“雙碳”背景下中國生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240521.06 文章編號：1003-0417（2024）07-40-10

摘 要：迫于能源短缺與環(huán)境惡化的雙重壓力，中國率先提出“雙碳”目標(biāo)，并大力發(fā)展綠色、清潔的可再生能源，尤其是具備零/負(fù)碳排放優(yōu)勢的生物質(zhì)能。針對當(dāng)前規(guī)?；妹媾R的實(shí)際難題，通過匯總中國生物質(zhì)資源的分布情況及其特征，提出以“地域”或“原料特性”為基礎(chǔ)發(fā)展生物質(zhì)能的核心理念，并全面綜述了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括以能源化利用為目標(biāo)的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)、生物液體燃料技術(shù)、生物燃?xì)饧夹g(shù)和固體成型燃料技術(shù)等，以及基于生物炭/碳材料、生物基材料與化學(xué)品的高值化利用技術(shù)；最后，討論了該領(lǐng)域在未來發(fā)展可采取的策略及重點(diǎn)方向?，F(xiàn)階段，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)正面臨技術(shù)突破和市場拓展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需立足國情，應(yīng)對挑戰(zhàn)，通過科學(xué)的頂層規(guī)劃，聚焦基礎(chǔ)與前瞻的技術(shù)方向，創(chuàng)新發(fā)展模式，為中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支持。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；“雙碳”目標(biāo)；生物質(zhì)資源；能源轉(zhuǎn)型；產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

中圖分類號：TK6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，科技水平快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)力顯著躍升，但同時也出現(xiàn)了全球氣候變暖加劇、傳統(tǒng)能源供需失衡等現(xiàn)實(shí)問題。為此，全球各國紛紛將目光聚焦于可再生能源，并不斷加大對可再生能源技術(shù)的開發(fā)利用。根據(jù)2023年英國石油公司（BP）發(fā)布的《BP世界能源展望》，若考慮當(dāng)前全球能源系統(tǒng)發(fā)展的大致軌跡（即“新動力場景”），全球二氧化碳排放量將在本世紀(jì)30年代達(dá)到峰值，而到2050年該值將比2019年時低30%左右；在此基礎(chǔ)上，“快速轉(zhuǎn)型場景”和“零碳場景”則進(jìn)一步考慮了政策在脫碳力度上的加強(qiáng)及碳封存等技術(shù)的耦合。不同場景下全球的二氧化碳排放量如圖1所示。

隨著可再生能源利用率加速提升，在終端能

源消費(fèi)總量相對穩(wěn)定的情況下，利用可再生能源有助于推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。燃料類型已明顯由化石燃料（比如：石油、天然氣和煤炭）向綠電、綠氫轉(zhuǎn)化，全球化石燃料占比也將從2019年的65%下降到2050年的20%～50%，具體如圖2所示。

生物質(zhì)能是唯一可替代化石能源的含碳可再生能源，其在制備綠氫、綠電方面的潛在規(guī)模在可再生能源中占主導(dǎo)地位[1]。生物質(zhì)能同時也是一種低碳能源，其利用過程中的碳排放本質(zhì)上來源于生物質(zhì)生長時吸收的二氧化碳，若輔以碳捕獲和儲存等技術(shù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)零碳或負(fù)碳排放[2-3]。雖然現(xiàn)階段生物質(zhì)能利用還是以傳統(tǒng)的直接燃燒生物質(zhì)為主，但可預(yù)測，隨著綠電、綠氫在“快速轉(zhuǎn)型場景”中的普及，傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用方式在新興產(chǎn)業(yè)中的使用將逐步減少，并將由固體燃料、生物燃?xì)夂蜕镆后w燃料等新型生物質(zhì)能利用形式所代替，具體如圖3所示。

由圖3可知：固體燃料是未來生物質(zhì)能的重要利用形式，2050年其供應(yīng)量將達(dá)到49.9 EJ，占比為73.9%，主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)和與煤共燒的工廠，有助于幫助難以減排的產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳；而生物液體燃料的供應(yīng)量在2050年將增至9.1 EJ，占比為13.5%，其中大部分能作為可持續(xù)航空燃煤，將占航空領(lǐng)域需求總量的30%～45%。由此可見，生物質(zhì)能具有巨大的“碳減排”和“能源供應(yīng)”潛力，因此如何加快發(fā)展生物質(zhì)能利用技術(shù)，是當(dāng)前最關(guān)鍵的研究問題。

作為全球最大的能源消費(fèi)主體，中國一直肩負(fù)著應(yīng)對氣候變化的責(zé)任，致力于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3-4]。2005年，中國首次以立法形式鼓勵生物液體燃料的發(fā)展，頒布了《可再生能源法》，表明了國家對于開發(fā)利用清潔、高效生物質(zhì)能的大政方針，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入起步階段，初具雛形。2007—2015年屬于生物質(zhì)能探索發(fā)展期，中國政府明確了生物質(zhì)能的重要地位，與其相關(guān)的支撐性政策依次頒布、實(shí)施，比如：《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》、《生物質(zhì)能發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等，為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；c商業(yè)化發(fā)展提供了充分的保障。2021年至今屬于生物質(zhì)能穩(wěn)健增長期，國家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，實(shí)現(xiàn)由技術(shù)創(chuàng)新推動新型生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與融合，不斷完善并實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

在此背景下，近年來中國在生物質(zhì)能領(lǐng)域的相關(guān)研究也呈現(xiàn)快速增長趨勢，在科學(xué)引文索引（SCI）發(fā)文量從2008年的1672篇躍升至2023年的16766篇，在全球范圍內(nèi)排名首位。但值得注意的是，通過分析論文關(guān)鍵詞，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)能利用技術(shù)在不同發(fā)展階段有所區(qū)別。之所以會采用不同的技術(shù)，不僅因生物質(zhì)能利用形式受時代背景的影響，還在很大程度上受單一利用模式不合時宜的影響，往往需要因 “地域”或因“原料特性”而制定合適的利用策略和方式。其中，比較明顯的趨勢是以生物質(zhì)充當(dāng)原料的直接燃燒方式被經(jīng)過物理、化學(xué)或生物化學(xué)（生化）等手段制備成高能量密度生物燃料的方式所取代，從而實(shí)現(xiàn)近乎零碳排放的能源利用方式[5-7]；與此同時，生物質(zhì)能也逐漸向更為高值化的負(fù)碳利用形式擴(kuò)展[3， 8-9]，即將生物質(zhì)從大氣中吸收的二氧化碳通過某種方式保留下來。此種變化趨勢直觀表現(xiàn)為與生物質(zhì)衍生材料及化學(xué)品相關(guān)的研究論文發(fā)表量占比分別從2008年的20.1%、21.1%增長至2023年的34.3%、24.2%。具體如圖4所示。

綜上，本文首先對中國生物質(zhì)的類別、地理分布及特征進(jìn)行分析；然后圍繞“雙碳”背景下中國生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，全面地討論現(xiàn)階段能源化、高值化生物質(zhì)能技術(shù)及其市場現(xiàn)狀；最后針對當(dāng)前生物質(zhì)能利用技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)提出未來的研究思路與方向，為中國生物質(zhì)能的高效、可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1" 生物質(zhì)類別、分布及特征

生物質(zhì)是指利用大氣中的二氧化碳、水和土壤等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，而生物質(zhì)能則是這些有機(jī)體所蘊(yùn)含的能量。截至2023年，中國的生物質(zhì)產(chǎn)量超過35億t，開發(fā)潛力相當(dāng)于4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全球一次能源供應(yīng)總量的10.4%，預(yù)計(jì)到2050年可在全球取代高達(dá)27%的交通燃料消耗量[5]。生物質(zhì)可大致分為木質(zhì)纖維類生物質(zhì)和非木質(zhì)纖維類生物質(zhì)兩種，前者的組成部分主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，而后者的組成部分則主要為碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等。具體而言，中國在2023年的可收集生物質(zhì)能總量達(dá)49.08 EJ，生物質(zhì)類別主要包括有機(jī)廢棄物（31.59 EJ，64.4%）和能源作物（17.49 EJ，35.6%）兩大類；其中，有機(jī)廢棄物主要來自于農(nóng)業(yè)（11.3 EJ，23.0%）、林業(yè)（5.5 EJ，11.0%）、畜牧業(yè)（6.4 EJ，13.0%）和市政垃圾（8.4 EJ，17.0%）[4]。在農(nóng)業(yè)廢棄物中，農(nóng)作物秸稈通常是指玉米、水稻和小麥這3種農(nóng)作物的秸稈；而林業(yè)廢棄物一般是指樹木培育、采伐和木材加工過程產(chǎn)生的廢棄物；畜牧業(yè)廢棄物中大部分為排泄糞渣；而市政垃圾的組分較為復(fù)雜，包括各種類型的固液混合物，其中，木質(zhì)建筑垃圾所占比例最大。

由于中國地域遼闊且氣候差異較大，導(dǎo)致生物質(zhì)資源分布不集中，中國不同類型生物質(zhì)資源的分布及生物質(zhì)能的密度如圖5所示。需要說明的是，圖中原始地圖來自中國自然資源部網(wǎng)站，而各類占比數(shù)據(jù)則是根據(jù)2022—2023年中國各類統(tǒng)計(jì)年鑒及文獻(xiàn)[4]的數(shù)據(jù)得到。

在中國西南地區(qū)中，云南省、廣西壯族自治區(qū)和四川省的生物質(zhì)資源（以能源作物為主）遠(yuǎn)超其他地區(qū)，占中國可收集生物質(zhì)能總量的26.3%；而中國東部地區(qū)，如北京市、天津市、上海市和海南省等，具有相對較低的生物質(zhì)能可收集量（小于0.4 EJ）。除能源作物以外，黑龍江省、山東省、河南省和吉林省等產(chǎn)糧大省的農(nóng)業(yè)廢棄物的能量最大，而林業(yè)廢廢棄物則主要集中在竹林面積較大的福建省和廣西壯族自治區(qū)。由于四川省、河南省和山東省的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，其畜牧業(yè)廢棄物的占比亦較大；而江浙滬地區(qū)則主要產(chǎn)生各類市政垃圾，且資源總能量較大。

生物質(zhì)資源的收集、運(yùn)輸成本還與其分散程度密切相關(guān)，Domingues等[10]通過統(tǒng)計(jì)中國的農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物和能源作物這典型生物質(zhì)的能量及其分散程度，得到了這幾種生物質(zhì)單位能量中位生產(chǎn)成本的最小值，分別為1.74、2.37和2.72 $/GJ。若綜合考慮1 ha土地面積，則可發(fā)現(xiàn)中國東部地區(qū)的生物質(zhì)能密度（大于100 GJ/ha）要遠(yuǎn)高于西部地區(qū)（小于10 GJ/ha）。其中，上海市的生物質(zhì)能密度在全國范圍內(nèi)排名最高，其市政垃圾貢獻(xiàn)了上海市總生物質(zhì)能的56.7%。

生物質(zhì)能采用不同的利用方式可得到不同的產(chǎn)品，比如：燃料乙醇主要是由含糖或淀粉的能源作物通過發(fā)酵制備得到，生物柴油多是由市政垃圾中的地溝油或油脂類有機(jī)物合成得到，市政垃圾中的有機(jī)固廢物和排泄糞渣大部分用于而生產(chǎn)沼氣及附加營養(yǎng)值的生物炭肥料。綠氫也是一種潛力巨大的生物燃料，其主要來源于木質(zhì)纖維類廢棄物的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，這一方式也可用于制備固體燃料。綠電的來源則更加多樣化，可由農(nóng)林業(yè)廢棄物等經(jīng)過各種物理、化學(xué)手段獲取。由此不難發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)資源的分布及其特性共同決定了其可產(chǎn)生的終端產(chǎn)品類型，通常需要不同方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化、提質(zhì)與回收利用，才能充分發(fā)揮生物質(zhì)資源的潛在能量，下文將針對各類生物質(zhì)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行討論。

2" 生物質(zhì)能源化利用技術(shù)

生物質(zhì)能源化利用技術(shù)是指生物質(zhì)通過采用物理轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化及生化轉(zhuǎn)化等過程，形成不同形態(tài)的生物燃料的技術(shù)，具體如圖6所示。目前，部分發(fā)達(dá)國家已形成與產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的成熟技術(shù)體系，而中國也在不斷借鑒并發(fā)展相應(yīng)的新型技術(shù)體系，日趨完善適應(yīng)當(dāng)下國情的生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)模式。

2.1" 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電是指利用農(nóng)林廢棄物、生活垃圾等生物質(zhì)或沼氣等二次能源作為燃料的熱力發(fā)電過程，是“雙碳”背景下生物質(zhì)能源化利用技術(shù)不可或缺的組成部分[11]。截至2022年底，生物質(zhì)發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)4131萬kW；其中，垃圾焚燒發(fā)電的累計(jì)裝機(jī)容量為2386萬kW，占比達(dá)57.8%，并呈現(xiàn)逐年上升趨勢，已成為現(xiàn)階段主要的生物質(zhì)發(fā)電形式。這主要是受“垃圾圍城”問題亟需解決和中國核證自愿減排量（CCER）碳交易市場升溫的影響[12]。對于國內(nèi)而言，隨著城市生活垃圾近年來以6%左右的速度增長，傳統(tǒng)的填埋、堆肥等手段已不適合處理生活垃圾，而清潔、無害化的焚燒發(fā)電技術(shù)被視為最佳的生活垃圾處理方案。此外，中國的CCER碳交易市場發(fā)展空間巨大，生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)可通過參與CCER碳交易拓寬收入來源，降低對國家補(bǔ)貼的依賴，以期通過替代部分煤炭，成為支撐性電源[13]。然而，相較于農(nóng)林業(yè)廢棄物類生物質(zhì)，生活垃圾的組分較為復(fù)雜且潛在污染源較多，持續(xù)發(fā)展新型焚燒或污染物潔凈技術(shù)是促進(jìn)生活垃圾焚燒發(fā)電規(guī)?；年P(guān)鍵，需要建設(shè)以無害化處置為核心，協(xié)調(diào)固廢、危廢、餐廚垃圾等污染物處置一體化的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并推動相關(guān)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步由發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級。

2.2" 生物液體燃料技術(shù)

生物液體燃料是指生物質(zhì)通過一系列技術(shù)制備成與石油組分相似的替代燃料，能直接用于當(dāng)前的工業(yè)鍋爐或燃油發(fā)動機(jī)，可作為生物質(zhì)非電利用的多元化補(bǔ)充。生物液體燃料中，生物柴油和燃料乙醇技術(shù)已具備一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，而其余生物液體燃料，比如：可持續(xù)航空燃料，也已進(jìn)入了高速發(fā)展階段[5，14]。在“雙碳”背景下，這類具有良好“降碳”屬性的生物液體燃料將成為重要減排方式，尤其是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

對于產(chǎn)業(yè)化生物柴油而言，其制備工藝主要是以廢棄油脂為原料的第1和第2代工藝，可按一定比例摻入化石柴油中制成混合柴油，作為工業(yè)燃料用于交通領(lǐng)域[15]。此前，中國企業(yè)生產(chǎn)的生物柴油以出口為主，但受2023年底歐盟對中國產(chǎn)品發(fā)起反傾銷調(diào)查的影響，使中國生物柴油的出口規(guī)模降至極低水平。在出口遇阻情況下，2024年4月，國家能源局綜合司印發(fā)了《關(guān)于公示生物柴油應(yīng)用推廣試點(diǎn)的通知》，積極推動22個試點(diǎn)執(zhí)行生物柴油的推廣應(yīng)用，通過拓展國內(nèi)市場來減緩出口量驟降帶來的影響，這也意味著中國生物柴油產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

燃料乙醇是指將木質(zhì)纖維類生物質(zhì)通過發(fā)酵、蒸餾等手段獲得體積濃度達(dá)99.5%以上的高辛烷值燃料，可按一定比例混入汽油中使用。隨著燃料乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)的不斷突破、創(chuàng)新，其原料選取范圍逐漸從以食用糧食（比如：玉米、小麥和甜高粱等）為主（第1代、第1.5代技術(shù)）轉(zhuǎn)向以非糧食（如稻殼、秸稈和能源作物等）為主（第2代技術(shù)），相比于美國采用的以微藻為原料的第3代燃料乙醇技術(shù)，此種原料更符合中國的發(fā)展現(xiàn)狀[6]。多年來，中國對燃料乙醇產(chǎn)業(yè)始終遵循核準(zhǔn)生產(chǎn)、定向銷售和封閉流通的管理制度，已大致形成穩(wěn)定、有序的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。然而，雖然截至2022年底中國燃料乙醇的年投產(chǎn)能力已達(dá)529.5萬t，但其實(shí)際的年產(chǎn)量卻僅為290萬t，導(dǎo)致供應(yīng)鏈過于依賴進(jìn)口，需要在后續(xù)基礎(chǔ)研究和工業(yè)示范方面突破技術(shù)瓶頸、擴(kuò)大規(guī)模產(chǎn)能。

可持續(xù)航空燃料是指將生物質(zhì)制備的綠色航空用油與傳統(tǒng)燃油按一定比例混合而成的新型航空燃料，此種綠色航空用油通常是由廢棄油脂或農(nóng)林廢棄物經(jīng)催化轉(zhuǎn)化制備而成，其安全性和可持續(xù)性均需要通過民航局認(rèn)證、批準(zhǔn)[14]。據(jù)國際航協(xié)（IATA）預(yù)測，2024年可持續(xù)航空燃料產(chǎn)量將超18億L，但仍不能滿足航空業(yè)需求。在全球范圍內(nèi)，航空行業(yè)若要實(shí)現(xiàn)2030年減排二氧化碳5%的目標(biāo)，則需要生產(chǎn)約175億L的可持續(xù)航空燃料，市場發(fā)展空間巨大[16]。2023年10月1日，中國工業(yè)和信息化部等4部門聯(lián)合印發(fā)《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》，對采用可持續(xù)航空燃料的國產(chǎn)民用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用等進(jìn)行了規(guī)劃?；诖耍珖秶鷥?nèi)也逐漸涌現(xiàn)一批體現(xiàn)技術(shù)、區(qū)域和產(chǎn)品特色的可持續(xù)航空燃料示范工程，包括40萬t/年可持續(xù)航空燃料與高品質(zhì)潤滑油聯(lián)產(chǎn)示范工程、50萬t/年西部地區(qū)可持續(xù)航空燃料產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目，這些項(xiàng)目不斷創(chuàng)新工藝技術(shù)、提升中國生物質(zhì)能利用技術(shù)的國際地位。

2.3" 生物燃?xì)饧夹g(shù)

生物燃?xì)饧夹g(shù)是以生物質(zhì)為原料經(jīng)氣化或厭氧發(fā)酵、凈化提純等手段，產(chǎn)出以甲烷、氫氣和一氧化碳等可燃性氣體為主的技術(shù)，但由于氣化技術(shù)存在反應(yīng)溫度高、設(shè)備成本高和合成氣處理困難等問題，在現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍是以厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)生生物天然氣為主[2]。

依據(jù)2019年12月4日國家發(fā)展改革委、國家能源局等聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源規(guī)[2019]1895號），中國天然氣在2030年的規(guī)劃產(chǎn)能需超過200億m3，體現(xiàn)出巨大的市場需求。在此政策積極推動下，包括中國廣核集團(tuán)有限公司在內(nèi)的央企均迅速布局，而民營企業(yè)，比如：維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司、廣東長青（集團(tuán)）股份有限公司等也已進(jìn)軍生物天然氣領(lǐng)域，在河北省、山東省和內(nèi)蒙古自治區(qū)等有機(jī)廢棄物豐富、禽畜糞污處理緊迫、用氣需求量大的區(qū)域均建成了一批試點(diǎn)項(xiàng)目，并在生產(chǎn)技術(shù)、工程項(xiàng)目和應(yīng)用模式上帶來了一定程度的突破。從技術(shù)上看，生物質(zhì)天然氣主要是由濕基發(fā)酵向干發(fā)酵轉(zhuǎn)變，擺脫了沼液處理問題，使甲烷產(chǎn)率進(jìn)一步提高；從產(chǎn)業(yè)模式上看，生物質(zhì)天然氣產(chǎn)業(yè)逐漸呈現(xiàn)出“三化”趨勢：即沼氣工程的大型化、原料來源的多樣化，以及產(chǎn)業(yè)功能的綜合化[17]。然而，現(xiàn)階段的生物天然氣產(chǎn)業(yè)還面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如：政策支持體系不完善、產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初期、生產(chǎn)成本高及產(chǎn)品市場消納存在一定的壁壘，需要可落地的政策來保障產(chǎn)品消納。

2.4" 固體成型燃料

固體成型燃料主要指生物質(zhì)經(jīng)烘焙或水熱等預(yù)處理步驟，再通過機(jī)械壓塊、成型之后制備的具有較高能量密度的固體燃料，相比其他能源化利用技術(shù)，生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)更加直接且更具有普遍適用性[18]。時至今日，中國的生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)已發(fā)展了十余年，從2006—2008年的起步階段、2009—2012年的試點(diǎn)工程示范階段到2013年至今的快速發(fā)展階段，不斷進(jìn)步的創(chuàng)新技術(shù)和持續(xù)的國家政策支持共同推動了產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是自2021年國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用指導(dǎo)意見》（發(fā)改環(huán)資[2021]381號）以來，中國已基本構(gòu)建了農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾“收、儲、運(yùn)、處理”體系，為生物質(zhì)固體成型燃料的原料提供保障[19]。截至2023年，固體成型燃料的年使用量已達(dá)到了2000萬t，在熱力發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中提供的總熱量更是達(dá)到了18億GJ左右。然而，受公眾認(rèn)識與客觀現(xiàn)實(shí)的影響，始終有學(xué)者對固體成型燃料的清潔特性表示懷疑，且部分企業(yè)對新技術(shù)、新設(shè)備的投入不足，也導(dǎo)致固體成型燃料產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定、燃燒效率不高，這些問題使固體成型燃料的技術(shù)水平在過去一段時間未能有太大突破，影響了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和進(jìn)一步升級。

3" 高值化利用技術(shù)

近年來，利用生物質(zhì)衍生的各類材料和化學(xué)品也被納入國家發(fā)展戰(zhàn)略中，成為生物質(zhì)能在未來發(fā)展的重點(diǎn)之一[8，20]。長期以來，以石油為原料的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)支撐著各類社會活動，但隨著社會發(fā)展對新型材料的迫切需求，由于傳統(tǒng)化工既無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)存量的可持續(xù)轉(zhuǎn)變，也難以帶來新的產(chǎn)業(yè)增量，使新興化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，形成一系列以生物基材料或化學(xué)品為目標(biāo)的高值化利用技術(shù)[21]。

生物基材料與化學(xué)品的種類及其衍生方式示意圖如圖7所示。

3.1" 生物炭/碳

除了可作為能源燃料外，將生物質(zhì)經(jīng)過不同程度的碳化處理后還可制備成生物炭或生物碳，根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用到環(huán)境、化工和醫(yī)藥領(lǐng)域中。生物炭大多用于土壤修復(fù)、污染物吸附等方面[22]，而生物碳可用于石墨烯材料、電容器或生物成像技術(shù)等方面[9，20]。目前，碳化程度高、結(jié)構(gòu)形貌具備特色的生物碳還處于實(shí)驗(yàn)室階段，雖然大量基礎(chǔ)性研究正在進(jìn)行，但仍不具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)；對比之下，將保留大部分營養(yǎng)元素的生物炭制備成多孔炭的工藝技術(shù)已相對成熟，并形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[23]。例如：在“十三五”期間，科技部通過國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)部署了“秸稈炭化技術(shù)工藝與生物炭應(yīng)用基礎(chǔ)研究”、“玉米秸稈全量還田培肥土壤關(guān)鍵技術(shù)研究”和“秸稈生物炭節(jié)水保肥與固碳減排綜合效應(yīng)和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)集成與示范”等相關(guān)課題，在生物基炭肥及碳封存方面取得一大批重要成果，建立了基于不同區(qū)域特征的農(nóng)作物秸稈還田技術(shù)體系。農(nóng)業(yè)部、國家發(fā)展改革委等聯(lián)合印發(fā)的《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》首次將生物炭改良土壤明確寫入扶持政策范疇，并逐漸涌現(xiàn)出以太原綠豐康農(nóng)業(yè)科技有限公司、施可豐化工股份有限公司等為代表的20余家生物炭基肥生產(chǎn)企業(yè)。生物基炭肥在2022年產(chǎn)量為3.61萬t，與需求量基本一致，預(yù)計(jì)其市場規(guī)模到2028年時將實(shí)現(xiàn)9.27%的復(fù)合年增長率。

生物基活性炭常被用于選擇性吸附氣、液兩相中的各種污染源，其國內(nèi)整體需求量在2021年時達(dá)到73.5萬t，同比增長7.6%，但產(chǎn)量卻為98.2萬t，存在產(chǎn)能過剩問題[22]。不僅如此，中國的生物基活性炭的產(chǎn)品質(zhì)量相對較低，相較于國際市場，其仍為中低端產(chǎn)品。這是因?yàn)橹袊纳锘钚蕴科髽I(yè)以小型企業(yè)為主，多數(shù)企業(yè)的年產(chǎn)量規(guī)模在萬噸以下（產(chǎn)業(yè)平均產(chǎn)能不到1000 t），且生產(chǎn)線自動化程度低、高新技術(shù)應(yīng)用較少，導(dǎo)致生物基活性炭的產(chǎn)品品質(zhì)普遍較低。運(yùn)用現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備促進(jìn)生物基活性炭產(chǎn)品升級換代、產(chǎn)業(yè)鏈從單一的通用活性炭生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N專用活性炭發(fā)展，建立獨(dú)立、完整的活性炭工業(yè)體系，將成為中國生物基活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

3.2" 生物基材料和化學(xué)品

不論是傳統(tǒng)的生物質(zhì)能源化利用方式，還是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物基材料，均需要在一定程度上進(jìn)行加氫脫氧處理，但生物質(zhì)自身具有高含氧量（35%～50%）特性，這就意味著需要經(jīng)過多步驟、高耗能的化學(xué)過程才能制備出不同形態(tài)的生物燃料或生物炭/碳產(chǎn)品，從原子經(jīng)濟(jì)性角度來看，并不具備優(yōu)勢[3]?；谏镔|(zhì)含氧特性及其結(jié)構(gòu)特征，重新審視氧原子的地位，采用將“脫氧”轉(zhuǎn)為“碳-氧聯(lián)用”的策略，以定向獲取含氧量高的附加值產(chǎn)品，是未來生物質(zhì)能零/負(fù)碳利用技術(shù)的發(fā)展趨勢。

近年來，中國頒布了一系列政策推動生物質(zhì)能利用逐步從科研開發(fā)走向產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。例如：2022年5月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出發(fā)展生物質(zhì)替代應(yīng)用，培育一批龍頭企業(yè)成為迫切需求；2023年1月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委等6部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于印發(fā)加快非糧生物基材料創(chuàng)新發(fā)展三年行動方案》，提出突破非糧生物質(zhì)高效利用關(guān)鍵技術(shù)、推進(jìn)技術(shù)放大和應(yīng)用示范及以強(qiáng)化滲透能力拓展應(yīng)用領(lǐng)域等重點(diǎn)任務(wù)，以建立高質(zhì)量、可持續(xù)的供給/消費(fèi)體系。得益于各類扶持政策，中國生物基產(chǎn)品的總產(chǎn)量在2021年時已達(dá)700萬t，產(chǎn)值超過1500億元，占化工產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的2.3%；這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于塑料制品（PBS、聚乳酸等）、紡織纖維（尼龍、聚氨酯等）、工程材料（聚碳酸酯等）和生物滌綸（呋喃聚酯等）等領(lǐng)域[10，24]。然而，生物基材料和化學(xué)品在生產(chǎn)過程中的成本普遍比同類石油基產(chǎn)品高30%以上，市場替代優(yōu)勢不明顯且推廣應(yīng)用難；由此可預(yù)見，在未來生物質(zhì)的高值化利用過程中，采用可實(shí)現(xiàn)降本增效的創(chuàng)新型技術(shù)是提高生物基材料和化學(xué)品競爭力的關(guān)鍵。

4" 未來展望與挑戰(zhàn)

生物質(zhì)能作為一種來源廣泛的綠色能源，其未來發(fā)展既是多方主體協(xié)同創(chuàng)新的結(jié)果，也受限于政策的扶持力度。隨著國家相關(guān)政策的不斷頒布、實(shí)施，相關(guān)的法律法規(guī)已逐漸形成體系，但生物質(zhì)能利用在基礎(chǔ)研究方面仍較為薄弱、源頭創(chuàng)新不足，關(guān)鍵技術(shù)和裝備國際依存度高，導(dǎo)致未能高效利用的生物質(zhì)資源成為污染源?；诖?，中國生物質(zhì)能發(fā)展可從以下幾個方面考慮：

1）強(qiáng)化源頭創(chuàng)新，推動生物質(zhì)綜合利用。追求生物質(zhì)利用的綜合性與高值化，要求交叉融合多學(xué)科知識，全面深入研究生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，加強(qiáng)熱化學(xué)、生物化學(xué)及催化轉(zhuǎn)化等理論與技術(shù)，建立多元化利用觀念，并依托綠色制造理念創(chuàng)制高效轉(zhuǎn)化路徑，形成生物基燃料、化學(xué)品和材料等多種產(chǎn)品的理論體系，促進(jìn)能源互補(bǔ)與高效利用。

2）構(gòu)建協(xié)同處置的能源化工系統(tǒng)。構(gòu)建多元化生物質(zhì)綜合處理系統(tǒng)，打破單一處理模式，促進(jìn)原料互補(bǔ)融合，重點(diǎn)研發(fā)畜禽糞便-能源作物、農(nóng)村垃圾-畜禽糞便等協(xié)同處理與多聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)，構(gòu)建區(qū)域綜合工程體系，全鏈條轉(zhuǎn)化農(nóng)林廢棄物為能源、化工原料、有機(jī)肥等資源，優(yōu)化生物質(zhì)綜合利用效能與經(jīng)濟(jì)效益，踐行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

3）設(shè)計(jì)頂層結(jié)構(gòu)，規(guī)劃新工業(yè)發(fā)展模式。生物質(zhì)能發(fā)展需融入美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、“雙碳”目標(biāo)及新質(zhì)生產(chǎn)力等重要思想，綜合考量能源、環(huán)境和生產(chǎn)模式等，實(shí)施多元技術(shù)集成。采納市場化模式，融合資本、服務(wù)與交易于一體，并優(yōu)化生產(chǎn)布局，促進(jìn)生物質(zhì)循環(huán)利用及近零排放，建立生產(chǎn)-生活-生態(tài)協(xié)同的新型工業(yè)發(fā)展模式。

總體而言，開發(fā)、利用生物質(zhì)能零/負(fù)碳利用技術(shù)對于環(huán)境保護(hù)、資源循環(huán)及降低傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)的碳排放量至關(guān)重要，不僅是推動綠色經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)造新興產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)的有效途徑，也是確保能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)均衡發(fā)展的關(guān)鍵措施。在新時代背景下，生物質(zhì)能的利用應(yīng)當(dāng)朝著綜合化、高值化的方向邁進(jìn)，通過科學(xué)技術(shù)的突破，尤其是對基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的深入挖掘，聚焦于生物基燃料、材料及化學(xué)品等目標(biāo)產(chǎn)品，開創(chuàng)高效轉(zhuǎn)化的新型技術(shù)及工業(yè)模式。

5" "結(jié)論

本文對中國生物質(zhì)的類別、分布及特征進(jìn)行了分析，圍繞“雙碳”背景下中國生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，全面討論了現(xiàn)階段能源化、高值化生物質(zhì)能技術(shù)及其市場現(xiàn)狀，并針對當(dāng)前此類能源技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)提出了未來的研究思路與方向?，F(xiàn)階段，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)正面臨技術(shù)突破和市場拓展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需立足國情，應(yīng)對挑戰(zhàn)，通過科學(xué)的頂層規(guī)劃，聚焦基礎(chǔ)而前瞻的技術(shù)方向，創(chuàng)新發(fā)展模式，為中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支持。

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Development status and challenges of biomass energy utilization technology under background of emission peak and carbon neutrality

strategy in China

Zhuang Xiuzheng，Zhang Xinghua，Zhang Qi，Chen Lungang，Ma Longlong

（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，School of Energy and Environment，

Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：Under the dual pressure of energy shortage and environmental degradation，China has taken the lead in proposing the goal of emission peak and carbon neutrality and vigorously developing green and clean renewable energy，especially biomass energy with zero/negative carbon emission advantages. This paper focuses on the practical challenges faced by current large-scale utilization，summarizes the distribution and characteristics of biomass resources in China，proposes the core concept of developing biomass energy based on \"geographical\" and \"raw material characteristics\"，and comprehensively reviews the development status of related technologies，including biomass power generation technology with energy utilization as the goal，bio liquid fuel technology，bio gas technology，and solid formed fuel technology，as well as high-value utilization technology based on biochar/carbon materials，bio based materials，and chemicals. Finally，strategies and key directions for future development in this field are discussed. At present，the biomass energy industry is facing key nodes of technological breakthroughs and market expansion. It needs to be based on national conditions，respond to challenges，focus on basic and forward-looking technological directions through scientific top-level planning，innovate development models，and provide strong technological support for the rapid development of China's biomass energy industry.

Keywords：biomass energy；goal of emission peak and carbon neutrality；biomass resources；energy transformation；industrialized application；development status and challenges

收稿日期：2024-05-21

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFA1508100，2022YFB4201804）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（52236010）；中央高?？蒲胸?cái)政資助（2242022R10058）

通信作者：馬隆龍（1964—），男，博士、教授，主要從事生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化利用方面的研究。mall@seu.edu.cn