中国生物质资源潜在可利用量评估

王晓明,唐 兰,赵黛青,郝海青,王 欢,王云鹤,朱赤晖

(1.广州大学土木工程学院,广东广州510006;2.中国科学院广州能源研究所,广东广州510640)

中国生物质资源潜在可利用量评估

王晓明1,唐 兰1,赵黛青2,郝海青1,王 欢1,王云鹤1,朱赤晖1

(1.广州大学土木工程学院,广东广州510006;2.中国科学院广州能源研究所,广东广州510640)

生物质能是一种重要的可再生能源,我国有丰富的生物质资源。首先分析了中国农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便3类生物质资源的潜在资源量。结果显示,2007年中国农作物秸秆资源为7.5亿t,薪柴资源为1亿t,禽畜粪便资源为9亿t,这3类资源可获得量折标煤3.19亿t,相当于2007年我国能源消费总量的 12%。其次分析了当前生物质能利用状况、存在问题,并且给出了一些对策建议。

生物质;资源量;可持续发展

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

随着人口的增长和经济的发展,我国的能源问题已经变得越来越突出。21世纪初到2020年,我国能源可持续发展的目标为力争达到利用能源消费翻一番实现国民经济翻两番,具体为到2020年一次能源消费总量30亿t标准煤(2010年约为21亿t标准煤)。然而根据国家统计局数据,2008年全国一次能源消费总量为29.1亿t标准煤,2009年将超过30亿t标准煤,比预期时间提前了11年[1]。纵观我国的经济发展势头,其能源需求依然会保持强劲的增长。更为严峻的是化石能源并不是可再生资源,中国已探明的石油、天然气、煤炭储量分别只够使用14年、32年和100年,全世界石油也只够用40年[2]。另外,我国主要的一次性能源消费主要来自于煤炭,2007年煤炭占一次能源消费比例达69.5%。烟尘和CO2排放量的70%、SO2的90%、氮氧化物的67%来自于燃煤,此外机动车快速增长所带来的污染不断加剧。中国已经是能源消费第1大国和CO2排放第2大国,要求中国限排温室气体的国际压力将越来越大,2020年以后中国将难以回避温室气体排放限制的承诺。

作为一种洁净而又可再生的能源,生物质是惟一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源,其主要形式为:(1)农作物残留物;(2)林业残留物;(3)禽畜粪便资源;(4)城市固体有机废弃物等。但是生物质能存在能量密度小,分散性大的特点,原料是否充足,运输费用高低是生物质能利用需要考虑的重要因素。中国是一个农业大国,是世界上生物质能资源最丰富的国家之一,对全国生物质能的产量和分布有一个清楚的了解,对于开发和利用我国生物质资源有至关重要的意义。本文对资源(1)、(2)、(3)作了详细的分析,2007年数据将作为评估的基础。

1 数据来源及计算

研究的源数据主要来自于:《中国统计年鉴2008》[3],《中国畜牧业统计年鉴2008》[4],以及全国第6次一类清查森林资源统计数据[5],《中国林业统计2007》[6]。在源数据的基础上,通过生物质资源量的估算方法获得的生物质资源量数据,根据目前的利用情况、权威的转化系数,将各种生物质资源量换算成可以替代的标准煤的资源量进行分析。

2 潜在生物质资源量

2.1 农作物秸秆资源

2007年,全国农作物播种面积为1.53亿hm2,其中粮食作物播种面积1.06亿hm2。全年主要农产品产量为5.02亿t,稻谷、玉米、小麦等谷物产量为4.56亿t,粮食主产区为河南、山东、四川、黑龙江等省份。

农作物秸秆资源是指农作物在收割或后期加工过程中产生的有机物资源,包括作物的茎、叶、枝、壳等,并不对粮食安全构成威胁。其资源量是以国家统计局农作物产品原始产量为源数据,然后根据每种农产品的草谷比进行估算[7]:

式中:ARP—秸秆资源量,万t;

i—第 i种农作物,i=1,2,3…,n;

M i—第 i种农作物产量,万t;

di—第 i种农作物草谷比,kg/kg。

表1显示了从1991年至2007年间我国各类农作物秸秆资源量。

表1 我国历年农作物秸秆资源量 万t

从表1中可知,农作物秸秆资源量变化不大,从1991年至2000年处于平稳上升的态势,之后有所回落。从2005年起,国家调整了农业政策,加大了种粮补助,使得粮食产量逐步上升,秸秆资源总体上随着产品产量的变化而变化,到2007年达到峰值,为 74 816万 t。

各类农作物秸秆的资源量组成如图1。

图1 我国农作物秸秆资源组成

从图1中可知,资源量最多的是玉米、水稻和小麦,其秸秆资源量为30 460万t,18 603万t和10 930万t,分别占到总量的40%,25%和15%,其他作物(包括豆类、薯类、花生、油料、高粱、杂粮、糖类等)占到20%。

图2是农作物秸秆资源分布图。

图2 我国农作物秸秆资源量分布

从图2中可以看出,秸秆资源量较丰富的地区是河南、山东、河北、黑龙江以及吉林,分别分布在华北地区和东北地区。

目前,我国农作物秸秆中的30%用作农用燃料,25%用作饲料,3%用作工业生产原料,7%直接还田,35%被露天焚烧或随意丢弃[8],每年烧掉的秸秆达2.5亿t,相当于1亿t标准煤。焚烧秸秆不仅带来严重的环境污染,还浪费了大量宝贵的资源。如果能够重视秸秆的能源利用,将有一半以上的秸秆可用作为生物质能。

2.2 薪柴资源

薪柴资源在很早以前就被人类作为主要的能源,在做饭、取暖以及工业方面都有很大的应用。薪柴资源包括森林采伐木和加工剩余物,薪炭林、用材林、防护林、灌木林、疏林的收取或育林剪枝,四旁树的剪枝等,其资源量采用下式估算[7]:

式中:FWG—统计区域内薪柴资源量,万t;

Fij—在 i区域内j种林地各占不同的面积,万hm2;

Yij—某种林地的产柴率(每公顷 1年产柴量),kg/hm2;

Qij—该种林地可取薪柴面积系数(取柴系数);

Tij—在i区域内第j种四旁树产柴率(每株1年产柴量),kg/株;

Xij—在 i区域内第j种四旁树株树,万株;

Yij—在i区域内第j种四旁树取柴系数;

W—区域内原木产量。

根据全国第6次一类清查森林资源统计数据(见表2)和2007年全国森林资源采伐量计算,目前全国的薪柴资源为10 475.8万t,其中用材林3 402万t,防护林512.7万t,薪炭林2 022.4万t,疏林362万t为以及四旁树1 453万t,采伐和加工剩余木材量为1 152.2万 t。

表2 我国各类林业用地面积

用材林和薪炭林为主要薪材资源,分别占到问题的33%和19%,如图3所示。

黑龙江、四川、云南、湖南、湖北为薪柴资源较多的省份,按地区为东北地区资源最丰富(图4)。

目前来看,全国薪柴资源量消费量超过2亿t,比可合理利用的资源量要大得多,存在着过度采樵现象,资源没有得到合理开发。数据显示,我国目前未利用的宜林荒山荒地超过5 500万hm2,接近林地面积的1/3。这些荒地如果能利用起来,发展速生丰产能源林业,不仅可解决水土流失严重,薪柴资源不足等经济社会问题,还可提供生产将近1亿t生物质液体燃料的原料。同时,保护林业资源也可以发展秸秆生产非木质人造板,按1%的利用率,每年有700万t秸秆可生产700万m3的非木质人造板,替代原木约2 100万 m3[9]。

图3 我国薪柴资源组成

图4 我国薪柴资源量分布

2.3 禽畜粪便资源量

禽畜粪便是生产沼气的理想原料,其产量主要根据禽畜品种和个体大小等因素来进行计算。禽畜粪便资源量根据各地区禽畜存栏数和各类禽畜的年平均排泄量来进行估算[7]。统计公式如下:

式中:AM P—禽畜粪便资源量;

I—禽畜类别数;

Pi—第 i种禽畜的数量;

A i—第 i种禽畜的年排泄粪便量。

2007年中国禽畜粪便资源量为92 228万t(干重),从资源和可获得量来看,主要是鸡、猪和牛,分别占到56%,15%和14%,其比率见图5,地区分布见图6。

图5 我国禽畜粪便资源量的组成

图6 我国禽畜粪便资源量的分布

河南、山东、四川为我国禽畜粪便资源量最大的省份。

禽畜粪便的合理化利用既有经济上的效益,也会给环境带来好处。禽畜粪便是生产沼气的理想原料,目前作为沼气原料的禽畜粪便仅占总量的10%左右,80%左右的养殖场则直接将粪水排入各类水体环境。规模化禽畜养殖污染已经成为环境污染的主要来源。禽畜养殖场产生大量的有机污染物和氮、磷等,极易对水环境和大气环境造成严重污染。加强禽畜粪便的处理也是发展新农村的要求。

3 技术成熟度与资源贡献度分析

我国生物质液体燃料产业开始于上世纪90年代,主要以设在河南、安徽、吉林、黑龙江等省的4家以陈化粮为原料的乙醇燃料生产厂为主,年产能力102万t。2006年全国共销售乙醇汽油1 300万t,占全国汽油消费量的23.3%。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升,考虑到玉米乙醇的发展对国家的粮食安全的威胁,国家2006年起停止新批玉米燃料乙醇企业,并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。以木薯、甜高粱等能源作物以及农作物秸秆等纤维素为原料抽取燃料乙醇将是今后的方向,预期种植能源作物制备燃料乙醇将在2020-2030年的时间段技术成熟并商业运作,以纤维素为原料抽取燃料乙醇将在2030-2050年的时间段技术成熟并商业运作。

中国户用沼气利用技术世界领先,大中型沼气工程起步较晚,与发达国家落后一二十年,需要进一步加强技术创新。截止到2007年年底,全国共有户用沼气2 650多万座,年产气量105亿m3[10]。大型农业废弃物沼气工程和工业有机废水沼气工程约3 700多处,年产沼气约34 114万t[11]。沼气技术已从单纯的能源利用发展成为废弃物处理和生物质多层次利用,并广泛地与种植业、养殖业相结合,成为发展绿色农业和巩固生态建设成果的一个重要途径。北方“四位一体”、南方“猪沼果”、西北“五配套”等能源生态模式逐步优化完善。大中型沼气工程技术日趋成熟,初步具备产业化条件。

根据生物质资源量,利用成熟技术进行生物质利用可获得如下规模:

2007年,农作物秸秆资源总量为7.5亿t,考虑还田及牲畜饲料等用途,可获得量约4亿t,折标煤19 600万t。按每吨乙醇消耗秸秆6.5t计算,可制备燃料乙醇6 000万t左右。

薪柴及林业加工剩余资源1.04亿 t,折标煤5 900万 t。

根据技术成熟度分析,到2020年可替代3 000万t汽油,使得我国对外石油依存度下降10%,同时每年还能减排9 000万t二氧化碳。

牲畜粪便资源利用方面,1 t干物质粪便可生产沼气100m3以上[7],全国粪便资源可产生沼气超过900亿m3,如果1 m3沼气可发电1.6 kW h[12],年可发电1 440亿度,具有相当可观的开发前景。根据规划,沼气年利用量到2010年和2020年要分别达到195亿m3和440亿m3。

4 发展展望

生物质能作为一种重要的可再生能源,其发展前景非常广阔。它能够优化能源结构、缓解能源压力、改善环境、促进经济社会可持续发展。我国的生物质能资源丰富,以2007年为例,农作物秸秆资源总量为7.5亿t,薪柴资源为1亿t,禽畜粪便资源为9亿t(见表3)。生物质能资源分布各省差异较大,主要分布在河南、山东、四川、安徽、黑龙江、辽宁等省。从发展状况来看,目前较大的生物质利用企业也主要分布在这些地区。

表3 2007年我国主要生物质能资源量汇总

生物质能属可再生能源,所生产的燃料归于清洁燃料范畴,发展生物质液体燃料是最为理想的石油替代路线。国外首先开发的是燃料乙醇和生物柴油,技术成熟,可作为汽油或柴油的调合组分,预期2020年产量可替代10%～20%的运输燃料。我国待有效利用与开发的生物质资源尚属丰富,参照国外经验也以燃料乙醇和生物柴油为先期目标。但为了不与民争粮,不与粮争地,扩大替代的份额,因此宜努力开发利用纤维素、半纤维素水解、醣化、发酵制燃料乙醇的技术,争取在基因工程研究方面有所突破,提高产率并降低成本,经过10年左右其成本达到粮食乙醇水平,2040年前可与汽油竞争。

降低对粮食和油料作物依赖的另一途径是还应积极开发生物质热化学工程技术,降低生产净化合成气的装置投资与成本,创造全面综合利用生物质的范例。此外注意到生物质资源分散、品种多样、含水多、热值低的不利因素,应细致研究有关作物的育种、栽培、收割、采集、干燥、打包、运输的科学方法,还应力争拥有多种高效、经济和清洁的转化技术,力求降低各环节的费用,使生物质液体燃料的生产企业能够在优化条件下运营,使生物质替代石油产品具备市场竞争力。

[1] 倪维斗,陈 贞,麻林巍,等.有关我国节能的几个战略指导思想[J].中国能源,2009,31(7):5-11.

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[5] [in Chinese](2009.09)

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[9] 刘长荣.我国木材工业发展现状及前景[J].陕西林业,2008(3):15-16.

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[11] 袁振宏,罗 文,吕鹏梅,等.生物质能产业现状及发展前景[J].化工进展,2009,28(10):1687-1692.

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

国家自然科学基金项目(50608020)、广州大学创新团队项目。

王晓明(1984-),男,广西桂林人,硕士研究生,主要从事生物质能源化、资源化等方面研究。

唐 兰,E-mail:tanglan@gzhu.edu.cn。