王 聞，陳小燕，朱順妮，張 宇，王 瓊，梁翠誼，亓 偉

（中國科學院廣州能源研究所，廣東省新能源和可再生能源開發(fā)與利用重點實驗室，廣東 廣州 510640）

0 引言

廣東省是中國經濟總量第一大省，其經濟的高速發(fā)展必然伴隨著能源的大量消耗。近20年來，廣東省的能源生產量由2000年的3711.7萬t標煤增加到2019年的8377.3萬t標煤，而能源消費量則從7983.5萬t標煤增加到31123.0萬t標煤[1]。綜上可以看出，廣東省的能源生產量遠遠滿足不了消費量，其能源消費對外依存度在2019年達到73.1%，消費主體依然為化石燃料，占能源消費總量的68.8%[1]。中國在《巴黎協定》中承諾2030年前實現“碳達峰”，并在2020年9月進一步提出努力爭取2060年前實現“碳中和”。低碳經濟和可持續(xù)發(fā)展成為2020年后社會經濟發(fā)展的主旋律。尋求高效替代化石燃料的清潔可再生能源成為廣東省能源消費結構轉型和低碳經濟發(fā)展的迫切需求。

近年來，生物質能、太陽能、風能等可再生能源產業(yè)的發(fā)展受到世界各國的重視。其中，生物質能是繼石油、煤、天然氣之后排在第4位的能源，占全球能源總消費量的9.3%，占全球可再生能源總消費量的67.4%[2]，即生物質能源在可再生能源消費中具有舉足輕重的地位。生物質是地球上唯一可再生的碳源，包括能源植物（如甘蔗、木薯、油棕等）、農林廢棄物（如農作物秸稈、木屑等）、畜禽糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾和工業(yè)有機廢水等。據估計，全球每年新增的生物質量相當于1535.4億t標煤[3]，若其中的10%被開發(fā)為能源，則可提供全球能源消費量的75%左右，遠高于生物質能目前的消費占比（9.3%），生物質能具備完全替代化石燃料的潛力。評估生物質資源潛力是最大程度發(fā)掘生物質能儲量的基礎，也是國內外學者普遍關注的研究方向[4]～[6]。研究人員通常采用廢棄物折合產品系數、可獲取系數等多個參數值評估生物質資源量，并通過熱值或能量折算系數估算蘊藏的能源潛力[7]～[10]。不同地區(qū)的氣候、土壤等條件及產業(yè)經濟具有各自的特點，使得農、林等生物質資源種類、產量等存在差異[11]。根據不同地區(qū)的特點評估生物質資源種類及其儲量，對合理布局生物質能產業(yè)具有重要的指導意義。

目 前 ，有 關 中 國 全 域[6]，[11]～[17]以 及 黑 龍 江[18]、河南[19]、江 蘇[20]、新 疆[21]，[22]、山 東[23]，[24]等 地 區(qū) 的 生 物 質資源評估已有報道，針對廣東省的生物質資源評估雖有報道[25]，[26]，但僅限于農林生物質資源的粗略統計，并未探討生物質資源的地區(qū)分布特點。本研究基于廣東省各地市2019年的農、林、畜牧業(yè)和工業(yè)統計數據評估不同地市的生物質資源種類、數量及其能源潛力，明晰廣東省生物質資源的分布特點，從而為生物質能產業(yè)在廣東省的合理布局與健康發(fā)展提供數據支持。

1 評估方法

1.1 廢棄生物質資源量及其能源潛力計算方法

各種生物質廢棄物資源的產量根據各地市的2020年統計年鑒、《廣東農村統計年鑒2020》等統計資料中2019年的數據計算獲得，再通過文獻、專業(yè)書籍、技術手冊、專家經驗、實地調研等方法獲得相關轉換系數，計算出廢棄物資源的可利用量，按照可以轉化的能源形式（如沼氣）換算成對應的生物質能源產量，根據各種生物質能源的熱值統一折算成標準煤。由于廣東省各地市的城市生活垃圾處理量已達到95%以上，本文未評估各地市城市生活垃圾的能源潛力。

1.1.1 農作物廢棄物

農作物廢棄物主要指農作物秸稈（簡稱秸稈），是指農作物主產品外的副產品，本研究選取草谷比法計算秸稈的產量Wg，Wg的計算式為

式中：Wp為農作物主產品的產量，萬t；Rg/p為草谷比，即農作物地上莖稈產量（鮮重或干重）與產品產量（鮮重或干重）之比；Fa為秸稈可收集利用系數，指在現實的耕作管理條件下，可從田間收集起來并為人們所用的秸稈資源量與秸稈總量的比值。

1.1.2 林業(yè)生產與加工剩余物

（1）林木生物量與蓄積量

根據聯合國糧農組織（FAO）的全球森林資源報告，林木地上部分的生物量B和蓄積量V之間存在以下關系：

（2）林業(yè)生物質資源評價方法

林業(yè)生產與加工剩余物包括各種經濟林 （果林）、城市綠化、四旁樹等的修剪剩余物，以及森林采伐及造材剩余物。林業(yè)生產與加工剩余物生物量Bi的計算式為

式中：Bip為林木生物量換算系數，t/hm2或kg/株；Qi為 林 木 種 植 株 數（萬 株）或 面 積（hm2）；Fw為 廢棄物換算系數；Fb為林業(yè)生產與加工剩余物可收集利用系數。

1.1.3 禽畜糞便

禽畜糞便可用的資源為其可收集的干物質Wf，Wf的 計 算 式 為

式中：Af為每頭畜禽每年產糞便量，kg/頭或kg/只；Mi為畜禽數量，萬頭或萬只；Fd為糞便干物質比例，%；Fc為糞便可收集利用系數。

1.1.4 工業(yè)有機廢水廢渣

工業(yè)有機廢水廢渣轉換成沼氣產量的計算式為

式中：Pgas為沼氣產量，萬m3；TCOD為COD產污系數；Pi為 各 工 業(yè) 產 品 產 量，萬t；Tg/l為 廢 水 產 氣 率；Pw為廢渣產量，萬t；Tg/s為廢渣產氣率。

1.1.5 標煤換算公式

式中：Pcoal為折算標煤當量，萬t；Pe為不同生物質能源產量，萬t或萬m3；Tc/g為不同生物質能源的折算標煤系數 （1kg標煤可產生29.31MJ的能量），MJ/t或MJ/m3。

1.2 參數選取

在進行各種生物質廢棄物資源產量、能源潛力等計算時，各參數的選取主要參考學術期刊、學位論文、專業(yè)書籍、普查手冊、研究報告等。

1.2.1 農作物秸稈參數選取

農作物秸稈參數包括草谷比、可收集利用系數 和 低 位 熱 值。不 同 農 作 物 的 參 數 見 表1[12]，[27]～[29]。統計年鑒數據顯示，廣東的旱糧主要為玉米，統一按玉米的系數計算旱糧廢棄物。芝麻和油菜在年鑒中未單獨列支，計算其廢棄物產生量時，草谷比取兩者的最大范圍，即2.03～3.39，可收集利用系數和低位熱值也按照兩者的各自系數進行計算，獲得最小和最大值。水果林廢棄物的可收集利用系數統一參考經濟林，取0.20。除香蕉莖葉、菠蘿葉、荔枝和龍眼修剪枝葉的草谷比為單位面積的產量（t/hm2）外，其余農產品的草谷比均為廢棄物的干重與產品產量的比。

表1 農作物廢棄物及果樹修剪等廢棄物的草谷比、可收集利用系數和低位熱值Table1 Residue-product ratios，available coefficients and lower heat values of wastes from agricultural crops processing and fruit trees pruning

續(xù)表1

1.2.2 林業(yè)生產與加工剩余物參數選取

林業(yè)生產與加工剩余物參數包括生物量換算、剩余物生物量換算和可收集利用系數。不同林業(yè) 生 產 與 加 工 剩 余 物 的 參 數 見 表2[13]，[30]，[31]。 原 木占林木生物量的30%左右。每公頃綠地面積通過撫育修枝可獲得的生物量為8.50～11.00t，取均值為9.75t/hm2。木材與標煤的換算系數取0.57，竹子與標煤的換算系數取0.59。

表2 林業(yè)生長與加工剩余物生物量換算參數Table2 Coefficients for calculating biomass of growing and processing wastes of woods

1.2.3 禽畜糞便參數選取

禽畜糞便的參數包括畜禽糞便產率、干物質比 例 及 可 收 集 利 用 系 數（表3）[14]，[32]，[33]。 肉 禽 和 蛋禽是雞、鴨、鵝的總稱，其糞便產率的取值為0.10～0.15kg/d，因 差 異 較 小，取 均 值0.13kg/d。肉禽的飼養(yǎng)周期為60d左右，蛋禽通常為1a左右。因此，將統計年鑒中的出售和自宰禽的數量統計為肉禽，肉禽出欄后有10d的空欄期，根據肉禽的飼養(yǎng)周期，每年最多出欄5批，年底肉禽存欄數以出欄數的1/5計算，蛋禽存欄數則為年底存欄總數扣除年底肉禽存欄數。役用牛和奶牛的糞便產生量以年底存欄數計算，肉用牛、豬、羊和兔以當年出欄數計算，母豬以年底存欄數和1a的養(yǎng)殖周期計算。

表3 畜禽糞便有關系數Table3 Coefficients for estimating livestock's manures

1.2.4 工業(yè)有機廢水廢渣參數選取

不同行業(yè)的COD產生系數和廢水厭氧發(fā)酵產 氣 率 如 表4所 示[32]，[35]～[39]。 表4所 列 行 業(yè) 除 了 人造板、紙漿和中成藥行業(yè)產生固體廢棄物外，其余行業(yè)的固體廢棄物因資源化利用而無排放。所有行業(yè)均有廢水產生，其中COD含量因生產原料、工藝和規(guī)模的不同而有所差異，因此，COD產生系數的取值為一定的范圍。飲料酒包括白酒、啤酒、黃酒、葡萄酒、果酒等，啤酒及其他未列明酒類均參照啤酒的產污系數計算，白酒的酒精含量按65%（體積分數）計算，啤酒的酒精含量按4%（體積分數）計算,在飲料酒行業(yè)，每立方米沼氣可折合為0.70kg標煤。食用植物油的原料來源有大豆、花生、芝麻等，本文統一按照大豆油出油率約16.5%計算，參考產污系數手冊將油脂廢油折算為石油的產量,在食用植物油行業(yè)，每噸原料可產生1.03～96.4g油當量，每千克油當量可折合為1.43kg標煤。中成藥廢渣（每噸產品可產生1.00～3.00kg廢渣）的含水率約為76%，揮發(fā)性固體（VS）占干廢渣的89%，VS的產氣量為238.00 m3/t[34]。人造板包括纖維板、刨花板和膠合板等，其加工過程產生的固體廢棄物按照表2中的參數進行計算，能源潛力涵蓋在林木廢棄物的統計數據中。紙漿廠的固體廢棄物就是污泥（每噸產品可產生8.24～160.00kg污泥），污泥的含水量約為75%，其熱值隨組成和濕度的不同而有很大差別，干污泥的熱值為4.4～12.0MJ/kg。

表4 不同行業(yè)的COD產生系數和廢水厭氧發(fā)酵產氣率Table4 COD production coefficient and anaerobic gas production rate of wastewater in different industries

2 結果與討論

本文針對廣東省21個地市的主要農作物廢棄物、林木生長和加工剩余物、畜禽糞便和規(guī)模以上工業(yè)有機廢水廢渣進行了評估，由于收集數據不全面，所估算的資源潛力可能較實際存量低，所估算的主要資源數據基本上可以反映廣東省生物質資源的豐度和分布特點。

2.1 農作物廢棄物資源量

廣東省的農作物主要有水稻、甘蔗、薯類、木薯、香 蕉、菠 蘿、玉 米、小 麥、煙 草、花 生、芝 麻、油菜、麻類和大豆，可產生的廢棄物總量為1212.3萬～2187.6萬t，合452.6萬～1207.0萬t標 煤。廣東省21個地市的農作物廢棄物資源量如圖1所示。從圖1可以看出：湛江的農作物廢棄物產量最高，達到393.0萬t；其后依次為茂名、肇慶、梅州和江門，農作物廢棄物產量為100.0萬～200.0萬t；韶關、清遠、河源、揭陽、云浮、惠州和陽江的農作物廢棄物產量為71.0萬～99.0萬t；汕尾、汕頭、潮州和廣州的農作物廢棄物產量為27.0萬～48.0萬t；深圳、東莞、珠海、中山和佛山的農作物廢棄物產量最高為5.2萬t，最低為1.1萬t。綜上可知，深圳、東莞、珠海、中山和佛山不適合發(fā)展以農作物廢棄物為唯一來源的生物質能產業(yè)，其余地市發(fā)展生物質能產業(yè)則需根據農作物廢棄物的分布特點進行布局。

圖1 廣東省各地市的農作物廢棄物資源量Fig.1 Amounts agricultural crops'wastes in different cities of Guangdong Province

2.2 林木生長和加工剩余物資源量

林木生長和加工剩余物包括水果林和公園綠地等修剪廢棄物、原木采伐剩余物、板材加工剩余物和薪材等。經估算，廣東省的林木生長和加工剩余物資源量為954.6萬～1118.3萬t，合545.5萬～642.5萬t標煤。廣東省21個地市的林木生長和加工剩余物的資源量如圖2所示。從圖2可以看出，肇慶的林木生長和加工剩余物資源量最高，為173.6萬t，韶關其次，為109.4萬t。其余地市不超過90.0萬t，其中：茂名、清遠、江門、惠州、陽江、河源和湛江的林木生長和加工剩余物資源量為60.0萬～90.0萬t；廣州、云浮和梅州的林木生長和加工剩余物資源量為37.0萬～45.0萬t；汕尾、佛山、深圳、揭陽和潮州的林木生長和加工剩余物資源量為14.0萬～20.0萬t；中山、東莞、汕頭和珠海的林木生長和加工剩余物資源量最高為7.6萬t，最低為3.9萬t。結合圖1，2中的數據可以得出，中山、珠海、深圳、東莞和佛山不適合發(fā)展以農林生物質廢棄物為主要原料的生物質能產業(yè)，其農林生物質廢棄物可以作為其他生物質原料的輔料用于生產生物能源。

圖2 廣東省各地市的林木生長和加工剩余物的資源量Fig.2 Amounts woods'growing and processing wastes in different cities of Guangdong Province

2.3 畜禽糞便資源量

廣東省的主要畜禽種類有役用牛、奶牛、肉牛、豬、山羊、兔、雞、鴨和鵝，產生的糞便干物質的量約為1484.5萬t，產沼氣潛力約為44.8億m3，約合313.8萬t標煤。豬糞便的干物質量最高，約為1188.2萬t，其 次 是 雞 糞 便，約 為149.9萬t，其余畜禽糞便的干物質量不超過35.0萬t。廣東省21地市的畜禽糞便干物質資源量如圖3所示。從圖3可以看出，茂名的畜禽糞便干物質量最高，為255.0萬t，湛江、肇慶、清遠和陽江的畜禽糞便干物質量為100.0萬～170.0萬t，梅州、江門、韶關的畜禽糞便干物質量為92.0萬～98.0萬t，云浮、惠州、揭陽、佛山和河源的畜禽糞便干物質量為48.0萬～75.0萬t，汕尾、汕頭、潮州和廣州的畜禽糞便干物質量為23.0萬～29.0萬t。珠海、中山、深圳和東莞的畜禽糞便干物質量最高為7.7萬t，最低為0.5萬t，不適合發(fā)展大、中型沼氣產業(yè)，東莞則不適合發(fā)展以畜禽糞便為原料的沼氣產業(yè)。

圖3 廣東省各地市的畜禽糞便干物質資源量Fig.3 Amounts livestock's dry manures in different cities of Guangdong Province

2.4 工業(yè)有機廢水廢渣資源量

本文主要估算了廣東省各地市規(guī)模以上輕工業(yè)產業(yè)的有機廢水廢渣產量，其中有機廢水的COD產生量為25.6萬～275.4萬t，產沼氣潛力為1.1億～12.6億m3，合7.6萬～87.4萬t標 煤，有 機廢渣主要為紙漿污泥和中成藥固體殘渣，有機廢渣VS產 生 量 為0.1萬～2.4萬t，合182.4～9618.5 t標煤，食用植物油行業(yè)產生的廢油相當于41.7～3904.4t油當量，合59.7～5583.3t標煤。由此可見，工業(yè)有機廢水是生產生物質能源的主要原料。廣東省各地市工業(yè)有機廢水的COD產生量如圖4所示。從圖4可以看出，東莞的工業(yè)有機廢水COD產生量最高，為56.3萬t，湛江其次，為43.6萬t，其后依次為肇慶、江門、廣州和佛山，工業(yè)有機廢水COD產生量為6.0萬～13.0萬t，其余地市的工業(yè)有機廢水COD產生量不超過3.0萬t。

圖4 廣東省各地市的工業(yè)有機廢水COD產量Fig.4 Quantities of industrial organic wastewater COD in different cities of Guangdong Province

2.5 廢棄生物質能源潛力分布

基于以上廢棄生物質資源量數據可以估算出廣東省總的生物質能源潛力為1319.7萬～2253.0萬t標煤，其中農作物廢棄物能源潛力占比最高，達到46.5%，其后依次為林木生長和加工剩余物（33.3%）、畜 禽 糞 便（17.6%）、工 業(yè) 有 機 廢 水 廢 渣（2.7%）。廣東省各地市不同廢棄生物質資源的能源潛力占總生物質能源潛力的比例如圖5所示。

圖5 廣東省各地市不同廢棄生物質資源能源潛力占總生物質能源潛力的比例Fig.5 Percentages of energy potential from different waste biomass to total biomass energy in different cities of Guangdong Province

從圖5可以看出，湛江的廢棄生物質能源潛力最高，其次為肇慶和茂名，它們的生物質能源潛力占總生物質能源潛力的10%以上，珠海的廢棄生物質能源潛力最低，其次為中山和深圳，它們的生物質能源潛力占比不到總生物質能源潛力的0.7%。除東莞的生物質能源潛力主要來自工業(yè)有機廢水廢渣外，其他地市的生物質能源潛力主要來自木質纖維素廢棄物（包括農作物廢棄物、林木生長和加工剩余物），湛江、茂名、潮州、揭陽、云浮、江門、汕尾、梅州、河源和汕頭的農作物廢棄物能源潛力高于林木生長和加工剩余物能源潛力，肇慶、惠州、韶關、佛山、深圳、廣州和東莞的林木生長和加工剩余物能源潛力高于農作物廢棄物能源潛力，珠海、中山和陽江的農作物廢棄物與林木生長和加工剩余物的能源潛力相當，其中湛江的農作物廢棄物能源潛力最高，肇慶的林木生長和加工剩余物能源潛力最高。畜禽糞便的能源潛力以茂名最高，其次為湛江和肇慶，深圳、東莞和中山的畜禽糞便能源潛力最低。

綜上可以推斷，廣東省最適合發(fā)展生物質能產業(yè)的地市為湛江、茂名和肇慶，最不適宜發(fā)展生物質能產業(yè)的地市為深圳、珠海和中山，其他地市可根據廢棄生物質資源種類及其豐度發(fā)展相適應的生物質能產業(yè)。

3 結論與建議

廣東省的生物質資源潛力由高到低依次為農業(yè)廢棄物、林木生長和加工剩余物、畜禽糞便、工業(yè)有機廢水廢渣，主要分布地區(qū)分別為湛江、肇慶、茂名和東莞。廣東省的生物質能源潛力最高可以達到2253.0萬t標煤，以廣東省2019年一次能源消費量31123.0萬t標煤為參考，可占比7.2%，由于上述數據收集不完全，如生活垃圾等未統計在內，若充分開發(fā)生物質資源，廣東省實際的生物質能源消費占比可能會超過7.2%，即生物質能源是廣東省低碳經濟轉型不可忽視的清潔可再生能源。

根據生物質資源種類及分布特點，深圳、珠海和中山不適合發(fā)展生物質能產業(yè)，湛江、肇慶、茂名和東莞可以分別建立以農作物廢棄物、林木生長和加工剩余物、畜禽糞便以及工業(yè)有機廢水廢渣為原料的生物質能產業(yè)基地，形成成熟的、可推廣的產業(yè)化運營模式，以點帶面提升廣東省生物質能產業(yè)發(fā)展質量和規(guī)模。