实现生物质废弃物的循环经济技术途径.pdf

国际工程科技发展战略高端论坛实现生物质废弃物的循环经济技术途径内容提要G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G2A G27 G2B G28 G29 G2C G2D G2E G2F G30 G31 G32 G33 G22 G23 G34 G35 G36 G37 G38 G39 G3A G3B G21G3C G3DG3E G38 G3F G40 G41 G38 G39 G42 G43 G44 G45 G2D G46 G47 G48 G49 G4A G4B G4C G4D G4E G4F G50 G51 G52 G53 G54 G55 G56 G57 G58 G59 G56 G5A G5B G5C G39 G5DG5E G5F G60 G61 G22 G23 G39 G62 G63 G25 G3C G3D G3E G38 G3F G40 G41 G38 G64 G4E G39 G42 G43 G44 G45 G2D G46 G47 G48 G49 G65 G63 G66 G67 G68 G69 G6A G6BG6C G6D G6E G6F G70 G3E G38 G3F G42 G43 G44 G45 G4A G71 G56 G43 G72 G39 G73 G74 G53 G4A G75 G76 G77 G2E G2F G26 G39 G78 G79 G7A G7B G7C G60 G68 G2D G46 G6DG6E G22 G7D G7E G2F G3E G38 G3F G7F G80 G81 G28 G53 G3E G38 G81 G28 G82 G42 G43 G44 G45 G2D G46 G39 G75 G83 G84 G53 G85 G86 G60 G87 G53 G68 G3E G38 G3F G42G43 G44 G45 G88 G89 G8A G8B G59 G6D G6E G8C G22 G3E G38 G3F G42 G43 G8D G7C G8E G8F G82 G90 G63 G49 G21 G22 G23 G24 G91 G92 G93 G28 G29 G2C G80 G94 G95G27 G2B G96 G97 G98 G99 G7A G80 G9A G39 G9B G9C G7A G44 G9D G60 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G21 G21 G21 G21 G21 G21利用生物转化技术实现低值生物质生产生物燃料谭天伟G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21转换可再生原料生产第二代生物燃料和产品：热化学路线G21 G21 G21 G21第四部分生物燃料工业核心技术的发展、示范和应用基于木质纤维素转化技术构建糖平台岳国君G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21浮萍在生物燃料生产和环境保护方面的作用赵海G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21突破生物质转化利用的抗降解屏障：目前的挑战、机遇和策略孙建中G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21玉米秸秆固体碱制浆分离组分及其酶水解林鹿G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21我国餐厨垃圾收集、处理利用现状与未来发展李秀金G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21生物质水相催化合成生物汽油和航空燃油技术马隆龙G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21木质纤维素生物炼制技术曲音波G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21生物质废弃物制备航空生物燃油技术进展陈冠益G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21自固定化酵母细胞发酵技术生产第二代燃料乙醇白凤武G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21基于“系列微藻培养新模式”及“高附加值微藻产品、微藻能源与生物固碳一体化”的产业化技术研究李元广G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21利用生物质生产生物能源和原料G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21中国生物质能源和资源发展路线易维明G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21从纤维乙醇到生物炼制杜风光G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21后记G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21 G21：，：，：第一部分综述第一部分综述综述年月日，由中国工程院主办、化工冶金与材料工程学部、北京化工大学联合承办的“国际工程科技发展战略高端论坛实现生物质废弃物的循环经济技术途径”在北京召开。大会由中国工程院化工、冶金材料学部主任曹湘洪院士主持并致欢迎词，科技部农村技术开发中心贾敬敦主任、发改委能源局刘群处长分别致贺辞。科技部农村技术开发中心贾敬敦主任、发改委能源局刘群处长、加拿大皇家学会院士教授、德国化学工程和生物技术协会理事长教授、中国化工学会名誉理事长曹湘洪院士、石油化工科学研究院汪燮卿院士、总参某研究所吴慰祖院士、北京有色金属研究总院屠海令院士、中石化北京设计院杨启业院士、中国石化工程建设公司徐承恩院士、石油化工科学研究院舒兴田院士、清华大学化工系陈丙珍院士、北京化工大学校长谭天伟院士，以及包括位首席科学家在内的多位知名学者和企业家受邀出席会议。本次国际工程科技发展战略高端论坛的主题是实现生物质废弃物的循环经济技术途径。讨论议题包括从宏观政策角度阐述生物质循环经济的地位与作用，从技术角度论证开展生物加工包括生物质化学加工等循环经济技术的可行性及方案，以及从生物质循环经济产业链形成角度讨论生物质循环利用效率等问题。国内外相关领域的专家学者也分别做了高水平的大会报告，加拿大皇家学会院士、南京工业大学的郑涛教授代表校长欧阳平凯院士、德国化学工程和生物技术协会理事长教授、国际工业生态学学会执行理事、英国萨里大学环境策略中心教授、北京化工大学校长谭天伟院士、德国鲁奇集团可再生能源部研发主任博士等和与会的专家学者一起共同分享了生物质能转化的最新研究成果，并共同探讨了实现生物质废弃物循环经济的技术途径和创新思路。此次论坛的成功举行广泛汇集了来自政府、企业、和学术的各个层面上关于发展生物炼制，利用生物质生产运输燃料、化学品和高分子材料的不同观点和意见，将有助于确定生物质循环经济的地位、作用、技术发展方向，为国家政策、战略的制订提供参考依据。与会专家交流并得出了以下结论和前瞻性建议：第一部分综述生物质能相对于其它可再生能源是一种稳定的能源供给，是未来可再生能源的主导能源。我国农业大国和人口大国的国情决定了其生物质资源十分丰富，而且品种多样，包括各种作物秸秆、林业废弃物、城市有机垃圾、工业有机废水及餐所废油、厨余垃圾等；同时生物炼制的产品也是多样化的，所以在利用生物质做下游产品时要根据资源状况和市场做出恰当选择。生物炼制是未来推动世界经济发展的生物经济的重要基础，虽然生物炼制目前还处于技术开发阶段，部分产品刚刚开始产业化，总体上还不具有经济性，但是其发展潜力很大。生物炼制要解决好以下两个问题：一是原料分散和生产集中的矛盾。生物质原料非常分散而且能量密度低，但是在转化时又希望形成较大生产规模以降低单位产品的投资和运行成本，因而在设计规划时需要兼顾原料收集运输成本和生产集中度，综合平衡，科学确定集中生产的规模。二是提高转化效率，实现能量产出与投入之比的最大化，只有能量产出大于能量的投入，生物质能源利用才有发展前途。我国是农业大国，广大农村有大量人畜粪便等低劣生物质资源，大力发展生物甲烷是其有效利用途径，生物甲烷既可以作为燃料供农村使用，还可以提纯后通过管道运输用作工业燃料和运输燃料。生物转化技术和热化学转化技术是生物炼制的两大关键技术平台，互有优势。其产品既可以是生物燃料，也可以是生物基化学品或材料，要因地制宜找到合适的生物质转化的技术路线和产品方案。对于生物炼制，从国家层面要组织专家研究制定技术路线图和相关的产业发展支持政策，实现生物炼制产业的健康发展。开展生物质能源利用，不同技术路线和产品方案的生命周期能效分析和排放分析是一项重要的基础性工作，尽管难度很大，但应组织力量开展工作。目前来看，与利用生物质生产生物运输燃料相比，生产生物基化学品、生物基材料等在经济性问题上可能比较容易解决，而且这也是一种石油替代；因而通过选取部分有代表性的生物炼制生产化学品或生物基材料的产业示范，验证其经济性，有利于增强社会对发展生物炼制的信心，应予重视。第二部分参会专家名单第二部分参会专家名单加拿大滑铁卢大学荣誉教授，加拿大皇家学会院士德国化学工程和生物工程技术学会理事长英国萨里大学环境策略中心环境技术荣誉教授德国鲁奇集团可再生能源部主任曹湘洪中国石化集团公司，中国工程院院士汪燮卿石油化工科学研究院，中国工程院院士吴慰祖总参某研究所，中国工程院院士屠海令北京有色金属研究总院，中国工程院院士杨启业中国石化北京设计院，中国工程院院士徐承恩中国石化北京石油设计院，中国工程院院士舒兴田石油化工科学研究院，中国工程院院士陈丙珍清华大学，中国工程院院士谭天伟北京化工大学校长，中国工程院院士贾敬敦科技部农村技术开发中心，主任刘群发改委国家能源局能源节约和科技装备司，处长康涅狄格大学化学工程专业教授，聚合物项目成员加拿大渥太华大学化学与生物工程系，教授上海拜耳技术工程服务公司技术开发部主管傅军中国石化石油化工科学研究院总工，教授级高级工程师李希宏中国石化经济技术研究院院长，教授级高级工程师马隆龙中国科学院广州能源所副所长，研究员曲音波山东大学生物科学学院院长，教授孙润仓北京林业大学材料科学与技术学院院长，教授计建炳浙江工业大学之江学院院长，教授梁斌四川大学化工学院院长，教授陈冠益天津大学环境学院院长，教授陈国强清华大学，教授李元广华东理工大学，教授赵海中国科学院成都生物所，研究员易维明山东理工大学科技处处长，教授林鹿厦门大学能源研究院副院长，教授孙建中江苏大学生物质能源研究所所长，教授白凤武大连理工大学，教授第二部分参会专家名单李秀金北京化工大学化工学院副院长，教授郑涛南京工业大学，教授岳国君教授级高级工程师，中粮集团执行董事兼副总经理，兼任生化能源事业部总经理孟广银山东瑞星集团有限公司，董事长杜风光河南天冠企业集团有限公司总工程师刘敏胜新奥科技发展有限公司生物质能源技术研究中心总经理王建平杜邦工业应用生物科技事业部生物燃料亚太区业务总监肖林山东龙力生物科技股份有限责任公司研发中心总监第三部分实现生物质废弃物的循环经济技术途径（国际高端论坛）生物质能源的生态社会经济学评估生物质能源的生态社会经济学评估综述加拿大滑铁卢大学关于环境污染和能源短缺的生态社会经济问题越来越多地出现在公众媒体的头条上，与此同时，在全世界范围内都十分丰富的可再生生物质材料的数量也在不断增长，虽然通常被认为是垃圾，但通过生物技术手段可以利用这些生物质材料来减轻潜在的环境危害，并且生产生物燃料和其他具有经济价值的产品。在本综述中，将介绍针对几种不同产品生产的生物技术：目前占主导的生物乙醇燃料、未来具有吸引力的生物丁醇燃料、农业废物经过厌氧分解的生物甲烷气和通过生物转化方法将纤维素塑料变成的富含蛋白质的食品。基因工程和代谢工程方法是未来改善上述策略应用性的重要手段。是加拿大滑铁卢大学杰出的荣誉教授。一直专注于生物技术和生物过程工艺研究，包括环境生物修复技术和生物制药、生物燃料的生产工艺。在进入学术界前，曾是英国工业部的一名过程工程师。作为一名牙买加出生的华裔加拿大人，拥有伦敦大学的化学理学士学位、生物化工博士学位、及多伦多大学的化学工程和应用化学硕士学位。曾在英国爱丁堡大学作有关过程生物技术的博士后研究。有丰富的国际学术经历，一直担任几所知名大学的客座教授，包括麻省理工学院、加州大学伯克利分校、牛津大学、剑桥大学、苏黎世联邦理工学院、大连理工大学等。经常被国际会议邀请作大会发言。截至目前，已出版了本书，获得了项专利授权，并发表了第三部分实现生物质废弃物的循环经济技术途径国际高端论坛多篇论文（过去的五年有篇）。在全球多个工业和政府部门担任顾问，包括杜邦、辉瑞、联合国开发计划署、联合国粮农组织、美洲国家组织。是杂志的主编（，）和（，共六大卷）年第版的主编。获得了很多荣誉，包括加拿大化学工程协会奖（）、安大略专业工程师协会奖（）和美国化学学会（）生物化学奖。当选为生物工程界最高荣誉的美国医学和生物工程研究院（）院士和加拿大学者最高荣誉的加拿大皇家学会（）院士。电子邮箱：集中利用分散式生物质资源的高效生物甲烷能源体系发展策略集中利用分散式生物质资源的高效生物甲烷能源体系发展策略欧阳平凯南京工业大学一、我国分散的农村低劣生物质资源总量巨大，通过建立农工一体化的高效生物甲烷体系可实现其有效利用以低劣生物质生产沼气作为生活能源在我国农村已取得很好的成效。但是传统的农村户用沼气工程的缺点也很明显：生物转化效率较低、发酵原料单一、以人畜粪便为主等。然而新时代下养殖业和种植业的集中化和规模化使生物质资源更加集中。与此同时，新农村、乡镇的现代化发展也对能源的质量有了更高层次的要求。因此，传统的分散式、低效率的户用沼气能源体系已经越来越不适应新时代农业和村镇的发展需求。基于我国在生物甲烷产业方面积累的经验，为了高效利用我国农村每年产生的巨大的分散的生物质资源（见表），克服传统户用沼气效率低下、无法适应高端用户需求的特点，可依据原料来源合理布局，利用现代生物技术和工程技术，建设批量的小规模沼气工程，实现高效的、工业化的沼气发酵，进而通过构建管网替代车辆运输，将各工程所产沼气利用大规模净化装置进行集中净化提质，生产高纯度生物甲烷，用作农村管道燃气、车用燃气和化工原料，建成分散集中式的农工一体化的高效生物甲烷体系。表我国低劣生物质总量资源类型畜禽粪便作物秸秆林业废弃物农产品加工废弃物污水污泥城乡生活垃圾有机污水合计总量（亿吨年）第三部分实现生物质废弃物的循环经济技术途径国际高端论坛生物甲烷作为一种前景广阔的可再生的绿色能源，与天然气的成分、热值非常接近，在我国拥有巨大的资源潜力（见表）。通过发展农工一体化的高效生物甲烷体系，能替代化石能源用作汽车动力燃料，也可通过管道输送用作农村燃料，还可用作化工原料。表中国低劣生物质生产生物甲烷资源潜力总资源量目前可利用资源量原料总量（亿吨年）沼气产量亿立方生物甲烷产量亿立方原料总量（亿吨年）沼气产量亿立方生物甲烷产量亿立方二、建立农工一体化高效生物甲烷体系是我国可再生能源的重要组成部分，也是节能减排的重要方式随着能源危机的加剧，我国对可再生能源的需求将急剧增长。到年，我国天然气消费占比将从目前的提高至，达到亿立方，其中进口亿立方以上。生物甲烷由于其在降低温室气体排放方面的巨大潜能，正成为最有希望的可再生绿色能源，可在保障能源供应安全方面做出巨大贡献，并将有效地减少温室气体排放。由于生物甲烷是通过废弃生物质生产的能源，与化石能源相比，它的使用过程将没有净排放。以年产气亿立方生物甲烷工程为例，每年可减排万吨，温室气体万吨，氮氧化物吨，年节约用水约万立方米，带来巨大的社会效益和生态效益。三、农工一体化的高效生物甲烷体系尤其适合在我国南方地区实施推广我国南方许多地区的典型特点是化石能源资源相对匮乏，而生物质资源丰富，因此，生物甲烷尤其适合在我国南方地区进行推广。以江苏省为例，年江苏省天然气需求达亿立方，该省的油田产量仅为亿立方，其余都需要通过管道输送以及进口气源海上运输补充，预计在年的天然气供应缺口会达到亿立方。另一方面，江苏省每年农业秸秆量约万吨，禽畜粪便约万吨，可产生物甲烷约亿立方，可完全满足即将面临的天然气供应缺口。为保障能源供应，调整能源结构，生物质资源丰富的南方地区理应把生物甲烷作集中利用分散式生物质资源的高效生物甲烷能源体系发展策略为可再生资源的重要组成部分进行发展。按照农工一体化的生物甲烷体系建设思路，我们对在南方地区建立县级行政区生物甲烷体系工程进行了方案设计及投资成本分析。南方地区一个县级行政区的平均生物质资源量（主要有秸秆万吨以及其他人禽粪便）完全足够支撑亿立方生物甲烷工程。年产亿立方生物甲烷工程项目总投资约亿元人民币。生物甲烷作为运输燃料销售额可达到亿元（交通运输用天然气价格：元立方）；年产沼渣万吨用于做肥料，按照价格在元吨计，肥料年销售额为亿元。两项总的销售额为亿元，测算年总生产成本亿元，预计年利润亿元。表对天然气管道输送与利用当地低劣生物质制造生物甲烷这两种能源产业方式进行了综合比较。表生物甲烷制造与天然气管道运输总投资（亿元）甲烷成本（元）能源性质附带效益带动产业天然气管道输送（进口天然气价格）不可再生钢铁、建材、石化、电力生物甲烷制造可再生减少碳排放，治理环境钢铁、建材、石化、电力、环保、农业以年输气能力亿立方米计算（西气东输工程数据）。年产亿立方米生物甲烷工程造价约为亿，亿立方米总计投资亿元。四、建立农工一体化的高效生物甲烷体系仍需解决的问题在国家政策的鼓励和扶持下，经过多年的科学研究和工程实践，我国在生物甲烷产业积累了一定的经验，正在逐步缩小和国外的技术差距。目前，已建设大中型沼气工程多处，部分实现了并网发电。尽管如此，在一些共性关键技术、系统集成化、标准化以及能源终端应用体系建设方面，仍然存在一些问题需要解决和完善。低劣生物质收集方面：应因地制宜，物质收集（如秸秆）体系需要在政策引导下进一步完善。生物转化过程方面：发酵原料由低浓度向高浓度、由单一原料发酵向多元原料共发酵转变；发酵温度由常温发酵向中温或高温发酵转变；过程装备标准化和成套化。生物甲烷及副产品提质方面：净化工程装备实现设计标准化和制造成套化，第三部分实现生物质废弃物的循环经济技术途径国际高端论坛满足不同规模工业化生物甲烷工程的需求。生物甲烷应用方面：需要在国家政策的引导下，明确生物甲烷在能源战略中的定位，建立能源终端应用体系，更好地融入现有的能源体系。政策扶持方面：参照现有燃料乙醇体系，将沼气工程建设补贴变为生物甲烷销售补贴，改变现有沼气工程建成后难以正常运行的现状。欧阳平凯，年月出生，湖南湘潭人。南京工业大学校长，教授，博士生导师。现为中国工程院院士，项目首席科学家，“十二五”计划专家委员会委员。年毕业于清华大学化工系，获硕士学位。年作为高级访问学者赴加拿大滑铁卢大学和美国普渡大学进修生物化工。年获滑铁卢大学“荣誉博士”学位。欧阳平凯长期致力于生物化学工程领域的研究。作为我国生物化工工程研究和工程教育领域的先行者，在南京工业大学创建生物化工、制药工程等专业，创建生物化工、发酵工程等硕士点，生物化工博士点，国家生化工程技术研究中心，是南京工业大学生物技术学科的创始人和主持人。先后主持了包括国家“”项目项、国家自然科学基金重点项目项等多项国家和省部级项目。年代以来共计发表论文余篇，申请专利余项，出版专著部，培养博士、硕士余名。欧阳平凯教授是我国生物化工学科知名的带头人，其研究成果先后获得国家科技进步一等奖项，国家技术发明二等奖项，杜邦科技创新奖项，省部级一等奖项，并荣获何梁何利科技进步奖、国家有突出贡献中青年专家、“全国杰出专业技术人才”称号。欧阳平凯现任中国生物工程学会理事长、中国石油和化学工业联合会副会长、江苏省科学与技术协会主席、江苏省生物技术协会理事长、江苏省化学化工学会理事长等职。年起享受政府特殊津贴，年获“全国模范教师”称号，被评为江苏省“教学名师”。生物炼制对于未来生物经济的贡献生物炼制对未来生物经济的贡献德国化学工程和生物技术协会生物质用于生产食品、饲料、燃料、化学品和材料的重要性已经凸显，而且在未来将会越来越重要。这种趋势是由多种因素共同促成的：化石资源是有限的；化石燃料产生的二氧化碳排放出于环境保护的要求也应该进行限制；另外，世界人口数量持续地增长，居民生活水平的提高进一步增加了对原材料的需求。生物质作为能源的来源和化学品生产的碳源是可再生的，但同时也是有限的，这是由狭小的农业种植地区所决定的，用于生产食品和能源的土地竞争，种类繁多的工业品生产存在竞争关系，同样十分重要的一点是保护生物多样性的要求，这些因素都要求对有限的生物质资源高效利用并制定出方案。生物炼制是同时实现经济效益和资源保护以及对生物质资源高效利用的关键。为了达到零排放和可持续利用可再生原料的目的，生物炼制耦合了不同的分离和转化过程。不同行业都将扮演重要的角色：农业和林木业生物质生产，化学工业开发新型转化过程、新的生物基产品，以及设备和厂房建设部门。这些行业之间的整合将成为建立以生物炼制为基础的经济的关键，在欧洲我们称之为“生物经济”。德国政府已经决定由来自工业界和学术界的独立专家小组制定一个路线图（图）。该路线图系统性地描述了不同的生物炼制的概念、现状和发展前景。它兼顾经济因素和生态保护，并分析了对研发（）的需求（图）。以下是生物炼制的定义及分析的基础：“生物炼制是一种专门的、经过整合的综合方法，通过尽可能完全地利用生物质各种成分作为各种原材料，可持续性地生产一系列不同