我国能源林及木质能源利用状况

徐志+孙松平+王亚磊

作者简介：徐志（1990—），男，江苏杨州人,南京林业大学硕士研究生。

通讯作者：孙松平（1972—）,男,安徽东至人,研究生导师,副教授,主要从事机械设计及理论方面的研究。中图分类号：F290文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05028603

1引言

当前能源危机已成为全世界面临的问题,传统化石燃料的储备已经很难满足人们的需求。专家预测,现在的燃料储备量最多能用100年,寻找替代品已经成为全世界共同关注的焦点和努力的目标。林木以其可再生、生物量大，对环境无危害等优点而备受社会关注。因此,发展优质、高产的能源林势在必行［1］。林木生物质能资源包括森林的能源林和间接来源于森林的林木废弃物。其中,能源林又可分为两类:一类是指利用树木木质成分直接燃烧,或经过化学或物理转化获得生物质燃料(生物油、木煤气、固体成型燃料等)的木质能源林(乔木林和灌木林)。一类是指由树体或某一器官富含油分或类似石油乳汁的树种组成的油料能源林。油料树种所含油分或乳汁主要分布在茎、叶、花、果、籽中,将其产物提取和加工可直接或间接作为汽油、柴油或其他石油衍生物的替代品［2］。与其他生物质能资源相比,林木生物质能资源有着更加突出的优点,如分布广、产量高、易生产、易储藏、使用安全等。

2国内外能源林发展现状

2.1国外能源林发展动态

作为一种新概念,瑞典早在20世纪70年代就率先启动了瑞典能源林业工程,以柳树与杨树作为主要能源树种。目前瑞典能源供应的15%来自于生物质能。20世纪80年代,法国以杨树、桉树、巨杉、柳树等作为能源树种,杨树能源林每年每公顷可生产鲜物质25~30 t(合12~15 t干物质),桉树每年每公顷可生产鲜物质17~21 t(合12~15 t干物质)。芬兰设立了国家能源林委员会,计划1980年代末使森林能源利用量达到全国总耗能的30%。印度能源计划部在1980年代初拟定了一份报告,建议在其后每年种植薪炭林,并决定充分利用荒地造林。英国利用8万hm2土地专门发展能源林。加拿大有12个实验室和大学开展了生物质的气化和液化技术研究,生物质能源使用量占其能源总消耗的7%,其中80%以上的生物质能源用于森林工业,用木质废弃物替代化石燃料是森林工业的一个重要趋势。

2.2国内能源林发展动态

目前林木作为能源的主要利用形式是薪炭,以分散的直接燃烧为主,平均热效率不到25%,造成了资源的浪费。由于对林木生物质能在国家能源发展战略中的地位认识不足,目前我国的树种分类中,尚没有真正用于工业化利用生物能源的专用能源林。虽然同为满足国民经济发展对各类林产品的需求,但能源林培育的各个环节如能源树种的选择、良种育苗、丰产栽培技术、收获利用等,都远远落后于经济林、速生丰产林的培育,严重影响了林木生物质能源的开发进程。近30年来,我国经济快速增长,已成为能源的第二大消费国,能源短缺问题十分突出。可再生能源的研究、开发和利用是我国实现可持续发展的关键。现今我国政府非常重视林业生物质能源工作,在加强林业生物质能源发展和管理上开展了大量工作。目前正在组织编制《全国林业生物质能源发展规划(2011~2020年)》。提出我国能源林面积规划达到2000万hm2;每年转化的林业生物质能可替代2025万t标煤的石化能源,占可再生能源的比例达3%。并与法国开发署合作开展“中法生物柴油合作项目”建设。积极推广内蒙古毛乌素生物质热电厂、吉林辉南宏日新能源有限公司等试点示范企业建设经验。

3我国发展能源林的优势

3.1资源丰富

根据第七次全国森林资源清查,全国森林面积1954522万hm2,森林覆盖率2036%。活立木总蓄积14913亿m3,森林蓄积13721亿m3。除港、澳、台地区外,全国林地面积3037819万hm2,森林面积1933300万hm2,活立木总蓄积14554亿m3,森林蓄积13363亿m3。天然林面积1196925万hm2,天然林蓄积11402亿m3;人工林保存面积616884万hm2,人工林蓄积1961亿m3,人工林面积居世界首位。而且我国现有木本油料树种面积超过了400万hm2,含油量在40%以上的植物有154种,果实产量500万t以上,这些大多可以作为生物液体原料。而且目前,中国还有宜林荒地5700多万hm2,这些都是政府规划专门用于发展林业的土地。另外,还有1亿hm2的边际性土地。

3.2资源集中

我国东北和内蒙古地区有大片的林区,而且华北、南方林区和华南热带地区是林木生物质能源集中分布区和可利用的优先区域。

3.3投资小,符合我国国情

由于林木生物质能源产业从资源培育、资源收集、成型产品加工到燃烧利用的各个环节资金密集度不高,基本上是劳动密集型产业,资本有机构成较低,初期投资不大,符合我国劳动力丰富但资金不足的国情。

4能源林资源的应用

利用林木生物质能可以进行生物质发电和一般居民家用燃料。但是未经加工的林木生物质本身含水率高,会出现燃烧不稳定,热效率低等缺点［3］。所以必须对林木生物质进一步加工,如今应用较广且简易的方法是原料压缩成型技术。即将松散的林木剩余物进行粉碎烘干分级处理,放入成型挤压机,在一定的温度和压力下形成较高密度的固体燃料。与松散的物料相比,木质固体燃料具有运费低、燃烧强度大、转换利用的热效率高等优点［4］。吉林辉南南宏日新能源有限公司利用林业剩余物加工成型燃料,已经具有年产达3万t成型燃料生产能力。林木生物质加工工艺中所需机械装备有以下几种。

4.1生物质收集装备

生物质如何变成柴油、酒精、沼气,生物发电和生物基新材料等高新技术。其实这些技术我国在“十一五”期间就已经取得了很大的进展和突破,现在的关键问题是如何高效、低成本地把林木生物质资源收集起来并加以利用［5］。由于林木作业种类多,作业地点复杂,给林木收获机提出了更高的要求［6］。国外小型的收获机比较轻便便携,安全可靠,刀具使用较好的材料,因擦刀具坚固耐磨,不需要经常更换。对于大面积的能源林采收,国外多采用拖拉机悬挂式。而且可以直接粉碎、削片或打捆等联合收割［6~8］。

我国现有的林木资源,除了人造林、能源林是比较集中,其他的分布比较分散,主要是小规模的农户种植和立地条件很差的西部沙地灌木林。所以选择收割机时,目前以中小型割灌机为主,轻便易携,操作灵活。如多功能自走式灌木平茬收割机和手扶式平茬机。在西部立地条件相对较好的地方,可以采用拖拉机悬挂式的中型收割机,收割完后可以用打捆机收集好。对于种植的能源林,就选择联合收割机械,直接进行粉碎,削片和打捆。对于伐区内枝丫、树枝等,还要配备枝丫收集机、起重臂、清理机和劈根机等机械设备［8］。

国外对割灌机开发研究较早,水平较高,并形成了系列产品。以德国STIHL公司、SOLO公司为代表。日本生产的割灌机的型号很多,每年出口100多万台。

4.2原料粉碎装备

粉碎质量的好坏直接影响成型机的性能和产品质量。利用能源林收获机时,往往已经包括了粉碎阶段,为了加工时方便,可以用粉碎机进行二次工作。对于一些散乱的树枝、树杈,我们可以用粉碎机进行作业。锤片式粉碎机以其粉碎质量好、维修方便和生产效率高等优点,使之成为应用最多的一种粉碎机［9］。粉碎物的颗粒可以通过改变不同开孔大小的凹板来实现。但是对于较为粗大的木材,一般要用木材切片机切成小片,在进行粉碎。我国于2008年自行设计了FSY30型及3ZSX-20型林木枝丫切碎机,它们吸收国内外先进技术的基础上,根据林区具体需要从整体到关键部件进行了较大的改善,以利于在实践中推广。

日本名古屋大学的小林信介、稻野稔等进行了连续型振动磨粉碎的木质生物质的有效开发,在振动磨机使用嵌齿磁盘介质,实现高速冲击粉碎,将传统的振动研磨机连续粉碎系统进行升级,以增加木质生物质粉碎产量。此外,他们还开发了封闭式的粉碎系统,以增加粉碎的效率。加拿大修改了一种圆形打捆机-“biobaler”,可以将自然柳周围的杂草切成丝,进行打捆。

4.3压缩装备

目前压缩设备主要有螺旋挤压成型、活塞冲压成型和压辊式成型3种。

(1)螺旋挤压成型机。西欧和美国采用的是两种大型压块机,双螺杆挤压成型和锥形螺杆挤压成型设备;而东南亚多采用外部加热的螺旋式成型设备。

(2)活塞冲压成型机。北欧和美国生产的大型成型机采用这种形式较多,如瑞典Bogma AB公司生产的M75型成型机,美国Hauamann公司生产的FH75/200型成型机,还有河南农业大学研制的PB-I型冲压式成型机。

(3)压辊式成型机。主要用于生产颗粒状成型燃料,对木屑进行加工。国内比较有代表性的成型设备有清华惠众科技公司的生物质颗粒燃料成型机、江苏苏州恒辉生物质能有限公司的核心产品:HPB-V型生物质燃料成型机等。

5展望

随着我国经济的迅速发展,能源的需求量必然会大幅增加。从长期来看,我国的能源形势必将越来越严峻,同时我们对生存环境的要求也越来越严格,从可持续发展的战略眼光来看,不可再生且有污染的燃料将逐渐退出人们的视线,开发利用能源林势在必行,木质能源不仅解决了能源短缺的危机,也解决了能源与环境的矛盾。我们应借此次良机,发展木质能源是大有可为的。

参考文献：

［1］ 李保谦,牛振华,张百良.生物质成型燃料技术的坝状与前景分析［J］.农业工程技术新能源产业,2009(5):31~33.

［2］ 曾麒,王革华.中国能源农林业的现状、意义及发展战略［J］.农业工程学报,2006,10(22):21~24.

［3］ 刘国华.生物质成型燃料技术及应用前景［J］.

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