我國能源林及木質能源利用狀況

徐志+孫松平+王亞磊

作者簡介：徐志（1990—），男，江蘇楊州人,南京林業大學碩士研究生。

通訊作者：孫松平（1972—）,男,安徽東至人,研究生導師,副教授,主要從事機械設計及理論方面的研究。中圖分類號：F290文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05028603

1引言

當前能源危機已成為全世界面臨的問題,傳統化石燃料的儲備已經很難滿足人們的需求。專家預測,現在的燃料儲備量最多能用100年,尋找替代品已經成為全世界共同關注的焦點和努力的目標。林木以其可再生、生物量大，對環境無危害等優點而備受社會關注。因此,發展優質、高產的能源林勢在必行［1］。林木生物質能資源包括森林的能源林和間接來源于森林的林木廢棄物。其中,能源林又可分為兩類:一類是指利用樹木木質成分直接燃燒,或經過化學或物理轉化獲得生物質燃料(生物油、木煤氣、固體成型燃料等)的木質能源林(喬木林和灌木林)。一類是指由樹體或某一器官富含油分或類似石油乳汁的樹種組成的油料能源林。油料樹種所含油分或乳汁主要分布在莖、葉、花、果、籽中,將其產物提取和加工可直接或間接作為汽油、柴油或其他石油衍生物的替代品［2］。與其他生物質能資源相比,林木生物質能資源有著更加突出的優點,如分布廣、產量高、易生產、易儲藏、使用安全等。

2國內外能源林發展現狀

2.1國外能源林發展動態

作為一種新概念,瑞典早在20世紀70年代就率先啟動了瑞典能源林業工程,以柳樹與楊樹作為主要能源樹種。目前瑞典能源供應的15%來自于生物質能。20世紀80年代,法國以楊樹、桉樹、巨杉、柳樹等作為能源樹種,楊樹能源林每年每公頃可生產鮮物質25~30 t(合12~15 t干物質),桉樹每年每公頃可生產鮮物質17~21 t(合12~15 t干物質)。芬蘭設立了國家能源林委員會,計劃1980年代末使森林能源利用量達到全國總耗能的30%。印度能源計劃部在1980年代初擬定了一份報告,建議在其后每年種植薪炭林,并決定充分利用荒地造林。英國利用8萬hm2土地專門發展能源林。加拿大有12個實驗室和大學開展了生物質的氣化和液化技術研究,生物質能源使用量占其能源總消耗的7%,其中80%以上的生物質能源用于森林工業,用木質廢棄物替代化石燃料是森林工業的一個重要趨勢。

2.2國內能源林發展動態

目前林木作為能源的主要利用形式是薪炭,以分散的直接燃燒為主,平均熱效率不到25%,造成了資源的浪費。由于對林木生物質能在國家能源發展戰略中的地位認識不足,目前我國的樹種分類中,尚沒有真正用于工業化利用生物能源的專用能源林。雖然同為滿足國民經濟發展對各類林產品的需求,但能源林培育的各個環節如能源樹種的選擇、良種育苗、豐產栽培技術、收獲利用等,都遠遠落后于經濟林、速生豐產林的培育,嚴重影響了林木生物質能源的開發進程。近30年來,我國經濟快速增長,已成為能源的第二大消費國,能源短缺問題十分突出。可再生能源的研究、開發和利用是我國實現可持續發展的關鍵。現今我國政府非常重視林業生物質能源工作,在加強林業生物質能源發展和管理上開展了大量工作。目前正在組織編制《全國林業生物質能源發展規劃(2011~2020年)》。提出我國能源林面積規劃達到2000萬hm2;每年轉化的林業生物質能可替代2025萬t標煤的石化能源,占可再生能源的比例達3%。并與法國開發署合作開展“中法生物柴油合作項目”建設。積極推廣內蒙古毛烏素生物質熱電廠、吉林輝南宏日新能源有限公司等試點示范企業建設經驗。

3我國發展能源林的優勢

3.1資源豐富

根據第七次全國森林資源清查,全國森林面積1954522萬hm2,森林覆蓋率2036%。活立木總蓄積14913億m3,森林蓄積13721億m3。除港、澳、臺地區外,全國林地面積3037819萬hm2,森林面積1933300萬hm2,活立木總蓄積14554億m3,森林蓄積13363億m3。天然林面積1196925萬hm2,天然林蓄積11402億m3;人工林保存面積616884萬hm2,人工林蓄積1961億m3,人工林面積居世界首位。而且我國現有木本油料樹種面積超過了400萬hm2,含油量在40%以上的植物有154種,果實產量500萬t以上,這些大多可以作為生物液體原料。而且目前,中國還有宜林荒地5700多萬hm2,這些都是政府規劃專門用于發展林業的土地。另外,還有1億hm2的邊際性土地。

3.2資源集中

我國東北和內蒙古地區有大片的林區,而且華北、南方林區和華南熱帶地區是林木生物質能源集中分布區和可利用的優先區域。

3.3投資小,符合我國國情

由于林木生物質能源產業從資源培育、資源收集、成型產品加工到燃燒利用的各個環節資金密集度不高,基本上是勞動密集型產業,資本有機構成較低,初期投資不大,符合我國勞動力豐富但資金不足的國情。

4能源林資源的應用

利用林木生物質能可以進行生物質發電和一般居民家用燃料。但是未經加工的林木生物質本身含水率高,會出現燃燒不穩定,熱效率低等缺點［3］。所以必須對林木生物質進一步加工,如今應用較廣且簡易的方法是原料壓縮成型技術。即將松散的林木剩余物進行粉碎烘干分級處理,放入成型擠壓機,在一定的溫度和壓力下形成較高密度的固體燃料。與松散的物料相比,木質固體燃料具有運費低、燃燒強度大、轉換利用的熱效率高等優點［4］。吉林輝南南宏日新能源有限公司利用林業剩余物加工成型燃料,已經具有年產達3萬t成型燃料生產能力。林木生物質加工工藝中所需機械裝備有以下幾種。

4.1生物質收集裝備

生物質如何變成柴油、酒精、沼氣,生物發電和生物基新材料等高新技術。其實這些技術我國在“十一五”期間就已經取得了很大的進展和突破,現在的關鍵問題是如何高效、低成本地把林木生物質資源收集起來并加以利用［5］。由于林木作業種類多,作業地點復雜,給林木收獲機提出了更高的要求［6］。國外小型的收獲機比較輕便便攜,安全可靠,刀具使用較好的材料,因擦刀具堅固耐磨,不需要經常更換。對于大面積的能源林采收,國外多采用拖拉機懸掛式。而且可以直接粉碎、削片或打捆等聯合收割［6~8］。

我國現有的林木資源,除了人造林、能源林是比較集中,其他的分布比較分散,主要是小規模的農戶種植和立地條件很差的西部沙地灌木林。所以選擇收割機時,目前以中小型割灌機為主,輕便易攜,操作靈活。如多功能自走式灌木平茬收割機和手扶式平茬機。在西部立地條件相對較好的地方,可以采用拖拉機懸掛式的中型收割機,收割完后可以用打捆機收集好。對于種植的能源林,就選擇聯合收割機械,直接進行粉碎,削片和打捆。對于伐區內枝丫、樹枝等,還要配備枝丫收集機、起重臂、清理機和劈根機等機械設備［8］。

國外對割灌機開發研究較早,水平較高,并形成了系列產品。以德國STIHL公司、SOLO公司為代表。日本生產的割灌機的型號很多,每年出口100多萬臺。

4.2原料粉碎裝備

粉碎質量的好壞直接影響成型機的性能和產品質量。利用能源林收獲機時,往往已經包括了粉碎階段,為了加工時方便,可以用粉碎機進行二次工作。對于一些散亂的樹枝、樹杈,我們可以用粉碎機進行作業。錘片式粉碎機以其粉碎質量好、維修方便和生產效率高等優點,使之成為應用最多的一種粉碎機［9］。粉碎物的顆粒可以通過改變不同開孔大小的凹板來實現。但是對于較為粗大的木材,一般要用木材切片機切成小片,在進行粉碎。我國于2008年自行設計了FSY30型及3ZSX-20型林木枝丫切碎機,它們吸收國內外先進技術的基礎上,根據林區具體需要從整體到關鍵部件進行了較大的改善,以利于在實踐中推廣。

日本名古屋大學的小林信介、稻野稔等進行了連續型振動磨粉碎的木質生物質的有效開發,在振動磨機使用嵌齒磁盤介質,實現高速沖擊粉碎,將傳統的振動研磨機連續粉碎系統進行升級,以增加木質生物質粉碎產量。此外,他們還開發了封閉式的粉碎系統,以增加粉碎的效率。加拿大修改了一種圓形打捆機-“biobaler”,可以將自然柳周圍的雜草切成絲,進行打捆。

4.3壓縮裝備

目前壓縮設備主要有螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型和壓輥式成型3種。

(1)螺旋擠壓成型機。西歐和美國采用的是兩種大型壓塊機,雙螺桿擠壓成型和錐形螺桿擠壓成型設備;而東南亞多采用外部加熱的螺旋式成型設備。

(2)活塞沖壓成型機。北歐和美國生產的大型成型機采用這種形式較多,如瑞典Bogma AB公司生產的M75型成型機,美國Hauamann公司生產的FH75/200型成型機,還有河南農業大學研制的PB-I型沖壓式成型機。

(3)壓輥式成型機。主要用于生產顆粒狀成型燃料,對木屑進行加工。國內比較有代表性的成型設備有清華惠眾科技公司的生物質顆粒燃料成型機、江蘇蘇州恒輝生物質能有限公司的核心產品:HPB-V型生物質燃料成型機等。

5展望

隨著我國經濟的迅速發展,能源的需求量必然會大幅增加。從長期來看,我國的能源形勢必將越來越嚴峻,同時我們對生存環境的要求也越來越嚴格,從可持續發展的戰略眼光來看,不可再生且有污染的燃料將逐漸退出人們的視線,開發利用能源林勢在必行,木質能源不僅解決了能源短缺的危機,也解決了能源與環境的矛盾。我們應借此次良機,發展木質能源是大有可為的。

參考文獻：

［1］ 李保謙,牛振華,張百良.生物質成型燃料技術的壩狀與前景分析［J］.農業工程技術新能源產業,2009(5):31~33.

［2］ 曾麒,王革華.中國能源農林業的現狀、意義及發展戰略［J］.農業工程學報,2006,10(22):21~24.

［3］ 劉國華.生物質成型燃料技術及應用前景［J］.

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