天津市农业固体废弃物秸秆能源化利用形式的比较与讨论

冯，李玲，解玉红

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384）

天津市农业固体废弃物秸秆能源化利用形式的比较与讨论

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384）

可持续发展已经成为当前发展的潮流，是任何活动和行为都应遵循的原则。秸秆由于其产量大、可再生能力强的特点，成为目前解决能源危机的一个突破口。本文从秸秆利用方式角度出发，通过对天津市秸秆能源化利用的3种途径（秸秆发电、沼气和纤维素乙醇）利用费用效益分析方法进行分析比较，得到秸秆的最佳利用方式。研究证明，纤维素乙醇若实现大规模开发利用，优于秸秆发电和秸秆制沼气。

秸秆；可持续发展；沼气；费用效益

1 研究背景

我国每年产生农作物秸秆近7亿t，其巨大的产量和再利用价值，已经成为人们关注的焦点。其中有3.5亿t可用作能源使用，如果能得到合理的利用，不仅能缓解我国的能源危机，也在很大程度上减弱了能源消耗对环境造成的压力。能源供需矛盾为秸秆大规模能源化利用提供了新的机遇，同时也向小规模传统利用方式提出了新的挑战。

作为农业大国，每到夏秋时节便是农忙季节，大量农作物秸秆未得到有效处理而被废置，甚至燃烧，这是一种资源的浪费。尽管近几年我国已经严令禁止焚烧秸秆等农业废弃物，但是每年仍有接近15%的秸秆被燃烧处理，不仅造成秸秆中有机质和氮磷钾等元素的流失，更严重的是对环境造成了不可想象的污染。秸秆焚烧一般是在7——8月农作物收割以后，发生在城郊等远离市区、缺乏监管的地区，屡禁不止。有研究表明，秸秆不加利用的焚烧，是引起目前备受关注的雾霾问题的重要因素之一［1-2］。更有报道指出，京津冀地区频发的雾霾天是由河北廊坊和天津宝坻等多个县市屡禁不止的秸秆焚烧造成的［3］。秸秆焚烧有百害而无一利，但每年秸秆产量巨大，如何有效、合理地利用秸秆等农业废弃物，成为目前亟待解决的问题之一。

纤维素乙醇是继粮食乙醇后的第2代生物质乙醇，自2007年国家出台政策不再批准新建粮食乙醇项目后，人们对于纤维素乙醇的发展热情就空前高涨。纤维素乙醇在替代石油等化石能源方面存在很多优势，但同时也存在着成本高、效率低的发展困境。

纤维素乙醇作为秸秆能源化的代表，既可以减轻化石能源使用的压力，又可以实现秸秆的资源化，但是秸秆能源化利用的途径并非只有纤维素乙醇一种，如何合理利用秸秆，最大限度地实现能源替代，具有很大的现实意义。因此，本文在利用灰色预测法对天津市秸秆可收集量进行预测的基础上，采用费用效益法，对目前秸秆能源化利用的3种途径进行分析，从社会、经济、环境3方面综合考虑，进行对比分析，从而对秸秆能源化利用方向提出相应的策略和建议。

2 研究方法

2.1 灰色预测法

分析秸秆的开发利用形式，秸秆可收集量的预测是最基础的。本研究对秸秆可收集量的预测采用灰色预测法GM（1，1）模型进行。

2.2 费用效益法

应我国可持续发展战略的要求，我国的所有项目均应尽可能地符合可持续发展的要求，纤维素乙醇的开发利用同样如此。可持续发展包括社会可持续、经济可持续和环境可持续，也就是可持续发展3方面的要求。纤维素乙醇的开发利用不仅仅是环境问题，同样也是社会和经济问题，在这3个方面，单纯地只考虑某一方面，都不能客观评价纤维素乙醇与传统化石能源的优劣。

为了客观全面地分析天津市农业固体废弃物秸秆合理的资源化开发利用形式，从而对秸秆的开发利用提出指导意见，本研究以秸秆作为研究对象，通过费用效益法对秸秆的3种能源化利用途径进行分析，对比分析后得到秸秆能源化利用的开发方向，以此提出天津市秸秆资源化的开发策略。

3 秸秆可收集量预测

3.1 模型建立

根据《天津市统计年鉴》可知每年粮食作物产量，通过草谷比可计算得到每年天津市秸秆可收集量，表1为天津市2001年——2010年秸秆可收集量统计及累加生成数据。

表1 天津市2001年——2010年秸秆可收集量统计及累加生成数据Tab.1The statistic data of the straw collection quantity and the accumulated data

利用灰色预测法可得预测模型为

累减后整理还原的秸秆量预测模型为

其中，k=N-2000。

3.2 精度检验

确定模型后，需对模型预测的精度进行检验。对于GM(1，1)模型的精度检验主要分两方面，残差检验及关联度分析。

3.2.1 残差检验

利用模型预测出2002年——2010年秸秆可收集量，与原始数据进行比较，可得到误差E和相对误差△E，计算过程如下式:

通过预测模型预测得到的每年秸秆可收集量及相对误差见表2。

表2 天津市秸秆可收集量预测结果及相对误差Tab.2The prediction of straw collecting quantity and the relative error in Tianjin

灰色预测法中对预测模型进行残差检验时，相对误差越小越好，一般要求不大于20%，最好不大于10%。从表2可以看到，秸秆可收集量预测模型的相对误差均小于10%，满足残差检验要求。

3.2.2 关联度分析

关联度分析，即检验预测数据与原始数据的关联度。首先，对原始数据和预测的数据进行初始化，初始化公式分别为：

然后，计算绝对差△k：

记最大差△max=max△k，△min=min△k，根据关联系数的计算公式：

取分辨率ρ=0.5，可得关联系数为0.633 908＞0.6，表示关联度良好。可以看出，预测结果的误差小于10%，在可控范围内，因此，该模型可行。

综上所述，利用式（2）模型对天津市秸秆可收集量的预测是可行的。通过预测得到的2011年——2020年秸秆可收集量如表3所示。

表3 2011年——2020年秸秆可收集预测量Tab.3The prediction of straw collecting quantity from 2011 to 2020

根据表3的预测可以初步分析出至2020年天津市农业固体废弃物的可收集量，根据可收集量对秸秆的利用进行效益费用分析。

4 秸秆能源化利用途径比较

表4 秸秆焚烧、发电、沼气和生产纤维素乙醇的费用效益分析Tab.4 The cost and benefit analysis among straw incineration，straw power，straw biogas，and cellulosic ethanol

本研究选取了主要的3种秸秆能源化利用途径，分别为秸秆发电、秸秆沼气和纤维素乙醇，与秸秆露天焚烧进行对比，以对比能源化利用的优势。然后通过对发电、沼气和纤维素乙醇的对比分析，得出秸秆利用的开发策略。具体对秸秆焚烧、发电、沼气和生产纤维素乙醇的费用效益分析如表4所示。

从表4可以直观看出，秸秆发电、沼气和纤维素乙醇都不同程度解决了秸秆焚烧带来的问题，3者各有利弊。

从经济效益来看，同热值的沼气和纤维素乙醇比秸秆发电成本要高200～400元/GJ，但环境污染物的排放却削减一半以上，同时，秸秆发电的规模由于锅炉功率和秸秆收集难易程度的限制不宜过大，一般在15～30MW，因此，综合来看，秸秆发电不如沼气和纤维素乙醇。

对秸秆沼气和纤维素乙醇比较来看，经济效益方面，虽然在利用秸秆的成本上，沼气成本要远远小于纤维素乙醇，但是，由于沼气的产气率不高，以及沼气热值的原因，加上对纤维素乙醇的政策补贴，纤维素乙醇的成本已与沼气几近相当。

从环境排放物来看，产生相同热量时，以秸秆发电产生的污染物排放量为基准，秸秆沼气对SO2的排放削减为42.41%，纤维素乙醇为99.79%。碳氢化合物的排放沼气削减69.91%，纤维素乙醇削减99.6%。NOx的排放量沼气削减47.26%，纤维素乙醇为99.9%。CO2排放量削减沼气为80.87%，而纤维素乙醇为99.9%。CO的排放量沼气削减99.9%，而纤维素乙醇为96.16%。因此可以看出，从环境效益来看，产生同等热量时，沼气除了CO的排放量优于纤维素乙醇以外，其他均不同程度劣于纤维素乙醇。

从社会效益来看，秸秆焚烧不但造成了资源的浪费，还会有大量的污染物及颗粒物的排放，引起人们重视的雾霾。同时气体污染物不具备地域的稳定性，随着天气的变化迁移，会影响周边城市的环境，在影响人们身体健康的同时，也造成了生活质量的下降，另外引起的雾霾也使道路上能见度降低，间接增加了交通事故的几率和隐患。

秸秆发电虽然从某种程度上解决了焚烧的资源浪费问题，但是依然存在着局限性。由于原料自身的性质，秸秆密度小，收集难度大，受季节影响较大等原因，大规模开发过程中秸秆占据较大的堆放场地，存储过程中还需要防火、防雨、防潮、防雷等措施。有研究表明，含水量5%时，秸秆的发热量较好，但含水量达到20%时，发热量将大大受损。另外秸秆发电的成本要高于常规发电成本，工程造价也是常规发电的2倍以上，并且秸秆中碱性金属及氯含量较高，容易腐蚀金属表面，因此秸秆燃烧的锅炉需采用特种耐腐蚀钢材，无形中又增加了设备的成本。另外，秸秆发电也存在电厂热效率偏低的问题。

秸秆制沼气的环境要求严格，必须在严格的厌氧环境中进行，还需有一定的温度、水分和酸碱度等条件。近几年，我国实行了各种政策推广沼气的开发使用，虽有发展，但是仍发展缓慢，究其原因是沼气开发自身的局限性所致。秸秆沼气的产生条件苛刻，而秸秆大量废置的地区往往是农村地区，人们受教育程度低，对技术的掌握能力不足，国家虽出台相应的政策扶持秸秆沼气池的构建和使用，但是后期的技术支持不够。沼气的产气率低，不稳定，沼气产生过程伴随着硫化氢等气体产生，有剧毒，并有刺激性气味产生，对脱硫装置也有要求，调查发现脱硫剂需及时更换，因此户用沼气的推广受到了阻力。对于中小型沼气工程，一般以自然村为单元建设发酵装置和储气装置，再通过管道把沼气输送到农户家中，也就是集中供气。集中供气虽然方便技术人员对沼气产生条件的控制和管理，但是秸秆沼气技术仍然处于起步阶段，运行效果并不明显，沼气工程的收益并不高，导致沼气工程的发展受到了限制。

纤维素乙醇与前两种利用方式相比，自2007年我国开始加大力度扶持纤维素乙醇的研究和开发以来，得到了空前的发展。虽都是由秸秆产生，成本较高，但产出的液体乙醇便于运输，热值较高，环境污染物排放较少。采用纤维素酶进行降解，需要工厂进行生产，可以对降解过程的条件等进行有效控制和管理，适合大规模开发。虽然纤维素乙醇的开发目前尚未得到大规模生产，但是若实现大规模开发利用，优于秸秆发电和秸秆制沼气。

5 结语

就目前天津市秸秆的利用现状来看，秸秆开发利用比率较少，秸秆目前尚未得到有效的利用，仍存在田间焚烧的情况。秸秆能源化是对秸秆进行加工处理后，替代天津市现有的化石能源。和秸秆露天焚烧相比，秸秆发电、沼气、纤维素乙醇等能源化利用途径都是不同程度的资源节约，更符合可持续发展的要求。

从长远角度出发，纤维素乙醇具有长远意义，但尚未得到有效的利用和规模化发展，其自身开发过程中存在局限性，我们应当正确认识纤维素乙醇开发过程中的困难和局限，从而积极完善，尽可能实现长足发展。

［1］胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展［J］.化工进展，2011，30(1):137-143.

［2］吴楠，孔垂雪，刘景涛，等.农作物秸秆产沼气技术研究进展［J］.中国沼气，2012，30(4):14-20.

［3］崔文文，梁军锋，杜连柱，等.中国规模化秸秆沼气工程现状及存在的问题［J］.中国农学通报，2013，29(11):121-125.

The comparisons among the ways to use straw to replace energy utilization in Tianjin

FENG Xin，LI Ling，XIE Yu-hong
（Tianjin University of Technology，The College of environmental science and safety engineering，Tianjin，300384）

Sustainable development has become the trend of the current development，the principles of any activity and behavior should be followed.Because of its features，such as the large output，strong renewability，straw has become a breakthrough to resolve the current energy crisis.In this paper，from the perspective of the way to use straw to replace energy utilization through three ways in Tianjin:the straw power generation，biogas and cellulosic ethanol，the use of cost-benefit analysis methods were analyzed and compared，in order to get the best use of straw.The study shows that the development of cellulosic ethanol，although not yet been large-scale production，but if the large-scale development and utilization，better than straw and straw biogas generation.Therefore，large-scale development of cellulosic ethanol should be achieved as soon as possible.

Straw;Sustainable development;Biogas generation;Cost-benefit analysis methods

F323.214

A

1674-8646（2016）01-0150-04

2015-10-27

教育部人文社科项目“基于可持续发展理论的纤维素乙醇开发策略研究”（11YJAZH025）

冯（1961-），男，学士，教授，硕士研究生导师，主要从事环境科学与安全工程研究。

解玉红（1976-），女，硕士，副教授，e-mail:xieyuhong76@126.com。