革新生物質(zhì)能 助力“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施

高妍 鄭聲宇

我國每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約10億噸，還有大量的果木廢料，林業(yè)采伐剩余物、加工剩余物，城市木廢料等，達(dá)數(shù)十億噸。

它們被統(tǒng)一稱為農(nóng)林廢棄物。盡管名為廢棄物，但卻是寶貴的天然生物質(zhì)資源，特別對于仍以化石能源為主，能源對外依存度高的我國意義重大。當(dāng)然，成為資源的前提是有效利用。

但在很長時(shí)間里，這些廢棄物不僅沒有物盡其用，還因?yàn)榉贌?、遺棄乃至腐爛發(fā)酵釋放有害的甲烷氣體，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染。近期發(fā)表在《自然》上的一篇研究文章就指出，腐爛的樹木每年會(huì)在全世界釋放約10.9千兆噸碳，大約相當(dāng)于化石燃料排放量的115%。

長期以來，世界各國的科學(xué)家一直在積極探索農(nóng)林廢棄物的綜合利用途徑，期待變“廢柴”為能源的同時(shí)，減少碳排放，消除其對環(huán)境的影響。南京林業(yè)大學(xué)新能源科學(xué)與工程系主任周建斌就是其中一位。

怎樣將農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物“吃干榨盡、變廢為寶”，以替代化石能源？是周建斌20年來思考并致力于解答的問題。

創(chuàng)新理念，開啟生物質(zhì)能新思路

生物質(zhì)能大概是“史上最尷尬”能源。

它是人類歷史上最早使用的能源;它原材料豐富、方便易得，且清潔低碳;它更是唯一可以直接規(guī)模化生產(chǎn)氣體、液體、固體等清潔能源的可再生資源。

然而就是這樣一種得益于光合作用取之不盡、零碳環(huán)保的綠色能源，在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比重卻少得可憐。

據(jù)2019年數(shù)據(jù)，近年增速強(qiáng)勁的可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中僅占10.4%。就是這10.4%，還是風(fēng)能、光伏、潮汐能、波浪能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等抱團(tuán)占有，其中的生物質(zhì)能占比可謂微乎其微。

近年能源短缺、環(huán)境污染、碳減排壓力重重，世界各國已意識到生物質(zhì)能的可替代性，并積極支持和推動(dòng)生物質(zhì)能的研究與發(fā)展。我國同樣如此，近年利好生物質(zhì)能源發(fā)展的政策頻頻出臺。行業(yè)普遍共識，開發(fā)利用生物質(zhì)能源，對我國能源結(jié)構(gòu)多元化及綠色發(fā)展，對國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)意義重大。

周建斌從上世紀(jì)90年代就開始了生物質(zhì)熱解（能源）與炭材料相關(guān)研究，并在21世紀(jì)初鎖定了農(nóng)林生物質(zhì)資源綠色、高效、循環(huán)利用這一方向。

深耕行業(yè)多年，他認(rèn)為，造成生物質(zhì)能源尷尬狀況的原因有很多，核心技術(shù)創(chuàng)新乏力、裝備能力不足是限制行業(yè)發(fā)展的重要原因之一。

周建斌介紹，作為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換利用的關(guān)鍵技術(shù)，生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)曾長期停滯不前?！捌渲饕蚴钱a(chǎn)品單一、經(jīng)營效益不顯著，另外，氣化過程和燃?xì)鈨艋^程會(huì)產(chǎn)生大量焦油等廢水廢渣，如不能開發(fā)工業(yè)化用途，直接排放會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。同時(shí)，相關(guān)設(shè)備的研制及裝備能力不足、規(guī)模小、運(yùn)行不穩(wěn)定，也嚴(yán)重制約了生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的工程應(yīng)用?！?/p>

為解決這一系列世界性難題，周建斌在恩師張齊生的指導(dǎo)下，于2002年在國內(nèi)外率先提出了“農(nóng)林生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭、熱、肥”的創(chuàng)新發(fā)展理念。

周建斌介紹，多聯(lián)產(chǎn)即在不添加額外能源和任何化學(xué)藥品、助劑和添加劑的前提下，將農(nóng)林生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)可燃?xì)?、生物質(zhì)炭、生物質(zhì)液三相產(chǎn)物，并產(chǎn)生大量余熱。其中，可燃?xì)庥糜诎l(fā)電或鍋爐供熱（替代煤），生物質(zhì)炭根據(jù)原料不同生產(chǎn)活性炭、工業(yè)用炭、機(jī)制燒烤炭、炭基肥等多種產(chǎn)品，而生物質(zhì)液用于制備液體肥料或消毒殺菌劑等，可一舉解決產(chǎn)品單一、廢水廢渣污染等問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用。

這是個(gè)新思路，也是塊“硬骨頭”。周建斌選擇了這條路，一干就是20年，搞出了系統(tǒng)的生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備并大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

因地制宜，把論文寫在祖國大地上

2020年11月，中國林學(xué)會(huì)組織專家對“生物質(zhì)城鎮(zhèn)清潔供暖關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項(xiàng)目成果進(jìn)行了會(huì)議評價(jià)。

專家委員會(huì)一致認(rèn)為，該項(xiàng)目技術(shù)整體處于國際先進(jìn)水平，其中生物質(zhì)氣化城鎮(zhèn)清潔供暖聯(lián)產(chǎn)活性炭新技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

項(xiàng)目中，周建斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物城鎮(zhèn)清潔供暖理論基礎(chǔ)，不僅研發(fā)了適應(yīng)于高含水率（40%）、大尺寸（0.5～10cm）生物質(zhì)原料的清潔供暖聯(lián)產(chǎn)炭新技術(shù)、秸稈壓塊燃料的清潔燃燒及余熱提質(zhì)一體化技術(shù)，還攻克了生物質(zhì)清潔供暖耦合活性炭生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新集成了分腔蓄熱式氣化爐、清潔燃燒器、熱水鍋爐和活性炭生產(chǎn)的成套裝置，建成了生物質(zhì)氣化城鎮(zhèn)清潔供暖（80萬m2以上）聯(lián)產(chǎn)活性炭工程，可做到清潔供暖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)活性炭清潔生產(chǎn)。

這一項(xiàng)目中，使用1噸秸稈，可產(chǎn)出230噸熱水，使用1噸果木廢料、果殼原料，可產(chǎn)190噸熱水（50℃進(jìn)，60℃出），可替代煤炭實(shí)現(xiàn)清潔供暖;同時(shí)得到的0.2～0.3噸氣化炭，可生產(chǎn)0.12～0.18噸活性炭，且其較常規(guī)活性炭生產(chǎn)得率提高30%～50%，活化時(shí)間縮短30%以上。

減排固碳效果同樣顯著。周建斌介紹，生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可從三方面達(dá)到減排固碳效果，以1噸生物質(zhì)為例，生物質(zhì)生長過程中通過光合作用吸收CO2 1.72噸，氣化產(chǎn)生的可燃?xì)馓娲?.5噸煤，減排CO2 1.33噸，得到0.2～0.3噸生物質(zhì)炭，可封存CO2 0.6～0.9噸，總共可實(shí)現(xiàn)減排固碳3.5～4.0噸。

這是周建斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞北方清潔供暖和CO2減排等國家重大需求，開展農(nóng)林生物質(zhì)城鎮(zhèn)清潔供暖科技攻關(guān)的結(jié)晶，也是生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)利用技術(shù)的又一次因地制宜、因時(shí)制宜。

早在多年前，周建斌就已帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在理論與技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，摸索工程實(shí)踐應(yīng)用。

2008年，周建斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在安徽建成了第一個(gè)0.5MW稻殼氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭、液、熱工程，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出。2015年，該企業(yè)已擴(kuò)建至3MW工程并投產(chǎn)。

2014年，在河北平泉建成以杏殼為原料的“3MW杏殼氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)活性炭、肥、熱”工程，在生產(chǎn)活性炭的同時(shí)新增了發(fā)電、供熱、產(chǎn)肥等盈利點(diǎn)，解決了100多年活性炭生產(chǎn)高能耗、高污染及高消耗等世界性難題。

2015年5月，以橡膠木廢棄物為原料的“1MW生物質(zhì)氣化炭電熱肥多聯(lián)產(chǎn)”項(xiàng)目在云南勐臘縣建成投產(chǎn)，在發(fā)電的同時(shí)，產(chǎn)出木炭、熱水、木醋等。

2015年7月，以稻殼為原料的“2.5MW生物質(zhì)氣化發(fā)電——3萬噸炭基肥料聯(lián)產(chǎn)”項(xiàng)目在湖南寧鄉(xiāng)建成投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電同時(shí)聯(lián)產(chǎn)稻殼炭、熱水、木醋等。

2018年，團(tuán)隊(duì)在江蘇興化建成2臺4噸鍋爐稻殼氣化為油脂加工綠色供熱（替代煤炭燃燒）聯(lián)產(chǎn)炭示范工程，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)零成本用熱。

…………

不同地域，不同工程，不同原料，卻擁有相同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展邏輯。原材料都是無毒無害可再生的農(nóng)林生物質(zhì)資源，生產(chǎn)過程無污染、零排放;產(chǎn)出產(chǎn)品多元化，且均高附加值。相關(guān)工程，無一例外。

這也是生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目能夠廣泛推廣的原因，它可以根據(jù)原料性質(zhì)和目標(biāo)產(chǎn)品不同，靈活設(shè)置最佳的技術(shù)路線，如生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭、生物質(zhì)熱解氣化供熱聯(lián)產(chǎn)炭、生物質(zhì)熱解氣化耦合燃煤發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭及生物質(zhì)熱解氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭、熱、肥等。

如今，項(xiàng)目技術(shù)已經(jīng)形成了生物質(zhì)氣化發(fā)電聯(lián)產(chǎn)炭、肥、熱的產(chǎn)業(yè)鏈，在安徽、江蘇、湖南、河北、江西、湖南、云南、浙江等地及“一帶一路”國家推廣建成了100余項(xiàng)生物質(zhì)能源多聯(lián)產(chǎn)工程并穩(wěn)定運(yùn)行多年，年發(fā)電6億度、蒸汽300萬噸，減排CO2 550多萬噸，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

周建斌團(tuán)隊(duì)用一個(gè)又一個(gè)的工程應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)價(jià)值證明了生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的意義與價(jià)值，為農(nóng)林生物質(zhì)資源的高質(zhì)高值轉(zhuǎn)化利用提供了一條可復(fù)制、可循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的新型發(fā)展模式。

同時(shí)，在周建斌等人的推動(dòng)下，生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)得到越來越廣泛的認(rèn)可。該技術(shù)2016年得到時(shí)任中共中央政治局常委、國務(wù)院副總理張高麗的批示;2017年起，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、林草局等十多個(gè)部委相繼采納并發(fā)文在全國推廣。

而周建斌和他所帶領(lǐng)的生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，也在多年研究中承擔(dān)了國家“948”引進(jìn)，科技部863計(jì)劃、973計(jì)劃，國家支撐計(jì)劃等項(xiàng)目30項(xiàng)，企業(yè)合作成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目100余項(xiàng)，并申請獲得了國家發(fā)明專利30余項(xiàng)，省部級鑒定成果12項(xiàng)，贏得了包括國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)在內(nèi)的各類科技獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng)，成為領(lǐng)域內(nèi)響當(dāng)當(dāng)?shù)膬?yōu)勢團(tuán)隊(duì)。

產(chǎn)學(xué)研用，開創(chuàng)生物質(zhì)能新局面

生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的成功是產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的結(jié)晶。周建斌團(tuán)隊(duì)是這一創(chuàng)新型科研模式的受益者，也在努力做這一模式的建設(shè)者和推動(dòng)者。

他們積極與科研院所、高校、企業(yè)開展合作研究，共同推動(dòng)生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備與產(chǎn)品的完善與升級，推進(jìn)工程項(xiàng)目的實(shí)施。

他們一貫致力于“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化培養(yǎng)高質(zhì)量人才。為滿足新能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)對高新技術(shù)人才的迫切需求，他們不僅建設(shè)成立了新能源科學(xué)與工程專業(yè)，培養(yǎng)理論知識扎實(shí)的人才，還在校內(nèi)建設(shè)了兩個(gè)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和省級生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)平臺，更在校外建有5家生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)踐基地，強(qiáng)化學(xué)生的科研實(shí)踐能力。

周建斌鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競賽，團(tuán)隊(duì)成員也多次指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽，以賽代學(xué)，在實(shí)踐中提升學(xué)生的科研水平與能力，已獲得包括中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家金獎(jiǎng)在內(nèi)的多項(xiàng)國內(nèi)外大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獎(jiǎng)項(xiàng)。

2018年9月，周建斌團(tuán)隊(duì)成功入選首批國家林業(yè)和草原局全國林草科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，后又相繼成立國家林業(yè)和草原局生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)國家創(chuàng)新聯(lián)盟、國家林業(yè)和草原局生物質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心、江蘇省生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)工程研究中心等多個(gè)科研平臺。

這些平臺，都將成為新一代科研工作者成長的搖籃，成為生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)項(xiàng)目不斷完善、升級的基石。

有人說，興趣與熱愛是科研事業(yè)最好的催化劑。

周建斌深以為然，他說是興趣指引他走近生物質(zhì)熱解與炭專業(yè)，是熱愛支撐他20年如一日深耕生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。他樂于分享，總是積極參與國內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)活動(dòng)，并受組委會(huì)邀請發(fā)表報(bào)告，希望能夠?qū)⑸镔|(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)推廣到更多的地方。

面向“十四五”，周建斌表示，他與團(tuán)隊(duì)將不忘初心，進(jìn)一步強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)示范推廣及行業(yè)交流，努力打造國內(nèi)一流、世界領(lǐng)先的生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與應(yīng)用平臺，研發(fā)新型智能化生物質(zhì)熱解氣化多聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備和高值化產(chǎn)品，提升我國生物質(zhì)能源多聯(lián)產(chǎn)工程的硬核實(shí)力，為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。