甘蔗渣热裂解制备生物油可行性研究
摘要：阐述了生物质热裂解机理，对甘蔗渣热裂解液化技术可行性进行了论证。指出了生物油的应用方式，为甘蔗渣快速热裂解液化技术的研究提供了参考并预期了其商业前景。对生物油进行了投资分析，经济效益分析，社会效益分析及技术研究，不仅节约了能源，而且使甘蔗渣裂解制备生物油商业化成为可能。
关键词：甘蔗渣；热解液化；生物油；可行性分析；
0引言
目前，全世界能源消耗的78％依赖于不可再生能源，其中74％为化石能源。自20世纪 70年代以来，人们对石油、煤炭、天然气的储量和可开采时限做过种种的估算与推测，几乎都得出了一致的结论：2l世纪中叶，化石燃料将被开采殆尽，或因开采成本过高而失去开采价值。地质学家早已明确指出，未来石油耗竭已为期不远了。现在，尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间。但无论如何，化石燃料终将耗竭却是无可争辩的事实，“居安思危”开发可替代能源具有重要意义。
生物质热裂解是指生物质在完全没有氧或缺氧条件下热降解，最终生成生物油、木炭和可燃气体的过程。该技术最大的优点在于生物油易存储和易输运，不存在产品的就地消费问题，因而得到了国内外的广泛关注。
甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是甘蔗机械压制后所剩的主要部分，属于农业固体废弃物我国有多个省份种植甘蔗，海南、广东、广西、福建、云南都是我国重要的产糖省份，每个糖厂都库存大量甘蔗渣，按每产1t糖就产生2t甘蔗渣计算，我国在2008年就产生36686万t甘蔗渣。
1 生物燃油产业的发展潜力与前景
1.1 我国发展生物燃油的资源潜力，主要取决于用作种植能源植物的土地资源面积和单位面积产量。
据统计，我国能源农业可利用的土地资源大约有760万平方公顷。按种植甜高粱计，则可生产生物乙醇约2850万吨，生物柴油1425万吨；而且所利用的土地与规划中的农业用地并无多大冲突。能源林业可利用的土地资源大约有6750万平方公顷。按种植黄连木或麻疯树计，则可生产生物柴油约2亿吨，而且能源林业用地与规划中的林业用地冲突性较小。
能源植物资源能有这样的潜力，一方面是要适当利用现有农林业用地和宜耕土地后备资源，一方面是合理开发宜林荒山荒地，再者是利用一定的易改造的盐碱化耕地；这三部分土地面积合0.78亿平方公顷，可为我国未来替代燃油开发提供坚实的原料来源基础。
此外，技术研发还将开拓新的资源空间。工程藻类的生物量巨大，一旦高产油藻开发成功并实现产业化，由藻类制生物柴油的规模可以达到数千万吨。美国可再生能源国家实验室运用基因工程等现代生物技术，已经开发出含油超过60%的工程微藻，每亩可生产2吨以上生物柴油。青岛海洋大学承担了多项国家及省部级海藻育苗育种生物技术研究，拥有一批淡水和海水藻类种质资源和积累了海洋藻类研究开发经验。如果能将现代生物技术和传统育种技术相结合、优化育种条件，就有可能实现大规模养殖高产油藻。
据专家预测估计，到2010年，我国年生产生物燃油约为600万吨，其中生物乙醇500万吨、生物柴油100万吨；到2020年，年生产生物燃油将达到1900万吨，其中生物乙醇1000万吨，生物柴油900万吨。
根据国家专利局和万方数据库等权威网站全面搜索结果显示，目前，在生物油生产工艺方面，利用玉米、大豆、菜籽、天然油脂、动植物油、废动植物油、潲水油、地沟油制取生物柴油的生产工艺是成熟的，已获取国家专利，但未见利用甘蔗制取生物柴油的专利
1.2法律保驾护航，能源市场商机无限
为缓解能源危机和高油价对中国经济发展的严重影响，国家先后颁布了一系列法律、法规，如《节约资源法》、《可再生能源法》等，"十一五规划"把"发展循环经济、节约资源"作为基本国策。
《中华人民共和国可再生能源法》明确指出：“国家鼓励清洁、高效开发利用生物质燃料、鼓励发展能源作物。”“生物液体燃料，是指利用生物质资源生产的甲醇、乙醇和生物柴油等液体燃料。” “国家对列入可再生能源产业发展目录的项目给予专项资金补贴和税收优惠。” “国家鼓励各种所有制经济主体参与可再生能源的开发利用，依法保护可再生能源开发利用者的合法权益。” “石油销售企业必须将符合国家标准的生物液体燃料纳入石油销售体系，未执行上述规定的造成生物质液体燃料生产企业经济损失的应当承担赔偿责任，并由国务院能源主管部门或者省级人民政府管理能源的工作部门责令整改，拒不改正的处以生物液体燃料生产企业经济损失一倍以下的罚款。”
2006年6月20日国家财政部公布的237号文件《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》：由国家财政拨专项资金重点扶持生物柴油、醇醚汽、柴油、沼气应用等可再生新能源发展。
2006年2月，国务院颁布"非公经济36条"：为非公有经济进入传统垄断行业进行商业性资源开发开了绿灯。国家工商总局也下发通知，鼓励有条件的个体私营企业参与法律法规未禁止的石油、工用事业、基础设施等垄断行业、领域的投资与经营。
2006年12月6日，国家商务部公布了《原油市场管理办法》和《成品油市场管理办法》。我国成品油批发销售市场大门对民营、外企全面打开。这一天，距我国加入世贸组织时承诺的时间提前了5天。
可以预计，民营资本将在中国能源市场中扮演越来越重要的角色。开发利用生物质能源、石化替代燃料，正面临着前所未有的发展机遇！
专家议能源：
●清华大学亓平言教授强调：中国的化石能源资源有限，大量开采和消耗势必引起资源枯竭和环境污染，因此，开发新型可再生能源，扩大能源资源来源并向多元化能源利用方向发展，是我国解决能源紧张、环境污染难题，建设和谐社会的必然趋势。尽管我国生物能源的开发利用还处于起步阶段，但是生物能源的发展潜力不可估量！
●我国著名的农业科学家、两院院士石元春提出：发展生物质能源，直指中国三大世纪难题：“三农”、环保、能源问题。我国发展生物质能源和生物质产业可做到不争粮、不争地，在缓解中国能源紧张和环境压力的同时，拉动农村经济、促进农民增收、推进新农村建设，发展潜力巨大。
●中国工程院院士、能源专家谢克昌提议：醇类燃料符合我国的燃料发展方向，无损人体健康和生态环境，并且综合成本低。建议加快推广使用醇类燃料，带动能源、化工和汽车等相关行业的发展，以减少我国石油对外的依存度。
2 研究进展
甘蔗是我国重要的糖料作物。近几年，广西、云南、贵州等省种蔗致富对脱贫起了一定作用，但糖的消费量有限，并且由于合成甜味素的冲击，甘蔗种植面积有大幅波动。而燃料乙醇市场需求量大，所以甘蔗在我国南方地区是最有可能大量用于生产燃料乙醇的糖类原料。大致4亩的甘蔗产量可制取1吨乙醇，与甜高梁近似；原渣同样可制取生物柴油。此外，亩产乙醇量高于普通甘蔗的能源甘蔗在澳大利亚等国已培育成功。在能源甘蔗方面的研究也已经起步并得到了较快的发展。
目前生物燃油的成本比化石燃油要高一些，但技术革新对降低成本的潜力是巨大的。以巴西为例，每吨乙醇的成本从开始时的800美元下降到目前的300美元。此外，由于资源有限、不可再生，化石燃油的价格始终会上涨，生物燃油相比之下将有更强的价格竞争力。
我国生物油产业刚刚起步，目前的年产量不到3万吨，但发展势头较好。
3 生物油的投资分析
由于生产生物油的机械设备投资较大，因此新建生物油加工项目必须需要雄厚的资金支持。据专家测算，每万吨生物油加工项目需投资1000万元， 若新建20万吨生物油加工项目共需投入资金2亿元。
4 生物油的经济效益分析
由于生物油生产成本较低，市场需求量较大，因此新上生物油加工项目经济效益可观。据专家测算，每生产1吨生物油需油脂1。3吨左右（按品质而定），加上化工原料及人工水电费、添加剂等成本，每生产1吨生物油直接成本约为4500元。目前石化柴油市场价为5000元/吨，因此每生产1吨生物油就可实现利润500元。20万吨生物油项目建成后，年可完成产值10亿元，实现利润1亿元，两年就可收回投资。
5生物油的社会效益分析
5.1 产业链条较长，社会效益明显。
生物油项目涉及到淀粉作物和油料作物基地建设、原料的采集收购、油脂压榨、发酵、生物油制备、有机肥料生产、食品加工、市场销售等多个环节，产业链条长，能够提供很多机会。
5.2 产业发展能够带动农民致富，是一个富民工程。
新建一个年产20万吨生物柴油加工项目，直接为百姓创收5亿元，可以使近20万山区人民的脱贫致富；新建一个年产60万吨生物柴油加工项目，直接为百姓创收10亿元，可以使近40万山区人民的脱贫致富。同时生物油产值全部为增加值，它不但有利于当地经济的发展，而且还能有效拉动一产和三产，社会效益显著。
5.3 有利于水资源培育，是“吃干榨尽”的环保生态工程。
生物油产业把原料几乎“吃干榨尽”，没有任何污染，因此是一项环保工程。同时通过原料基地建设培育森林资源，进而推动水源区的生态修复，有利于水源涵养，彰显其生态效益。
6 生物油的生产工艺及专利技术
6.1生物油的生产工艺
生物质是讨论能源时常用的一个术语，是指由光合作用而产生的各种有机体。光合作用即利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气的过程。
6.1.1 生物质反应方程式
生物油的加工过程，主要是指利用生物质热解综合技术和生物质液化技术提取生物液体燃料过程，也就是生物质的脂化过程。
6.1.2国内外主要生产工艺及其特点
生物质热解综合技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下，高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。
生物质液化技术是以生物质为原料，通过热化法、生化法、机械法和化学法等方法，制取醇类和生物柴油等液体燃料的反应过程。
6.2 生物油的生产工艺
鼓泡流化床反应器(bubbling fluidizing bed)研发单位主要有加拿大DynaMotive、西班牙UnionFenosa、英国Wellman等。其中，DynaMotive已建立了日处理100 t木屑的鼓泡流化床工业示范装置，生物油产
率超过60％，油品用于燃气轮机发电。
在流化床式反应器中。生物质颗粒和热载体主要依靠气体运动所产生的曳力进行碰撞和混合，实现动量和热量的交换。其优点主要是不含运动部件、结构较为简单、工作可靠性大、运行寿命长等；缺是流化气体的引入提高了系统的运行能耗。因为这部分外加气体也会经历加热和冷却的工艺过程。
6.3 办厂条件及生产设备
具体办厂条件和生产设备，可根据新建的加工企业规模大小依据表中数据进行推算。
6.4 生物液体燃料的专利技术
根据国家专利局和万方数据库等权威网站全面搜索结果显示，目前，在生物柴油生产工艺方面，利用玉米、大豆、菜籽、天然油脂、动植物油、废动植物油、潲水油、地沟油制取生物柴油的生产工艺是成熟的，已获取国家专利，但未见利用花生制取生物柴油的专利。在乙醇生产工艺方面，利用玉米、木薯、红薯、甜高梁、小麦制取燃料乙醇的生产工艺是成熟的，已获取国家专利，但未见利用黄姜、南瓜制取燃料乙醇的专利。
7 技术研究
7.1生物质热裂解制油机理研究及流化床闪速热裂解装置设计
对生物质闪速热裂解制取生物油机理进行系统的试验和理论研究。 本文首先从生物质各类液化技术研究进展出发，系统地综述了国内外近几年来现有的闪速热裂解制取生物油的各种技术，并在此基础上，自行开发研制出生物质热裂解机理性试验台，开展了基于纤维素原料的生物质热裂解行为的机理实验研究，得出了反应温度和停留时间的变化对热裂解产物的影响，并分析了这两个最主要工况参数的影响机理。为进一步深入了解生物质热裂解的机理奠定了基础。 本文建立了基于上述机理性试验台的纤维素热裂解机理模型。模型综合了纤维素热裂解动力学模型以及传热传质模型。
7.2生物质热裂解实验研究及热裂解产物利用
对生物质热解机理以及生物质热解产物的综合利用进行了系统的研究。首先对生物质利用意义、利用方式以及国内外生物质能利用现状和未来的发展趋势进行了归纳总结，并对生物质热裂解领域的研究进展进行了详细阐述。 然后在热辐射加热机理反应器上，全面研究了片状白松热裂解气体、生物油和焦炭产物随辐射源温度、气相停留时间、物料厚度等反应条件的影响规律；同时对比研究了生物质主要组分纤维素的热解规律，为深入了解生物质热裂解的机理提供了坚实的基础。采用气相色谱与红外光谱仪联用(GC-FTIR)对以生物质为原料的生物油成分进行了分析，同时使用色质联机(GC-MS)分析以纤维素为原料的生物油组分
8结语
生物燃油产业的核心技术是生物燃油技术和能源作物的选育和种植技术。我国在“八五”期间开始生物燃油资源与转换技术的研究开发，采用传统技术用粮食和油料作物生产醇类和油类产品，这只限于在食品与轻工产业；制取燃料作为交通能源产业建设则是在“九五”期间。能源作物的概念对我国来说是较新的，但其选育和种植技术的相关研究实际上已有数年的基础。
能源农林业的大规模发展可以有效地绿化荒山荒地、减轻土壤侵蚀和水土流失。大量使用生物燃油对中国大气环境的保护和改善也有着突出的意义。与化石燃料相比，生物燃油的使用很少产生氧化氮和氧化硫等大气污染物；由于生物质二氧化碳的吸收和排放在自然界形成碳循环，其能源利用导致的二氧化碳排放远低于常规能源。建设从能源农林业到生物燃油加工业的生物燃油产业链，可以成为我国解决“三农”问题的一个有力手段。
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