中國生物質資源潛在可利用量評估

王曉明,唐 蘭,趙黛青,郝海青,王 歡,王云鶴,朱赤暉

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

中國生物質資源潛在可利用量評估

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.廣州大學土木工程學院,廣東廣州510006;2.中國科學院廣州能源研究所,廣東廣州510640)

生物質能是一種重要的可再生能源,我國有豐富的生物質資源。首先分析了中國農作物秸稈、薪柴、禽畜糞便3類生物質資源的潛在資源量。結果顯示,2007年中國農作物秸稈資源為7.5億t,薪柴資源為1億t,禽畜糞便資源為9億t,這3類資源可獲得量折標煤3.19億t,相當于2007年我國能源消費總量的 12%。其次分析了當前生物質能利用狀況、存在問題,并且給出了一些對策建議。

生物質;資源量;可持續發展

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

隨著人口的增長和經濟的發展,我國的能源問題已經變得越來越突出。21世紀初到2020年,我國能源可持續發展的目標為力爭達到利用能源消費翻一番實現國民經濟翻兩番,具體為到2020年一次能源消費總量30億t標準煤(2010年約為21億t標準煤)。然而根據國家統計局數據,2008年全國一次能源消費總量為29.1億t標準煤,2009年將超過30億t標準煤,比預期時間提前了11年[1]。縱觀我國的經濟發展勢頭,其能源需求依然會保持強勁的增長。更為嚴峻的是化石能源并不是可再生資源,中國已探明的石油、天然氣、煤炭儲量分別只夠使用14年、32年和100年,全世界石油也只夠用40年[2]。另外,我國主要的一次性能源消費主要來自于煤炭,2007年煤炭占一次能源消費比例達69.5%。煙塵和CO2排放量的70%、SO2的90%、氮氧化物的67%來自于燃煤,此外機動車快速增長所帶來的污染不斷加劇。中國已經是能源消費第1大國和CO2排放第2大國,要求中國限排溫室氣體的國際壓力將越來越大,2020年以后中國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,生物質是惟一可替代化石能源轉化成氣態、液態和固態燃料以及其它化工原料或者產品的碳資源,其主要形式為:(1)農作物殘留物;(2)林業殘留物;(3)禽畜糞便資源;(4)城市固體有機廢棄物等。但是生物質能存在能量密度小,分散性大的特點,原料是否充足,運輸費用高低是生物質能利用需要考慮的重要因素。中國是一個農業大國,是世界上生物質能資源最豐富的國家之一,對全國生物質能的產量和分布有一個清楚的了解,對于開發和利用我國生物質資源有至關重要的意義。本文對資源(1)、(2)、(3)作了詳細的分析,2007年數據將作為評估的基礎。

1 數據來源及計算

研究的源數據主要來自于:《中國統計年鑒2008》[3],《中國畜牧業統計年鑒2008》[4],以及全國第6次一類清查森林資源統計數據[5],《中國林業統計2007》[6]。在源數據的基礎上,通過生物質資源量的估算方法獲得的生物質資源量數據,根據目前的利用情況、權威的轉化系數,將各種生物質資源量換算成可以替代的標準煤的資源量進行分析。

2 潛在生物質資源量

2.1 農作物秸稈資源

2007年,全國農作物播種面積為1.53億hm2,其中糧食作物播種面積1.06億hm2。全年主要農產品產量為5.02億t,稻谷、玉米、小麥等谷物產量為4.56億t,糧食主產區為河南、山東、四川、黑龍江等省份。

農作物秸稈資源是指農作物在收割或后期加工過程中產生的有機物資源,包括作物的莖、葉、枝、殼等,并不對糧食安全構成威脅。其資源量是以國家統計局農作物產品原始產量為源數據,然后根據每種農產品的草谷比進行估算[7]:

式中:ARP—秸稈資源量,萬t;

i—第 i種農作物,i=1,2,3…,n;

M i—第 i種農作物產量,萬t;

di—第 i種農作物草谷比,kg/kg。

表1顯示了從1991年至2007年間我國各類農作物秸稈資源量。

表1 我國歷年農作物秸稈資源量 萬t

從表1中可知,農作物秸稈資源量變化不大,從1991年至2000年處于平穩上升的態勢,之后有所回落。從2005年起,國家調整了農業政策,加大了種糧補助,使得糧食產量逐步上升,秸稈資源總體上隨著產品產量的變化而變化,到2007年達到峰值,為 74 816萬 t。

各類農作物秸稈的資源量組成如圖1。

圖1 我國農作物秸稈資源組成

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t,18 603萬t和10 930萬t,分別占到總量的40%,25%和15%,其他作物(包括豆類、薯類、花生、油料、高粱、雜糧、糖類等)占到20%。

圖2是農作物秸稈資源分布圖。

圖2 我國農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是河南、山東、河北、黑龍江以及吉林,分別分布在華北地區和東北地區。

目前,我國農作物秸稈中的30%用作農用燃料,25%用作飼料,3%用作工業生產原料,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2.5億t,相當于1億t標準煤。焚燒秸稈不僅帶來嚴重的環境污染,還浪費了大量寶貴的資源。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能。

2.2 薪柴資源

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

式中:FWG—統計區域內薪柴資源量,萬t;

Fij—在 i區域內j種林地各占不同的面積,萬hm2;

Yij—某種林地的產柴率(每公頃 1年產柴量),kg/hm2;

Qij—該種林地可取薪柴面積系數(取柴系數);

Tij—在i區域內第j種四旁樹產柴率(每株1年產柴量),kg/株;

Xij—在 i區域內第j種四旁樹株樹,萬株;

Yij—在i區域內第j種四旁樹取柴系數;

W—區域內原木產量。

根據全國第6次一類清查森林資源統計數據(見表2)和2007年全國森林資源采伐量計算,目前全國的薪柴資源為10 475.8萬t,其中用材林3 402萬t,防護林512.7萬t,薪炭林2 022.4萬t,疏林362萬t為以及四旁樹1 453萬t,采伐和加工剩余木材量為1 152.2萬 t。

表2 我國各類林業用地面積

用材林和薪炭林為主要薪材資源,分別占到問題的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,按地區為東北地區資源最豐富(圖4)。

目前來看,全國薪柴資源量消費量超過2億t,比可合理利用的資源量要大得多,存在著過度采樵現象,資源沒有得到合理開發。數據顯示,我國目前未利用的宜林荒山荒地超過5 500萬hm2,接近林地面積的1/3。這些荒地如果能利用起來,發展速生豐產能源林業,不僅可解決水土流失嚴重,薪柴資源不足等經濟社會問題,還可提供生產將近1億t生物質液體燃料的原料。同時,保護林業資源也可以發展秸稈生產非木質人造板,按1%的利用率,每年有700萬t秸稈可生產700萬m3的非木質人造板,替代原木約2 100萬 m3[9]。

圖3 我國薪柴資源組成

圖4 我國薪柴資源量分布

2.3 禽畜糞便資源量

禽畜糞便是生產沼氣的理想原料,其產量主要根據禽畜品種和個體大小等因素來進行計算。禽畜糞便資源量根據各地區禽畜存欄數和各類禽畜的年平均排泄量來進行估算[7]。統計公式如下:

式中:AM P—禽畜糞便資源量;

I—禽畜類別數;

Pi—第 i種禽畜的數量;

A i—第 i種禽畜的年排泄糞便量。

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

圖5 我國禽畜糞便資源量的組成

圖6 我國禽畜糞便資源量的分布

河南、山東、四川為我國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濟上的效益,也會給環境帶來好處。禽畜糞便是生產沼氣的理想原料,目前作為沼氣原料的禽畜糞便僅占總量的10%左右,80%左右的養殖場則直接將糞水排入各類水體環境。規模化禽畜養殖污染已經成為環境污染的主要來源。禽畜養殖場產生大量的有機污染物和氮、磷等,極易對水環境和大氣環境造成嚴重污染。加強禽畜糞便的處理也是發展新農村的要求。

3 技術成熟度與資源貢獻度分析

我國生物質液體燃料產業開始于上世紀90年代,主要以設在河南、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廠為主,年產能力102萬t。2006年全國共銷售乙醇汽油1 300萬t,占全國汽油消費量的23.3%。隨著陳化糧食逐步消耗殆盡和玉米價格節節攀升,考慮到玉米乙醇的發展對國家的糧食安全的威脅,國家2006年起停止新批玉米燃料乙醇企業,并大力鼓勵發展非糧食作物為原料開發燃料乙醇。以木薯、甜高粱等能源作物以及農作物秸稈等纖維素為原料抽取燃料乙醇將是今后的方向,預期種植能源作物制備燃料乙醇將在2020-2030年的時間段技術成熟并商業運作,以纖維素為原料抽取燃料乙醇將在2030-2050年的時間段技術成熟并商業運作。

中國戶用沼氣利用技術世界領先,大中型沼氣工程起步較晚,與發達國家落后一二十年,需要進一步加強技術創新。截止到2007年年底,全國共有戶用沼氣2 650多萬座,年產氣量105億m3[10]。大型農業廢棄物沼氣工程和工業有機廢水沼氣工程約3 700多處,年產沼氣約34 114萬t[11]。沼氣技術已從單純的能源利用發展成為廢棄物處理和生物質多層次利用,并廣泛地與種植業、養殖業相結合,成為發展綠色農業和鞏固生態建設成果的一個重要途徑。北方“四位一體”、南方“豬沼果”、西北“五配套”等能源生態模式逐步優化完善。大中型沼氣工程技術日趨成熟,初步具備產業化條件。

根據生物質資源量,利用成熟技術進行生物質利用可獲得如下規模:

2007年,農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,折標煤19 600萬t。按每噸乙醇消耗秸稈6.5t計算,可制備燃料乙醇6 000萬t左右。

薪柴及林業加工剩余資源1.04億 t,折標煤5 900萬 t。

根據技術成熟度分析,到2020年可替代3 000萬t汽油,使得我國對外石油依存度下降10%,同時每年還能減排9 000萬t二氧化碳。

牲畜糞便資源利用方面,1 t干物質糞便可生產沼氣100m3以上[7],全國糞便資源可產生沼氣超過900億m3,如果1 m3沼氣可發電1.6 kW h[12],年可發電1 440億度,具有相當可觀的開發前景。根據規劃,沼氣年利用量到2010年和2020年要分別達到195億m3和440億m3。

4 發展展望

生物質能作為一種重要的可再生能源,其發展前景非常廣闊。它能夠優化能源結構、緩解能源壓力、改善環境、促進經濟社會可持續發展。我國的生物質能資源豐富,以2007年為例,農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(見表3)。生物質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。從發展狀況來看,目前較大的生物質利用企業也主要分布在這些地區。

表3 2007年我國主要生物質能資源量匯總

生物質能屬可再生能源,所生產的燃料歸于清潔燃料范疇,發展生物質液體燃料是最為理想的石油替代路線。國外首先開發的是燃料乙醇和生物柴油,技術成熟,可作為汽油或柴油的調合組分,預期2020年產量可替代10%～20%的運輸燃料。我國待有效利用與開發的生物質資源尚屬豐富,參照國外經驗也以燃料乙醇和生物柴油為先期目標。但為了不與民爭糧,不與糧爭地,擴大替代的份額,因此宜努力開發利用纖維素、半纖維素水解、醣化、發酵制燃料乙醇的技術,爭取在基因工程研究方面有所突破,提高產率并降低成本,經過10年左右其成本達到糧食乙醇水平,2040年前可與汽油競爭。

降低對糧食和油料作物依賴的另一途徑是還應積極開發生物質熱化學工程技術,降低生產凈化合成氣的裝置投資與成本,創造全面綜合利用生物質的范例。此外注意到生物質資源分散、品種多樣、含水多、熱值低的不利因素,應細致研究有關作物的育種、栽培、收割、采集、干燥、打包、運輸的科學方法,還應力爭擁有多種高效、經濟和清潔的轉化技術,力求降低各環節的費用,使生物質液體燃料的生產企業能夠在優化條件下運營,使生物質替代石油產品具備市場競爭力。

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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

國家自然科學基金項目(50608020)、廣州大學創新團隊項目。

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

唐 蘭,E-mail:tanglan@gzhu.edu.cn。