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记天大自主知识产权生物质能源技术攻关之路

来源:天津大学 作者: 2012-12-3
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摘要: 人类进入21世纪,世界性的石油资源短缺已成不可逆转之势并对我国能源需求产生重大冲击,研发可再生的石油替代资源技术成为国家重大战略需求。天津大学石化中心主任张敏华教授领衔的科研团队则经过10余年的艰苦努力终于实现了可再生的“地上石油”——生物质乙醇生产关键技术突破。生物质乙醇是迄今为止最为成功的液体替代......


   石油是重要的不可再生能源和化工原料,是现代经济的血液。石油的生成至少需要200万年,最长达5亿年之久。人类进入21世纪,世界性的石油资源短缺已成不可逆转之势并对我国能源需求产生重大冲击,研发可再生的石油替代资源技术成为国家重大战略需求。天津大学石化中心主任张敏华教授领衔的科研团队则经过10余年的艰苦努力终于实现了可再生的“地上石油”——生物质乙醇生产关键技术突破。生物质乙醇是迄今为止最为成功的液体替代运输燃料及乙烯生产原料,在美国、巴西及欧洲已形成新的可再生能源产业。

   11月30日,第十四届中国专利奖颁奖典礼在北京举行,天津大学石化中心研发的生物质能源专利技术“薯类原料酒精生产方法”获得了由世界知识产权组织和国家知识产权局联合授予的中国专利金奖。10多年来,张敏华团队依托天大在全国领先的化工领域优势,瞄准国际前沿和国家重大战略需求,运用当代化学工程及生物工程领域的基础理论、先进技术及方法,历经了应用基础研究、工程放大和大规模工业化的全过程,破解了薯类酒精生产原料预处理等技术难题,首次完成了大规模浓醪发酵技术在薯类燃料乙醇的工业应用,实现了薯类酒精生产关键技术创新与系统集成,形成了具有自主知识产权的薯类酒精生产成套技术,并建成全球首套大规模木薯非粮燃料乙醇生产装置,总体技术水平国际领先。该技术以“薯类原料酒精生产方法”为核心的专利群,覆盖了薯类酒精生产全过程,成为支撑大规模薯类乙醇产业发展的技术平台。张敏华教授带领的30多人组成的科研团队,十年磨一剑,经过4次生物质能源及资源化利用技术的大跨越,取得了累累硕果,为我国生物质能源及资源化利用产业发展做出了贡献。

第一次技术跨越——中国酒精从传统作坊到现代产业 

   天津大学石化中心与生物质能源技术结缘来自一次偶然的机会。1997年3月,中心迎来了几位风尘仆仆的访客,黑龙江华润金玉公司的负责人开车数千公里慕名来到天津大学石化中心,找到张敏华教授求助。“这家企业投资了5个亿投资建设了一套年产10万吨优级玉米食用酒精装置,但由于当时国内没有掌握大规模食用酒精生产技术,装置建成后开车失败,半年多投入3000多吨粮食没有生产出1吨酒精产品,企业面临困境。”张敏华主任回忆说,由于天大在国内化工学科领域的良好的技术声誉,企业还带着配套的设计院的同志一起慕名而来,希望他们能够尽快为企业找到拯救这个项目的办法。了解项目情况后,他们立刻组织科研团队攻关,经过连续多天昼夜进行模拟计算,文献分析,并赴企业现场进行技术交流,确定了项目技术改造方案,最终通过半年的夜以继日的工作,企业以较少的投入完成了对原装置的技术改造,装置起死回生顺利投产,生产出当时国内最好的优级食用酒精,各项指标超前达到2002年9月1日颁布实施的GB10343-2000特级食用酒精标准。

   作为当时国内生产规模最大的年产10万吨优级玉米食用酒精装置的投产,结束了中国优级食用酒精生产技术引进的历史,标志着我国已具备采用自主知识产权技术高水平建设大规模特级食用酒精生产装置的能力,推动了我国新的食用酒精标准(GB10343-2000)的修订和颁布,鉴于我国食用酒精生产技术的提高,新的食用酒精标准对酒精产品各项杂质指标与原标准相比较都有一定的提高,特别新增了特级食用酒精产品规格,张敏华和他的团队也由这一契机进入到国内酒精生产技术行业。新国标的颁布促进了天大技术的推广,先后在山东九九世界生产规模最大的年产50万吨特级酒精等10多套生产装置上实现技术推广应用,累计形成了约115万吨/年特级食用酒精的年生产能力,彻底改变了我国食用酒精的产品结构。

   特级食用酒精产品对酒精发酵过程产生的高度危害杂质甲醇、多元醇,醛类,以及受微量杂质影响较大的口感等提出了严格的要求,主要应用于勾兑饮料酒、饮料及高档香水,与传统固态白酒基酒相结合兑制的白酒,使传统的固态白酒中有害杂质含量大幅降低,在保持原酒固有风格的同时,使固态白酒的主要感官指标得到明显提升。我国食用酒精产品质量的整体提高符合人们“科学健康饮酒”新理念,以及酒精作为基本石油化工原料的理想替代品对酒精质量提出的纯度要求,促进了我国传统酒精行业的技术升级换代。

   天津大学大规模超纯食用酒精生产技术以其先进性在国内酒精高端市场独占鳌头。时任中国化工学会石化专业委员会主任乔映宾教授对该技术给予了高度评价,认为“把中国酒精产业从传统作坊式生产带入现代产业。”

第二次技术跨越——从食用酒精到燃料乙醇

   张敏华团队在食用酒精生产技术开发过程中,已注意到一些发达国家开始在生物质能源领域,特别是被称作“生物汽油”的燃料乙醇技术领域进行大规模的研发和产业化工作的文献报道。1996年,我国首次成为石油净进口国,他们敏感地意识到作为石油替代资源的可再生生物质能源将成为我国未来的重大战略需求,研发具有我国自主知识产权的生物质能源技术是他们作为科研工作者责无旁贷的重大使命。前瞻性的生物乙醇技术的研发及工业化技术储备,为赢得技术先机创造了条件。2000年12月,国家为了积极、稳步地推进我国燃料酒精的试点和规划工作,国家批准黑龙江华润酒精有限公司年产10万吨燃料酒精改扩建项目正式启动,公司通过调研决定采用天津大学技术建设我国第一套年产10万吨燃料乙醇生产示范装置。

   2001年3月,“十五”国家重点示范装置——全国第一套年产10万吨生物燃料乙醇生产示范装置建成并一次开车成功,填补了我国燃料乙醇生产及销售的空白,实现了由“造酒”到“造汽油”的技术跨越,开启了我国生物质能源的新时代。示范装置开发并应用了“超大型生物反应器放大技术”、 “超大型混合内件技术”、“高效变压变温分子筛吸附脱水技术”及“废醪液治理及综合利用技术”等多项燃料乙醇生产关键技术及装备,形成了具有国际先进水平的燃料乙醇成套生产技术,为我国刚刚起步的燃料乙醇产业健康持续发展提供了技术保证。

   随着我国生物质能源产业的发展,该技术得到广泛应用及推广,先后在吉林、山东、安徽和广西等地相继建成了包括国家燃料乙醇定点生产单位中粮生化能源(肇东)有限公司、安徽丰原生物化学股份有限公司和吉林燃料乙醇有限责任公司等8套燃料乙醇生产装置,国内技术覆盖率80%以上,生产的燃料乙醇产品符合GB18350 -2001燃料乙醇国家质量标准。混配的车用乙醇汽油目前在我国黑龙江、吉林、辽宁、安徽、河北和山东等省市销售使用。

   2009年,科研成果"燃料乙醇生产关键技术和装备"荣获黑龙江省技术发明一等奖。

第三次技术跨越——从粮食原料到非粮原料

   张敏华主任介绍说,建于我国燃料乙醇推广初期的第一套年产10万吨生物燃料乙醇生产示范装置技术选择主要借鉴美国“用玉米造汽油”的技术路线,随着燃料乙醇产业的发展及我国“不与人争粮,不与粮争地”的基本国情,采用非粮原料成为燃料乙醇产业发展趋势。国家"可再生能源发展规划"开始明确鼓励以薯类作物、甜高粱茎秆、农作物秸秆纤维素等非粮生物质为原料的生物质乙醇生产,开发非粮生物质乙醇生产技术是我国可再生能源及资源领域的重大战略需求,他们随后将燃料乙醇技术开发的重点放在了非粮生物质能源技术领域。

   木薯非粮原料不与粮争地,经济上可行,在我国广西、广东、海南等南方可以大规模种植。但传统薯类食用酒精企业生产规模小,生产不稳定,污染严重,作为燃料净能量产出比为负值,没有成熟的大规模薯类燃料酒精成套生产技术,不能满足我国木薯燃料乙醇产业的发展需求。他们针对大规模木薯燃料乙醇生产技术存在的技术瓶颈,经过多年不懈努力,依托之前在玉米、小麦等传统粮食乙醇生产技术开发过程中的积累及基础研究成果,运用发酵过程调控机制、计算机流程模拟与优化、计算流体力学、热网络合成与优化等多学科理论与方法,重点突破原料前处理、木薯同步糖化浓醪发酵、复杂流程热网络合成与优化、与精馏系统耦合的变压吸附脱水及废醪液资源化利用等关键技术,实现了木薯燃料乙醇关键生产技术的突破和创新。该研发工作申请了“薯类原料酒精生产方法”等专利20项,已授权13项,并拥有多项专有技术,形成了具有完全自主知识产权、国际领先水平的非粮燃料乙醇生产技术。2007年,采用该技术建成的我国拥有自主知识产权目前世界上规模最大的非粮燃料乙醇生产示范装置——广西中粮年产20万吨木薯燃料乙醇生产装置,生产出合格的车用木薯乙醇汽油,产品得到了中石化和中石油等用户的认可。

   2011年1月,为了进一步做好非粮燃料乙醇技术的推广工作,国家能源局组织了对该项目的技术后评价,以曹湘洪、孙宝国二位院士为主要负责人的专家组对项目给予了高度评价,“专家组一致认为:该项目在木薯燃料乙醇领域总体技术处于国际领先水平,具有示范作用,建议推广应用。”

第一套木薯非粮燃料乙醇示范生产装置的建成投产,标志着天大张敏华团队完成了燃料乙醇从粮食为原料到非粮原料的第三次技术跨越,有力推进了我国可再生能源领域的技术进步,使我国燃料乙醇行业的技术水平达到国际先进行列。2010年,“年产20万吨木薯燃料乙醇示范工程”项目,荣获广西自治区科技进步一等奖;2011年,“木薯非粮燃料乙醇成套技术及工程应用”项目,荣获国家科技进步二等奖。

   “薯类原料酒精生产方法”系列技术作为平台技术,其应用范围已扩展到了甜高粱茎秆非粮乙醇生产技术领域。2010年9月,中心完成了国家非粮燃料乙醇定点生产单位-中兴能源(内蒙古)有限公司年产3万吨甜高粱茎秆燃料乙醇项目蒸馏及脱水装置的技术开发及工程设计。2011年12月,装置建成并投产运行,生产出合格的燃料乙醇产品,该装置为我国第一套甜高粱茎杆非粮原料燃料乙醇装置。

   “薯类原料酒精生产方法”系列专利还通过《专利合作条约》(PCT)途径申请了国际专利,进入了美国、巴西、泰国等生物质能源技术发达或酒精生物质原料丰富的国家,拓展了国外技术市场。目前已与泰国、孟加拉国等国家的相关酒精生产企业达成了技术出口合作意向。

   “薯类原料酒精生产方法”系列专利开创了我国该领域专利技术许可方式为主的产业化推广先例。截至2012年12月,该专利形成的成套生产技术在非粮燃料酒精生产技术领域实现技术许可10个项目,累计获得专利技术使用许可费合同额1,913万元。

第四次技术跨越——生物乙醇利用从能源到资源

   中国专利金奖是我国在专利领域由政府颁发的最高奖项,这一次也是天津大学首次获得这一奖项,“这次获奖是国家对天津大学整体科技创新能力的肯定,也是对我们这些科研工作者十几年来不懈探索攻关的最好褒奖”,张敏华表示,天津大学石化中心也将以此为动力和契机,瞄准国际生物质能源技术领域的下一代技术窗口继续展开科研攻关。据介绍,目前世界各国重点在突破生物乙醇的资源化利用和纤维素乙醇等前沿技术,天大石化中心也在做着这些领域的技术攻关与储备。

   张敏华主任介绍:“大家都知道石油被主要用作燃油和化工原料,我们把用生物乙醇生产汽油称作‘能源化利用’,把用生物乙醇生产化工原料称作‘资源化利用’,目前我们已掌握由生物乙醇到化工原料乙烯大规模成套生产技术,并拥有由平台化合物乙烯生产醋酸乙烯、环氧乙烷等下游化工产品的成套生产技术。”今年10月,采用天津大学石化中心自主技术的建成的广西广维化工5万吨生物乙醇制乙烯及其10万吨醋酸乙烯联合生产装置一次试车成功并生产出高品质乙烯和醋酸乙烯产品,标志着全球首套生物质制取聚乙烯醇生产线全流程贯通,形成了完整的绿色化工循环经济产业链,是生物乙醇“资源化利用”的重大突破。

准备第五次技术跨越——寻找纤维素乙醇之路

   纤维素乙醇则被称为新一代生物质能源,其生产技术是利用地球上广泛存在的纤维素生物原料生产清洁的能源,目前世界各国都在这个领域投入了极大的人力物力进行研发。我国生物质资源十分丰富,每年仅农作物秸秆就产生7亿多吨,如果50%的秸秆被利用生产纤维素乙醇产品,产生的油气当量相当于再造了一个大庆油田。

   张敏华团队在粮食酒精、木薯非粮燃料乙醇、生物乙烯及衍生物技术实现技术突破之后,又将目光瞄准市场前景更被看好的纤维素乙醇,将“薯类原料酒精生产方法”系列技术作为平台技术,其应用范围已扩展到了农作物秸秆纤维素非粮生物质乙醇生产技术领域,并取得了重大进展,具备了大规模技术推广的条件。

   2011年6月,张敏华团队承担了山东济南圣泉集团年产2万吨纤维素乙醇生产装置的技术研究及工程化,突破了纤维素物料黏度高、酶解发酵效率低、酶制剂用量大及生产能耗高等制约纤维素酒精工程化的技术瓶颈,大幅度降低了生产成本,显示出较强的经济性和市场推广前景。装置于2012年10月10日建成投产,生产出合格的纤维素乙醇产品,实现了我国纤维素乙醇技术由科研到工业化的关键技术的突破,是目前国内外实际运行的生产大规模纤维素乙醇生产装置之一,标志着我国已经具备了大规模纤维素乙醇生产工业化设计的技术基础。

   采访即将结束时,张敏华主任感慨地说:“基于石油资源的不可再生性,发展生物质能源技术有望成为破解石油资源困局之路,生物质能源技术及产业大有可为,是朝阳产业,是人类可持续发展,造福子孙万代的事业,对于我国和全世界都有着重大意义,我们科技工作者肩上有沉沉的担子,我们献身这一伟大的热爱的事业心甘情愿,无怨无悔。”


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