广东省生物质能资源潜力评估及分布特点

王 闻，陈小燕，朱顺妮，张 宇，王 琼，梁翠谊，亓 伟

（中国科学院广州能源研究所，广东省新能源和可再生能源开发与利用重点实验室，广东 广州 510640）

0 引言

广东省是中国经济总量第一大省，其经济的高速发展必然伴随着能源的大量消耗。近20年来，广东省的能源生产量由2000年的3711.7万t标煤增加到2019年的8377.3万t标煤，而能源消费量则从7983.5万t标煤增加到31123.0万t标煤[1]。综上可以看出，广东省的能源生产量远远满足不了消费量，其能源消费对外依存度在2019年达到73.1%，消费主体依然为化石燃料，占能源消费总量的68.8%[1]。中国在《巴黎协定》中承诺2030年前实现“碳达峰”，并在2020年9月进一步提出努力争取2060年前实现“碳中和”。低碳经济和可持续发展成为2020年后社会经济发展的主旋律。寻求高效替代化石燃料的清洁可再生能源成为广东省能源消费结构转型和低碳经济发展的迫切需求。

近年来，生物质能、太阳能、风能等可再生能源产业的发展受到世界各国的重视。其中，生物质能是继石油、煤、天然气之后排在第4位的能源，占全球能源总消费量的9.3%，占全球可再生能源总消费量的67.4%[2]，即生物质能源在可再生能源消费中具有举足轻重的地位。生物质是地球上唯一可再生的碳源，包括能源植物（如甘蔗、木薯、油棕等）、农林废弃物（如农作物秸秆、木屑等）、畜禽粪便、城镇生活垃圾和工业有机废水等。据估计，全球每年新增的生物质量相当于1535.4亿t标煤[3]，若其中的10%被开发为能源，则可提供全球能源消费量的75%左右，远高于生物质能目前的消费占比（9.3%），生物质能具备完全替代化石燃料的潜力。评估生物质资源潜力是最大程度发掘生物质能储量的基础，也是国内外学者普遍关注的研究方向[4]～[6]。研究人员通常采用废弃物折合产品系数、可获取系数等多个参数值评估生物质资源量，并通过热值或能量折算系数估算蕴藏的能源潜力[7]～[10]。不同地区的气候、土壤等条件及产业经济具有各自的特点，使得农、林等生物质资源种类、产量等存在差异[11]。根据不同地区的特点评估生物质资源种类及其储量，对合理布局生物质能产业具有重要的指导意义。

目 前 ，有 关 中 国 全 域[6]，[11]～[17]以 及 黑 龙 江[18]、河南[19]、江 苏[20]、新 疆[21]，[22]、山 东[23]，[24]等 地 区 的 生 物 质资源评估已有报道，针对广东省的生物质资源评估虽有报道[25]，[26]，但仅限于农林生物质资源的粗略统计，并未探讨生物质资源的地区分布特点。本研究基于广东省各地市2019年的农、林、畜牧业和工业统计数据评估不同地市的生物质资源种类、数量及其能源潜力，明晰广东省生物质资源的分布特点，从而为生物质能产业在广东省的合理布局与健康发展提供数据支持。

1 评估方法

1.1 废弃生物质资源量及其能源潜力计算方法

各种生物质废弃物资源的产量根据各地市的2020年统计年鉴、《广东农村统计年鉴2020》等统计资料中2019年的数据计算获得，再通过文献、专业书籍、技术手册、专家经验、实地调研等方法获得相关转换系数，计算出废弃物资源的可利用量，按照可以转化的能源形式（如沼气）换算成对应的生物质能源产量，根据各种生物质能源的热值统一折算成标准煤。由于广东省各地市的城市生活垃圾处理量已达到95%以上，本文未评估各地市城市生活垃圾的能源潜力。

1.1.1 农作物废弃物

农作物废弃物主要指农作物秸秆（简称秸秆），是指农作物主产品外的副产品，本研究选取草谷比法计算秸秆的产量Wg，Wg的计算式为

式中：Wp为农作物主产品的产量，万t；Rg/p为草谷比，即农作物地上茎秆产量（鲜重或干重）与产品产量（鲜重或干重）之比；Fa为秸秆可收集利用系数，指在现实的耕作管理条件下，可从田间收集起来并为人们所用的秸秆资源量与秸秆总量的比值。

1.1.2 林业生产与加工剩余物

（1）林木生物量与蓄积量

根据联合国粮农组织（FAO）的全球森林资源报告，林木地上部分的生物量B和蓄积量V之间存在以下关系：

（2）林业生物质资源评价方法

林业生产与加工剩余物包括各种经济林 （果林）、城市绿化、四旁树等的修剪剩余物，以及森林采伐及造材剩余物。林业生产与加工剩余物生物量Bi的计算式为

式中：Bip为林木生物量换算系数，t/hm2或kg/株；Qi为 林 木 种 植 株 数（万 株）或 面 积（hm2）；Fw为 废弃物换算系数；Fb为林业生产与加工剩余物可收集利用系数。

1.1.3 禽畜粪便

禽畜粪便可用的资源为其可收集的干物质Wf，Wf的 计 算 式 为

式中：Af为每头畜禽每年产粪便量，kg/头或kg/只；Mi为畜禽数量，万头或万只；Fd为粪便干物质比例，%；Fc为粪便可收集利用系数。

1.1.4 工业有机废水废渣

工业有机废水废渣转换成沼气产量的计算式为

式中：Pgas为沼气产量，万m3；TCOD为COD产污系数；Pi为 各 工 业 产 品 产 量，万t；Tg/l为 废 水 产 气 率；Pw为废渣产量，万t；Tg/s为废渣产气率。

1.1.5 标煤换算公式

式中：Pcoal为折算标煤当量，万t；Pe为不同生物质能源产量，万t或万m3；Tc/g为不同生物质能源的折算标煤系数 （1kg标煤可产生29.31MJ的能量），MJ/t或MJ/m3。

1.2 参数选取

在进行各种生物质废弃物资源产量、能源潜力等计算时，各参数的选取主要参考学术期刊、学位论文、专业书籍、普查手册、研究报告等。

1.2.1 农作物秸秆参数选取

农作物秸秆参数包括草谷比、可收集利用系数 和 低 位 热 值。不 同 农 作 物 的 参 数 见 表1[12]，[27]～[29]。统计年鉴数据显示，广东的旱粮主要为玉米，统一按玉米的系数计算旱粮废弃物。芝麻和油菜在年鉴中未单独列支，计算其废弃物产生量时，草谷比取两者的最大范围，即2.03～3.39，可收集利用系数和低位热值也按照两者的各自系数进行计算，获得最小和最大值。水果林废弃物的可收集利用系数统一参考经济林，取0.20。除香蕉茎叶、菠萝叶、荔枝和龙眼修剪枝叶的草谷比为单位面积的产量（t/hm2）外，其余农产品的草谷比均为废弃物的干重与产品产量的比。

表1 农作物废弃物及果树修剪等废弃物的草谷比、可收集利用系数和低位热值Table1 Residue-product ratios，available coefficients and lower heat values of wastes from agricultural crops processing and fruit trees pruning

续表1

1.2.2 林业生产与加工剩余物参数选取

林业生产与加工剩余物参数包括生物量换算、剩余物生物量换算和可收集利用系数。不同林业 生 产 与 加 工 剩 余 物 的 参 数 见 表2[13]，[30]，[31]。 原 木占林木生物量的30%左右。每公顷绿地面积通过抚育修枝可获得的生物量为8.50～11.00t，取均值为9.75t/hm2。木材与标煤的换算系数取0.57，竹子与标煤的换算系数取0.59。

表2 林业生长与加工剩余物生物量换算参数Table2 Coefficients for calculating biomass of growing and processing wastes of woods

1.2.3 禽畜粪便参数选取

禽畜粪便的参数包括畜禽粪便产率、干物质比 例 及 可 收 集 利 用 系 数（表3）[14]，[32]，[33]。 肉 禽 和 蛋禽是鸡、鸭、鹅的总称，其粪便产率的取值为0.10～0.15kg/d，因 差 异 较 小，取 均 值0.13kg/d。肉禽的饲养周期为60d左右，蛋禽通常为1a左右。因此，将统计年鉴中的出售和自宰禽的数量统计为肉禽，肉禽出栏后有10d的空栏期，根据肉禽的饲养周期，每年最多出栏5批，年底肉禽存栏数以出栏数的1/5计算，蛋禽存栏数则为年底存栏总数扣除年底肉禽存栏数。役用牛和奶牛的粪便产生量以年底存栏数计算，肉用牛、猪、羊和兔以当年出栏数计算，母猪以年底存栏数和1a的养殖周期计算。

表3 畜禽粪便有关系数Table3 Coefficients for estimating livestock's manures

1.2.4 工业有机废水废渣参数选取

不同行业的COD产生系数和废水厌氧发酵产 气 率 如 表4所 示[32]，[35]～[39]。 表4所 列 行 业 除 了 人造板、纸浆和中成药行业产生固体废弃物外，其余行业的固体废弃物因资源化利用而无排放。所有行业均有废水产生，其中COD含量因生产原料、工艺和规模的不同而有所差异，因此，COD产生系数的取值为一定的范围。饮料酒包括白酒、啤酒、黄酒、葡萄酒、果酒等，啤酒及其他未列明酒类均参照啤酒的产污系数计算，白酒的酒精含量按65%（体积分数）计算，啤酒的酒精含量按4%（体积分数）计算,在饮料酒行业，每立方米沼气可折合为0.70kg标煤。食用植物油的原料来源有大豆、花生、芝麻等，本文统一按照大豆油出油率约16.5%计算，参考产污系数手册将油脂废油折算为石油的产量,在食用植物油行业，每吨原料可产生1.03～96.4g油当量，每千克油当量可折合为1.43kg标煤。中成药废渣（每吨产品可产生1.00～3.00kg废渣）的含水率约为76%，挥发性固体（VS）占干废渣的89%，VS的产气量为238.00 m3/t[34]。人造板包括纤维板、刨花板和胶合板等，其加工过程产生的固体废弃物按照表2中的参数进行计算，能源潜力涵盖在林木废弃物的统计数据中。纸浆厂的固体废弃物就是污泥（每吨产品可产生8.24～160.00kg污泥），污泥的含水量约为75%，其热值随组成和湿度的不同而有很大差别，干污泥的热值为4.4～12.0MJ/kg。

表4 不同行业的COD产生系数和废水厌氧发酵产气率Table4 COD production coefficient and anaerobic gas production rate of wastewater in different industries

2 结果与讨论

本文针对广东省21个地市的主要农作物废弃物、林木生长和加工剩余物、畜禽粪便和规模以上工业有机废水废渣进行了评估，由于收集数据不全面，所估算的资源潜力可能较实际存量低，所估算的主要资源数据基本上可以反映广东省生物质资源的丰度和分布特点。

2.1 农作物废弃物资源量

广东省的农作物主要有水稻、甘蔗、薯类、木薯、香 蕉、菠 萝、玉 米、小 麦、烟 草、花 生、芝 麻、油菜、麻类和大豆，可产生的废弃物总量为1212.3万～2187.6万t，合452.6万～1207.0万t标 煤。广东省21个地市的农作物废弃物资源量如图1所示。从图1可以看出：湛江的农作物废弃物产量最高，达到393.0万t；其后依次为茂名、肇庆、梅州和江门，农作物废弃物产量为100.0万～200.0万t；韶关、清远、河源、揭阳、云浮、惠州和阳江的农作物废弃物产量为71.0万～99.0万t；汕尾、汕头、潮州和广州的农作物废弃物产量为27.0万～48.0万t；深圳、东莞、珠海、中山和佛山的农作物废弃物产量最高为5.2万t，最低为1.1万t。综上可知，深圳、东莞、珠海、中山和佛山不适合发展以农作物废弃物为唯一来源的生物质能产业，其余地市发展生物质能产业则需根据农作物废弃物的分布特点进行布局。

图1 广东省各地市的农作物废弃物资源量Fig.1 Amounts agricultural crops'wastes in different cities of Guangdong Province

2.2 林木生长和加工剩余物资源量

林木生长和加工剩余物包括水果林和公园绿地等修剪废弃物、原木采伐剩余物、板材加工剩余物和薪材等。经估算，广东省的林木生长和加工剩余物资源量为954.6万～1118.3万t，合545.5万～642.5万t标煤。广东省21个地市的林木生长和加工剩余物的资源量如图2所示。从图2可以看出，肇庆的林木生长和加工剩余物资源量最高，为173.6万t，韶关其次，为109.4万t。其余地市不超过90.0万t，其中：茂名、清远、江门、惠州、阳江、河源和湛江的林木生长和加工剩余物资源量为60.0万～90.0万t；广州、云浮和梅州的林木生长和加工剩余物资源量为37.0万～45.0万t；汕尾、佛山、深圳、揭阳和潮州的林木生长和加工剩余物资源量为14.0万～20.0万t；中山、东莞、汕头和珠海的林木生长和加工剩余物资源量最高为7.6万t，最低为3.9万t。结合图1，2中的数据可以得出，中山、珠海、深圳、东莞和佛山不适合发展以农林生物质废弃物为主要原料的生物质能产业，其农林生物质废弃物可以作为其他生物质原料的辅料用于生产生物能源。

图2 广东省各地市的林木生长和加工剩余物的资源量Fig.2 Amounts woods'growing and processing wastes in different cities of Guangdong Province

2.3 畜禽粪便资源量

广东省的主要畜禽种类有役用牛、奶牛、肉牛、猪、山羊、兔、鸡、鸭和鹅，产生的粪便干物质的量约为1484.5万t，产沼气潜力约为44.8亿m3，约合313.8万t标煤。猪粪便的干物质量最高，约为1188.2万t，其 次 是 鸡 粪 便，约 为149.9万t，其余畜禽粪便的干物质量不超过35.0万t。广东省21地市的畜禽粪便干物质资源量如图3所示。从图3可以看出，茂名的畜禽粪便干物质量最高，为255.0万t，湛江、肇庆、清远和阳江的畜禽粪便干物质量为100.0万～170.0万t，梅州、江门、韶关的畜禽粪便干物质量为92.0万～98.0万t，云浮、惠州、揭阳、佛山和河源的畜禽粪便干物质量为48.0万～75.0万t，汕尾、汕头、潮州和广州的畜禽粪便干物质量为23.0万～29.0万t。珠海、中山、深圳和东莞的畜禽粪便干物质量最高为7.7万t，最低为0.5万t，不适合发展大、中型沼气产业，东莞则不适合发展以畜禽粪便为原料的沼气产业。

图3 广东省各地市的畜禽粪便干物质资源量Fig.3 Amounts livestock's dry manures in different cities of Guangdong Province

2.4 工业有机废水废渣资源量

本文主要估算了广东省各地市规模以上轻工业产业的有机废水废渣产量，其中有机废水的COD产生量为25.6万～275.4万t，产沼气潜力为1.1亿～12.6亿m3，合7.6万～87.4万t标 煤，有 机废渣主要为纸浆污泥和中成药固体残渣，有机废渣VS产 生 量 为0.1万～2.4万t，合182.4～9618.5 t标煤，食用植物油行业产生的废油相当于41.7～3904.4t油当量，合59.7～5583.3t标煤。由此可见，工业有机废水是生产生物质能源的主要原料。广东省各地市工业有机废水的COD产生量如图4所示。从图4可以看出，东莞的工业有机废水COD产生量最高，为56.3万t，湛江其次，为43.6万t，其后依次为肇庆、江门、广州和佛山，工业有机废水COD产生量为6.0万～13.0万t，其余地市的工业有机废水COD产生量不超过3.0万t。

图4 广东省各地市的工业有机废水COD产量Fig.4 Quantities of industrial organic wastewater COD in different cities of Guangdong Province

2.5 废弃生物质能源潜力分布

基于以上废弃生物质资源量数据可以估算出广东省总的生物质能源潜力为1319.7万～2253.0万t标煤，其中农作物废弃物能源潜力占比最高，达到46.5%，其后依次为林木生长和加工剩余物（33.3%）、畜 禽 粪 便（17.6%）、工 业 有 机 废 水 废 渣（2.7%）。广东省各地市不同废弃生物质资源的能源潜力占总生物质能源潜力的比例如图5所示。

图5 广东省各地市不同废弃生物质资源能源潜力占总生物质能源潜力的比例Fig.5 Percentages of energy potential from different waste biomass to total biomass energy in different cities of Guangdong Province

从图5可以看出，湛江的废弃生物质能源潜力最高，其次为肇庆和茂名，它们的生物质能源潜力占总生物质能源潜力的10%以上，珠海的废弃生物质能源潜力最低，其次为中山和深圳，它们的生物质能源潜力占比不到总生物质能源潜力的0.7%。除东莞的生物质能源潜力主要来自工业有机废水废渣外，其他地市的生物质能源潜力主要来自木质纤维素废弃物（包括农作物废弃物、林木生长和加工剩余物），湛江、茂名、潮州、揭阳、云浮、江门、汕尾、梅州、河源和汕头的农作物废弃物能源潜力高于林木生长和加工剩余物能源潜力，肇庆、惠州、韶关、佛山、深圳、广州和东莞的林木生长和加工剩余物能源潜力高于农作物废弃物能源潜力，珠海、中山和阳江的农作物废弃物与林木生长和加工剩余物的能源潜力相当，其中湛江的农作物废弃物能源潜力最高，肇庆的林木生长和加工剩余物能源潜力最高。畜禽粪便的能源潜力以茂名最高，其次为湛江和肇庆，深圳、东莞和中山的畜禽粪便能源潜力最低。

综上可以推断，广东省最适合发展生物质能产业的地市为湛江、茂名和肇庆，最不适宜发展生物质能产业的地市为深圳、珠海和中山，其他地市可根据废弃生物质资源种类及其丰度发展相适应的生物质能产业。

3 结论与建议

广东省的生物质资源潜力由高到低依次为农业废弃物、林木生长和加工剩余物、畜禽粪便、工业有机废水废渣，主要分布地区分别为湛江、肇庆、茂名和东莞。广东省的生物质能源潜力最高可以达到2253.0万t标煤，以广东省2019年一次能源消费量31123.0万t标煤为参考，可占比7.2%，由于上述数据收集不完全，如生活垃圾等未统计在内，若充分开发生物质资源，广东省实际的生物质能源消费占比可能会超过7.2%，即生物质能源是广东省低碳经济转型不可忽视的清洁可再生能源。

根据生物质资源种类及分布特点，深圳、珠海和中山不适合发展生物质能产业，湛江、肇庆、茂名和东莞可以分别建立以农作物废弃物、林木生长和加工剩余物、畜禽粪便以及工业有机废水废渣为原料的生物质能产业基地，形成成熟的、可推广的产业化运营模式，以点带面提升广东省生物质能产业发展质量和规模。