新型植物能源研究

 　　一、意義

　　木質(zhì)植物是指含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的一類植物。它是地球上最豐富的可再生的有機(jī)資源。綠色植物纖維原料再生速度快，每年約固定2×1011噸碳，內(nèi)含3×1021J能量，相當(dāng)于600億至800億噸石油，即全世界每年石油總產(chǎn)量的20至27倍。我國(guó)僅稻草、麥草、蔗渣、蘆葦、竹子等非木材纖維年產(chǎn)量就超過(guò)10億噸。這些非木材纖維以及大量的木材加工剩余物，都是取之不盡的天然高分子化工原料倉(cāng)庫(kù)和能源。

　　由于目前油氣資源的急劇減少，石油將會(huì)供不應(yīng)求。因此到下世紀(jì)以農(nóng)作物、樹(shù)木等有機(jī)質(zhì)為主的有機(jī)能源占地球總能源的比例將顯著提高。從能源和資源的角度來(lái)看，植物質(zhì)是一種可再生的清潔能源和資源。開(kāi)發(fā)利用這種能源和資源具有深遠(yuǎn)的意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。但目前木質(zhì)植物作為能源材料主要是沿用古老方式，以固體形式直接燃燒。這樣做，一是燃燒不完全，熱值低;二是使用不方便，使用場(chǎng)合受限制;三是對(duì)環(huán)境造成污染。

　　液化是大規(guī)模利用木質(zhì)纖維素的最有效方法之一。木質(zhì)纖維素液化后，可以得到醇類、可燃性油及可燃性氣體，從而成為來(lái)作為一種新的能源可作為燃料使用，也可作為化工原料使用。液化的方法大體上可分為熱法、熱化學(xué)法、化學(xué)水解法和生物法。在這幾種方法中，最有前途的方法是熱化學(xué)法。其降解產(chǎn)物除了用作燃料外，還可用作化工產(chǎn)品的原料，同時(shí)，植物中的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素都能得到利用;生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)過(guò)程可連續(xù)化。它是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的新技術(shù)。

　　關(guān)于植物纖維原料液化的研究，既包括植物全材的液化，也包括纖維素、半纖維素、木素等單組分的液化。前者更具有實(shí)用價(jià)值，而后者則有助于我們弄清一系列有關(guān)植物纖維原料液化的基礎(chǔ)性問(wèn)題。

　　二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　鑒于熱化學(xué)轉(zhuǎn)化最簡(jiǎn)單，成本最低，這種方法成為近年各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，美英等國(guó)將木質(zhì)植物加工成液體燃料的技術(shù)已達(dá)到實(shí)用階段。美國(guó)俄勒岡州一家以木片為原料加工原油的工廠，每噸木片可制成300公斤木質(zhì)石油，英國(guó)一家公司采用液化技術(shù)，用100公斤木材生產(chǎn)出24公斤木質(zhì)石油、16公斤瀝青和15公斤蒸汽。據(jù)稱，這種木質(zhì)石油與中東地區(qū)生產(chǎn)的石油質(zhì)量相近;俄羅斯用鋸末制取石油，產(chǎn)率達(dá)70-92%。據(jù)報(bào)道，目前木質(zhì)石油的成本仍很高，相當(dāng)于原油的1.2-3.6倍。但隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和未來(lái)石油缺乏時(shí)價(jià)格上漲，兩者的價(jià)格差距會(huì)減小。

　　一般來(lái)說(shuō)，纖維素較容易液化，而木素因分子中有較多苯環(huán)，分子量大，熱解較困難。自70年代起，已有人在大約350℃和140~240atm條件下，用均相催化劑，和CO/H2混合氣將木片液化為重油。反應(yīng)時(shí)間約1h,苯溶物(油)的產(chǎn)率可達(dá)40%~60%，原料轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%~99%。

　　由于上述條件過(guò)于劇烈，后來(lái)人們一直在尋求在相對(duì)溫和的條件下進(jìn)行植物的液化,此研究業(yè)已取得了一定的進(jìn)展。在300℃、10MPa的壓縮熱水中，以碳酸鈉為催化劑，加入氫氣或一氧化碳等還原性氣體，可使植物原料液化。該方法不僅適用于多種植物原料，如木材、樹(shù)皮，還可用于污泥、藻煤、乙醇發(fā)酵釜餾物等的液化。當(dāng)前，有關(guān)植物纖維原料液化的研究主要集中于反應(yīng)催化劑的研究上。一種優(yōu)良的催化劑，應(yīng)當(dāng)能使反應(yīng)在相對(duì)溫和的條件下進(jìn)行，同時(shí)得到較高產(chǎn)率的液化產(chǎn)物。然而這方面的研究還有待深化。另外，植物纖維液化反應(yīng)的反應(yīng)器距工業(yè)化應(yīng)用的要求還有一定的差距。

　　目前，植物纖維原料熱化學(xué)液化的研究已列為中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用研究與發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目。

　　三、總體研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

　　木質(zhì)植物資源的液化利用是一項(xiàng)資源高效利用的新技術(shù)。如果能實(shí)現(xiàn)植物資源的充分利用，不僅能解決未來(lái)的能源短缺問(wèn)題，而且能減少燃燒石油煤炭帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。盡管該項(xiàng)技術(shù)能給人類帶來(lái)如此之多的好處，在世界范圍內(nèi)，它都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，其原因是還有許多重大的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決。植物質(zhì)催化液化熱研究的總體目標(biāo)是利用催化和熱裂解反應(yīng)相結(jié)合的方法將植物質(zhì)的主要成分--纖維素、半纖維素及木質(zhì)素--轉(zhuǎn)化成低分子化合物，作為能源或基本化工原料。