农林生物质定向热化学转化技术成功研发

　　生物质是唯一一种能够转化为液体燃料的可再生资源的物质。以其产量巨大、可储存和碳循环等优点已引起全球的广泛关注。

　　蒋剑春带领团队针对农林生物质转化过程中存在的降解产物组分复杂、原料转化率低、产品质量不稳定、能耗高等问题，开展了木质纤维和植物油脂定向转化的基础理论研究，取得了多项创新性成果。

　　农业废弃物、树木及其残体、动物粪便……这些看似不起眼且难以处理的东西，却是生物质能的重要来源。

　　生物质能与太阳能、风能、365betway 等同为可再生能源，但生物质能是唯一可存储和运输的可再生能源，是国家重点鼓励发展的领域之一。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》，在农业领域中，将“农林生物质综合开发利用”作为优先主题。

　　但如何转化?需要突破哪些技术瓶颈?这是中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究员蒋剑春团队长期研究的课题。据悉，今年1月，由蒋剑春主持完成的“农林生物质定向转化制备液体燃料多联产关键技术”项目获得了2016年度国家科技进步奖二等奖。近日，《中国科学报》记者对该团队进行了采访。

　　一种绿色能源

　　日常生活中，生物质资源众多，包含农作物、树木、粮食、饲料作物的残体以及树木、动物粪便和其他有机废弃物，是唯一可再生的碳资源，可转化为常规的液态和气态燃料以及其它化工原料或产品。

　　据统计，生物质能潜力巨大，地球上的植物每年通过太阳能光合作用生成的生物质能总量约为1440亿～1800亿吨，大约等于现在世界能源消耗总量的10倍左右。

　　“开发利用生物质能具有取之不尽、用之不竭的物质基础。”蒋剑春告诉《中国科学报》记者，以生物质作为原料经过能量转换制造的液体燃料，不但可以弥补化石燃料不足，而且达到保护环境的目的。

　　作为唯一能够转化为液体燃料的可再生资源，生物质以其产量巨大、可储存和碳循环等优点已引起全球的广泛关注。如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、巴西的“酒精能源计划”等等，都将生物质能作为国家战略推进。

　　我国生物质资源丰富，如每年仅农作物秸秆和林业采伐加工剩余物就达10亿多吨。以农作物秸秆为例，有学者在考虑土壤生态保留和秸秆主要用途后认为，中国可新型能源化利用秸秆生态总量约为8661.31万吨。

　　“一般认为林业采伐剩余物、加工剩余物可收集的约有1亿吨，农业秸秆的可收集量比林业多，农林可收集总量约在2亿吨以上。”团队成员、中国林科院林产化学工业研究所研究员徐俊明告诉《中国科学报》记者。

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》已经将生物质能开发利用技术等可再生能源低成本、规模化开发利用作为能源领域优先主题。

　　据介绍，生物质能源技术发展重点已经从第一代生物质燃料向以木质纤维素炼制为核心的第二代生物质燃料转变，工艺技术主要集中在生物转化和热化学转化方面。

　　蒋剑春自1996年以来，一直从事林产化学加工领域的生物质能源转化研究。他带领团队针对农林生物质转化过程中存在的降解产物组分复杂、原料转化率低、产品质量不稳定、能耗高等问题，开展了木质纤维和植物油脂定向转化的基础理论研究。

　　记者在采访中了解到，经过二十多年的持续攻关，蒋剑春团队突破了降解产物定向调控、生产过程持续化、多联产值化利用等工程化关键技术，取得了多项创新性成果。

　　利用均须转化

　　据介绍，各种生物质能在利用时均须转化，由于不同生物质资源的物理化学方面的差异，转化途径各不相同。徐俊明表示，热化学转化能够直接将固体类生物质转化成液体，是生物质能源转化的重要途径，具有效率高、成本低的优势。

　　以木质纤维类资源为例，它是由本身均具有复杂空间结构的高分子化合物纤维素、半纤维素和木质素相互结合形成的结构复杂的超分子复合物，而将其生物质进行降解是开展生物质高效利用的基础。

　　蒋剑春团队创新研发了农林生物质定向热化学转化技术，揭示了木质纤维和植物油脂等不同原料的定向降解过程的基本规律，首次成功开发出规模化应用的工程化成套关键技术。

　　与此同时，该团队发明了新型离子热体系的木质纤维降解专用催化剂，实现五碳糖苷和六碳糖苷一步法转化为乙酰丙酸及酯，转化率提高约30%，产物纯度达到98%以上。

　　针对农林生物质转化利用中存在生产能耗高的难题，蒋剑春团队创新开发了连续甲酯化制备燃料油工程化技术，首创高酸价油脂连续酯化与酯交换制备生物柴油工程化技术。

　　“能耗比国内传统生物柴油生产技术降低了20%，比国外同类技术降低了9.8%，综合生产成本节约15%以上。”蒋剑春表示，这解决了目前生物柴油生产过程中原料预处理工艺复杂、间歇式反应工艺能耗高、安全性差、催化剂回收污染环境等问题。

　　此外，该团队创新了农林生物质高值化利用多联产工程化关键技术，如创新开发了木质素替代苯酚制备酚醛塑料关键技术。

　　木质素是广泛存在于植物体内的天然多酚类化合物。在自然界，木质素的储量仅次于纤维素，且每年以500亿吨左右的速度再生。但目前，超过95%的分离木质素未被利用。

　　该团队还揭示了农林生物质活性炭活化控制与吸附性能的构效关系，创立了活性炭微孔与介孔结构的调控方法。发现了催化剂提高木质炭反应活性的作用机理、高温重整过程温度变化速率以及活化介质对活性炭微孔结构的定向调控机制，制备出介孔结构丰富(>60%)的类分子筛型专用活性炭。

　　蒋剑春表示，这项技术实现木质素改性酚醛泡沫的连续化生产，解决了木质纤维素液化过程中木质素利用价值和反应活性低的问题，降低了酚醛材料原料成本，实现了木质纤维资源的全质高值化利用。

　　综合效益明显

　　据悉，该项目属于技术开发类，集成了农林生物质定向转化制备液体燃料多联产关键技术，具有自主知识产权，总体技术达到国际先进水平。获得授权发明专利47件，制定行业标准1项。

　　据介绍，该项目在木质纤维原料全质利用选择性转化乙酰丙酸及其酯，植物油脂连续转化高品质燃油联产环保增塑剂工程化等关键技术达到国际领先水平。

　　截至目前，成果推广到江苏、浙江、山东、内蒙古、安徽等地区，建成了年处理8万吨木质纤维素制备乙酰丙酸及其酯、年产10万吨生物柴油等连续化生产线，以及全球最大的年产5000吨催化裂解制备富烃燃油和国内外首条年产6万立方米木质素酚醛泡沫示范线。

　　值得一提的是，近三年，成果新增销售收入31.5亿元，利润4.07亿元。其中，乙酰丙酸及其酯、生物柴油等产品在国内市场占有率近30%。

　　“成果的推广应用,对于农林生物质能源化高效利用, 减少农林废弃物资源对环境的影响，有效替代化石燃料，具有显著的经济、社会和生态效益。”蒋剑春说。