我国农作物秸秆转化生物能源潜力评估

艾斌凌　郑丽丽　郑晓燕　盛占武

摘 要 农作物秸秆是一种价格低廉的可再生资源，燃料化是其资源化利用的重要途径。以农作物经济产量为依据，对我国各类农作物秸秆的产量和可收集利用量进行估算，进而评估其生物转化甲烷和燃料乙醇的潜力。2014年我国农作物秸秆产量达72 836.9万t，其中可收集利用量达60 986.1万t。玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆为前三大秸秆资源。河南省、黑龙江省和山东省的秸秆资源是最为丰富。以热值估算，仅玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大秸秆可折合标准煤量20 177.5万t。基于微生物发酵工艺估算，我国主要农作物秸秆可生产甲烷1 286.8亿m3，或可生产燃料乙醇1 823.5亿升。我国农作物秸秆的可收集利用量巨大，以其为原料生产生物燃料具有广泛的开发前景。

关键词 农作物秸秆 ；可收集利用量 ；生物能源 ；甲烷 ；燃料乙醇 ；潜力评估

中图分类号 TQ35；X712 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.12.018

农作物秸秆是农产品生产不可避免的副产物，同时也是产量巨大的可再生资源，若处置不合理可能会成为巨大的污染源。另一方面，石油、煤炭及天然气等化石资源本身带有明显的不可持续性，且其大量使用带来严重的空气污染。在资源与环境的双重压力下，以可再生的农作物秸秆生产生物燃料是一种具有广泛开发前景的替代技术，对于缓解能源供需矛盾，提高农民收入以及改善农村生活条件，促进农业可持续发展具有重要意义。国内关于秸秆资源的研究多集中于农作物秸秆资源调查与统计[1-3]、秸秆资源资源化利用[4-7]、秸秆处置政策研究与综合效益分析[8-10]等方面。朱建春等[1]分析了1978～2009年我国农作物秸秆产量的变化及其时空分布，这30年间我国田间秸秆总量总体上呈不断增长的趋势，其产量分布由西北向东南逐渐增加。王亚静等[4]对我国各类秸秆资源的可收集利用量进行了估算，并对秸秆用于燃料、饲料、肥料、工业原料以及食用菌基料等用途的适宜性进行了评价。结果表明，我国秸秆可收集利用量非常丰富，适宜于多种用途。目前，有关不同农作物秸秆生产生物能源的潜力评估等方面的研究尚不多见。根据国家统计局公布的2014年各类农作物经济产量数据，估算我国各类秸秆资源的储量和可收集利用量，并在各农作物秸秆转化生物能源的适宜性分析的基础上，参考相关研究中的生物燃料转化率，对几大农作物秸秆转化甲烷和乙醇潜力进行评估。

1 研究方法

以农作物经济产量为依据，对我国各农作物秸秆资源的储量、可收集利用量及其转化为生物能源的理论潜力进行估算。文中农作物产量数据来源于《中国统计年鉴2014》和中国国家统计局网站（http：//data.stats.gov.cn/）。

草谷比（SG）是指农作物地上茎秆产量与经济产量之比，又称农作物副产品与主产品之比。在草谷比和农作物经济产量已知的条件下，可用下述公式计算农作物秸秆产量。

WS=WP×SG

式中，WS为农作物秸秆产量，t；WP为农作物经济产量，t；SG为草谷比。

秸秆资源可收集利用量是指在现实耕作管理尤其是农作物收获管理条件下，可从田间收集并可为人们利用的秸秆资源的最大数量。秸秆可收集利用量一般根据秸秆资总产量和其可收集利用系数来计算，公式表示为：

WGS=WS×IG

式中，WGS为秸秆资源可收集利用量；WS为秸秆总产量；IG为秸秆资源可收集利用系数。秸秆资源可收集利用系数是指可收集利用的秸秆重量占农作物茎秆总生物量即秸秆总产量的比重。

以甲烷和乙醇为例评估农作物秸秆转化生物能源的潜力，根据秸秆资源可收集利用量和秸秆类生物质生产甲烷与乙醇的实际转化率来计算。用公式表示为：

WBS=WGS×RB

式中，WBS为甲烷或乙醇产量；WGS为秸秆资源可收集利用量；RB为秸秆生物转化甲烷或乙醇的实际转化率。

2 结果与分析

2.1 我国主要农作物秸秆资源储量与可收集利用量估算

我国是粮食生产大国，农作物秸秆资源产量丰富。根据中国国家统计局网站中公布的2014年我国农作物經济产量数据，参考其他研究中的草谷比（秸秆籽粒折算系数）[11]和可收集利用系数[4]，计算出农作物秸秆产量和可收集利用量（表1）。2014年我国主要农作物秸秆产量达72 836.9万t，可收集利用量达60 986.1万t，其中玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大作物秸秆可收集利用量分别是21 481.0万、15 420.1万和11 519.4万t，分别占到农作物秸秆可收集利用总量的35.2%、25.3%和18.9%，三者之和接近农作物秸秆可收集利用总量的80%，具有广泛的开发前景。

由于地理位置和气候条件的差异，不同农作物秸秆的分布与产量各不相同。玉米秸秆是我国第一大秸秆资源，主要分布于东北地区各省份以及河南、河北、山东、内蒙古、山西等华北地区；其次是水稻秸秆，主要分布于湖南、湖北、四川、江西、江苏、安徽、广西、广东等华南和华东地区以及如东北地区的黑龙江；第三大产量的小麦秸秆主要分布于河南、河北、山东、安徽和江苏等省份。其中，河南省、黑龙江省和山东省的秸秆资源是我国最丰富的，以2013年为例，三省的玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大作物秸秆可收集利用量分别达到5 098.0万、4 897.9万和4 062.5万t。

2.2 农作物秸秆的生物能源开发技术与策略

农作物秸秆是一种储量丰富价格低廉的可再生资源。由于农业的现代化，工业性生产要素对传统农业生产要素的替代，大量过剩的农作物秸秆被丢弃，更有大量秸秆被露天焚烧。秸秆焚烧产生大量烟雾烟尘、温室气体CO2、以及CO、NOx、苯及多环芳烃等有害气体[12]，这既浪费资源，还污染环境。因而，以秸秆生物质为原料开发生产生物能源获得了越来越多的关注。由于秸秆生物质原料的组分多样性和不均一性（不同来源原料中糖、淀粉、纤维素、半纤维素木质素等的组分差异巨大），以及转化途径的多样性（除了物理和化学方法外，生物转化法利用酶催化或微生物发酵产生各种化学品）为开发更多生物能源产品提供了可能[13]。图1所示为利用生物质原料制备生物能源与生物基产品的路线图[13-14]。以各种农作物秸秆为原料，通过机械的、热和（或）化学以及生物发酵等转化工艺，可直接产生热和电力，亦可生产固体压缩成型燃料、甲烷和氢气等气体燃料以及乙醇和热解油等液体燃料。

2.3 农作物秸秆转化生物能源的适宜性分析

农作物秸秆含硫量比煤的平均含硫量低，是一种廉价的清洁能源，直接燃烧获取热能是目前其生物质能利用的最主要方式[15]。大多数农作物秸秆的含水率在15%左右[4]，适宜于直接燃烧，亦有几种秸秆由于自然干燥较困难而可燃性不足，如薯类蔓、花生秧、甘蔗渣以及甜菜渣等。2014 年我国可以直接燃烧利用的农作物秸秆约为55 065.5万t，占可收集利用量的90.4%。从热值看，农作物秸秆燃烧产生的热值比柴薪的低15%；此外，由于农作物秸秆的木质化程度较低，其耐燃性不及柴薪[4]。当前我国农作物秸秆直接燃烧利用主要在农村，基本用于日常烹饪和加热，其热能利用率低，仅为5%～15%[16]。通过固体成型技术，即添加一定的粘结剂和水，在一定的温度和压力作用下，利用机械压缩的方法，将秸秆加工成形为棒状、块状或颗粒状的成型燃料，这种固体成型燃料的燃烧特性能得到明显改善[17]。此外，农作物秸秆通过热裂解技术生产木炭、生物油和可燃气等生物燃料。

农作物秸秆通过微生物发酵技术可转化为甲烷与氢气等气体燃料和乙醇等液体燃料，且几乎所有的农作物秸秆均适宜于转化这类生物能源。多数木质纤维素原料中，纤维素约占干重的35%～50%，半纤维素占20%～30%，木质素占5%～30%。典型的农作物秸秆，如玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆中包含约70%的可发酵组分，即纤维素和半纤维素[18]。纤维素可分解为葡萄糖，半纤维素可降解为木糖、阿拉伯糖等戊糖以及甘露糖、半乳糖等己糖，这些单糖在微生物作用下最终转化为氢气、甲烷以及乙醇等生物燃料。农作物秸秆通过现代加工转化技术生产气体燃料和液体燃料等高附加值产品，可推进秸秆的高效利用和转化增值，从而进一步减少自然资源的浪费及其对环境的污染。

2.4 农作物秸秆转化生物能源的潜力估算

农作物秸秆的平均热值约为14.7×103 kJ/kg[19]。以热值为标准，1 t秸秆热值相当于0.5 t标准煤，不同种类秸秆的具体折合标准煤量见表2。仅以2014年玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大作物秸秆可收集量为例，三者折合标准煤量为20 177.5万t，相当于当年我国煤炭产量的5%。然而，由于秸秆单位体积的能量密度低，使得其运输、储存和使用不便。固体成型燃料的体积缩小了6～10倍，密度可以达到600～1 300 kg/m3，其燃烧特性明显提升，秸秆的能源利用率显著提升，是农作物秸秆生物质能利用的有效途径[20]。

农作物秸秆可以在厌氧条件下热转化成气体成分（CO2、CO、CH4和H2等）和热解油，这些气体组分和液体热解油可以直接用于燃烧获得热量或电力，也可用作化工原料进一步转化成其他液体燃料和化学品[21]。本文对几大作物秸秆转化甲烷和乙醇的理论潜力评估基于微生物发酵工艺。微生物水解纤维素为葡萄糖[式（1）]，水解半纤维素为木糖，还有少量葡萄糖、甘露糖和半乳糖等[式（2）]。在之后的理论分析与计算中将半纤维素假定为木聚糖。木糖等戊糖通过磷酸戊糖途径转化为葡萄糖[式（3）]。

（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6（1）

（C5H8O4）n+nH2O→nC5H10O5（2）

6C5H10O5→5C6H12O6（3）

葡萄糖发酵产甲烷遵循以下公式：

C6H12O6→3CH4+3CO2（4）

葡萄糖发酵产乙醇遵循以下公式：

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2（5）

由式（1）和式（4）可得，1 g纤维素发酵可产甲烷0.296 g，标准状态下约为413 mL。由式2、3和4可得，1 g半纤维素（以木聚糖计）发酵可产甲烷0.303 g，标准状态下约为423 mL。由式1和式5可得，1 g纤维素发酵可产乙醇0.568 g，约0.719 mL。由式（2）、（3）和（5）可得，1 g半纤维素（以木聚糖计）发酵可产乙醇0.581 g，约0.736 mL。不同种类农作物秸秆的组分含量各不相同，由于产地及测定方法等不同而造成同种秸秆的组分含量在不同研究中出现较大差别。本文以小麦秸秆为例，参考赵蒙蒙等[22]测定结果，小麦秸秆纤维素含量为51.2%，半纤维素含量为23.7%。依此计算，1 t小麦秸秆理论上可发酵产生312 m3甲烷或543 L乙醇。

实际研究和生产工艺中，由于底物种类、预处理方式及发酵工艺等不同，秸秆类生物质的甲烷产率为0.112～0.420 m3-CH4/kg-VS，其中小麦秸秆的甲烷产率为0.211～0.382 m3-CH4/kg-VS[23]。为了便于估算，本研究中采用小麦秸秆甲烷产率0.211 m3-CH4/kg-VS作为农作物秸秆的甲烷转化率，即每吨农作物秸秆转化甲烷211 m3。基于该甲烷转化率和本研究中农作物秸秆可收集利用量估算结果，计算得到的我国主要农作物秸秆转化为甲烷产量见表3，合计可生产1 286.8亿m3甲烷，为我国年天然气消费总量的75.5%。国家统计局数据表明，2013年全国天然气消费总量为1 705.4亿m3。

根据美国国家可再生能源实验室研究报告[24]，纤维素乙醇的转化率可达到79 gal（乙醇）/t（生物质），即299 L（乙醇）/t（秸秆）。依据该乙醇转化率，2014年我国主要农作物秸秆可转化乙醇1 823.5亿L（表3），为2014年我国燃料乙醇总产量的6.7倍。中國科学院发布的《中国工业生物技术白皮书2015》显示，2014年我国燃料乙醇年产量约216万t[25]。

3 结论与讨论

3.1 结论

根据农作物经济产量数据估算，我国农作物秸秆储量丰富，2014年可收集利用量达60 986.1万t。秸秆资源的产量与分布各不相同，玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆为前三大秸秆资源，河南省、黑龙江省和山东省是我国秸秆资源最丰富的省份。大多数农作物秸秆均适宜于转化生物能源，仅玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆三大作物秸秆可折合标准煤量20 177.5万t，相当于当年我国煤炭产量的5%。基于微生物发酵工艺估算，我国主要农作物秸秆可生产甲烷1 286.8亿m3，为当年我国天然气年消费总量的75.5%，或可生产乙醇1 823.5亿L，为当年我国燃料乙醇年产量的6.7倍。利用农作物秸秆转化生物能源，不仅避免了其处置不当带来的环境污染，更是农业可持续发展的客观需求。

3.2 讨论

近年来，随着农业生产方式、农民生活水平及农村能源结构的提高与改变，传统的农作物秸秆作为燃料等方面的利用量减少，秸秆资源出现了更大规模的剩余，这些剩余秸秆的处置问题日益突出。根据曹国良等[12]估算，在河南省、黑龙江省和山東省这3个秸秆产量最丰富的省份，40%～60%秸秆被废弃，其中更有一半被露天焚烧。这不仅造成了严重的空气污染，同时也是对宝贵自然资源的浪费。农作物秸秆储量巨大、价格低廉，然而，其分布分散、体积大以及能量密度低等特点致使收集、运输及贮存困难，从而制约了其大规模工业化应用。现阶段，我国农作物秸秆资源化利用主要集中在农村日常生活和生产上，直接作为燃料、肥料和饲料的比重较大，而用作工业原料较少[26-27]。通过固体成型技术可将农作物秸秆转化为固体燃料，通过厌氧消化工艺可转化为甲烷和氢气等气体燃料，通过微生物发酵可转化为附加值更高的乙醇等液体燃料。农作物秸秆的生物能源化是其高值化利用的重要途径，不仅可以避免废弃物处置不当带来的环境污染以及作物病虫害发生增加等问题，更是延长农业产业链、农业增效、农民增收的重要突破口，亦是实现经济效益、生态效益和社会效益同步提升的重要基础。

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