摘要：生物质液化包括生物化学法生产燃料乙醇和热化学法生产生物油，热化学法又可分为快速热解液化和加压液化。着重介绍了目前达到工业示范规模的各种快速热解液化工艺，如旋转锥反应器、携带床反应器、循环流化床反应器、涡旋反应器、真空热解磨反应器等，以及处于实验室阶段的等离子体液化工艺，讨论了各工艺的特点及存在的主要问题，指出循环流化床工艺具有很高的加热和传热速率，且处理量可以达到较高的规模，是目前利用最多、液体产率最高的工艺。生物质液化生产液体燃料在我国有着广阔的前景，建议加强纤维素生物酶法糖化发酵生产燃料乙醇工艺的开发以及热化学法生物油精制新工艺的开发，从而降低生产成本，提高与化石燃料的竞争力。
关键词：生物质；液化；热解；燃料
中图分类号：TK6 文献标识码：A
Research progress in liquefaction technologies of biomass
CHANG Jie
(Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510070, China)
Abstract: Liquefaction of biomass encompasses biochemical conversion for fuel ethanol and themochemical conversion for bio-oil, which include fast pyrolysis and high pressure liquefaction. Various fast pyrolysis processes of biomass for liquid fuel, such as rotating cone reactor, entrained flow reactor, circulating fluid bed reactor, vortex reactor and vacuum hearth reactor, which are at the commercial demonstration stage, as well as plasma jet flow reactor which is at laboratory stage, were emphatically introduced. The features and problems of each process were discussed and compared. Higher velocity of heating and heat transfer could be obtained in the circulating fluid bed process; also larger scale of treating amount of feedstock could be easily achieved. It concluded that circulating fluid bed process, which can get the highest liquid yield among the above processes, is extensively used in the liquefaction of biomass. Liquefaction of biomass for liquid fuel is a promising technology in China. In order to lower the production cost and improve the rivalrousness of biomass fuel to fossil fuel, research and development in the following technologies, simultaneous saccharification and fermentation of cellulose to ethanol by enzyme, and new refining process of bio-oil produced by thermochemical conversion to higher quality fuel, should be enhanced.
Key words: biomass; liquefaction; pyrolysis; fuel
我国一次能源消费量仅次于美国成为世界第二大能源消费国，然而2000年进口原油已达7000万t。液体燃料的不足已严重威胁到我国的能源与经济安全，为此我国提出了大力开发新能源和可再生能源，优化能源结构的战略发展规划[1-2]。生物质是惟一可以转化为液体燃料的可再生能源，将生物质转化为液体燃料不仅能够弥补化石燃料的不足，而且有助于保护生态环境。生物质包括各种速生的能源植物、农业废弃物、林业废弃物、水生植物以及各种有机垃圾等。我国生物质资源丰富，理论年产量为50亿t左右[3]，发展生物质液化替代化石燃料有巨大的资源潜力。
生物质能源化技术主要包括气化、直接燃烧发电、固化成型及液化等。目前，前3种技术已经达到比较成熟的商业化阶段，而生物质的液化还处于研究、开发及示范阶段[4]。从产物来分，生物质液化可分为制取液体燃料（乙醇和生物油等）和制取化学品。由于制取化学品需要较为复杂的产品分离与提纯过程，技术要求高，且成本高，目前国内外还处于实验室研究阶段，有许多文献对热转化及催化转化精制化学品的反应条件、催化剂、反应机理及精制方法等进行了详细报道[4-8]，笔者将主要介绍生物质液化制取液体燃料的技术与研究进展。从工艺上，生物质液化又可分为生物化学法和热化学法。生物化学法主要是指采用水解、发酵等手段将生物质转化为燃料乙醇。热化学法主要包括快速热解液化和加压催化液化等。
1 生物化学法生产燃料乙醇
生物质生产燃料乙醇的原料主要有剩余粮食、能源作物和农作物秸秆等。利用粮食等淀粉质原料生产乙醇是工艺很成熟的传统技术。用粮食生产燃料乙醇虽然成本高，价格上对石油燃料没有竞争力，但由于近年来我国粮食增收，已囤积了大量陈化粮，我国政府于2002年制定了以陈化粮生产燃料乙醇的政策，将燃料乙醇按一定比例加到汽油中作为汽车燃料，已在河南和吉林两省示范。国内外燃料乙醇的应用证明，它能够使发动机处于良好的技术状态，改善不良的排放，有明显的环境效益。然而我国剩余粮食即使按大丰收时的3000万t全部转化为乙醇来算，可生产1000万t乙醇，也只有2000年原油缺口的1/10；而且随着中国人口的持续增长，粮食很难出现大量剩余。因此，陈化粮是一种不可靠的能源[2]。
美国和巴西分别用本国生产的玉米和甘蔗大量生产乙醇作为车用燃料。从1975年以来，巴西为摆脱对石油的依赖，开展了世界最大规模的燃料乙醇开发计划，到1991年燃料乙醇产量已达130亿L。美国自1991年以来，为维持每年50亿L的玉米制乙醇产量，政府每年要付出7亿美元的巨额补贴[2,3,8]。为弥补粮食的不足，许多国家开展了甜高梁及木薯制乙醇工艺的研究与开发，比如我国“十五”国家高技术研究发展计划（863计划）中标课题“甜高梁制取乙醇”的实施，将建立工业化中试示范工程，为生物质转化液体燃料提供技术支撑[9]。
从原料供给及社会经济环境效益来看，用含纤维素较高的农林废弃物生产乙醇是比较理想的工艺路线。生物质制燃料乙醇即把木质纤维素水解制取葡萄糖，然后将葡萄糖发酵生成燃料乙醇的技术。纤维素水解只有在催化剂存在的情况下才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺。我国在这方面开展了许多研究工作，比如华东理工大学开展了以稀盐酸和氯化亚铁为催化剂的水解工艺及水解产物葡萄糖与木糖同时发酵的研究，转化率在70％以上[10]。中国科学院过程工程研究所在国家攻关项目的支持下，开展了纤维素生物酶分解固态发酵糖化乙醇的研究，为纤维素乙醇技术的开发奠定了基础[11-12]。以美国国家可再生能源实验室(NREL)为代表的研究者，近年来也进行了大量的研究工作，如通过转基因技术得到了能发酵五碳糖的酵母菌种，开发了同时糖化发酵工艺，并建成了几个具有一定规模的中试工厂，但由于关键技术未有突破，生产成本一直居高不下[13-15]。纤维素制乙醇技术如果能够取得技术突破，在未来几十年将有很好的发展前景。