可再生廉价生物燃料将有望实现零碳排放

最近，海南省海洋油气研究所占小玲针对目前国内外生物质燃料研究热潮，按中国团体标准的要求，对系列生物改性甲醇燃料的配方进行了先行设计。这是占小玲继2007年发明第一代常温常压制取生物柴油符合国标后，又一次进行后续改进，创新出第二代系列生物改性甲醇燃料新配方技术。据悉，该第二代系列生物改性甲醇燃料，包含了在现有汽车和炉窑上使用的甲醇生物汽油、甲醇生物柴油、甲醇生物工业炉燃料、甲醇生物民用炉燃料在内的四项自主创新的原创技术。该系列生物改性甲醇燃料主要是利用生物甲醇和生物液体原料，经改性制成。它不同于以往在现有汽车上使用的甲醇汽油、甲醇柴油、甲醇燃料，是因为新配方中不含有国六汽油和国六柴油，主要由甲醇和生物质燃料替代，这种绿色低碳燃料可来源于大自然中农作物秸秆和植物的根、茎、叶、油籽及农林废弃物。

最近国际能源署提出2050年净零排放，来自先进生物液体燃料，从2020年不足1%跃升至2030年的近45%和2050年的90%。国际可再生能源署代表道夫·盖伦在演讲中提到，目前人们越来越关注使用可再生资源生产绿色甲醇。全球甲醇行业协会主席雷格·多兰在致辞中也表示，绿色甲醇是现在和未来碳中和的化学和燃料载体。生物质能是唯一可转化为气、液、固三种形态燃料并具有双向清洁作用的可再生能源，包括生物液体燃料、生物质燃气、生物质成型燃料和生物质发电。开发利用生物质能，是发展低碳经济、循环经济和生态经济的重要内容，是促进农村发展和农民增收的重要措施，是培育和发展战略性新兴产业的重要任务。

除了煤、石油、天然气之外，最大的碳库就是生物质。生物质来源广泛，农作物秸秆、植物的根、茎、叶、油籽、木屑、速生林、速生草及农林废弃物都能利废为能。据统计，我国每年可利用的生物质资源高达67亿吨，全球年产量达到1700亿吨。生物质里的组分如纤维素等都是多羟基结构，与甲醇较为类似。从碳、氧资源的利用率上讲，从生物质到羟基化合物有着不可比拟的优势。生物质是一种洁净的可再生能源，其开发利用已引起世界各国的高度关注。生物质催化合成甲醇技术是秸秆和农林废弃物高品位利用技术之一。一些发达国家如美国、日本、英国、法国、德国、俄罗斯等，早在30年前就开展了技术攻关研究，2004年已有生物质甲醇厂投产运营。2010年11月16日 《中国聚合物网》曾报道：Gevo公司于2010年11月11日宣布，其生产的异丁醇成功接受了美国环保局（EPA）注册，作为燃料添加剂。Gevo公司的异丁醇是列入EPA燃料注册目录中的第一款异丁醇，现已认定可用于与汽油调合。Gevo公司采用合成生物学和新陈代谢工程开发的生物催化剂（发酵有机物）在高温下通过发酵可以仅制造异丁醇。Gevo公司相信，异丁醇是很有吸引力的醇类燃料汽油调合料，它与乙醇相比有较高的能量密度和较低的雷德蒸气压。按照可再生燃料标准II，异丁醇与乙醇相比，可再生燃料价值或可再生鉴定值(RIN)高出30%。异丁醇的特征使其成为其他汽油组分如烷基化油和芳烃有吸引力的替代方案，使用烷基化油和芳烃可使炼油厂改进其汽油配方而提高营业利润。它还可为炼油厂在满足清洁空气和可再生燃料承诺方面提供有价值的方案。Gevo公司的异丁醇可用作特种化学品，作为汽油和喷气燃料调合料，并可通过转化而制取塑料、纤维、橡胶和其他聚合物。该公司将改造其位于明尼苏达州的第一套2200万加仑/年乙醇装置以生产1800万加仑/年异丁醇。该公司计划在今后几年内通过改造其他乙醇装置来扩大异丁醇生产。在未来，该公司将使生产纤维素异丁醇的生物质转化技术推向商业化。

秸秆制生物甲醇/乙醇/丁醇/异丁醇、制生物汽油、制生物柴油正在全球蓬勃发展，我国也进入了量产。不占耕地、不与人争粮，用秸秆和废物碳汇形成闭环，实现零碳排放。中国科技大学自九十年代开始就进行了生物质能源研究，2001年，中科大成立了“生物质洁净能源实验室”，由时任中科大校长的朱清时院士任实验室主任。主要从事把快速生长的树木和农业废弃的秸秆、木屑等生物质转化为液体燃料的研究。根据国家“十一·五”可再生能源发展规划的部署，该实验室的生物油生产技术从实验室走进产业化；生物质制氢、制甲醇、制乙醇、制汽油、制柴油等课题完成小试，部分进入中试。《中国知识产权报》曾于2006年7月5日就报道过，将木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆等多种原料进行加工提炼出生物油，这是中国科学技术大学生物质洁净能源实验室研发的一项新技术，该实验室科技人员宣布，这项成果已通过安徽省科技厅的鉴定。实验表明，木屑产油率60%以上，秸秆产油率50%以上。2020年04月08日《中国科学报》在题为“生物质制甲醇：给点‘阳光’就催化”报道中指出，中国科学院大连化学物理研究所研究员王峰团队历时3年多，创新性地利用光催化的方法，实现了室温条件下生物质裂解制备甲醇和合成气。而该工作利用光激发生物质中的化学键，实现了温和条件下生物质裂解制备甲醇和合成气，产物则是重要的化工原料。另据报道，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室“秸秆炼制工业产业化”示范基地―吉林省松原来禾化学有限公司，早在2010年11月23日，该公司首批生物丁醇由大连港顺利装船启运，由荷兰帝斯曼公司（DSM NeoResins）与法国阿科玛公司（Arkema France）联合采购，发往欧洲比利时安特卫普（Antwerp）港。松原来禾化学有限公司已形成世界最大的15万吨/年生物丁醇生产能力，并建成一套30万吨∕年秸秆炼制生产线，采用具有完全自主知识产权的集成化专利技术，在秸秆木质素、纤维素和半纤维素三组分成功分离的基础上，以半纤维素五碳糖发酵生产丁醇，在以农业废弃物资源为原料制取生物丁醇领域达到了世界领先水平。生物丁醇同时还是一种极具潜力的新型生物燃料。与甲醇和乙醇相比，丁醇亲水性弱，与汽油的配伍性更好，改性后作为燃料可以完全适合现有的汽车和汽油供应系统。生物丁醇也是一种高能量生物质燃料，与传统汽油和乙醇混合汽油相比，生物质丁醇比传统汽油提高车辆行驶里程10%，比燃料乙醇提高30%。与源自石油炼制的运输燃料相比，生物质丁醇具有显著的环境效益，能减少二氧化碳排放量，降低温室气体效应。

国家《甲醇汽油标准及说明》一文中明确指出:多碳醇，是指C2－C8的脂肪醇。如丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、混丁醇等都属于多碳醇。该文指出多碳醇作为助溶剂不得超过2%体积分数。同时还强调，作为助溶剂的添加剂在解决分层问题的同时，可能会引起非金属材料的溶胀、燃烧室沉积物增加等多种负面效果。因而生产企业在研究助溶剂的过程中，在满足油品指标的同时，最好进行发动机或整车的耐久验证。由此可见，生物丁醇、生物异丁醇、生物汽油、生物柴油等生物燃料作为车用燃料时，它们的通性是生物燃料分子中具有与农作物秸秆和植物相同性质的羟基官能团，或酯基、醚基等官能团，与石油炼制的碳氢化合物汽油、柴油成分不同，如果加入比例超过2%，或大量的作为调合组分使用时，必须要创新出多功效的综合改性添加剂。这种多功效综合改性添加剂由有机激发分子及活化因子、抗氧、防腐、破乳等10多种材料组成。针对发动机积碳等有害成份研制，并改善着火和燃烧效能，使之具有提升动力、促进燃烧做功、抗氧抗磨、清洗、洁净、分散、破乳、防腐、防溶胀、润滑等功效。 凭借激活分子材料，直接攻击生物燃料分子中的官能团碳键，在燃料室产生“微爆”，使燃料二次雾化，引发完全燃烧，提升引擎动力，提高热效率、降低油耗、减少排放。经过系统综合改性，只有在综合性能提高的情况下，再与甲醇进行高效的有机耦合才能达标，否则对发动机造成不良影响。特别是生物燃料的羟基、醚基、酯基等官能团的溶解能力超强，对燃油系、发动机燃烧室的金属、非金属侵害过大。因现有汽车发动机中，这些适用于传统汽油和柴油碳氢化合物的零配件，经不起带各种官能团的含氧化合物生物燃料的进攻。只有采取“以毒攻毒”综合改性的特别方法，使钝化后的生物燃料对发动机侵害性降到最低，从而适应在现有汽车上直接使用。对于标准说明中提及的燃烧室沉积物增加负面效果问题，可通过综合改性添加剂的多效自洁净功能，增强和改善生物燃料的品质，提升混合气质量，避免积碳过多、过大、过硬，影响发动机寿命和连带的故障。这种通过高效改性和有效耦合的甲醇生物燃料，使之其自身具有超强的自动清除发动机中“积碳”的特殊功能。当积碳已经聚集在喷油嘴和进气阀表面时，改性添加剂借助很强的表面活性,钻入积碳的孔隙，破坏其结构，并对这些积碳微粒进行分割包围，逐渐把这些积碳微粒从金属表面溶解下来，与燃料一起高温燃烧后通过尾气排出，这就是综合型改性添加剂的作用原理。

生物质能源的转化是通过植物的光合作用而贮存于植物中的太阳能，是一种碳循环的过程（生物质→碳氢化合物+CO2和光+CO2+H2O→生物质）,能实现CO2的零排放。零碳排放，并不是没有二氧化碳排放，而是使用作物、植物及植树等自然方式补充等量的氧气与人们排放的二氧化碳相抵达到平衡。零碳排放，是指无限地减少污染物排放直至零的活动。就其内容而言，一是要控制生产过程中不得已产生的废弃物排放，将其减少到零；二是将不得已排放的废弃物充分利用，最终消灭不可再生资源和能源的存在。就其过程来讲，是指将一种产业生产过程中排放的废弃物变为另一种产业的原料或燃料，从而通过循环利用使相关产业形成产业生态系统。在国家提倡的“零碳排放”下，其中零碳能量包括：风能、太阳能、生物能、地热能、水能、电能。据中国工程院的咨询报告显示，国内各类清洁能源的资源量及占比排序分别为：生物质(11.71亿吨标煤，占比54.5%)、水电(5.84亿吨标煤，占比27.2%)、风电(3.35亿吨标煤，占比15.5%)以及核电(0.58亿吨标煤，占比2.7%)，生物质排第一。

由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通过生物链转化为地球生物质形态，经过加工为社会生活提供生物燃料。在燃烧时所释放出的CO2大体上相当于其植物生长时通过光合作用所吸收的CO2,所以生物燃料的温室气体CO2为零排放。只要有阳光存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物燃料就不会枯竭，温室气体保持动态平衡。即：光合作用下二氧化碳的吸收量与燃烧后二氧化碳的排放量几乎相等。植物光合作用相当于燃烧反应的逆过程，在没有外界干扰的情况下，植物光合作用吸收和生物燃料燃烧产生的二氧化碳相同。因而，生物燃料是一种取用不尽、清洁的廉价可再生能源。生物质可通过一定技术转化为液体燃料和气体燃料等能源物质，包括生物甲醇、生物汽油、生物柴油、生物制氢等。可替代常规能源，为各类运输机械提供动力和各种炉窑提供热力。因此，生物燃料完全可达到零排放的目的。发展生物质能源的意义主要为：①有利于保证国家能源安全，实现能源多元化，减少中国对煤炭、石油、天然气等传统能源的依赖；②有助于大幅减少温室气体排放，降低碳排放量，减少空气污染，可有效的助力“双碳”目标的实现；③发展生物质能源可有力的帮助破解“三农”难题。与其他可再生能源相比，生物质能源是唯一的一种和农民直接发生“关系”的能源，发展生物质能源对农民十分有利，因为生物质能源的原料是从农民手里获得的，所以解决“三农”问题，生物质能源是一个非常好的“抓手”。

占小玲凭多年对甲醇生物燃料的研究经历，设计出系列生物改性甲醇燃料，其配方比例及原料成本分别详见以下表1和表2。

国家发改委修订发布的《产业结构调整指导目录(2019年本)》中有多项生物质相关产业列入鼓励类目录，涉及生物天然气、生物质能清洁供热、燃煤耦合生物质发电、非粮生物质燃料，以及相关技术开发与设备制造等多个领域。包括《产业结构调整指导目录》在内的各项国家相关政策进一步明确了生物质能的定位--生物质能不仅是能源，在“大气污染防治攻坚战”、“蓝天保卫战”以及“乡村振兴”战略的实施中，生物质能利用是关键一环，也为生物质行业带来了前所未有的发展机遇。《中华人民共和国循环经济促进法》第三十四条规定， 国家鼓励和支持农业生产者和相关企业采用先进或者适用技术，对农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工业副产品、废农用薄膜等进行综合利用，开发利用沼气等生物质能源。2022年农业农村部、国家发展改革委发布关于印发《农业农村减排固碳实施方案》的通知称，到2025年，农业农村绿色低碳发展取得积极成效，种植业节能减排、畜牧业减排降碳、渔业减排增汇、农田固碳扩容、农机节能减排、可再生能源替代。《中华人民共和国可再生资源法》第十六条规定，国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物。国务院办公厅《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》中的基本原则是统筹规划，重点突出；因地制宜，分类指导；科技支撑，试点示范；政策扶持，公众参与。以及大力推进产业化，加大政策扶持力度。国家税务总局《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》中规定了生物能源与生物化工财税扶持政策的原则是：国家鼓励利用秸秆、树枝等农林废弃物，利用薯类、甜高粱等非粮农作物和小桐子、黄连木等木本油料树种为原料加工生产生物能源，鼓励开发利用盐碱地、荒山和荒地等未利用土地建设生物能源原料基地。今后将具备原料基地作为生物能源行业准入与国家财税政策扶持的必要条件。国家能源局将积极推进农村生物质能利用，实现生物质能电力、液体燃料、燃气和热力等能源的生物原料种植收集、加工销售、利用产业一体化，促进绿色内需经济，构建城镇清洁能源体系。

中国工程院院士、北京林业大学校长尹伟伦教授则认为，大规模地充分利用太阳能，目前还有很多困难，比如要利用太阳能大规模发电，可能一时半会还做不到。他力挺新兴的生物质能源。生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能，就是以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式，是唯一一种可再生的碳源。

占小玲针对目前国内外生物质燃料快速发展的趋势，将甲醇和生物质燃料进行有机的耦合与改性，并提前按中国团体标准的要求，先行设计出系列生物改性甲醇燃料技术配方，这种事先行动，将系列生物改性甲醇燃料，作为动力和热力燃烧的普及打好事前基础，更为生物改性甲醇燃料在现有汽车上使用创造有利条件。可见，可再生廉价生物改性甲醇燃料，将有望实现零碳排放。因此，应用前景十分广阔。