

2 生物质资源的高效利用模式

1) 生物质-生物质复合材料-生物质能源产业链的构建

生物质-生物质复合材料-生物质能源产业链，就是首先利用生物质纤维材料与其他材料复合制造生物质复合材料，生物质复合材料利用或者再生循环利用之后，其产生的废弃物再作原料生产生物质能，而不是直接从生物质原料生产能源。在这种模式下，生物质能源产业链增加了一个材料链节，或者看作是生物质材料产业链增加了能源链节。尤为重要的是，在同时获得材料与能源的同时，不仅生物质资源的消耗没有增加，而且生物质的固碳储碳周期延长了，经济和生态效益显著提高，符合低碳经济的要求。

2）生物质-WPC-生物质燃油产业链的重点研究方向

生物质原料的定向制备与改性关键技术：以生物质-聚合物复合材料所需的生物质原料供应为重点，围绕生物质材料的加工处理与基本单元形态的定向制备技术与设备、表面改性技术、热处理（干燥）技术与设备等进行研究，重点建立低成本、高品质的生物质原料（纤维）定向制备、表面改性及快速干燥技术，改造设计相关用于生物质纤维定向制备的高效率、低能耗生产设备，为生物质-聚合物复合材料生产所需稳定而廉价的原料供应提供技术和设备保障。

生物质聚合物复合材料先进成型技术及关键设备研究：生物质聚合物复合材料的成型技术和关键成型设备是生物质聚合物复合材料研究的关键与核心内容，重点围绕废旧塑料的再生改性技术、先进的一步法连续挤出成型技术与关键设备、界面调控技术、加工过程中熔体流变行为控制技术、长纤维的喂料技术与生物质-聚合物复合材料强化技术等方面进行基础和应用研究，重点建立高效节能的生物质-聚合物复合材料成型技术体系。

生物质聚合物复合材料功能化与重点制品生产技术：鉴于生物质聚合物复合材料应用领域的不断扩展，使生物质聚合物复合材料产品具有一种或同时具有多种功能是提高产品附加值的关键。重点研究具有阻燃、防静电与电磁辐射等功能的生物质聚合物复合材料，以适应室内应用和特定需求，获得高附加值，建立高附加值的生物质-聚合物复合材料产品的功能化理论和技术。同时根据国内外生物质聚合物复合材料的发展趋势和我国的资源结构与市场需求，重点研究市场需求量大面广（如门窗）或附加值高（功能性地板）的生物质聚合物复合材料产品的应用技术和配套技术，建立生物质聚合物复合材料门窗、功能性地板等重点制品的生产技术。

生物质聚合物复合材料热解制取生物燃油的关键技术：生物质聚合物复合材料，废弃后可回收再生并循环利用；对于多次循环利用后降解严重的WPC，热解转化为生物质燃油。重点研究原料种类及各种成分对生物质聚合物复合材料热化学反应过程及产物的影响、快速热解制取生物质燃油的热转化机理与符合时代发展的绿色化学工艺，以及用于热化学催化反应过程的低污染高效催化剂、生物然油精炼技术等，建立生物质复合材料快速热解制备生物质燃油的技术体系。

3 生物质-WPC-生物质燃油产业链的预期效益

可自然再生的生物质资源在国家可持续发展战略中具有重要的战略地位，生物质资源的高效利用是当前国内外广泛关注的重大课题。通过高新技术将丰富的生物质资源转化为市场容量大、经济效益好的大宗产品，特别是采用木材加工剩余物、废弃秸秆和废旧塑料为原料生产的生物质聚合物复合材料，是综合性能突出而生态和经济效益显著的生态环境材料；对于多次循环利用后降解严重的生物质聚合物复合材料，作为裂解的原料用于生产生物质燃油，建立生物质-生物质聚合物复合材料-生物质能源产业链，这种生物质资源的利用模式比传统的生物质原料直接转化能源生产模式，增加了生物质材料这一重要环节，是一种产业链长、附加值高、集约化的生物质资源高效利用模式，完全符合资源节约、循环利用、低碳经济的理念，具有显著的社会效益。

随着WPC产业规模的迅速扩大，其应用已经不再局限于运输业托盘、建筑、景观、铺板、栏杆等室外应用领域，在室内装饰、门窗、地板、家具、汽车内饰等领域已开始形成巨大市场空间。同时在市场需求大的 WPC制品方面，WPC门窗材料不仅无污染而且能够回收循环利用，具有突出的环保和节能优越性，是最有希望的塑钢门窗升级换代产品。由WPC热解制造生物质燃油，产品含碳量高、热值大，是更优质的生物质能源，发展潜力大。

专家简介：东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室教授、长江学者。主要研究方向为：生物质聚合物复合材料；木质纤维材料改性与功能化；生物质材料保护。“新型磷氮硼复合木材阻燃剂的合成方法”获国家技术发明二等奖。获国务院政府特殊津贴、新世纪百千万人才工程国家级人选等人才奖。