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我國林業生物質材料產業現狀與發展趨勢

媒體:中國新能源網  作者:段新芳 葉克林 張宜 2015/12/21 11:55:55

摘要:介紹生物質與生物質材料的定義與分類,概述我國生物質材料產業發展現狀以及存在問題,提出了發展林業生物質材料產業的建議。

隨著我國經濟和社會的快速發展,能源和資源供給的巨大缺口,已成為我國經濟與社會可持續發展的瓶頸。生物質材料替代石油、煤炭、礦產等不可再生資源,已成為世界基礎原料領域的重大課題。加快生物質資源利用,發展生物質材料戰略性新興產業,對緩解資源與環境壓力意義重大,同時也是發展低碳經濟和生物經濟的產業基礎。

十一五以來,特別是農林生物質工程0被列入2004年國家中長期科技發展規劃(2005~2020)和十一五國家科技支撐計劃重大項目之后,我國生物質材料開發利用開始加速發展。在國家有關政府部門的有力推動下,經過全國產學研各界的共同努力,生物質材料產業取得了很大進展。為推動我國林業生物質材料產業的發展,筆者對林業生物質材料產業現狀和存在問題進行了研究,以期為林業生物質材料戰略性新興產業的發展提供參考和指導。

1生物質、生物質材料的定義與分類

1.1生物質的定義

廣義的生物質是指:利用太陽能經光合作用合成的有機物,如木本、草本和藤本植物的莖、葉、花、果實等,或間接利用光合作用產物形成的有機物質,如水產業的蝦皮、蟹殼等。

廣義的林業生物質主要指:喬木、灌木、竹藤、草等植物,與采伐、間伐和加工利用的木材剩余物、廢棄木材和農作物秸稈等。

狹義的生物質概念源自2008年頒布的歐盟可再生能源法令(The New EU Renewable Energy Directive):主要來源于農業,包括蔬菜、畜牧產業,林業及水產業的可生物降解的產品組分、剩余物和廢棄物,以及工業和城市垃圾中的可生物降解的組分。一般不包括人類食用農作物、家養動物,及常規木材生產。

狹義的林業生物質是指:除喬木、竹、藤以外的灌木、草本植物,以及林業剩余物、廢棄木材和農作物秸稈等。

1.2生物質材料的定義與分類

根據生物質的定義,生物質材料亦有廣義和狹義之分。廣義的生物質材料是以木本、草本、藤本植物及其加工剩余物和廢棄物為原料,通過物理、化學和生物學等技術手段,或與其他材料復合,加工制造而成的。包含實木、竹材、藤材以及木質人造板等。

狹義的生物質材料是以灌木、草本植物以及林業剩余物、廢棄木材、農作物秸稈等組分為原材料,通過物理、化學和生物學等技術手段,或與其他材料復合加工而成的。如生物質重組材料、生物質復合材料、生物質膠黏劑、生物質基塑料以及利用生物質加工而成的油墨、染料、顏料和油漆等。

我國目前發展態勢良好的生物質材料主要有:木塑復合材、生物質基塑料、麥秸板、稻草板、生物質基膠黏劑和生物質基陶瓷等。

林業生物質材料按照其來源可分為:

1)喬木基生物質材料:實木和木質人造板等;

2)灌木基生物質材料:灌木人造板、灌木基復合材料和傳統的柳編制品等;

3)竹藤基生物質材料:竹材、藤材、竹藤基復合材料等;

4)秸稈與草本基生物質材料:麥秸刨花板、麥秸纖維板、稻草中密度纖維板、草/木復合中密度纖維板、軟質秸稈板、輕質秸稈復合墻體材料、秸稈塑料復合材、甘蔗渣纖維板等非木質人造板,以及椰棕纖維及其材料與制品等。

按照林業生物質材料的組成和生產特點,分為:

1)合成生物質材料,即以化學或生物化學方法將生物質加工成可降解的高分子材料、功能高分子材料、生物質膠黏劑、精細化學品以及新型碳吸附材料等,如灌木刨花板、灌木纖維板、秸稈刨花板、定向麥秸板、蛋白類膠黏劑、淀粉類膠黏劑、木質素膠黏劑、生物質高分子防腐劑、聚乳酸和生物乙烯等。

2)生物質基復合材料,即生物質與生物質、生物質與廢舊塑料等合成高分子材料、生物質與水泥和石膏等無機物質制造的復合材料,如木塑復合材料和木基陶瓷復合材料等。

2生物質材料產業的效益預期分析

我國CO2排放量居世界第1位,為應對全球氣候變化,減少CO2排放,發展低碳經濟,已成為我國經濟方式轉變的必然選擇。我國是世界林產工業大國,人造板、木地板產量,紙和紙板產量與消費量、木家具產量和家具出口均居世界前列,目前我國每年進口木材類產品折合原木達1億多m3,進口額高達200多億美元,對進口木材依存度過高,將影響我國木材安全。

生物質材料產業是以非食用的可再生生物質原料,代替石化原料,生產新材料的新興產業。發展生物質材料,可替代部分木材,減少森林資源的消耗,保障國家木材安全。我國現有森林面積1.95億hm2,森林蓄積量137.21億m3,林木生物質資源總量在190億t以上,林地廢物2億多t。

我國農作物秸稈產量約7億t/年,其中玉米、高粱、棉花等為2億t左右,麥秸和稻草約4億t,豆類及油料作物秸稈約1億t,其中可供收集利用的約為6億t。但目前的開發利用率較低,大量的秸稈焚燒,既造成了大氣污染,又浪費了資源。

據測算,如果將1億t農林剩余物用于纖維板、木塑或秸稈基復合材料等生產,其產量可分別達0.64億m3和1.7億t,相當于替代1.25億m3和3.0~3.7億m3木材,原料價格以200元/t計,增加農民收入200億元,減少CO2排放量達4500萬t;根據現有市場價格計算,如果每年生產1.7億t木材或秸稈基塑料復合材料,其產值可達2萬多億元,可提供3000萬個就業崗位,新增收入3000億元。將成為農民致富的新增長點,有助于新農村建設和農村富余勞動力轉移。

3我國生物質材料產業發展現狀

3.1生物質材料產業發展現狀

按照狹義的生物質材料分類,目前灌木人造板、木基或生物質基塑料復合材料和農作物秸稈復合材料發展迅速,產業化進展良好;而生物質膠黏劑、生物質基碳質吸附新材料和功能生物質材料等,還處于研究階段,產業化程度較低。

1)灌木人造板是指利用灌木原料生產而成的人造板,主要產品為灌木纖維板、中纖板和刨花板等。灌木林主要分布在我國北方和西部省區,面積已達2.92億畝,檸條、沙柳、沙棘等已成為灌木人造板的重要原材料。

灌木人造板產業已成為內蒙古、寧夏等地區沙產業的重要產業之一。如內蒙古2006年就建立了20多家沙生灌木人造板企業,年產人造板25萬t。僅在鄂爾多斯市,以沙柳為原料的人造板企業近10家,年加工能力達17萬m3;寧夏青銅峽市建成年產10萬m3的沙柳/紫穗槐/楊木高密度纖維板生產線,并在銀川投資建設年產25萬m3沙生灌木高密度纖維板項目,預計2011年10月投產。

2)木基或生物質基塑料復合材料木塑復合材料(Wood plastic composite,WPC)或生物質基塑料復合材料,是以木材或竹材的纖維和粉末、苧麻、花生殼、稻殼、農作物秸稈、廢棄塑料為主要原料,經特殊工藝處理后,加工而成的復合材料。

分為結構型木塑復合材料和輕質裝飾型木塑復合材料2大類,涵蓋原木、塑料、塑鋼、鋁合金及其他類似復合材料的使用領域。在我國,應用范圍還包括門窗、保溫材料、室外家具、步道、園林建筑和高樓安裝的遮光板等。

我國已成為世界第二大木塑復合材料生產國,制造水平與歐美發達國家基本處于同一產業平臺。據不完全統計,截至2009年底,全國直接從事WPC研發、生產的企事業單位200多家,從業人員10余萬人,年產量達20萬t,年產值超過30億元,并應用于北京奧運場館和上海世博會等國家重點工程。市場年增長率為30%,預計到2015年,WPC產量將達到250萬t。

3)農作物秸稈復合材料主要包括麥秸刨花板、麥秸定向刨花板、稻草中密度纖維板、麥秸纖維板及草/木復合中密度纖維板、軟質秸稈板復合墻體材料、秸稈塑料復合材料等,并在家具制造、建筑裝修和包裝等領域得到應用。

目前,世界秸稈復合材料的產量240萬m3/年,其中美國約150萬m3/年,加拿大約50萬m3/年,主要為麥秸刨花板。我國秸稈板產量約40萬m3/年,包含稻草中密度纖維板、草/木復合中密度纖維板、秸稈塑料復合材料等。

我國的稻草板產量居于世界前列,德國的秸稈人造板設備制造水平處于領先地位。目前,我國已建成年產1.5萬m3的秸稈板生產線6條,年產5萬m3的生產線4條,秸稈建筑材料生產線10余條,初步形成了農作物秸稈材料產業。2009年,世界第一條定向結構麥秸板(OSSB)生產線在陜西建成。

我國秸稈復合材料生產主要分布在湖北、江蘇、黑龍江,山東、四川、上海和安徽。通過自主技術創新以及對國外先進技術的消化吸收,南京林業大學和中國林科院木材工業研究所等進行了/稻/麥秸稈人造板制造技術與產業化開發,并獲2009年國家科技進步二等獎。我國已能自主生產年產1.5萬m3和年產5萬m3的秸稈板成套生產線,正在進行年產8萬m3秸稈板生產線的技術攻關。

我國秸稈人造板制造技術研究,列入十一五國家科技支撐計劃,中國林科院木材工業研究所與江蘇大盛板業有限公司合作,重點開發秸稈處理技術、秸稈纖維二次分離技術、生物質膠黏劑制備技術以及秸稈全生物量利用技術;并研制國產化秸稈建材制造設備及產品,建成一條年產3萬m3的秸稈生產線;同時,研究林業剩余物與回收塑料發泡復合成型、輕質中空綠色型材等成套技術和裝備,制造發泡輕質建材產品,并建成年產1萬m3的發泡輕質建材示范廠。通過關鍵制造技術示范以及相關技術在建筑裝飾、輕型板材、裝飾角線、門套、整體門等方面的應用,推動高效利用農作物秸稈資源,部分替代石油基材料。

4)生物質膠黏劑與其他生物質材料據中國膠黏劑工業協會統計,2008、2009年我國膠黏劑的產量分別為583和646萬t。甲醛系樹脂膠引起的污染問題受到社會的廣泛關注,也為生物質膠黏劑的發展提供了契機。

我國生物質膠黏劑的研發,主要集中在單寧、淀粉、木質素,以及大豆蛋白質、油茶餅粕、木材液化產物利用等方面。與合成樹脂的性能相比,還有一定差距,在合成工藝、耐水、貯藏性能等方面的關鍵技術有待突破。同時,需要針對生物質膠黏劑的生產和應用制定新標準,以利于生物質膠黏劑的開發和推廣利用。此外,生物質基碳質吸附材料、功能生物質材料研究剛起步。

3.2林業生物質材料標準化現狀

全國林業生物質材料標準化技術委員會(SAC/T C416)自2009年成立以來,主要負責以灌木、椰棕、農作物秸稈、木材廢棄物等原料,制造加工的材料,及以生物質原料經化學、生物技術加工制成的材料與產品等領域的標準化工作。按照國民經濟行業分類代碼(GB/T 4757),以林業生物質為原料,生產專用化學產品,包含木材防護化學藥品、化學試劑、助劑等三大類。

林業生物質材料標準體系框架,由生物質材料基礎和綜合、生物質材料保護、生物基膠黏劑與合成高分子材料、重組材料與飾面材料、生物質復合材料、生物質制品等6大類構成,包括基礎通用標準、方法標準、產品標準和管理標準。

目前歸口管理的國家標準有4項:GB/T 21723-20085麥(稻)秸稈刨花板6、GB/T 23471-20095浸漬紙層壓秸稈復合地板、GB/T 23472-20095浸漬膠膜紙飾面秸稈板、GB/T24508-20095木塑地板6;林業行業標準2項:LY/T 1613-20045擠壓木塑復合板材、LY/T 1795-20085椰殼纖維板,其中LY/T 1613-2004需要修訂。

中國林學會生物質材料科學分會于2006年成立,連續召開了三次學術研討會,進行生物質材料基礎知識普及,確立了廣義的生物質材料概念,提出我國生物質材料科學九大研究領域:

1)生物質材料結構、組分與性能;

2)生物質材料性能、生物學形成與對材料性能的影響;

3)生物質材料保護與理化改良;

4)生物質材料的化學利用資源化;

5)生物質材料生物技術;

6)生物質重組材料設計與制備;

7)生物基復合材料設計與制備;

8)生物質材料先進制造技術;

9)生物質材料標準化研究。

4我國林業生物質材料產業存在問題與政策建議

4.1存在問題

1)產業和企業規模小

由于多種原因,生物質材料產業多呈小散亂的狀態,缺少大型骨干企業,產業集中度不高。

2)生物質原料收集季節性強,原料存儲成本高

農作物秸稈原料生產的季節性強,收集時間短、收集范圍大,致使原料存貯成本高;木材廢棄物收集點雖多,但收集成本亦高,影響產業發展。

3)生物質材料產品總體成本高,經濟效益低

生物質材料加工多使用的異氰酸酯類膠黏劑價格高;加之原料收集、存貯成本高,使產品成本偏高,導致產業經濟效益普遍偏低。

4)產業發展缺乏政策支持

2007年,國務院辦公廳轉發了國家發展改革委5生物產業發展十一五規劃,為我國生物產業發展制定了規劃,并實施九大專項,但不包括生物質材料產業。缺乏國家政策支持,林業生物質材料產業難以健康持續發展。

5)科技投入不足,產業發展缺乏科技支撐

建立以可再生生物質資源為基礎的現代生物質材料科學技術體系,開展共性關鍵技術、高新應用技術和應用基礎等研究,為生物質材料產業發展提供科技支撐。但目前研究投入嚴重不足,科學技術研究工作滯后于產業發展需求。

6)生物質材料標準化工作起步晚,標準制定缺乏前期科學研究

4.2政策建議

1)對生物質材料企業收購和儲存秸稈、木材廢棄物等原料所需要的流動資金進行貼息,對秸稈加工裝備進行退稅補貼。

2)繼續實施資源綜合利用增值稅即征即退政策,并盡快擴大到廢棄木材的回收利用。

3)將生物質材料產業發展納入國家木材安全戰略,制定產業發展規劃,為產業發展提供指導。

4)設立生物質材料產業發展關鍵技術科技專項研究,開展生物質材料結構、組成與性能、生物學形成及其對加工利用的影響、保護與理化改良、化學利用資源化、生物技術、生物質重組材料設計與制備、生物質基復合材料設計與制備、生物質材料先進制造技術、生物質材料標準化等研究,為生物質材料的產業化提供技術支撐。

5)加快開展生物質材料標準化工作,組建生物質材料產業創新技術戰略聯盟,加強產學研合作。

6)發揮學會和協會作用,加強生物質材料科學技術的普及與推廣,促進生物質產業發展。

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