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寧艷春1，王豐鑫2，趙香香2，伊鳳1，許芳1
（1.中國石油吉林石化公司研究院，吉林132021；2.中國石油咨詢中心，北京100724）
摘要：從我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的愿景出發(fā)，通過對我國一些區(qū)域秸桿“五化”綜合利用的情況調(diào)研，分析了發(fā)展以秸稈為原料的生物質(zhì)能的重要意義；并提出具體建議。
2019年全球的碳排放量高達401億t，其中86%來自化石燃料的使用。因此，減少化石能源的使用，更多地使用低碳能源仍是全球共同追求的目標和能源消費趨勢。2020年9月，我國在第75屆聯(lián)合國大會上莊嚴承諾，中國將力爭2030年前達到碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。
在此大背景下，能源的多元化研究和實踐愈加受到重視。其中，生物質(zhì)能源以其綠色、低碳、清潔、可再生的特點，也越來越受到社會各界的關(guān)注。在我國實現(xiàn)“雙碳”目標的愿景中，生物質(zhì)能源也將迎來新的發(fā)展機遇。本文通過對我國秸稈“五化”（肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化）綜合利用的調(diào)研，提出了我國秸稈燃料化生物質(zhì)能源的發(fā)展趨勢和建議。
1秸桿“五化”綜合利用的調(diào)研情況
1.12020年我國秸桿“五化”綜合利用情況
中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所霍麗麗等[1]，針對秸稈綜合利用存在的溫室氣體排放問題，開展的調(diào)研結(jié)果表明：2020年全國秸稈產(chǎn)生量為8.56億t，可收集量為7.22億t，利用量為6.33億t，秸稈綜合利用率達到87.6%。從“五料化”利用結(jié)構(gòu)分析，2020年，肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化利用量占秸稈可收集資源量的比例分別為62.1%、15.4%、8.5%、0.7%和1.0%。我國秸稈肥料化、飼料化、能源化（燃料化）、基料化、原料化利用的溫室氣體減排占比分別為62.7%、4.4%、30.0%、0.4%、2.6%。肥料化和能源化利用的減排量最高，占總減排量的92.7%，溫室氣體減排貢獻較大。
1.2某地區(qū)2021年秸桿“五化”的綜合利用情況
筆者調(diào)研了東北某地級市2021年秸稈“五化”利用情況。該市2021年秸稈總量為653萬t，其中農(nóng)民自用86萬t，占13.2%；打包離田利用后散落無法收集秸稈29萬t，占4.4%；“五化”利用的秸稈達到300萬t，占46%；未“五化”利用的秸稈238萬t，占36.4%。
（1）秸稈能源化利用。主要形式為秸稈焚燒發(fā)電。2021年已建成生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)3家，生物質(zhì)供熱企業(yè)5家，帶動生物質(zhì)顆粒加工企業(yè)19家，實現(xiàn)秸稈能源化利用量58萬t。
（2）秸稈原料化利用。主要用于生產(chǎn)可降解秸稈紙膜、秸稈板材等，提高了秸稈的附加值。秸稈原料化利用量6萬t。
（3）秸稈肥料化利用。采取玉米秸稈全量翻埋還田、玉米秸稈松耙碎混還田、玉米秸稈聯(lián)合整地碎混還田、水稻秸稈翻埋還田、旋耕還田原位攪漿還田及造肥等方式，有效提高秸稈肥料化利用率。秸稈肥料化利用達到66萬t。
（4）秸稈飼料化利用。大力發(fā)展“秸稈變?nèi)?rdquo;工程，鼓勵秸稈粗飼料利用，擴大秸稈飼料化利用規(guī)模。秸稈飼料化利用達到169萬t。
（5）秸稈基料化利用。大力發(fā)展食用菌秸稈基料化生產(chǎn)、發(fā)展秸稈基質(zhì)育苗、發(fā)展秸稈基質(zhì)栽培生產(chǎn)等利用方式，帶動秸稈基料化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。秸稈基料化利用達到1萬t。
綜上，該地區(qū)2021年實現(xiàn)秸稈“五化”利用300萬t，主要體現(xiàn)在“肥料化、基料化、飼料化、能源化以及原料化”。其中，肥料化利用即秸稈還田66萬t，秸稈基料化、基質(zhì)化利用量1萬t，秸稈飼料化利用量169萬t（省“秸稈變?nèi)?rdquo;工程目標任務(wù)），秸稈能源化利用量58萬t，原料化利用6萬t。2021年秸稈“五化”利用中肥料化利用量、基料化利用量、飼料化利用量、秸稈能源化利用量以及原料化利用量分別占“五化”利用總量的占比情況詳見表1。
從表1可以看出，肥料化利用量和飼料化利用量占比大，占總量的78.33%；能源化占比為19.34%、原料化占比2%，均處于比較低的水平；基料化利用的秸稈由于需求量少，只占比0.33%。
2存在的問題
通過調(diào)研，總結(jié)出了秸稈“五化”利用存在的問題，主要是：收儲運服務(wù)體系不完善、利用技術(shù)不夠先進、激勵扶持政策還有待完善等。“肥料化”、“飼料化”利用占比78.33%，雖然可以解決農(nóng)作物剩余秸稈，但利用率低、投入產(chǎn)出比不高，屬于低值化利用。而相對屬于高值化利用的能源化及原料化利用還處于比較低的水平。秸稈全域禁燒后綜合利用率要達到100%，一方面要擴大“五化”利用，補上未“五化”利用的秸稈缺口238萬t，另一方面要高值化利用，尤其是能源化及原料化利用方面要加大力度。
3發(fā)展以玉米秸稈為原料的生物質(zhì)能勢在必行
2022年1月29日，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中明確了“在能源低碳轉(zhuǎn)型方面，到2025年，非化石能源消費比重提高到20%左右，非化石能源發(fā)電量比重達到39%左右”；“按照不與糧爭地、不與人爭糧的原則，提升燃料乙醇綜合效益，大力發(fā)展纖維素燃料乙醇、生物柴油、生物航空煤油等非糧生物燃料。”
汽油和柴油等化石燃料是把原來固定的碳通過燃燒使其流動化，并以二氧化碳的形式累積于大氣環(huán)境，從而產(chǎn)生溫室效應(yīng)；而以玉米秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，并把太陽能變成有機物而儲藏的能量。在這個過程中，相對于化石燃料，燃料乙醇可以顯著減少溫室氣體排放，改善大氣環(huán)境[2]。
近年來，纖維素燃料乙醇憑借其“清潔能源”和“綠色能源”的屬性也已得到社會各界的廣泛認可和大力支持，不少專家學者提出通過燃料乙醇替代煤炭、石油和天然氣等燃料，不僅可以減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，還可以減少顆粒物質(zhì)排放、溫室氣體排放以及對水體和土壤的污染等，纖維素乙醇是具有發(fā)展?jié)摿Φ幕剂咸娲茉础Ｒ杂衩捉斩挒樵系睦w維素燃料乙醇，具有可再生性、低污染性和減少溫室氣體排放等優(yōu)點。
發(fā)展纖維素乙醇有著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要作用，符合我國建設(shè)清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的要求，是我國倡導(dǎo)綠色低碳發(fā)展，實現(xiàn)“2030年碳達峰、2060年碳中和”目標不可或缺的重要舉措之一。
目前，我國生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，經(jīng)濟性也有待進一步提高。據(jù)有關(guān)方面預(yù)計，隨著我國研發(fā)技術(shù)水平和裝備水平的不斷提高，纖維素乙醇將有望在2025年實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。玉米秸稈、麥稈等農(nóng)林廢棄物的資源化利用，對促進我國能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型，防止環(huán)境污染和碳減排將具有重要的意義。
4發(fā)展建議
玉米秸稈轉(zhuǎn)化為乙醇這個看似并不太復(fù)雜的加工過程，其實困難重重。原料預(yù)處理、纖維素和半纖維素水解糖化、戊糖與己糖發(fā)酵、蒸餾脫水等環(huán)節(jié)都有一系列科學、技術(shù)和工程問題需要探索和解決。纖維素乙醇技術(shù)難以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的主要原因在于原材料、能耗及環(huán)境成本居高不下，難以與第一代燃料乙醇競爭[3~5]。為了強化綠色低碳科技創(chuàng)新，助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)，建議如下。
4.1要統(tǒng)籌解決高效預(yù)處理工藝、低成本纖維素酶生產(chǎn)以及戊糖高效利用乙醇菌種等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，完善和優(yōu)化過程技術(shù)
（1）解決生物質(zhì)抗降解屏障解聚：可通過基因調(diào)控的手段改造能源作物、獲得木質(zhì)素含量較低或木質(zhì)素易解構(gòu)、糖含量高的生物能源生產(chǎn)原料；建立多種預(yù)處理方法，使得木質(zhì)素改性或者脫除，以便于后期木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖[5]。
（2）開發(fā)低成本纖維素降解酶及酶解工藝：結(jié)合合成生物學技術(shù)的進展，充分挖掘酶制劑的高效性與專一性，創(chuàng)建與處理工藝相匹配的酶制劑復(fù)配配方，協(xié)同開發(fā)預(yù)處理與媒介工藝，最終進行工藝集成[5]。
（3）通過增加新的代謝通路提升發(fā)酵效率：菌株的選育和發(fā)酵工藝的優(yōu)化是研究重點，合成生物學可為乙醇發(fā)酵菌株開發(fā)提供新的手段，設(shè)計全新代謝途徑，從而實現(xiàn)碳原子經(jīng)濟，促進纖維素乙醇發(fā)酵工程的整體提升[5]。
4.2構(gòu)建纖維素燃料乙醇整合生物煉制系統(tǒng)，全面降低工藝成本、酶成本、能耗和環(huán)境成本
（1）重點從高效利用纖維素的微生物底盤出發(fā)，通過深入研究木質(zhì)纖維素降解規(guī)律，建立基于生物大數(shù)據(jù)和人工智能的數(shù)字細胞設(shè)計技術(shù)，設(shè)計構(gòu)建戊糖、己糖利用與乙醇、高級醇、脂肪酸、脂肪烴等能源化學品高效合成的途徑，重構(gòu)物質(zhì)與能量代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，促進碳流定向分配和快速轉(zhuǎn)化，使超過80%的碳流用于目標能源化學品的合成，構(gòu)建出國際領(lǐng)先的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的木質(zhì)纖維素整合生物煉制（consolidated biomass processing，CBP）系統(tǒng)，實現(xiàn)纖維素乙醇等萬噸級到十萬噸級的產(chǎn)業(yè)化示范，推進作為低碳交通燃料的應(yīng)用[5]。
（2）運用合成生物學技術(shù)，在代謝工程、基因組工程等層面，繼續(xù)深入研究纖維素乙醇生產(chǎn)制備過程中關(guān)鍵酶的催化機理，理性設(shè)計與定向改造重要底盤生物的生理生化性質(zhì)，進行代謝調(diào)控與遺傳改造，高效定向設(shè)計構(gòu)建優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)纖維素乙醇的人工細胞、多細胞體系、生物與化學耦合系統(tǒng)[5]。
（3）結(jié)合過程工程技術(shù)，在生物反應(yīng)器設(shè)計、生物反應(yīng)過程放大與系統(tǒng)控制等層面上，研究纖維素乙醇相關(guān)的生物發(fā)酵工藝優(yōu)化、智能發(fā)酵控制、發(fā)酵產(chǎn)品分離純化等，實現(xiàn)纖維素乙醇的高效低成本生產(chǎn)，從而在與石化能源的競爭中取得優(yōu)勢[5]。
參考文獻：
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