生物质能源能否取代化石能源 取决于未来技术发展趋势

2018-09-10 18:21:23 / 打印

自诞生之初,生物燃料乙醇就被看做是对化石能源日益依赖的重要解决方式。那么,生物燃料乙醇究竟有无可能取代化石能源的主导地位?我国石化行业在可替代能源领域,尤其是生物燃料研发方面,做了哪些积极的探索、取得了哪些进展与成果?

基于这些问题,本刊对中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院生物质燃料与新能源研究室主任李建忠进行了专访,并请他分享了从石化行业的角度对生物燃料乙醇未来发展的看法。

您如何看待传统石油石化与生物燃料之间的关系?

液体生物燃料的发展与石油工业的发展息息相关。20世纪50年代以来,石油化工的快速发展使得交通运输业得以迅猛发展,以液体化石燃料为基础的现代交通燃料体系广泛建立并高效运行。

进入21世纪后,受世界主要产油区政局不稳、新兴经济体增长需求旺盛等多种因素影响,国际原油价格波动较大,供应日趋紧张,另外,环境保护压力不断加大,节能、低碳、减排的燃料体系日益成为发展方向。如何适应现代交通燃料体系要求,开发新型可再生、低碳型交通运输燃料,同时减少石油进口,保障本国能源安全,成为摆在各国面前的重大课题。以生物燃料乙醇为代表的液体生物燃料以其独特的优势,引起了人们极大的关注,经过近30年的发展,液体生物燃料在世界能源消费结构中占比逐年增加,由2000年的不足0.1%上升到2017年的0.6%(8412万吨油当量),占石油消费总量的1.8%,已经成为石油燃料体系的重要补充。

目前石油、煤等传统化石能源仍占据全球能源消费的主要位置,未来生物质能源是否有可能最终取代化石能源的地位?您最看好哪一种生物燃料的发展前景?

未来20~30年的能源结构必将呈现多元化的局面,传统化石能源(石油、天然气、煤)仍将在交通能源中占据主导地位,但是核电、水电、可再生能源等新能源在世界能源消费结构中的占比将有望升至10%,据国际能源署预计,2030年液体生物燃料产量将增长至650万桶/日(约3亿吨/年)以上,占全球能源供应增长的30%。可以肯定的是,未来生物质能源将是主要的能源形式之一,并会在交通能源中占据重要地位,但是能否最终取代化石能源地位,这取决于未来技术发展趋势尤其是地面交通工具的技术发展。

随着电动汽车、无人驾驶汽车等非化石燃料交通出行方式的变革,电动汽车在未来一段时间内将保持较快增速,电能极有可能最终成为地面交通能源的主要形式。民航运输、远洋和内河运输由于其长距离、大功率、无法中途充电的交通运输特点,短期内现有燃料电池技术或者基础设施保障,都还无法满足二者的功能需求,实现完全电动驱动还有相当难度。而随着国际民航组织(ICAO)国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA)、国际海事组织(IMO)2020年全球范围内强制推行含硫量≤0.5%船舶燃油等决议的实施,对民用航空器和船舶尾气温室气体和污染物排放提出了更严苛的环保要求,航空生物燃料、生物航汽、生物柴油等可再生液体燃料,由于性质与传统化石燃料相同或相近,体系相容性良好,且基础设施完全通用,在这些领域是目前最现实可行的能源替代方案和温室气体减排途径,无疑具有良好应用前景。

近年来我国石化行业在可替代能源领域进行了积极的探索,目前在生物燃料研发推广领域已经取得了哪些进展与成果(如乙醇汽油、生物柴油、生物航煤等)?

首先,在生物燃料乙醇方面,众所周知,我国自2001年起启动了利用玉米、小麦陈化粮发酵生产燃料乙醇的项目,陆续建立了中石油吉林燃料乙醇有限公司60万吨/年、河南天冠燃料乙醇有限公司50万吨/年、中粮生物化学安徽股份有限公司70万吨/年、中粮生化能源肇东有限公司40万吨/年4个燃料乙醇生产试点项目,并先后在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽省及湖北、山东、河北、江苏四省的27个地市封闭运行使用E10乙醇汽油。第一代生物燃料乙醇生产技术得到了应用和推广,并且平稳运行至今,积累了丰富的生产运营经验,工艺技术水平也在不断进步,为今后全国范围推广应用燃料乙醇打下了良好基础。

另外,以木薯、甜高粱等原料为代表的1.5代生物燃料乙醇技术也进行了生产应用。2008年广西中粮生物质能源有限公司建成年产20万吨木薯燃料乙醇示范装置,同时广西全面封闭销售使用E10车用乙醇汽油,成为我国首个推广使用非粮原料乙醇汽油的省区,截至2011年3月15日共生产木薯燃料乙醇48万多吨,销售车用乙醇汽油440多万吨。中兴能源有限公司年产10万吨甜高粱茎秆燃料乙醇项目也投产运行,成为世界第一个甜高粱茎秆制乙醇产业化项目,2014年6月1日车用乙醇汽油封闭销售在内蒙古西部三盟市试运行。

同时,企业和科研院所也积极开展以纤维素为原料的第二代燃料乙醇技术研究和工业化试验,和国内外科研院所和国外技术公司开展了广泛的合作,力求短期内突破纤维素乙醇的技术瓶颈,实现纤维素乙醇技术工业化应用。山东龙力生物科技股份有限公司形成了以玉米芯、玉米秸秆等农业废弃物提取完功能糖之后的生物残渣做原料年产5万吨燃料乙醇的工艺路线,并成为国内唯一获得国家定点生产资格的规模化生产第二代生物燃料乙醇的企业。

截止目前,已建成生物燃料乙醇产能约296万吨/年,并在6省(区)及其他5省(区)的31个地市基本实现车用乙醇汽油封闭推广,中国石油、中粮、中国石化等十余年来全国累计生产、销售燃料乙醇超过2000万吨,乙醇汽油占全国汽油总销售量的25%,减少CO2排放约1000万吨,初步奠定了生物燃料乙醇产业发展基础,成功探索了适应国情的发展模式,取得了显著的社会、经济、环境效益。

其次,在航空生物燃料方面,中石油、中石化等公司也先后开展了以小桐子等木本油料、餐厨废弃油脂、棕榈酸化油等为原料,通过油脂加氢脱氧再经裂解异构制备航空生物燃料生产技术的研发攻关,生产出符合ASTMD7566要求的航空生物燃料,与3号化石航煤以50:50掺混调合后,满足ASTMD1655和GB6537的产品质量要求,自2011年起先后成功进行了一次演示验证飞行和两次载客商业验证飞行。这些验证试飞结果标志着中国航空生物燃料产业链已被打通,建立了从规模化集约化种植与采收、原料加工和储运,直至油品炼制和加注使用的完整解决方案,开发出一条以非粮小桐子等为原料、符合中国实际、具有行业竞争力的航空生物燃料全新产业链条,我国已具备提供航空生物燃料的技术条件,为航空生物燃料的商业化应用打下了坚实基础。

在生物柴油方面,我国基本使用回收的酸化油或餐饮业废油为原料,以均相碱催化酯交换法进行生产,已实现了酯交换法生物柴油工艺、设备及技术的自主化,但也存在着工艺技术相对落后,物耗较高,废物产量大,原料综合利用率低等问题。虽然开发了亚/超临界技术,但是能耗较高,降酸流程较长,需要开发耦合技术或强化技术,显著降低能耗和物耗,提高原料利用率。

目前,我国生物柴油产能达到400万吨/年,年产5000吨以上的厂家超过40家,如海南正和、四川古杉、福建卓越等民营企业从2000年之后陆续建成了万吨级生产装置,中石化等大型石化公司和中粮等粮油公司近年来也建成了5万吨/年以上的生产装置,西安油脂设计院和中石化工程建设公司等均可完成工程设计和工程总承包。此外,清华大学的酶催化、中石化的高压醇解等自主创新技术也都已经建成国家级生产示范装置。虽然有大规模化趋势发展,但由于受石油价格下滑的影响,现有装置开工率不到10%。

未来20~30 年的能源结构必将呈现多元化的局面,未来生物质能源将是主要的能源形式之一,并会在交通能源中占据重要地位,但是能否最终取代化石能源地位,这取决于未来技术发展趋势尤其是地面交通工具的技术发展。

发改委等部委下发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》要求,到2020年全国范围内将基本实现车用乙醇汽油全覆盖。您认为该目标能否如期达成?乙醇汽油在我国推广还面临哪些障碍与问题?

从原料供应、生产技术、产能规模三个方面看,该方案的目标基本可以如期达成。首先,原料供应方面。我国玉米年产量约2.25亿吨,年消费总量约1.7亿吨,主要用途为动物饲料生产、玉米淀粉深加工等,每年库存玉米量在5000万吨左右,在国家开始农业供给侧改革、取消临时收储和保护价收购政策前,我国玉米库存量已达2.5亿吨,大部分库存玉米已超期存放,不符合食品加工及饲料安全标准,目前最好的利用途径只能是发酵产燃料乙醇。

其次,生产技术方面。如前所述,第一代生物燃料乙醇生产技术经过近17年的应用推广,平稳运行至今,积累了丰富的生产运营经验,工艺技术水平也在不断进步,为今后全国范围推广应用燃料乙醇打下了良好基础。

第三,产能规模方面。2013年,国家将燃料乙醇项目分类由“轻工烟草”调整到“能源”,并将燃料乙醇项目审批权限由国务院投资主管部门下放到省级政府,审批流程缩短,加之实施方案利好,民营资本、央地合作企业快速上马,产能将会大量释放。自实施方案公布以来,除去已有运行产能255万吨,从去年到今年5月份,国内在建、获批燃料乙醇新增产能达到了225万吨,其中去年四季度到今年一季度,不到半年的时间里,玉米乙醇新增产能达到了166万吨,玉米燃料乙醇正处于有史以来最快的扩能期。可以预见,在充分利用现有食用酒精闲置产能,并适度布局新增玉米燃料乙醇产能前提下,按照现有扩张速度,达到方案要求的2020年实现生物燃料乙醇1100万吨使用规模基本不成问题。

石化企业采购的燃料乙醇如何定价?从石化企业采购燃料乙醇到生产加工为乙醇汽油还需要经过哪些环节?未来乙醇汽油的推广会对传统汽油输送调配过程和以上燃料乙醇调配过程产生怎样的影响?

现阶段生物燃料乙醇结算价格按照国务院价格主管部门制定的同期供国家储备用92号汽油供应价格乘以价格折合系数0.9111计算确定。车用乙醇汽油零售价格按不高于同一市场同阶段同标号车用汽油最高零售价格执行。

乙醇汽油市场都是按照“定点生产、定向流通”的准则运行,一般来说,从石化企业采购燃料乙醇到生产加工为乙醇汽油还需要经过如下环节:

未来乙醇汽油的推广,意味着炼油企业和终端市场之间将增加配送中心这一环节,也只有取得乙醇汽油调合资质,生产企业才能打通下游产业链,这应该是未来乙醇汽油的推广对传统汽油输送调配过程的主要影响。

乙醇汽油在推广过程中的效果和问题(如社会认可度不高等),未来乙醇汽油的推广中还会出现哪些环节中问题?如果有会采取怎样的措施?

对乙醇汽油在推广过程中可能存在的效果和问题主要集中在三点:

一是目前第一代生物燃料乙醇生产原料主要来自于玉米、小麦等粮食作物,存在“与人争粮、与粮争地”的争议。在我国人均耕地面积增长受限的情况下,用粮食发展燃料乙醇始终是生物燃料乙醇产业良性发展的痛点,未来我们应该加强技术研发,力争在能源作物、纤维素等原料制乙醇方面取得突破,彻底为我国的燃料乙醇推广扫清原料和技术障碍。

第二点是认为汽油中添加了燃料乙醇后,由于乙醇性质有异于化石汽油,发动机空燃比有所变化,机动车油耗略会增加。这需要从价格机制上进行改革,结合国内成品油价格和税制改革等有关情况,调整完善生物燃料乙醇定价机制,体现乙醇汽油价格优势,如美国、巴西乙醇汽油价格都较化石汽油低,从而提高消费者的接纳度。

第三是应针对燃料切换过程中可能出现的问题,政府、行业协会及社会机构需要加大宣传力度,加强车用乙醇汽油推广应用的宣传和科普教育,普及车用乙醇汽油的科学知识,汽车企业、车用乙醇汽油销售企业需要做好技术服务工作,积极、及时解决消费者使用车用乙醇汽油过程中遇到的问题。

煤制乙醇等迅速发展的非生物质燃料乙醇工艺路线的成熟,石化企业是否会考虑将其纳入乙醇汽油的采购范围?

能否将煤制乙醇纳入乙醇汽油采购范围,取决于国家政策,决定权并不在石化企业。从工艺技术成熟度、技术经济性等方面看,煤制乙醇不存在任何推广应用问题,但是并不符合国家燃料乙醇产业政策和发展燃料乙醇产业的初衷。

国家扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油,其目的主要是推进绿色低碳发展,优化能源结构,减少温室气体和机动车尾气污染物排放,同时深化农业供给侧改革,保障粮食安全,促进农业农村可持续发展和区域经济发展,促进新旧动能接续转换,推进产业结构调整。煤制乙醇从全生命周期分析,温室气体不但无法做到大幅减排,反而会增加排放,显然也不符合新能源发展趋势。但如果考虑用煤制乙醇发展E85或纯乙醇汽车对解决我国石油供应安全,降低石油对外依存度也有积极意义,从能源安全的角度也是一条可选择途径。

对于今后我国生物燃料的研发,石化行业还可以在哪些领域和方向进行摸索?

如前所述,民航运输、远洋和内河运输由于其长距离、大功率、无法中途充电的交通运输特点,短期内现有燃料电池技术还无法满足其功能需求,而随着国际民航组织(ICAO)国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA)、国际海事组织(IMO)2020年全球范围内强制推行含硫量≤0.5%船舶燃油等决议的实施,对民用航空器和船舶尾气温室气体和污染物排放提出了更严苛的环保要求,航空生物燃料、生物航汽、生物柴油等无疑具有良好应用前景。这将是石化企业需要重点关注并积极研发的领域和方向。

其次,在生物燃料乙醇方面,《方案》也要求到2020年,实现纤维素燃料乙醇10万吨级装置示范运行,到2025年,力争实现规模化生产,并同时提出加强乙醇燃料电池汽车相关基础研究,个人理解实际为2020年后燃料乙醇指明了一条出路。这就要求我们还是必须着眼长远,重点突破纤维素预处理、酶水解、同步糖化共发酵等核心技术中至少1项,再联合优势科研力量集成开发出纤维素燃料乙醇成套技术,力争建成示范装置。长远来看,电动车将占据未来乘用车市场重要位置,传统汽油轿车生存空间将被进一步压缩,我们还需要重点关注乙醇燃料电池研究,做好技术储备。

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李建忠,男,1959 年12 月出生,教授级高级工程师,历任大庆石化总厂化纤厂总工程师、大庆石化公司研究院副院长,现任中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院生物质燃料与新能源研究室主任,集团公司高级技术专家。

主要开展航空生物燃料、生物航汽、燃料乙醇等技术的研究开发工作,先后主持完成了“航空生物燃料试飞用油的生产及试飞验证”、“小桐子规模化、集约化栽培技术研究与示范”、“航空生物燃料成套技术研究开发与工业化应用”等多项国家及中石油重大科技项目的技术攻关。其中,国家能源局项目“航空生物燃料试飞用油的生产及试飞验证”完成了毛油压榨和精炼油生产、航空生物燃料加工及试飞用油的掺调,于2011 年10 月28 日在北京首都国际机场一架波音747-400 机型上进行了演示飞行,标志着我国首次航空生物燃料验证飞行取得成功。国家科技部支撑计划课题“小桐子规模化、集约化栽培技术研究与示范”完成了小桐子优良品种培育、规模化种植、病虫害防治及促花增果等新技术的研究,形成了一系列丰产栽培技术及相关配套规程,并建立了国内首个小桐子核心实验区。

先后获得省部级科技成果奖励4 项,局级科技奖励7 项,主编专著1 本,在国内外核心学术期刊上发表论文38 篇,获授权专利43 件。

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