欧美等发达国家已深入开展了生物质气化和液化制取液体燃料方面的研究，我国于2007年6月9日的“中国生物燃料乙醇产业化发展战略研讨会”上作了重要说明，国务院常务会议审议并通过了《可再生能源中长期发展规划》。2007年底，黑龙江省内首家利用作物秸秆生产乙醇项目企业—-黑龙江双连能源发展股份有限公司在双城市建成投产，又为大量农作物秸秆再利用找到出路。本方案可以实现生物质秸秆的洁净转化，并一步生成重要的化工原料，因而对于化工业乃至整个产业持续发展具有长远意义，对于化石资源少的我国更具有现实意义。 我国具有丰富的生物质资源，主要集中在我国东北地区。现阶段我国农作物秸秆的主要用途为：秸秆还田、替代能源、牲畜饲料、工业原料，另有约占12.7％的剩余秸秆就地焚烧或被闲置。以秸秆和氮气、水为原料，利用等离子体技术一步生成糖类化合物，继而氧化成醇、醛、酸，由醇裂解制造烯烃，还可以生成合成塑料、合成纤维等高分子材料和建筑材料，不仅可以降低污染，而且可以实现价值的增值，从根木上改变我国尤其东北地区生物质资源利用现状。 随着石油、天然气和煤等不可再生的化石类燃料的不断消耗，在世界范围内产生的能源危机以及全球变暖、环境恶化等问题日益严重，人们开始寻找可再生的、污染小的替代能源。生物质能源是可持续发展、可再生、环境友好的能源，尤其对于象我国石油资源不足的国家，发展生物质产业对经济发展具有重要的现实意义和战略意义。 秸秆属于木质纤维素类生物质，是地球上丰富的可再生资源。水解是木质纤维素资源开发利用的关键步骤之一，但是秸秆的木质纤维素结构较复杂，其纤维成分被木质素、半纤维素包裹，这是影响秸秆做为化学化工原料使用的重大障碍。目前研究较多的水解法分为酸水解和酶水解两种，酶制剂因生产费用昂贵、水解周期长、原料需要预处理，因此，酶水解要达到技术和经济上的可行性还有很长的路。本项目的研究将玉米秸秆置于产生的“酸催化剂层”中，秸秆发生降解转化为单糖，而且转化率随着放电电压的增加而提高，不添加任何催化剂和助剂，在此过程中进行了能耗计算：在实验条件下测得放电电压为2.2kV时，产生均匀放电，测得一次电压为100V，一次电流为0.60A，所需功率为60W（包括变压器消耗功率），如果放电1h（放电1小时后秸秆具有一定的糖产率），耗电量0.06千瓦时，合0.06度电，工业电按0.45元/度，所需耗电经费0.027元。这说明以氮气为载气和水蒸气共存进行微流注放电，产生的等离子体作用于秸秆，不仅可以实现木质纤维素无氧化、无燃烧地转化为糖产物，同时无酸等环境污染，可实现一步转化，流程短，耗电量小，能耗低。 采用微流注放电等离子体化学水解转化，在不添加任何催化剂和添加助剂的绿色友好条件下，利用强电场电离气体放电加速电子及激励气体分子的物理方法，将木质纤维素秸秆转化为糖产物，是与现有技术形成鲜明对比的等离子体化学水解技术，与现有的化学水解技术相比，不使用酸，对设备不产生腐蚀，不用回收酸，设备简单，不涉及酸糖分离等问题。因此本研究为秸秆类木质纤维素类生物质降解糖化方法，具有一定的发展潜力。 目前，虽然很多人在研究等离子技术，但是迄今尚未见其他人将其应用于木质纤维素秸秆水解反应中的报道，很多科学家研究了将其应用在煤、木粉等裂解、气化等技术领域中，为此可以起到借鉴作用。加拿大利用本国泥煤在水蒸气等离子体下制合成气，降低了天然气甲醇的价格。塔吉克斯坦共和国科学院研究所研究了煤的高温等离子体气化工艺，所得煤气成本比普通气化法所得煤气低10％，建厂费只有普通气化设备投资的50％左右。等离子体处理固态物质，气化技术不断进展，产生气化等离子体方法也在不断改进，如直流电弧、电容耦合等方法，特别是电容耦合产生等离子体在气化和聚合中很有优势。Katou K、Seok WK、Nishikawa等人研究了利用直流电弧等离子体固体废物的热解气化。直流电弧等离子体发生器的等离子体管寿命比较低，需要经常维护，能量消耗大。赵增立等人利用杉木粉在直流电弧热等离子体提供的高温、高能反应中进行快速气化研究，气相产物主要是化学合成气，H2和CO的含量在96％以上。L.Tang等利用木粉为原料，采用电容耦合无线电RF等离子体技术，产物由H2, CO, CH4, CO2和低分子的碳氢化合物组成，气化率达到66wt%，气化产物组成中C2烃含量比较高，受反应设备结构的影响，可进行进一步的聚合再利用。气化设备在聚合中也有一定的优势，他克服了Katou K等人所采用方法的缺点，延长了等离子体管的寿命。 该项成果是绿色化学成功的范例，整个反应过程，从原料到产物实现零污染、零废物排放，工艺简单，为绿色化学、生物质化工提供一种新技术。 木质纤维素原料是地球上丰富的可再生资源，其转化制取乙醇、醛、有机酸、酯等有机化工原料中间体——糖类化合物，是目前生物质资源研究领域的热点和前沿课题，是随着能源危机日益严重，人们开始寻找的替代能源。但是传统的制备方法是以淀粉等粮食作物和α-纤维素含量较高的棉纤维、木材纤维等为原料，通过化学法或生物学方法水解，因存在“与人争粮，与粮争地”以及环境污染等原因致使传统的制备技术没有可持续的发展空间。生物质秸秆属于废弃物，而且资源数量庞大，根据生物学家估算，全球每年产生的生物质总量约为2.2×1011吨，相当于目前全球总能耗的10倍，每年产农作物秸秆约1.0×1011吨。地球上植物生物质资源储量中陆生植物为1.837×1012吨，水生植物为3.95×109吨，全球总计为1.841×1012吨。 生物质秸秆的开发利用可以替代化石资源，缓解能源危机。全球工业所用原料主要来自煤、石油、天然气等不可再生资源，目前探明储量十分有限，如果按照现在消费水平计算全球烃类资源只能使用40~60年，这是人类所面临的巨大能源危机，已经受到世界各国的高度重视。解决这一问题的关键是寻找替代能源。联合国开发计划署（UNDP）、世界能源委员会、美国能源部、联合国粮农组织都把生物质能的开发利用当作发展可再生能源的首要选择。 生物质秸秆的开发利用还可以提高环境效益，减少环境污染。化学工业也是全球性环境污染的主要根源，过量的酸、碱、CO2等温室气体的排放，造成水系污染和严重的温室效应，一半以上高分子材料废弃物需上百年才能完全分解，分解过程中产生毒性剧大难以降解的二噁英，全球性的环境污染已经危及到人类的生存，对经济发展的破坏作用十分巨大，严重制约着世界各国，特别是发展中国家的可持续发展。 从环境方面来看，首先，生物质利用过程中CO2归零排放利于环境保护。化石原料是通过燃烧和降解把原为地下的固定碳释放出来，以CO2的形式在大气环境中积累，从而造成温室效应。但是以自然界中的生物质绿色植物为能源的利用模式，实现了自然界中的碳经过光合作用进入生物界，再通过燃烧、降解和动物的呼吸作用又回到自然界，形成了一条碳的循环链。 生物质秸秆是一种清洁可再生能源，对生态环境具有保护作用。化石原料在应用过程中不但释放CO2，还排放SOx 、NOx等污染物，而生物质资源的应用可以减少其排放。例如每两吨秸秆的热值相当于一吨标准煤，而且其平均含硫量只有0.38％，而煤的平均含硫量约达1％，秸秆中氮的平均含量为0.5%，而煤的含氮量为0.6%~2%。 改善能源结构，实现能源永续。21世纪我国正处在经济迅速发展时期，面临着经济增长和环境保护的双重压力，仅从能源结构上看，开发利用生物质等可再生资源对改善能源结构，建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。我国是能源消耗大户，但是目前能源结构中主要以煤、石油等化石资源为主，结构单一，不合理。例如，2004年我国能源总计消费水平在19.7亿吨标煤，煤在能源消耗中占据很大的比例，占67%以上，其次是石油和天然气，占25%左右，对于清洁能源，如核能、水能、风能等利用很少，对于可再生的生物质资源利用则更少。在世界上，我国是第二大能源生产国，同时消费量也十分庞大，也是世界上第二大CO2排放国，仅次于美国，如果按照这样的能源结构继续发展，到2015年我国碳排放量可能要超过美国，成为世界上最大的排放国。尤其对于我国来说，属于农业大国，人口多，如果都趋向化石资源的利用，不仅我国的能源会十分紧张，内需成为严重的问题，同时，我国近9亿人口生活在农村，随着农业的发展，产生数量庞大的作物秸秆被大量闲置，势必要焚烧在田间地头，不但是资源的浪费，还会产生大量的CO2、CO等温室气体，虽然我国作为发展中国家，现在不需要承担《京都协定书》中CO2减排的义务，但是作为一个快速发展的具有国际影响力的大国，在世界发达国家中，按照这样的能源结构发展，我们将要承受世界性的、巨大的环境压力。因此，对于我国的能源结构，必须尽快进行调整，同时提高能源的稳定性，实现我国能源和环境的可持续发展。生物质能源是最为稳定的可再生能源，其组成与化石能源相似，同时具有良好的经济性，特别适合于象我国这样的国家应用，虽然我们原有的利用水平较差，但是我们有很大的发展潜力，必将成为将来部分替代能源中的主要能源之一。

黑龙江工业学院

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