王曉明,唐 蘭,趙黛青,郝海青,王 歡,王云鶴,朱赤暉

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州510006;2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣東廣州510640)

中國(guó)生物質(zhì)資源潛在可利用量評(píng)估

王曉明1,唐 蘭1,趙黛青2,郝海青1,王 歡1,王云鶴1,朱赤暉1

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州510006;2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所,廣東廣州510640)

生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源,我國(guó)有豐富的生物質(zhì)資源。首先分析了中國(guó)農(nóng)作物秸稈、薪柴、禽畜糞便3類(lèi)生物質(zhì)資源的潛在資源量。結(jié)果顯示,2007年中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源為7.5億t,薪柴資源為1億t,禽畜糞便資源為9億t,這3類(lèi)資源可獲得量折標(biāo)煤3.19億t,相當(dāng)于2007年我國(guó)能源消費(fèi)總量的 12%。其次分析了當(dāng)前生物質(zhì)能利用狀況、存在問(wèn)題,并且給出了一些對(duì)策建議。

生物質(zhì);資源量;可持續(xù)發(fā)展

Abstract:Developing bio-energy and establishing sustainable rural energy system s are impo rtant considerations fo r rural development and the protection of the global environment.Biomass is a kind of very impo rtant renewable resource and China has tremendous biomass energy resources.This study aims to assess the sustainable energy potential of plantation biomass resources in China.In this paper,the energy potentialof the follow ing resources have been assessed:(1)agricultural residues,(2)fuelwood,(3)animalmanure.The sustainable biomass energy potential in China is estimated to be about 12%of energy consumed in 2007.The current application status of biomass,the issues w hich limit the development of biomass had also been analysed in this paper.

Key words:biomass;resources;sustainable development

隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)的能源問(wèn)題已經(jīng)變得越來(lái)越突出。21世紀(jì)初到2020年,我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)為力爭(zhēng)達(dá)到利用能源消費(fèi)翻一番實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)翻兩番,具體為到2020年一次能源消費(fèi)總量30億t標(biāo)準(zhǔn)煤(2010年約為21億t標(biāo)準(zhǔn)煤)。然而根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2008年全國(guó)一次能源消費(fèi)總量為29.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,2009年將超過(guò)30億t標(biāo)準(zhǔn)煤,比預(yù)期時(shí)間提前了11年[1]?？v觀我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭,其能源需求依然會(huì)保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)。更為嚴(yán)峻的是化石能源并不是可再生資源,中國(guó)已探明的石油、天然氣、煤炭?jī)?chǔ)量分別只夠使用14年、32年和100年,全世界石油也只夠用40年[2]。另外,我國(guó)主要的一次性能源消費(fèi)主要來(lái)自于煤炭,2007年煤炭占一次能源消費(fèi)比例達(dá)69.5%。煙塵和CO2排放量的70%、SO2的90%、氮氧化物的67%來(lái)自于燃煤,此外機(jī)動(dòng)車(chē)快速增長(zhǎng)所帶來(lái)的污染不斷加劇。中國(guó)已經(jīng)是能源消費(fèi)第1大國(guó)和CO2排放第2大國(guó),要求中國(guó)限排溫室氣體的國(guó)際壓力將越來(lái)越大,2020年以后中國(guó)將難以回避溫室氣體排放限制的承諾。

作為一種潔凈而又可再生的能源,生物質(zhì)是惟一可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品的碳資源,其主要形式為:(1)農(nóng)作物殘留物;(2)林業(yè)殘留物;(3)禽畜糞便資源;(4)城市固體有機(jī)廢棄物等。但是生物質(zhì)能存在能量密度小,分散性大的特點(diǎn),原料是否充足,運(yùn)輸費(fèi)用高低是生物質(zhì)能利用需要考慮的重要因素。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),是世界上生物質(zhì)能資源最豐富的國(guó)家之一,對(duì)全國(guó)生物質(zhì)能的產(chǎn)量和分布有一個(gè)清楚的了解,對(duì)于開(kāi)發(fā)和利用我國(guó)生物質(zhì)資源有至關(guān)重要的意義。本文對(duì)資源(1)、(2)、(3)作了詳細(xì)的分析,2007年數(shù)據(jù)將作為評(píng)估的基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算

研究的源數(shù)據(jù)主要來(lái)自于:《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2008》[3],《中國(guó)畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒2008》[4],以及全國(guó)第6次一類(lèi)清查森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5],《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)2007》[6]。在源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)生物質(zhì)資源量的估算方法獲得的生物質(zhì)資源量數(shù)據(jù),根據(jù)目前的利用情況、權(quán)威的轉(zhuǎn)化系數(shù),將各種生物質(zhì)資源量換算成可以替代的標(biāo)準(zhǔn)煤的資源量進(jìn)行分析。

2 潛在生物質(zhì)資源量

2.1 農(nóng)作物秸稈資源

2007年,全國(guó)農(nóng)作物播種面積為1.53億hm2,其中糧食作物播種面積1.06億hm2。全年主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為5.02億t,稻谷、玉米、小麥等谷物產(chǎn)量為4.56億t,糧食主產(chǎn)區(qū)為河南、山東、四川、黑龍江等省份。

農(nóng)作物秸稈資源是指農(nóng)作物在收割或后期加工過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物資源,包括作物的莖、葉、枝、殼等,并不對(duì)糧食安全構(gòu)成威脅。其資源量是以國(guó)家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)作物產(chǎn)品原始產(chǎn)量為源數(shù)據(jù),然后根據(jù)每種農(nóng)產(chǎn)品的草谷比進(jìn)行估算[7]:

式中:ARP—秸稈資源量,萬(wàn)t;

i—第 i種農(nóng)作物,i=1,2,3…,n;

M i—第 i種農(nóng)作物產(chǎn)量,萬(wàn)t;

di—第 i種農(nóng)作物草谷比,kg/kg。

表1顯示了從1991年至2007年間我國(guó)各類(lèi)農(nóng)作物秸稈資源量。

表1 我國(guó)歷年農(nóng)作物秸稈資源量 萬(wàn)t

從表1中可知,農(nóng)作物秸稈資源量變化不大,從1991年至2000年處于平穩(wěn)上升的態(tài)勢(shì),之后有所回落。從2005年起,國(guó)家調(diào)整了農(nóng)業(yè)政策,加大了種糧補(bǔ)助,使得糧食產(chǎn)量逐步上升,秸稈資源總體上隨著產(chǎn)品產(chǎn)量的變化而變化,到2007年達(dá)到峰值,為 74 816萬(wàn) t。

各類(lèi)農(nóng)作物秸稈的資源量組成如圖1。

圖1 我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源組成

從圖1中可知,資源量最多的是玉米、水稻和小麥,其秸稈資源量為30 460萬(wàn)t,18 603萬(wàn)t和10 930萬(wàn)t,分別占到總量的40%,25%和15%,其他作物(包括豆類(lèi)、薯類(lèi)、花生、油料、高粱、雜糧、糖類(lèi)等)占到20%。

圖2是農(nóng)作物秸稈資源分布圖。

圖2 我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源量分布

從圖2中可以看出,秸稈資源量較豐富的地區(qū)是河南、山東、河北、黑龍江以及吉林,分別分布在華北地區(qū)和東北地區(qū)。

目前,我國(guó)農(nóng)作物秸稈中的30%用作農(nóng)用燃料,25%用作飼料,3%用作工業(yè)生產(chǎn)原料,7%直接還田,35%被露天焚燒或隨意丟棄[8],每年燒掉的秸稈達(dá)2.5億t,相當(dāng)于1億t標(biāo)準(zhǔn)煤。焚燒秸稈不僅帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染,還浪費(fèi)了大量寶貴的資源。如果能夠重視秸稈的能源利用,將有一半以上的秸稈可用作為生物質(zhì)能。

2.2 薪柴資源

薪柴資源在很早以前就被人類(lèi)作為主要的能源,在做飯、取暖以及工業(yè)方面都有很大的應(yīng)用。薪柴資源包括森林采伐木和加工剩余物,薪炭林、用材林、防護(hù)林、灌木林、疏林的收取或育林剪枝,四旁樹(shù)的剪枝等,其資源量采用下式估算[7]:

式中:FWG—統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)薪柴資源量,萬(wàn)t;

Fij—在 i區(qū)域內(nèi)j種林地各占不同的面積,萬(wàn)hm2;

Yij—某種林地的產(chǎn)柴率(每公頃 1年產(chǎn)柴量),kg/hm2;

Qij—該種林地可取薪柴面積系數(shù)(取柴系數(shù));

Tij—在i區(qū)域內(nèi)第j種四旁樹(shù)產(chǎn)柴率(每株1年產(chǎn)柴量),kg/株;

Xij—在 i區(qū)域內(nèi)第j種四旁樹(shù)株樹(shù),萬(wàn)株;

Yij—在i區(qū)域內(nèi)第j種四旁樹(shù)取柴系數(shù);

W—區(qū)域內(nèi)原木產(chǎn)量。

根據(jù)全國(guó)第6次一類(lèi)清查森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)和2007年全國(guó)森林資源采伐量計(jì)算,目前全國(guó)的薪柴資源為10 475.8萬(wàn)t,其中用材林3 402萬(wàn)t,防護(hù)林512.7萬(wàn)t,薪炭林2 022.4萬(wàn)t,疏林362萬(wàn)t為以及四旁樹(shù)1 453萬(wàn)t,采伐和加工剩余木材量為1 152.2萬(wàn) t。

表2 我國(guó)各類(lèi)林業(yè)用地面積

用材林和薪炭林為主要薪材資源,分別占到問(wèn)題的33%和19%,如圖3所示。

黑龍江、四川、云南、湖南、湖北為薪柴資源較多的省份,按地區(qū)為東北地區(qū)資源最豐富(圖4)。

目前來(lái)看,全國(guó)薪柴資源量消費(fèi)量超過(guò)2億t,比可合理利用的資源量要大得多,存在著過(guò)度采樵現(xiàn)象,資源沒(méi)有得到合理開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)目前未利用的宜林荒山荒地超過(guò)5 500萬(wàn)hm2,接近林地面積的1/3。這些荒地如果能利用起來(lái),發(fā)展速生豐產(chǎn)能源林業(yè),不僅可解決水土流失嚴(yán)重,薪柴資源不足等經(jīng)濟(jì)社會(huì)問(wèn)題,還可提供生產(chǎn)將近1億t生物質(zhì)液體燃料的原料。同時(shí),保護(hù)林業(yè)資源也可以發(fā)展秸稈生產(chǎn)非木質(zhì)人造板,按1%的利用率,每年有700萬(wàn)t秸稈可生產(chǎn)700萬(wàn)m3的非木質(zhì)人造板,替代原木約2 100萬(wàn) m3[9]。

圖3 我國(guó)薪柴資源組成

圖4 我國(guó)薪柴資源量分布

2.3 禽畜糞便資源量

禽畜糞便是生產(chǎn)沼氣的理想原料,其產(chǎn)量主要根據(jù)禽畜品種和個(gè)體大小等因素來(lái)進(jìn)行計(jì)算。禽畜糞便資源量根據(jù)各地區(qū)禽畜存欄數(shù)和各類(lèi)禽畜的年平均排泄量來(lái)進(jìn)行估算[7]。統(tǒng)計(jì)公式如下:

式中:AM P—禽畜糞便資源量;

I—禽畜類(lèi)別數(shù);

Pi—第 i種禽畜的數(shù)量;

A i—第 i種禽畜的年排泄糞便量。

2007年中國(guó)禽畜糞便資源量為92 228萬(wàn)t(干重),從資源和可獲得量來(lái)看,主要是雞、豬和牛,分別占到56%,15%和14%,其比率見(jiàn)圖5,地區(qū)分布見(jiàn)圖6。

圖5 我國(guó)禽畜糞便資源量的組成

圖6 我國(guó)禽畜糞便資源量的分布

河南、山東、四川為我國(guó)禽畜糞便資源量最大的省份。

禽畜糞便的合理化利用既有經(jīng)濟(jì)上的效益,也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)好處。禽畜糞便是生產(chǎn)沼氣的理想原料,目前作為沼氣原料的禽畜糞便僅占總量的10%左右,80%左右的養(yǎng)殖場(chǎng)則直接將糞水排入各類(lèi)水體環(huán)境。規(guī)模化禽畜養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要來(lái)源。禽畜養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生大量的有機(jī)污染物和氮、磷等,極易對(duì)水環(huán)境和大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。加強(qiáng)禽畜糞便的處理也是發(fā)展新農(nóng)村的要求。

3 技術(shù)成熟度與資源貢獻(xiàn)度分析

我國(guó)生物質(zhì)液體燃料產(chǎn)業(yè)開(kāi)始于上世紀(jì)90年代,主要以設(shè)在河南、安徽、吉林、黑龍江等省的4家以陳化糧為原料的乙醇燃料生產(chǎn)廠為主,年產(chǎn)能力102萬(wàn)t。2006年全國(guó)共銷(xiāo)售乙醇汽油1 300萬(wàn)t,占全國(guó)汽油消費(fèi)量的23.3%。隨著陳化糧食逐步消耗殆盡和玉米價(jià)格節(jié)節(jié)攀升,考慮到玉米乙醇的發(fā)展對(duì)國(guó)家的糧食安全的威脅,國(guó)家2006年起停止新批玉米燃料乙醇企業(yè),并大力鼓勵(lì)發(fā)展非糧食作物為原料開(kāi)發(fā)燃料乙醇。以木薯、甜高粱等能源作物以及農(nóng)作物秸稈等纖維素為原料抽取燃料乙醇將是今后的方向,預(yù)期種植能源作物制備燃料乙醇將在2020-2030年的時(shí)間段技術(shù)成熟并商業(yè)運(yùn)作,以纖維素為原料抽取燃料乙醇將在2030-2050年的時(shí)間段技術(shù)成熟并商業(yè)運(yùn)作。

中國(guó)戶(hù)用沼氣利用技術(shù)世界領(lǐng)先,大中型沼氣工程起步較晚,與發(fā)達(dá)國(guó)家落后一二十年,需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新。截止到2007年年底,全國(guó)共有戶(hù)用沼氣2 650多萬(wàn)座,年產(chǎn)氣量105億m3[10]。大型農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程和工業(yè)有機(jī)廢水沼氣工程約3 700多處,年產(chǎn)沼氣約34 114萬(wàn)t[11]。沼氣技術(shù)已從單純的能源利用發(fā)展成為廢棄物處理和生物質(zhì)多層次利用,并廣泛地與種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)相結(jié)合,成為發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)和鞏固生態(tài)建設(shè)成果的一個(gè)重要途徑。北方“四位一體”、南方“豬沼果”、西北“五配套”等能源生態(tài)模式逐步優(yōu)化完善。大中型沼氣工程技術(shù)日趨成熟,初步具備產(chǎn)業(yè)化條件。

根據(jù)生物質(zhì)資源量,利用成熟技術(shù)進(jìn)行生物質(zhì)利用可獲得如下規(guī)模:

2007年,農(nóng)作物秸稈資源總量為7.5億t,考慮還田及牲畜飼料等用途,可獲得量約4億t,折標(biāo)煤19 600萬(wàn)t。按每噸乙醇消耗秸稈6.5t計(jì)算,可制備燃料乙醇6 000萬(wàn)t左右。

薪柴及林業(yè)加工剩余資源1.04億 t,折標(biāo)煤5 900萬(wàn) t。

根據(jù)技術(shù)成熟度分析,到2020年可替代3 000萬(wàn)t汽油,使得我國(guó)對(duì)外石油依存度下降10%,同時(shí)每年還能減排9 000萬(wàn)t二氧化碳。

牲畜糞便資源利用方面,1 t干物質(zhì)糞便可生產(chǎn)沼氣100m3以上[7],全國(guó)糞便資源可產(chǎn)生沼氣超過(guò)900億m3,如果1 m3沼氣可發(fā)電1.6 kW h[12],年可發(fā)電1 440億度,具有相當(dāng)可觀的開(kāi)發(fā)前景。根據(jù)規(guī)劃,沼氣年利用量到2010年和2020年要分別達(dá)到195億m3和440億m3。

4 發(fā)展展望

生物質(zhì)能作為一種重要的可再生能源,其發(fā)展前景非常廣闊。它能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、緩解能源壓力、改善環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)的生物質(zhì)能資源豐富,以2007年為例,農(nóng)作物秸稈資源總量為7.5億t,薪柴資源為1億t,禽畜糞便資源為9億t(見(jiàn)表3)。生物質(zhì)能資源分布各省差異較大,主要分布在河南、山東、四川、安徽、黑龍江、遼寧等省。從發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看,目前較大的生物質(zhì)利用企業(yè)也主要分布在這些地區(qū)。

表3 2007年我國(guó)主要生物質(zhì)能資源量匯總

生物質(zhì)能屬可再生能源,所生產(chǎn)的燃料歸于清潔燃料范疇,發(fā)展生物質(zhì)液體燃料是最為理想的石油替代路線(xiàn)。國(guó)外首先開(kāi)發(fā)的是燃料乙醇和生物柴油,技術(shù)成熟,可作為汽油或柴油的調(diào)合組分,預(yù)期2020年產(chǎn)量可替代10%～20%的運(yùn)輸燃料。我國(guó)待有效利用與開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)資源尚屬豐富,參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)也以燃料乙醇和生物柴油為先期目標(biāo)。但為了不與民爭(zhēng)糧,不與糧爭(zhēng)地,擴(kuò)大替代的份額,因此宜努力開(kāi)發(fā)利用纖維素、半纖維素水解、醣化、發(fā)酵制燃料乙醇的技術(shù),爭(zhēng)取在基因工程研究方面有所突破,提高產(chǎn)率并降低成本,經(jīng)過(guò)10年左右其成本達(dá)到糧食乙醇水平,2040年前可與汽油競(jìng)爭(zhēng)。

降低對(duì)糧食和油料作物依賴(lài)的另一途徑是還應(yīng)積極開(kāi)發(fā)生物質(zhì)熱化學(xué)工程技術(shù),降低生產(chǎn)凈化合成氣的裝置投資與成本,創(chuàng)造全面綜合利用生物質(zhì)的范例。此外注意到生物質(zhì)資源分散、品種多樣、含水多、熱值低的不利因素,應(yīng)細(xì)致研究有關(guān)作物的育種、栽培、收割、采集、干燥、打包、運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)方法,還應(yīng)力爭(zhēng)擁有多種高效、經(jīng)濟(jì)和清潔的轉(zhuǎn)化技術(shù),力求降低各環(huán)節(jié)的費(fèi)用,使生物質(zhì)液體燃料的生產(chǎn)企業(yè)能夠在優(yōu)化條件下運(yùn)營(yíng),使生物質(zhì)替代石油產(chǎn)品具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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Assessment of Sustainable Energy Potential of Non-plan tation Biomass Resources in China

WANG Xiao-ming1,TANG Lan1,ZHAO Dai-qing2,Hao Hai-qing1,Wang Huan1,Wang Yun-he1,Zhu Chi-hui1

(1.Department of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion(GIEC),Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510006,China)

X 24

A

1674-2842(2010)05-0038-05

2010-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50608020)、廣州大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

王曉明(1984-),男,廣西桂林人,碩士研究生,主要從事生物質(zhì)能源化、資源化等方面研究。

唐 蘭,E-mail:tanglan@gzhu.edu.cn。