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探索推动“能源+X”变革,固废生物质资源利用亟需技术创新突破

时间:2024-02-06 09:32

来源:中国固废网

作者:徐冰冰整理

1月5日,天津商业无套内内射视频网站生物质热解气化技术创新实验室副主任李健博士在“2023固废战略论坛”上指出,固废生物质利用应突出资源能源属性和环境负碳属性,亟需技术创新突破,发展变革性技术(能源+X模式及技术)。

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李健

固废生物质资源化利用的背景与意义

李健表示,根据目前的测算,生物质固废的总量大约是33.8亿吨(因为统计口径不一样,各个渠道的数据略微有不同),但是可获取的资源量其实只有10亿吨左右,主要包括生活垃圾污泥、农业(秸秆)、林业废物以及畜禽粪便等。    

随着其他新型生物质和新兴固废产量的增加,未来可获取的生物质固废资源量会更多。2060年预期达到15.7亿吨,碳减排潜力可以达到每年20亿吨二氧化碳。 

生物能利用技术在发展过程中主要有三方面的驱动力。

首先,最重要驱动力是环境驱动力。生物质固体废弃物如果不利用会带来很大的环境压力。比如常规的生物质如果不经处理或者粗放处理会带来很严重的环境污染,包括空气污染、水体富营养化或者土地污染。同时如果不加以利用也会导致大量的碳排放。而合理利用畜禽粪便或者农林废弃物等生物质则会形成碳减排,根据大致测算,负碳技术可形成每年七亿吨生态汇碳量。因此对生物质能的利用是必不可少的。

第二个驱动力是能源驱动力。生物质作为一种能源载体呈现出非常强的能源属性,我国目前的能源结构还是以煤、石油、天然气等传统化石能源为主,可再生能源占比大约在15.9%左右。但是石油和天然气这两种主要的化石能源对外依存度非常高,因此预测,未来的能源结构中可再生能源将占到最大的比重,大概在60%左右。煤和石油天然气也不会完全消失,这几种能源会协同互补共同发挥作用。

而生物质能也会体现出自己独特的属性,它既可以与传统的化石能源相协调,比如生物质和煤可以共燃来供能,也可以和其他的新型可再生能源互补。因此生物质能从能源角度来讲,体现出显著的战略安全性、自主可控性、稳定灵活性和强大韧性。

第三个驱动力是国际驱动力,主要指碳税贸易。以远洋航运为例,国际运输碳排放占航运碳排放的90%,远远大于国内运输,大于口岸的碳排放。国际海事组织制定的碳减排计划提到,本世纪末实现航运领域碳中和。因此未来远洋运输的新型能源需求会变得非常大。

通过不同渠道的技术分析发现,绿色甲醇成为航运减碳的首选能源,而绿色甲醛的主要来源是生物质。国际可再生能源署对绿色甲醛产量进行预估,到2050年绿色甲醛产量将增加400%。我国的远洋运输龙头企业中远海运也预测,到2030年,绿色甲醇需求量达100万吨/ 年,绝大部分由生物质能转化制备。因此,国际碳贸易、跨境运输背景下,生物质清洁燃料(甲醇、航油)成为必然选择。

李健用“理想很丰满,现实很骨感”来形容生物质能的发展现状,主要体现为两方面的反差。

第一个反差是“量”的差距。2022年的数据显示,生物质能源利用率不足10%。同时,当前,生物质能总体用量和转化生产能量严重不足,且对减碳的贡献远远还未被充分挖掘。

第二个反差是“质”的缺失。灵活多样的转化利用形式是生物质的特点,但目前未能体现优势。生物质利用可以产生很多固体产物,包括炭肥/土壤修复剂,油/气能源或者氢能/化学品,但从我国目前的市场行情来看,转化出来的产物在市场中的占比还非常小,并没有充分体现出生物质能本身灵活多样的特点。

同时生物质具备“三多一复杂” (原料种类多源、转化技术多变、转化 产物多样、转化过程与污染控制系统复杂)的特点,导致效率低、品质差、经济性差。

现实反差与困难挑战催生了技术的进步,亟需技术创新突破,发展变革性技术(能源+X模式及技术)。从传统的热化学法、生物法技术逐步演化到方法的结合以及方法的耦合,减碳量贡献也会越来越大。

固废生物质利用模式的六大技术创新思考

双碳背景下的固废生物质利用模式应该选择怎样的发展模式?李健表示,应突出生物质/有机废物的资源能源属性和环境负碳属性。从减碳量出发,强化能源转化利用为载体的利用模式。探索验证推动“能源+X”的变革思路,将生物质转化成氢能、高品质合成气体燃料、新型生物基材料、化学品、高端液体燃料等,拥抱美好的新旧能源系统与X协同

第一个思考是价值导向的理念与模型。在上述思路指引下,进行这样的模式和技术变革,从高校比较关注的研究层面来讲,首先应该解决价值导向的理念与模型。传统生物质能利用的技术评判标准比较单一,是以主产物的经济价值为衡量标准。但如今碳减排和环境效益得到越来越多关注的时候,应该分析判断生物质转化过程中能量、物质、环境流(碳流)的相互影响,实现其协同调控。

以热解炭化为例,传统的热解炭化我们只关注炭的产品,其实也伴随产生了油气,并且会导致负面效应,如土壤的二次污染等。正-负效益的博弈,需要重新构建(正负价值计量)价值理论体系,指导平衡调控,实现双赢。

应该如何实现新型价值体系的构建?李健表示,首先需要对每一个过程环节中的基本要素进行分析,以生物质热解气化为例,要聚焦能量流、物质流和环境流,对过程中的输入价值和输出价值,包括正负价值进行对比分析,明晰转化过程的关键要素流向,为价值趋向判断提供依据。

然后,基于关键要素流向分析,聚焦应用场景,从投入与产出视角解耦系统能量、物质、环境三方面的效益与损失(正负价值),推动且加速变革新技术发展。

第二个思考是生物法×热化学法技术交叉的关键科学问题。生物质能利用的主体有两类技术,一类是生物法,一类是热化学法。当单一技术的发展触及天花板的时候,能不能通过技术的耦合来实现新的高品质的、更高层次的、更高效果的产物制备。李健所在的研究团队提出了生物质转化技术交叉耦合的动力学匹配机制,首先利用厌氧发酵对生物质进行简单预处理,进行生物质的初步解聚,再对解聚后的生物质进行热解气化,两个过程进行形成的产品进行联合,实现了系统能源化、系统燃气化的效率突破。

编辑:徐冰冰

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