邢新会：中国气体生物燃料技术现状及挑战

中国能源网讯 10月29日， “2010首届中国国际气体能源峰会暨生物天然气产业国际高峰论坛”在举世闻名的中华古文化发源地“殷墟”所在地河南安阳隆重开幕。 

        此次峰会由中国沼气学会、中国城市燃气协会、中国企业投资协会、中国可再生能源学会、中国农村能源行业协会共同发起，在安阳市人民政府的大力支持下，由安阳贞元集团、殷都区人民政府携手中国能源网共同承办。

        在30日上午举行的 “生物质能和生物天然气的发展模式与应用” 主题演讲中，清华大学化工系教授邢新会博士进行了主题为“低品位生物质生产-气体生物燃料技术现状及其挑战”的精彩演讲。 

        以下是发言实录：

        非常高兴今天参加这个生物天然气高峰论坛，再次感谢组委会的主办。我想比较轻松的给大家介绍一下我们的想法和关于整体气体生物燃料技术的想法和现状。不管是气体、液体生物能源也好都是生物能源。全世界的生物能源是很热的课题或者是一个方向，在这么一个好的时代，我们在讨论生物能源的时候更需要理性、客观的态度讨论生物能源。

        今天我的报告主要是有几个方面，第一想强调一下生物能源整个系统分析的重要性，接下来介绍一下生燃气或者是气体生物然来技术的现状及应用现状。第三方面介绍一下气体生物燃料的技术挑战，这里面存在很多很多的问题，这里讲的气体生物燃料包括生物氢气和生物甲烷，这里针对制氢方面介绍一下我们的想法。

        目前来讲生物能源是全球热点研究领域，针对生物能源研究的一个关键问题是怎么去思考哪个能源更好，或者是哪一类的能源更好，选择什么样的生物能源是比较好的。一个是从生物能源的生产方式来讲，大家熟悉的玉米是在美国做的很好的技术，玉米乙醇做的汽车燃料。还有甘蔗乙醇，还有下面的燃料发电、直接发电等等。是针对多种的可选择的能源形式，我们怎么去选择或者用什么标准选择，这里有很多系统的因素。每个国家的情况不同，选择的标准不一样，经济性、能源效率、水污染、空气污染和环境有关的因素，另外就是原料供应，特别是用什么样的原料做什么样的合适的生物能源也是很重要的一块。生物燃气和下游应用如何整合这些问题制约了选择生物能源的一些因素。

        这是2009年3月份某媒体刊登的我认为比较重要的内容，从原料，农业或者从农作物里面拿到的原料，通过加工可以做乙醇，生物质到乙醇的阶段。另外是生物质到电的途径，哪个系统做持续的能量让汽车跑得更远，用电做的话比用乙醇跑的远。我们在考虑这个生物能源的时候不仅考虑后面的应用，也要考虑整个系统。生物能源全过程的分析重要性，从原料到车轮的重要性，从整个生物能源系统来讲需要考虑很重要的内容。

        关键因素是原料怎么来？原料所消耗的能源，对环境所造成的影响应该怎么分析。从原料来讲，应该可以从玉米来做生物能源，这在中国是走不通的，不能与人争粮、不能与人争地这是基本国情。第二是能源作物，低品位的生物质，成分复杂、利用比较困难的废弃物，这也是一大类的生物质。这几年很热的领域就是微藻作为燃料选择重要的源泉。

        我们考虑这么多的生物质，很重要的指标就是获取这些生物质消耗多少水，不展开讲了，这些论文有兴趣的同行可以去查一下这个论文。这个论文是讲美国一个故事，从不同的植物和不同的草，他在种植过程中所消耗的水或者是需要的土地做一个系统的分析。对选择生物能源原料的时候考虑水是很重要的因素。从玉米做乙醇，大豆油做生物柴油的时候，生物能源很重要的问题就是用大量的水。怎么节省水是生物能源考虑很重要的问题。

        第二是用化学物质，包括农药，这不同的燃料，不同的作物，不同的生物质所需要的氮源和肥料或者是所需要的除草剂和杀虫剂，这是对环境影响的评价。

        下面介绍一下，所谓低品位的生物质资源有多大，根据各种各样的统计，中国每年有7亿吨可收集到的生物质，50%以上是农业秸秆可用的资源。低品位的范围和多样性很大，组织很复杂，一般做生物发酵的时候用起来比较难用。这一类的资源处理不好变成环境问题或者是资源浪费，这是我们考虑中国生物质资源特点的一个很重要的内容。

        把中国能用的生物质资源粗略换算一下，假如说用生产气体来讲，不用分离或者分离成本很便宜，第一做成氢气，第二阶段做成甲烷，日过可以把中国的生物质都用起来的话，粗略估算可以产生1900万吨的氢气和7700万吨的甲烷。08年工业用氢是800万吨，这个量是非常可观的一个资源量或者是做生物燃气很重要一个数据。这个数据对二氧化碳意味着呢？估算一下每年可以减排12亿吨的碳，相当于中国09年的碳排放的18%左右，这对二氧化碳减排起到很重要的作用。报告的专家都讲到了，这个液氧发酵完之后剩下这些废弃物可以做肥料和返田，这个资源效用也是非常大的一个数据。

        对气体生物燃料值得关注，特别是中国来讲，气体生物燃料是很重要的。为什么考虑气体？工业来讲，一个生产的速度，一个是从生物质考虑的能源回收率最大化是很重要的指标。低碳生物质能跟液体相比，气体是比较好的选择，氢气、甲烷和乙醇。乙醇是液体的生物燃料，乙醇是最高的。我们要把氢气和甲烷联在一起共同生产可以达到什么效应呢？第一步是能量回收率可以大幅度的显著提高，假设用生物方法把两者叠加在一起，是协同作用的一个效果。和乙醇相比，乙醇要蒸馏需要获得大量的水。把氢气加到甲烷里面做的话，因为产氢的过程很快，整体的发酵时间会大大缩短，这是氢和甲烷联产比较重要的。[page]甲烷或者是氢气，我们国内分散性农村沼气的建设在中国推广非常快，数量很多。包括欧洲、美国、日本这种大规模的甲烷发酵，针对氢气和甲烷两阶段发酵，目前处于研究或者是中试阶段。关键问题就是氢气生产怎么能稳定和高效生产这是关键的问题，大家知道今天来了很多德国和瑞典的专家，德国和瑞典在这方面用生物燃气做汽车启动也是走的非常靠前的项目。这是大连用污泥产沼气的项目，从大量的工程实践，应该说沼气从成本上来讲还是非常合适的能源状态。和其他的产氢方式相比，用电解水来产氢气相比，用生物质产氢预测的成本来讲还是比较理想的燃料状态。

        另外一个就是能源效率，从油井到车轮的能源效率，一公顷的生物质生成不同的生物能源的时候，推动车走的距离，生物甲烷推动车走的距离最远，这是比较好的能源状况。还有用生物燃气和生物天然气，一个是从油井到车轮释放二氧化碳的量比较小的。还有一个是用甲烷用起来有双重减排二氧化碳的效应。

        另外一个比较重要的应用方式就是假设能把氢气和甲烷大规模做起来的话，除了做燃气和做车载燃料之外，从化工来讲可以很容易把氢气和甲烷反应之后做出来，可以作成低碳的化合物，工业很重要的化合物质。

        面对比较好的气体生物燃料的现状，它存在什么样的技术问题？大家知道甲烷发酵过程比较复杂，周期比较长，启动时间比较长，温度影响比较大，大规模来讲沼气温度控制很重要。如何从低品位生物质生产氢气和甲烷？假设我们把这两个反应做起来，很好控制一部分的能量占领氢气，剩下的有机酸产甲烷的有机酸，两阶段比一阶段的能量回收率有优势，还有大家讲到的环境问题。

        可以描述一下，通过强化水解的路线，可以获得氢气，同时构建一个比较好的有机酸图，让它更有利产生甲烷，提高整体的能量回收率，低碳生物质或者是气体生物燃料的循环途径。目前存在关键的问题，产氢过程的稳定性有待进一步的研究结果，还有就是产氢发酵的时间比较长，另外技术的问题就是怎么和甲烷的发酵进行紧密的偶联。这是产氢的代谢途径，从葡萄糖，生物质水解之后产生糖，糖产生氢气这个过程很复杂，还有复合物的产生。怎么控制这个网络让更多碳、更多能量流入氢气，形成比较好的有机酸普。我们拿到菌之后让它产生作用，怎么让它更有效的产生菌群，让它高效的产生氢气和甲烷的过程是非常重要的。

        最后简单介绍一下氢的瓶颈的问题，有没有思路可以解决，这是通常的厌氧污泥可以产氢，第一阶段是氢气，第二阶段是甲烷。我们用的燃料是纯秸秆，发酵时间可以大大缩短。第二阶段用菌的时候，这里面产氢的菌占的比例非常少。仅仅用厌氧污泥做的话系统稳定性会越来越差。一个在水解阶段通过人工菌群强化之后，可以得到一个很理想的效果。这是用普通的厌氧污泥秸秆获得能量是15%左右，是比较低的。通过人工菌群构建之后，优化之后，可以再到54%以上的水平上，这是非常有潜力的方法。

        这里面主要的原因通过人工菌群控制之后，一个可以增加整个过程的发酵速度，另外很重要一点通过生物质转成氢气没有优化的体系相比是明显的提高，这里面有科学问题需要解决，菌和菌相互之间的机理，还有菌和菌网络的途径，设计人工菌群让他们稳定存在，稳定发生作用，反应器开发也是非常重要的内容。

        超级产氢菌构建的代谢工程和合成生物学有可能解决产氢的速度，高速度的问题。大家知道氢是很重要的，这个网络分析清楚之后，知道哪些地方是控制的，我们把这些关键点控制好清楚之后，不需要的地方可以不要，可以留下氢的思路图。这是我们实验室构建的从菌种的优变到最后构建合理的产生代谢网络的图。

        我们做的一个案例，目前合成生物学已经打破了生物界限，可以把植物很好的起到作用，打破了原有的环境，产生了氢的得力。外来的氢酶引入之后，可以干扰内源的产氢途径，解决一些技术上的问题，这块是挑战，怎么获得更多的氢酶。怎么把厌氧途径整合起来，从何产氢途径，更多能量涌入产氢，这是国内外开展比较热门的研究。

        有了这些氢之后怎么做反应器的研究，前期我们做了一些工作，特殊的载体可以把产氢的速度做得非常理想的水平。这里面包括将来产氢反应器的优化和设计，还有整个过程的优化。我今天想讲的一个就是生物燃料全系统能量分析的重要性，特别是在生物领域非常重要的思路。在中国来讲低品位生物质作为原料的多方面资源和能源效应，理想的生物燃料生产模式选择生物氢气和生物甲烷是考虑的重要的方向。需要解决问题是包括菌群的合理设计，合成生物学在构建理想代谢网络的性，物产氢的开发。

        谢谢大家。


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