生物质能源产业及在我国发展前景的分析
摘要:生物质能源产业是使传统经济转变成循环经济的一个重要环节,也是一项巨大的循环经济体。充分利用现有各类土地资源,我国可以生产5亿吨石油当量的各种生物质能源,经济可生产量为3亿吨。发展生物质能源产业,将是我国二十一世纪国民经济可持续发展的重要支撑。
关键词:生物质能源 循环经济
生物质能源产业是指农林业提供的薪柴、秸杆、木炭等原始燃料和利用现代生物、能源和化工技术,将农、林业生物质转换为油、气、醇、醚、烯烃等高品位的绿色能源的产业。
生物质能源产业是循环经济中的一个主要环节,因为工、农业生产和生活的许多废弃物,都是生物质能源的生产原料。生物质能源产业是“资源——产品——废弃物——再生资源”循环经济流程中,使许多废弃物形成再生资源的环节。更重要的是生物质能源产业是比传统农、林业效率更高的一个循环的能源和物质生产过程,它通过光合作用把太阳能转换成化学能,以空气中的二氧化碳和土壤中的水分和其它少量矿物质为原料,形成的有机产物。其产物可直接利用或分品质、梯次利用,如可以在提供人、畜可利用蛋白质、脂肪、碳水化合物等物质后,再作为生物质能源的原料。生产过程基本上无废弃物质产生,物质和能量利用率都很高。
一、生物质能源产业的基础
生物质能源工程的基础是集约经营现有土地,大规模开发利用农、林后备土地,发展高效生物质生产,如耕地种植高产牧草,发展叶粉、草粉生产,山地种植高产、短生产周期的薪炭林、速生材等。根据我国目前耕地、林地生产状况及可开发后备土地资源量分析,我国农、林生物质能源产业,分别可以生产20亿吨和6亿吨生物质量,相当于13亿吨标煤。加上现有农、林业生产可进一步开展利用的7亿吨生物质(其中农业5亿吨,林业2亿吨),如秸秆、薪材、农林产品加工废弃物,畜禽养殖粪便(均折干,下同)、城乡垃圾、生产、生活污水(COD)等,可形成一个巨大生产规模的生物质能源产业。20亿吨叶粉、草粉的生产主要是通过三个途径来实现:一是通过提高现有耕地的复种指数:据《中国农业资源开发与区域发展战略》一书介绍,全国一年三熟制耕地占全国耕地的21.5%,一年二熟制区占全国耕地的51.7%。我国耕地复种指数理论平均可达到195%,而我国目前耕地复种指数还不到150%,即有45个百分点可提高,相当于增加9亿亩复种面积或相当于4.5亿亩的耕地,我国耕地有四分之一在“休闲”,发展农业生物质产业,可利用“休闲”耕地2亿亩。二是种植业的结构调整,农业人畜共粮,我国每年畜禽养殖生产所消耗饲料粮约1.5亿吨,占全国粮食总产的三分之一,生产这些饲料粮需耕地近6亿亩。若以二分之一饲料粮用草粉、叶粉类饲料代替,就可“腾出”3亿亩耕地用于生产生物质能源。而这些生产生物质植物又是高产的饲料、牧草、绿肥作物,其可利用部分产量相当于高产粮食作物籽实产量3-4倍。三是后备土地(包括土地整理、矿山复垦)开发和山地、丘陵、陡坡等非耕地利用。我国可垦后备耕地资源约有2亿亩可以发展青割玉米、种植串叶松香草、百腾鲁美、杂交狼尾草、黑麦草等高产牧草。每亩一年可收获2000-3000公斤干物质。另外南方有红壤荒山、荒坡和部分开发条件较好疏林、灌丛3亿亩,可以发展高产木本饲料林(结合林业生物质产业开发)。如大叶速生槐,刺槐、紫穗槐、柠条、胡枝子等。其中大叶速生槐叶子蛋白质含量达21-25%,每年在南方可刈割4-6次,北方3-4次,亩产干叶可达3000-5000公斤,是一般高产粮食作物产量的4-5倍,而且也适宜在矿山垦复,土地整理后土质有待改良的土地上生长,能迅速形成生产力。
林业生物质生产主要依靠宜林荒山利用和现有森林的综合开发。我国可开发的林业用地达2.5亿公顷,目前有林地仅1.25亿公顷,尚有一倍的发展规模。在降水和土地条件较好的东北、华北和长江以南地区大力开发林业后备土地,开发以产薪为主,薪、材结合,生产、生态兼顾。西北特别是黄土高原宜发展保水保土的薪、饲两用灌木林。速生材用林主要在平原、农区四旁边角,农林间作、农田防护林及河、湖、库、沿海滩涂、湿地上发展,这部分面积有900多万公顷,以速生杨、桐、槐、柳、水杉等用材用和造纸原料为主。其中现有18.75亿亩森林经过抚育改良,发展部分材、薪两用林,以及木材加工废弃物利用,可以获得2亿吨生物质量。中国林科院等单位,在1984年-1990年期间在全国范围内对薪炭林分气候带和地理类型进行试验,从国内外引种成功40个树种,从乡土树种中选出60个最佳树种,采用密植超短轮伐方式,较一般经营的薪炭林可缩短采薪时间2-3年,提高生物产量3-5倍,在沿海地区,每公顷薪炭林,每年可获生物产量30-50吨;西南、华中地区可收获10-18吨;西北地区也可达5-7吨。采用薪、材结合方式,薪、饲结合方式营造薪炭林,还可提供部分小口径材和饲料。大叶速生槐、速生杨等叶片都是优良的饲料,蛋白质含量高,其小口径材和枝条又是薪炭和材料,两项生物产量每年每公顷可达50吨以上,是很好的薪材、薪饲结合生长方式。大叶速生槐作为薪炭林培育因其根部有固氮菌共生,还有利土壤培肥。
二、生物质能源的产业链
农业生物质和林业生物质可直接作能源利用,也可经过不同的生物、化学转换过程,生产油脂和甲烷,利用甲烷作原料合成甲醇、二甲醚和烯烃等产品。林业生物质还可以生产生物质合成气,用于合成甲醇、二甲醚,或制成生物炭、水炭浆以及建薪柴发电厂。农业生物质的甲烷产业链和林业生物质的合成气产业链两大链殊途同归,最终都可合成甲醇、二甲醚等液体燃料或生产烯烃等化工原料。而叶粉饲料等农副产品动物转换产业链则可以提供大量的动物蛋白质、脂肪等产品,是一个生物质——食品——能源产业链,可大幅度提高我国食品生产能力。
我国发展生物质能源,以沼气产业链生产为主,这主要是沼气发酵有五个特点:
1、沼气微生物发酵自身耗能少,沼气发酵过程中,沼气微生物自身繁殖需要能量是好氧微生物的1/30-1/20。对于基质来说,大约90%的COD被转化为沼气。
2、沼气发酵能够处理高浓度的有机废物,好氧条件下,一般只能处理COD含量在1000mg/L以下废水,而沼气发酵处理废水COD含量可高达10000mg/L以上。
3、能处理的废物种类多,沼气发酵可以处理人畜粪便,作物秸秆,农产品加工企业废水、废渣等。
4、沼气发酵可在不同湿度条件下进行,沼气发酵可分为高温(50—60℃)、中温(30-35℃)和常温(自然温度)三种,高温发酵处理能力最强,效率也高,中温次之,但需要一定热量来维持所需要的温度条件。沼气发酵方式应以中高温发酵为主,因为它可和沼气、秸杆、薪材、垃圾等生物质发电相结合,并利用发电余热加温沼气发酵池。沼气发酵工程也应以大、中型和集中为主,因为能源工程过于分散和小型,就难以形成规模,也无法对沼气开展加工和综合利用。
5、沼气主要成分为甲烷,是和天然气一样的能源、化工原料,有利于大规模工业开发利用。
叶粉也可先用于养殖、过腹后再制沼气。利用叶粉、草粉饲养黄粉虫,提取黄粉虫的虫油(干虫体油脂含量为29%),再通过和甲醇作用酯化,即成生物柴油。黄粉虫可以工厂化大规模养殖。虫蛋白粉为优良饲料蛋白,是鱼粉代用品,虫蛋白人类也可食用,虫油不仅可作燃料,也是人类适宜的保健食用油脂。养殖黄粉虫后的虫粪,仍然可作为沼气原料。若利用5亿吨叶粉等饲料,就可以生产一亿吨干虫体,提取2500万吨虫油,7500万吨虫蛋白粉。虫蛋白粉蛋白质含量超过鱼粉,7500万吨虫粉相当于目前全世界鱼粉产量的12倍。
三、生物质能源是中国可持续发展的重要支撑
利用现有的技术条件,在20-25年内,逐步开发新的耕地资源10亿亩,包括原有耕地,提高复种指数20个百分点,并利用结构调整“腾”出3亿亩耕地,这样我国“可耕地”面积增加80%,生物质产量则是原来耕地的二倍。生物质能源量相当于标煤10亿吨。20多亿吨草粉、叶粉等农业生物质,加上5亿吨秸秆、畜禽粪便、垃圾、农副产品加工废弃物质、污水中COD等,以利用80%计,可生产纯沼气5000亿m3,相当于3.83亿吨天然气,其中维持中、高温发酵加温和沼气发电余热利用消耗20%沼气资源,净产纯沼气3.1亿吨,发电近3000亿度。
林业生物质主要是薪柴,可用于生产合成气,利用合成气生产甲醇、二甲醚。2.5吨干薪柴可以合成一吨甲醇,8亿吨薪柴可合成甲醇3.2亿吨,相当于1.8亿吨汽油,或合成2.3亿吨二甲醚。二甲醚虽然热值仅为柴油的68%,但因二甲醚含有氧原子,在柴油发动机中可以充分燃烧,热效率高,每公斤二甲醚相当于1公斤柴油的行驶效果。农、林两项生物质能源总生产量可达5亿吨石油当量。
生物质能源全方位提供了车用燃料,甲烷、甲醇是汽油机代燃料,生物油脂、二甲醚是柴油机的代燃料,甲醇又是燃料电池燃料。生物质能源还是化工原料,以薪炭类、沼气为原料的C1化学可形成甲醇、二甲醚、乙烯、丙烯合成链,完全可代替化工原料用石油,沼气(甲烷)也可以合成苯。这样生物质能源、化工产业,不仅能产油、气、醇、醚四大车用燃料,而且也可合成乙烯、丙烯、苯、甲醇四大化工原料。5亿吨石油当量生物质能源开发,可克服中国能源紧缺的瓶颈效应,中国依靠自己土地建起绿色永续利用的油田,从大量进口油气资源改变为可以大量出口天然气及相关能源、化工产品。也将使中国逐步进入家用汽车时代。中国人口众多,发展家用汽车,要以甲醇燃料电池等电动汽车,甲醇、乙醇、二甲醚等替代燃料汽车为主,而不能大力发展传统的汽油、柴油动力的家用汽车,也不能象美国那样进入个人汽车时代。我国家用汽车市场,25-30年内总量为40-50万亿元,这个巨大的市场将带动我国钢铁和有色金属工业、汽车及相关机械制造、化工、能源等产业发展,并拉动国民经济2个增长百分点,使我国国民经济发展持续进入快车道。
伴随5亿吨石油当量的生物质能源开发,形成20多亿吨叶粉类饲料生产能力,近亿吨虫蛋白粉和虫油开发,本身就决定了中国成为叶粉饲料、虫蛋白粉饲料和食用油——营养虫油生产世界霸主地位,速生杨等林业生物质产业发展,将改变中国进口木材、纸浆、纸张的历史,而成为除原木外其它林产品、纸产品出口大国。中国也将从根本上改变农业弱质产业的面貌。生物质产业是劳动密集产业,生物质能源产业发展,相关产业链将创造2亿个一、二产就业机会。将增加农(林)业生产产值30000亿元。
5亿吨石油当量的生物质能源产业开发,也就形成了世界上最大的循环经济体,我国在今后减排温室气体承担义务上就能从容应对。这些生物能源使用,相当于减排温室气体CO2 700Mt-c量,为我国2010年预计减排量一半还要多,这个减排数量也是美、日、西欧2010年与1990年相比CO2减排总量160.7Mt-c的4.4倍。
生物质能源开发,对环境保护作用更为突出,它使我国的城乡垃圾、工厂污水、养殖粪便、农作物秸秆等几大污染物转变成能源,使废弃物最大限度地资源化、无害化,对治理水污染,改变我国城乡环境条件能起主导作用。
生物质能源开发做到地尽其力,物尽其用,资源再生,循环发展,可全面促使我国国民经济健康发展,是我国经济可持续发展的重要支撑。