【生物质精炼】欧洲木质纤维素生物质精炼的现状与前景

 木质纤维素生物质精炼是指将来自植物的生物质转化为一系列生物基产品的过程。目前，欧洲共有40多家木质纤维素生物质精炼厂。在此，本文主要介绍生物质精炼领域的关键要素，包括原料来源、加工方法和生物质产品市场等，以及这一新产业面临的挑战和未来的发展机遇。

1  欧洲生物质精炼行业介绍

    2012年，欧洲生物经济战略正式启动，欧盟正式将生物经济定义为：利用和生产可再生生物质资源，并将这些资源和一些废弃物转化为高附加值的生物质产品的经济模式。在该战略及其有关方案的推动下，欧盟的生物经济总量从2008年的2.09万亿欧元增加到2015年的2.29万亿欧元。生物质精炼逐渐成为未来生物经济的重要组成部分，国际能源署（International Energy Agency）将生物质精炼厂定义为：利用生物质加工和生产高附加值生物质产品的一体化工厂。

    2017年，欧洲共有224个生物质精炼厂，此外还有许多在建设规划中。然而，其中多达181个商业运营的生物质精炼工厂仅仅是“第一代”工厂，使用糖、淀粉、油和脂肪等来生产生物燃料和油脂化学产品等。只有43个生物质精炼厂是“第二代”工厂，使用可再生的木质纤维素原料（例如除粮食作物和油料作物以外的植物纤维，以及生物质废弃物等）生产生物质燃料、电能、热能、生物基化学品和生物质材料等。

    欧盟的政策监管也加速了木质纤维素生物质精炼领域的发展。例如，“欧盟指令2015/1513”（EU Directive 2015/1513）对生物质精炼的原材料作出限定，要求到2020年，用谷物、淀粉、糖和含油作物（包括农业用地种植的油料作物）为原料生产的生物燃料比例不得超过7％。此外，2018年1月，欧洲议会也投票决定，限制使用粮食作物为原料生产生物燃料，到2030年将此类燃料逐渐减少到3.8%，并鼓励使用木质纤维素废弃物（包括浆纸和相关行业废弃物）为原料生产生物质燃料等产品。

    2014～2020年间，欧盟制定的“Horizon 2020”计划中投资了许多与生物质精炼有关的项目，如表1所示，致力于巩固欧洲木质纤维素生物质精炼领域，发展生物经济。因此，对木质纤维素生物质精炼工业未来的关键评估尤其及时。

2  木质素生物质精炼行业工作流程 

    目前有多种原材料可用作木质纤维素生物质精炼的原料，包括来自森林、农业和工业废料的残渣。与可利用的总生物质相比，目前的木质纤维素年消耗量仍相对较小。欧洲S2Biom生物质项目旨在预测欧洲非粮食生物质原料潜力，预测到2030年，欧洲需要多达4.76亿吨木质纤维素生物质才能满足欧洲整个生物质行业的需要。因此，发展生物质精炼的挑战首先来自于原料供应的限制。原料供应链主要包括收集、干燥、浓缩、运输和储存，这些过程将根据生物质种类和来源而不同，相同的是生物质精炼每个阶段都面临着巨大的挑战。

2.1  收集 

    收集过程中最大的挑战是资源的集中、数量和质量上的不可预测性、高水分含量(如农业废弃物)和可能的污染(如农业残留物中的土壤污染)。收集、干燥和浓缩在分散设施中进行，然后运输至生物质反应器或集中储存设施。

2.2  干燥 

    源自农业、工业废弃物或残渣的木质纤维素生物质含有较高的水分，可能会使生物质的处理和浓缩变得更加复杂，质量可能会恶化，因此干燥是必然的过程。干燥过程可以是自然干燥，也可以通过常规加热或微波进行。

2.3  浓缩

    通过堆叠、打包、压块或挤压的方式进行，是提高纤维素类材料体积密度的必要预处理步骤。这些步骤允许对每单位原料进行高效运输和储存操作，并实现标准化夹层。在压实过程之前，可能需要进行机械加工，通过螺纹磨削来减小尺寸。虽然现有的农业设备可以用于中等规模的生物质压缩和粉碎，但需要新技术来处理。

2.4  运输  

    从经济角度考虑，当原材料收集区靠近加工和/或储存设施时，运输效率会提高。由于木质纤维素原料分布较为分散，能源成本较高，所以目前木质纤维素生物质精炼厂的现有运输系统效率还相对较低。

2.5  储存 

    农业残留物或工业废物的数量，以及原料供应的季节性变化，都对储存提出了要求。并且既要满足高质量、又要满足低成本的储存要求也十分具有挑战性。此外，生物质储存可能存在显著的健康和安全问题，这也会使运营更加复杂化。

2.6  原材料加工 

    木质纤维素生物质是一种相对难以降解的复杂基质。纤维素糖被封锁于特定结构中，需要通过预处理。许多传统方法(例如化学、物理和生物方法)目前用于预处理木质纤维素生物质，然而，在预处理效率、成本和环境可持续性之间实现可行的平衡是不同的。因此，甚至这些方法的组合也没有在利用多种原料的集成生物质精炼厂的所需规模上得到有效应用。

    目前主流的木质纤维素裂解技术，主要取决于木质纤维素原料的特性和最终产品的价值。这些技术可分为生化或热化学，关键挑战与可持续优化生产过程的可扩展性和灵活性有关(在不同原料、可变市场需求和波动经济的背景下)。因此，将生物质精炼概念与现有的工业加工方法相结合，已被确定为解决这些挑战的潜在解决方案。例如，引用的最常见的模型是一个集成的生物质修复纸浆/造纸厂，它可以生产化学品、燃料或电力，以及传统的木材、纸浆和纸制品。然而，实际上产品的分离和纯化以及确保质量和标准化等方面给工业化进程增加了额外的挑战。

3  应对挑战

    为了应对原材料供应的挑战，欧洲生物质精炼联合战略研究路线图2020提出了几项战略研究举措，包括：开发综合物流模式，消除供应链瓶颈；提供能够处理大量原料的机械；绘制生物质量库存图；建立生物质收集和储存的集中区域中心。预计这些努力将降低物流成本，进而降低生物质精炼成本。然而，为了长期的商业成功，生物质精炼的规模经济对于实现经济上可接受的转换过程的目标也是至关重要的。因此，随着加工能力或木质纤维素原料收集和/或储存半径的增加，物流成本和运营复杂性也增加。因此，目前欧洲正在研究规模较小的综合生物质精炼单位，看看是否适合在欧洲城郊地区使用，以应对这些挑战。

4  生物质产品市场的潜力和未来

    潜在生物基产品的例子包括生物质燃料(例如生物质乙醇、生物质柴油和生物质气)、生物质化学品(例如工业酶和营养制品)和生物质材料(例如生物质可降解塑料)等。

    然而，在欧盟具体政策的支持下，生物质能源和生物质燃料受到了更多关注。到2030年，欧盟的目标是通过来自先进生物质改良(第二代生物质改良)的生物质燃料提供25%的运输能源。到那时，它还打算用生物基化学品取代30%的油基化学品，并用可降解材料取代不可降解材料。有趣的是，80%的欧盟生物质基础设施将位于农村地区，预计这些地区将支持社区发展项目。

然而，发展生物基产品的可持续市场，提高公众对这一领域的认识仍然是一项挑战。即便如此，预计不断变化的市场需求，加上欧盟旨在激发公众意识的进一步政策，将加速产品开发并鼓励私营部门投资。国际专家预计，到2024年，至少将有15个先进的生物质实验室会投入使用。

5  总结

    木质纤维素生物质精炼是未来欧洲生物质经济的重要组成部分。尽管这一新生行业面临着重大挑战，如原料物流、传统加工技术的局限性和不确定的市场经济等，但欧盟旨在支持该行业实现气候和生物质能源目标，推动欧洲范围内生物质精炼以及生物质经济的发展，在一定程度上也为其他国家和地区发展生物质经济提供了蓝本。

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文章来源：2019年3月第5期《中华纸业》