《生物质新材料:为实现“双碳”目标提供山西方案》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2022-01-20
  • 习近平总书记指出,“要把推动制造业高质量发展作为稳增长的重要依托,引导传统产业加快转型升级,做强做大新兴产业”,山西要“在转型发展上率先蹚出一条新路来”。山西省第十二次党代会提出,推动高质量发展,首要任务是经济高质量发展,重中之重是产业转型。

    为此,山西持续聚焦“六新”突破,加快构建14个战略性新兴产业集群。目前,14个战略性新兴产业已初具规模,其中部分典型企业发展迅速,成绩突出。本网记者通过对这些典型企业的经验做法进行梳理报道,全方位展现产业发展现状及未来图景,为全省全方位推动高质量发展添翼助力。

    生物基新材料产业

    以高端化、规模化、全链条发展为方向,依托生物质资源和煤化工原料基础,以产业化技术突破和规模化应用带动生物基新材料产业量质齐升。开展合成生物学基础研究和生物基高分子新型材料、仿生材料等应用技术开发,加速合成生物产业生态园区、生物降解聚酯等重点项目建设,重点发展生物基聚酰胺、生物降解聚酯、生物碳纤维复合材料等产品,推动人源化胶原蛋白产业化,加快产品在环保、医疗、纺织、工程塑料等领域的推广应用。重点构建玉米加工—戊二胺—生物基聚酰胺—工业丝、民用丝,烷烃—长链二元酸—长链聚酰胺—特种尼龙,植物秸秆—木质素—生物树脂—生物碳纤维复合材料,农林废弃物—纤维素—乳酸—聚乳酸—生物降解塑料等特色产业链,形成生物基化学品、生物环保材料、生物医用材料3个产业集群,打造国内重要的生物基新材料产业基地。

    秸秆、芒草还能做汽车、无人机配件,这不是天方夜谭。在山西生物质新材料产业研究院(以下简称“研究院”),通过对秸秆、芒草等农林废弃物进行生物炼制,可以生产出优质、安全并可降解的生物新材料,真正实现变废为宝。

    研究院2018年成立,由国家重大人才工程专家领衔,致力于突破以农作物秸秆和生态修复植物为原料生产先进绿色环保新材料的新技术与新工艺,从而推动以可再生资源为基础、先进生物与新材料技术为核心竞争力的产业转型发展。

    “以秸秆和芒草等可再生资源为原料,生产出高附加值、高技术含量的高端新材料,如碳纤维复合材料基体树脂、生物塑料,聚焦可降解塑料和高端树脂高成长性领域,打破技术与价格的瓶颈,为市场带来低成本、高性能、绿色环保的独家产品。”研究院院长桑涛介绍。

    为解决国产环氧树脂韧性不足的“卡脖子”问题,研究院以秸秆中提炼的木质素为原料,自主研发生物树脂用作碳纤维复合材料的基体树脂,显著提升了碳纤维复合材料的机械性能,是实现国产化替代的创新型高端制造材料。产品可应用于航空航天、轨道交通、医疗器械、工业机械、体育休闲、新能源装备等高端制造业。

    此外,研究院还以秸秆中提炼的乳酸为原料,首创研制的聚乳酸生物塑料,专门用于生产一次性塑料制品,可制成碗、杯子、地膜、一次性塑料制品等,废弃后可在自然条件下完全降解成二氧化碳和水,不仅在价格上与石化塑料相当,而且其大规模使用也不影响的粮食安全,是“白色污染”的有效解决方案。

    据了解,2021年山西首个生物质新材料加工工厂开建。“生产的产品可广泛用于航空航天、交通运输、医疗器械、体育休闲和新能源装备等领域,取代部分石化基产品,推动实现碳达峰和碳中和。”桑涛说。

    下一步,研究院将继续坚持原始创新,以市场需求为导向,积极推动科技成果转化,成立于山西、成长于山西、服务于山西,为转型发展蹚新路、为实现“双碳”目标提供山西方案。

相关报告
  • 《生物质转化:将先进的碳材料推向市场》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-04-09
    • 随着汽车、建筑、航空航天和电子行业对复合材料需求的扩大,对生物基原料的高级碳材料的需求将会越来越大。但将新材料推向市场存在障碍。准备好抓住这个市场机会了吗? 自然资源研究所(NaturalResourcesResearchInstitute)是位于德卢斯的明尼苏达大学(UniversityofMinnesota)的应用研究机构,拥有一个试点示范规模的生物质转化实验室,专门用于提供与行业相关的生产能力、支持商业化努力和降低私营部门资本投资风险。现场中试规模的水热炭化装置可以处理高含水率的生物质,从而消除了在转化为高碳产品之前干燥生物质材料的步骤。 NRRI生物质转化实验室使用旋转干燥机和高温窑炉结合成型设备生产以碳为基础的天然原料。实验室独特的干燥和烘烤能力可以将多种生物质物种转化为农业副产品,从木屑和森林残渣到玉米秸秆或柳枝稷。以碳为基础的可持续原料包括活性炭、木炭团块、生物炭团块、固体生物燃料团块、先进的接种载体和生物基肥料、先进的塑料复合填料、生物炭粉以及其他高附加值的高碳产品。 市场,测试的机会 将生物质原料炭化成所需的固定碳含量,可以产生各种聚合结构,从2-4毫米(mm)的自由流动球形颗粒到0.25-1.5英寸的固体生物燃料颗粒。根据不同的应用,非常细的粉末材料,以良好的生产出致密成型产品。电池和电子应用的先进材料可以从加工后的生物质中得到。 NRRI的实验室拥有旋转压块机和颗粒成型机,以使足够的碳化原料更加致密,从而能够对生产出来的固体燃料进行工业评估。现场分析可用来验证和记录燃料规格和化学成分,以满足国际和国内燃料标准。NRRI在创建先进的集群以满足目标或期望的产品规格方面具有技术专长。可以测试各种粘合剂的有效性。实验室设备可以将克数配方用于试销或性能测试和验证。NRRI与行业合作伙伴在各种R&D应用和合同服务框架下共同工作。非燃料产品可以开发为现场测试或工业市场使用,如复合塑料。 设备概述 NRRI实验室的设备包括以下这些: 煅烧窑:一种长2英尺,宽24英尺的回转窑,能够在250到950摄氏度的温度下,每天生产多达6吨的木质生物质芯片,并将其转化为高能量的原料。NRRI已经证明有能力提供统一的、干燥的固体产品,满足与西方煤炭类似的燃料规格。此外,焦碳和活性炭是新产品,可以生产与赋予既定的能力。该窑能够将材料加工到1150度的高温。 水热碳化:一种半连续的、每天20公斤的水热管反应器,能够将湿的、草质或纤维状的生物质原料转变成各种形式和形状,从颗粒到煤球到2-3毫米球形团块,再到精细分割的生物炭粉末和填料。 致密化设备: KomarekB220:15马力,12英寸旋转式压块机,具有多个大小的口袋和模具,最高可达300磅/小时的产量。 CPM40马力制粒机:每小时产量可达500磅,配备多种模具,从八分之一英寸到四分之一英寸不等,甚至三到四英寸见方。 Hobart挤出机:5英寸螺丝,3-4毫米模板。将湿的糊状原料转化为3-4毫米的挤出物。 30英寸涂层球形化器:可将湿式生物炭或生物煤挤出物转化为3-4毫米的球形涂层颗粒,如用于化肥行业的颗粒。 未来的处理设备包括一个示范规模的移动床碳化系统,目前该设施正在安装,以补充基于窑炉的过程。2019年晚些时候,一个新的蒸汽锅炉系统将被实施,能够使用生物燃料生产100千瓦的电力,并与电网直接连接。 NRRI生物质转化实验室目前的技术,以及2019年底即将推出的新型加热系统和先进发电机,可以加快生物质向新的市场机遇的转变,降低行业风险。
  • 《双碳背景下的能源新方案——生物质能》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2023-12-31
    • 在中国工程院发布的《中国可再生能源发展战略研究报告》中,目前我国含太阳能在内每年开采的清洁能源经过换算能源效率等于21.48亿吨标准煤。在清洁能源中生物质能占总量的54.5%,是整个清洁能源体系的重要组成部分。按照目前的能源发展来看,生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气等化学能源外的第四大能源。 根据国际能源署的预测,在2030年全球36%的能源消费或将来自可再生能源,其中生物质能将占到可再生能源部分的60%。生物质能或将成为双碳大背景下能源发展的新趋势。 一、生物质能的概念 生物质指的是指通过光合作用而成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。生物质存在于木材、稻草、种子废料、粪肥、废纸、生活垃圾、废水等各种材料中,属于全球范围内最广泛存在的物质。生物质能是通过生物质作为载体将太阳能储存于有机体,在通过自然界的循环实现能源的转换,据统计生物质目前储存的能量是世界能源消费总量的2倍,提升生物质能的转换效率对解决未来能源使用问题有重要意义。生物质能通过直接或间接的绿色植物的光合作用,一方面有效吸收大气中排放的二氧化碳,另一方面又将太阳能转化为常规的固态、液态和气态燃料,属于可再生能源的碳源。 二、生物质能的优势 1、可循环再生。生物质能作为可再生能源,具有天然的自我再生功能,可以保证能源长久持续的使用,有助于解决因有限的不可再生能源未来可能出现的能源危机。 2、应用方式多样。生物质能既可直接使用,也可以利用转化工艺作为二次能源使用,还可通过生物、化学和物理方法转换成其他生物能源; 3、零碳能源,保护环境。生物质能是二氧化碳中性,燃烧产生的二氧化碳量等于植物在生长过程中吸收的二氧化碳量,有助于减碳,且在转化过程的相比于其他方式硫化物、氮化物和粉尘等的排放更少。 三、生物质能发电 基于目前能源体系的构建,电能是目前使用占比较大的一种能源形式。在生物质能的应用中,生物质能发电是具有一定发展前景的一种能源使用方式,生物质能发电是通过运用生物质及其加工转化成的固体、液体、气体的生物质能燃料而实现的一种热力发电技术,目前主要分为直接燃烧发电、甲醇发电、城市垃圾发电和沼气发电四种。 1、直接燃烧发电 直接燃烧发电是先采用专门的生物质工业锅炉将生物质压缩成密度较大、性能接近煤的成型燃料,然后将生物质原料送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中,燃烧产生的热量将水转换为水蒸汽,再通过水蒸汽带动汽轮机,从而驱动蒸汽机转动,最后再带动发电机发电。 直接燃烧发电的工作原理同燃煤火力发电原理相同,两者的区别主要体现在燃料上,火力发电的原料是煤,而直接燃烧发电的原料主要是农林废弃物和秸秆,同烧煤相比,生物质锅炉排放的碳排放量会更低,又助于实现发电过程中的减碳。 直接燃烧发电是快速直接利用生物质能的方法,但由于生物燃料密度相比于化石燃料较低,燃料效率和发热量都不如化石燃料,所以目前大多数应用于生物废弃物的回收再利用。目前,在生物质能技术相对比较成熟的国家,生物质能的燃烧发电占可再生能源发电量的70%,目前像一些糖厂榨糖后的原料就被利用于生物质能的发电。 2、甲醇发电 除了传统的秸秆、木屑等农产品原料,甲醇发电目前也是生物质能发电的一种选择方式,因其发电成本逐步下降,污染较低且液态状态易储存的原因,被认为具有较高的发展前景。 甲醇发电的工作原理是先将甲醇加热使其气化,气化的甲醇通过水蒸汽发生化学反应产生氢气,再以氢气为燃料,在燃烧室中燃烧生成燃气,通过燃气驱动燃气轮机带动发电机组发电。 3、城市垃圾发电 城市垃圾发电的工作原理是通过特殊的焚烧锅炉燃烧城市固体垃圾,再通过蒸汽轮机发电机组发电。其中焚烧垃圾产生的高温烟气在余热锅炉中进行热交换,产生过热蒸汽,推动汽轮发电机组产生电能,实现生活垃圾的回收再利用,一方面缓解了城市垃圾过多带来的环境问题,另一方面也为城市提供了一定的能源输送。 4、沼气发电 沼气发电的工作原理以沼气作为燃料产生动力来驱动发电机产生电能,是目前沼气大型化利用的一种方式。在沼气发电流程中,生物质原料经气化器形成沼气,再经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组,从而驱动与沼气涡轮机相连接的发电机而产生电力。需要的主要设备有沼气发电机组、发电机和热回收装置,目前沼气利用主要集中在养殖业、工业等领域,通过充分利用资源实现循环经济的综合性发展。 四、国内生物质能的发展现状以及前景 中国拥有丰富的生物质能资源,据测算理论总量有50亿吨左右。2021年中国生物质能发电累计装机量为3798万千瓦,新增装机为808万千瓦,同比2020年上涨48.80%。据统计,截至2021年底,我国生物质能发电累计装机容量占可再生能源发电装机容量的3.6%。从目前的装机容量看,相比于我国丰富的生物质能资源,生物质能资源的使用率并不高。随着生我国2030年碳达峰和2060年的碳中和目标的实施,生物质能未来会有更大的需求。在产业政策不断完善和生物质能技术不断提高下,未来生物质能的应用或迎来新的发展机遇。