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中国的世界之最: 生物燃料技术

生物燃料(biofuel)泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料,可以替代由石油制取的 汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。所谓的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,即一切有生命的可以生长的有机物质。它包括植物、动物和微生物,不同于石油、煤炭、核能等传统燃料,这些新兴的燃料是可再生燃料。工业、农业、林业、一般家庭制造出的可生物分解的产物都可以作为原料。生物燃料被认为有污染少、可再生等优势,受到全球各国的普遍关注。

生产难题/生物燃料

生物燃料的作物被生物质分解或者烧荒种地,导致需要数十年甚至数个世纪的生物燃料才能补偿所排放的碳。为了生产生质燃料,许多土地被改为农地,尤其是开发新的农地会破坏生态。生质燃料的大量使用也造成粮食价格上涨,并威胁贫穷人口的生存。

为了制造及运输生物质燃料会产生污染、二氧化碳排放及使用水资源、化肥。在地生产使用生质燃料可以减少这些问题,但是就算在地生产,生质燃料在环保上可能还是不值得,甚至有些研究显示、一些已经量产的生质酒精在经济上都是不值得──例如制造玉米酒精所需要的能量会超过玉米酒精能提供的能量。

用桐油树可用于生产生质燃料,但有些人认为还是要避免以下状况:有些第三世界国家的农民,把原本用来生产粮食作物的土地,拿来种植能源作物;就算能源作物本身不可食、也可以在不食之地种植,但是还是有减少粮食生产的危险性。

采用废弃食用油来生产生质柴油不会占用食物来源,被认为是目前真正值得推广的生质燃料,但是废油中含有许多无用物质,会增加生产问题。

我国现状/生物燃料

我国玉米资源比较丰富,2006年产量1.44亿吨,居世界第二位,玉米秸秆年产量达6亿多吨。在全球高度关注能源危机,关注可再生资源开发利用的大背景下,以玉米为原料生产的燃料乙醇、玉米乙烯及其衍生物、可降解高分子材料等,成为企业竞相开发和投资的热点。2006年,我国可再生能源年利用量已达到1.8亿吨标准煤,约为一次能源消费总量的7.5%。掺入10%燃料乙醇的乙醇汽油成为中国能源替代战略的着力点之一。

2001年国内酒精原料中玉米占原料总量的比重为59%,到2006年,这一比重已经上升到79%。目前有关部门正着手研究、开发汽车用甘蔗燃料乙醇。目前我国甘蔗年产量在8500万吨左右,仅产食用酒精50多万吨。若技术攻关成功,成本控制得当,用甘蔗生产燃料乙醇,将会有很好的发展前景。但问题在于,我国甘蔗种植面积十分有限,主要集中在广西、云南等少数几个省份,而且随着国内食糖消费量大幅增加,价格也将一路上扬,生产成本将可能大大高于玉米制造燃料乙醇。国家发改委相关人士也表示,继续推广乙醇汽油是大势所趋,非粮生物能源如红薯、木薯、甜高粱、纤维质乙醇是今后发展的重点,将加大这方面的科研投入力度。而另一方面,相关部委紧急叫停玉米加工乙醇后,政府仍会继续“适度”发展燃料乙醇行业,坚持能源与粮食双赢,在确保粮食安全的前提下,国家会采取一些财税扶持政策,支持燃料乙醇的生产和使用。

(一)我国大型集团公司积极进行生物燃料的研究开发及生产

2006年11月,中国石油集团与四川省签订合作开发生物质能源框架协议,双方将以甘薯和麻疯树为原料发展生物质能源,“十一五”期间将建成60万吨/年燃料乙醇、10万吨/年生物柴油项目。2006年12月,中石油又与云南省签署框架协议,在以非粮能源作物为原料制取燃料乙醇、以膏桐等木本油料植物为原料制取生物柴油等方面进行合作。2007年初,中石油与国家林业局就发展林业生物质能源签署合作框架协议,并正式启动云南、四川第一批能源林基地建设。作为我国石油能源行业的巨头,中石油在生物质能源的频频出手令人瞩目,充分显示了生物质能源对中石油集团发展的战略重要性。中石油总经理蒋洁敏表示,“十一五”末,中石油非粮乙醇年生产能力将超过200万吨/年,达到全国产量的40%以上,同时形成林业生物柴油每年20万吨/年的商业化规模,并建设生物质能源原料基地40万公顷以上。

中粮集团 无独有偶,中国头号粮商中粮集团近年也将生物质能源发展提到了战略重地的高度,一时间与中石油并驾齐驱,成鏖战之势。2007年4月6日,紧随中石油之后,中粮集团与国家林业局签署《关于合作发展林业生物质能源框架协议》,双方将重点建设一批能源林基地,开发利用林业生物柴油、燃料乙醇和木本食用油三大产品。

中粮集团在燃料乙醇、生物柴油等方面频频重拳出击,进行企业并购。目前,国家发改委先后批准建设的4套燃料乙醇生产装置,其中3套已被中粮集团控股或参股:全资控股中粮生化能源(肇东)有限公司(10万吨/年),取得吉林乙醇(30万吨/年)20%股份,持有安徽丰原生化(32万吨/年)总股份的20.74%,成为其第一大股东。国家核准的102万吨/年燃料乙醇的市场份额中,中粮控股参股企业的产量高达69%。通过系列收购,中粮集团已经掌握了我国燃料乙醇领域的半壁江山。2006年国家审批第5个燃料乙醇生产装置,也是唯一的一个非粮作物燃料乙醇装置——广西15万吨/年木薯乙醇项目正在建设中,该装置由中粮集团与中石化共同持有,由中粮控股。

与此同时,中粮集团还顺应国家粮食和能源的双重战略,将开发非粮替代燃料乙醇作为重点发展方向。该集团已于2006年4月正式在黑龙江启动建设500吨/年纤维素乙醇试验装置,10月投料试车成功。除研发纤维素乙醇外,中粮集团还积极探索以甜高粱、木薯、红薯等非粮原料生产燃料乙醇,并取得进展。因此可以断定,中粮集团这一农业巨头正在新能源领域虎视眈眈、大显身手。中粮集团总裁助理、生化能源部总经理岳国君表示,“十一五”期间,中粮集团将耗资百亿元,将乙醇燃料产能扩大到310万吨/年以上,形成约600万吨/年玉米加工能力,建成一批生化能源生产基地,生产5大系列生化产品:淀粉300万吨/年,淀粉糖120万吨/年,谷氨酸30万吨/年,生物乙烯及衍生物30万吨/年,聚乳酸1万吨/年及L乳酸3万吨/年。

中石化2006年7月,中石化在攀枝花建设了一座10万吨/年的生物柴油装置,配套的能源林基地为40万~50万亩。同月,中石化总投资约1800万元、规模为2000吨/年生物柴油的试验装置在河北建成。2007年4月13日,中石化与中粮集团签订《关于发展中国生物质能源及生物化工的战略合作协议书》,共同发展生物质能源及生物化工,双方将在未来5年内合作建设100万~120万吨/年燃料乙醇的生产装置。5月2日,中石化与安徽省签署合作发展协议,安徽省将优先与中国石化开展在生物质能源领域的合资合作,实现燃料替代和可持续发展。中石化的生物质能源胃口正在逐步增大。

尤其值得注意的是,在政府的帮助下,一些中国公司在海外开办生物燃料加工厂。例如,一家中国企业在尼日利亚投资9000万美元开生物乙醇加工厂,以木薯作原料,年产15万吨,北京出资85%,15%由尼日利亚政府负担。2007年4月12日,国家科技部与意大利环境国土与海洋部签署协议:武汉艾瑞生物柴油有限公司与意大利有关单位合作,在武汉兴建一条将餐馆产生的潲水油、地沟油等废弃油脂,加工成为生物柴油的生产线。这条生产线建成投产后每年可生产3万吨生物柴油,生产成本在5000元/吨左右,与石油柴油相当,发展前景看好。该项目在武汉实施成功后还将向我国的其他大中城市推广。

(二)国家鼓励以非粮食作物进行生物燃料的研发及生产,企业积极响应

国家发改委2006年12月18日下发的《关于加强玉米加工项目建设管理的紧急通知》明确提出,我国将坚持非粮为主积极稳妥推动生物燃料乙醇产业发展,并立即暂停核准和备案玉米加工项目,对在建和拟建项目进行全面清理。通知要求,“十五”期间建设的4家以消化陈化粮为主的燃料乙醇生产企业,未经国家核准不得增加产能。

相关部委鉴于目前危及粮食安全的严峻形势对国内一些地方盲目发展玉米加工乙醇能力的态势实施紧急刹车,令生产企业猝不及防。粮食问题直接关系到整个社会与国家经济的稳定,这也许是国家部委对发展玉米加工乙醇能力紧急刹车的最根本原因。去年玉米和大豆的国际期货价格大幅飙升,受此影响,国内市场的玉米价格也一路走高,国内四大定点乙醇生产厂全部亏损,为了不进一步刺激玉米需求,国家发改委此前已经叫停了一些中小乙醇生产项目。

国家现在和将来都不会鼓励用玉米大规模发展燃料乙醇和工业酒精,但我国有6亿多吨的农作物秸秆,应该展开规模化利用,还有北方的甜高粱及南方的木薯等非粮作物都在国家鼓励利用之列。寻找玉米替代资源,企业已经开始行动。

控股或参股多家燃料乙醇企业的中粮集团正努力发展木薯、甜高粱和纤维素乙醇,中粮集团的广西15万吨/年木薯乙醇项目正在建设中,计划在今年投产;甜高粱乙醇正在中试阶段,分别在广西桂林和内蒙古五原建设了液态发酵和固态发酵中试装置;在黑龙江肇东建立了500吨/年的纤维素乙醇中试装置,目前正改造生产装置,优化工艺流程,为万吨级工业示范装置的建设奠定基础。

河南天冠也正在积极提高非粮作物的使用比率,如在南阳发展脱毒红薯基地,在老挝租用土地建设木薯生产基地,3000吨/年的纤维素乙醇工业示范装置已于去年8月开工建设,预计今年年底投产。

吉林燃料乙醇有限公司正在建设3000吨/年纤维素乙醇生产装置,准备今年投产,同时该公司还在研究开发以甜高粱为原料的燃料乙醇生产技术。

不利因素

诚然,我国有丰富的非粮生物质资源有待开发利用,除了有农作物秸秆、甜高粱、木薯、红薯处,还有甘蔗、甜菜、芒草、柳枝稷等。但这些作物普遍存在收集、贮运的难题,生产中又有技术、工艺、设备不成熟等诸多问题,另外农业生产的季节性和工业化生产连续性的矛盾也是制约非粮食乙醇发展的主要因素。

(一)乙醇燃料的推广促使粮食价格上涨

让人担忧的迹象频频出现。世界一些积极推广乙醇燃料的国家粮食已在上涨,比如美国、巴西、墨西哥和中国等国家。以美国为例,用玉米生产乙醇对粮价上涨起到了促进作用。2006年8月,购买1蒲式耳(等于35.238升)玉米要付2.09美元,但2006年9月、10月、11月和12月,这个价格分别上涨到2.2美元、2.54美元、2.87美元和3美元。2006年美国乙醇燃料工业消耗了美国20%左右的玉米,今年预计增加至25%以上。

在中国,掺入10%乙醇的乙醇汽油成为中国能源替代战略的重要目标,但是粮食和粮食产品与乙醇燃料的争夺也日趋白热化。专业研究机构预测,“十一五”期间,中国玉米缺口在350万吨左右,将由玉米的净出口国转变为净进口国,而加工企业抢购粮源必然会使玉米价格扶摇直上。此外,与其他国家不同的是,中国的玉米都是非转基因,非常适合人畜食用,用来生产乙醇燃料显然大材小用。

(二)反对声音渐起,有研究认为乙醇燃料加剧了环境污染

世界范围内已经有多项研究表明,被标榜为绿色的乙醇燃料并非如人所愿可以保环境,而是更加剧了环境污染。美国斯坦福大学大气科学家马克·雅各布森等人的研究结果表示,乙醇燃料对人和生物健康损害比人们以前想象的还要大,以乙醇为燃料的车辆可能导致更多人罹患或死于呼吸系统疾病。如果用以乙醇为燃料的车辆替代所有的轿车和卡车,美国死于空气污染的人数将增加4%。证明乙醇燃料不“绿”反“黑”的研究结果并非孤例。美国华盛顿州立大学的生物学家伯顿·沃恩的研究小组通过实际调查发现,生产乙醇的过程中造成了另一种环境污染,减少生物多样性和增加土壤的侵蚀。另外,即使用非粮食作物甘蔗来生产乙醇,也要消耗很多的水,每处理1吨甘蔗需要用水3900升(3.9吨水),对环境又增加了负担。

(三)生物乙醇产出效率较低

目前世界上普遍用玉米生产生物乙醇,但是产出效率比较低。即使技术最先进的工厂用100kg玉米也只能生产出约45L乙醇,而且在生产乙醇和栽培玉米等原料作物过程中消耗的能量相当于所产乙醇产生能量的80%,同时也会排放二氧化碳。科学家经过系统测算之后,对生物燃料的经济性产生了疑问。

生物燃料在生产过程中所消耗的能源比它们所能够产生的能源要多,并且生产成本高于它们所替代的石油燃料。能源成本首先包括种植作物所需的化肥,也包括进行转化所需的水、蒸汽及电力。经济成本包括人工、除草剂、灌溉与机械以及化肥。与汽油相比能量密度较低的乙醇还增加了运输成本,并降低了发动机效率。玉米、柳枝稷、木质纤维素、大豆及葵花油等多种生物燃料原料植物的能源与经济性逆差是相似的。所有植物生长都需要二氧化碳,当这些植物作为燃料或者转化为其他用于燃烧用途的燃料时会被再次释放出来。从这个意义上说,生物质对碳吸收与排放的影响是中性的。不过,这没有将耕种、施肥、施杀虫剂、运输、干燥以及转化为可用燃料的过程中的能源消耗考虑进去。其中,化肥是消耗能源的主要方面,工业固氮生产氨的Haber-Bosch工艺需要消耗大量能源,大约每吨氨需要3100万英热单位的能源,如果原料不是天然气,而是煤,或者采用需部分氧化的其他工艺,则每吨氨需要4100万英热单位的能源。磷肥与钾肥生产过程中所消耗的能源要低许多(主要是在机械开采、粉碎、干燥等环节)。化肥在生物乙醇、生物柴油生产过程所消耗的能源中分别占45%、24%。在生物柴油的生产过程中,需要与甲醇进行酯交换反应,而这也要占到所消耗能源的35%。

存在问题/生物燃料

问题

大规模使用也有可能带来使农业及生态遭受重大影响的风险。能源作物种植渗入自然景观这一后果显然将导致栖息地破坏和割裂,从而直接造成生物多样性的丧失。若生物质的种植和管理过程中采用不可持续的农业做法(如过度使用化肥可能造成土壤流失或板结),则可进一步造成生物多样性丧失。

耕地方面

可用于能源生物质种植的土地面积是有限的,能源生物质种植可能同现有的农用土地构成竞争。联合国在《可持续能源:决策者框架》报告指出,生物燃料的生产会通过占用土地和其他所需资源,进而影响粮食足量供给,而且那些生产生物燃料的农作物往往需要最好的土地、大量水资源和化学肥料。

粮食生产

用麻疯树(又名桐油树)可用于生产生物燃料,这些作物可生长在不适于粮食作物生长的荒地、几乎不需施肥,其种子亦不可食用,对粮食生产影响更小。但有科学家认为:有些第三世界国家的农民把原本用来生产粮食作物的土地,拿来种植能源作物,其发展有减少粮食生产的危险性。

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