我國農作物秸稈轉化生物能源潛力評估

1 / 10 我國農作物秸稈轉化生物能源潛力評估 我國農作物秸稈轉化生物能源潛力評估 農作物秸稈是農產品生產不可避免的副產物，同時也是產量巨大的可再生資源，若處置不合理可能會成為巨大的污染源。另一方面，石油、煤炭及天然氣等化石資源本身帶有明顯的不可持續(xù)性，且其大量使用帶來嚴重的空氣污染。在資源與環(huán)境的雙重壓力下，以可再生的農作物秸稈生產生物燃料是一種具有廣泛開發(fā)前景的替代技術，對于緩解能源供需矛盾，提高農民收入以及改善農村生活條件，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內關于秸稈資源的研究多集中于農作物 秸稈資源調查與統(tǒng)計 1秸稈資源資源化利用4秸稈處置政策研究與綜合效益分析 8方面。朱建春等 1分析了 1978 2017年我國農作物秸稈產量的變化及其時空分布，這 30 年間我國田間秸稈總量總體上呈不斷增長的趨勢，其產量分布由西北向東南逐漸增加。王亞靜等 4對我國各類秸稈資源的可收集利用量進行了估算，并對秸稈用于燃料、飼料、肥料、工業(yè)原料以及食用菌基料等用途的適宜性進行了評價。結果表明，我國秸稈可收集利用量非常豐富，適宜于多種用途。目前，有關不同農作物秸稈生產生物能源的潛力評估等方 面的研究尚不多見。根據國家統(tǒng)計局公布的 2017 年各類農作物經濟產量數(shù)據，估算我國2 / 10 各類秸稈資源的儲量和可收集利用量，并在各農作物秸稈本文由論文聯(lián)盟 ，參考相關研究中的生物燃料轉化率，對幾大農作物秸稈轉化甲烷和乙醇潛力進行評估。 1 研究方法 以農作物經濟產量為依據，對我國各農作物秸稈資源的儲量、可收集利用量及其轉化為生物能源的理論潛力進行估算。文中農作物產量數(shù)據來源于中國統(tǒng)計年鑒 2017和中國國家統(tǒng)計局網站。 草谷比是指農作物地上 莖稈產量與經濟產量之比，又稱農作物副產品與主產品之比。在草谷比和農作物經濟產量已知的條件下，可用下述公式計算農作物秸稈產量。 P 式中， t； t； 秸稈資源可收集利用量是指在現(xiàn)實耕作管理尤其是農作物收獲管理條件下，可從田間收集并可為人們利用的秸稈資源的最大數(shù)量。秸稈可收集利用量一般根據秸稈資總產量和其可收集利用系數(shù)來計算，公式表示為： S 式中， 秸稈資源可收集利用量； 總產量； 稈資源可收集利用系3 / 10 數(shù)是指可收集利用的秸稈重量占農作物莖稈總生物量即秸稈總產量的比重。 以甲烷和乙醇為例評估農作物秸稈轉化生物能源的潛力，根據秸稈資源可收集利用量和秸稈類生物質生產甲烷與乙醇的實際轉化率來計算。用公式表示為： 式中， 甲烷或乙醇產量； 秸稈資源可收集利用量； 結果與分析 我國主要農作物秸稈資源儲量與可收集利用量估算 我國是糧食生 產大國，農作物秸稈資源產量豐富。根據中國國家統(tǒng)計局網站中公布的 2017 年我國農作物經濟產量數(shù)據，參考其他研究中的草谷比 11和可收集利用系數(shù)4，計算出農作物秸稈產量和可收集利用量。 2017 年我國主要農作物秸稈產量達萬 t，可收集利用量達萬 t，其中玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集利用量分別是萬、萬和萬 t，分別占到農作物秸稈可收集利用總量的 %、 %和 %，三者之和接近農作物秸稈可收集利用總量的 80%，具有廣泛的開發(fā)前景。 由于地理位置和氣候條件的差異，不同農作物秸稈的分布與產量各不相同。玉 米秸稈是我國第一大秸稈資源，主要分布于東北地區(qū)各省份以及河南、河北、山東、內蒙古、4 / 10 山西等華北地區(qū)；其次是水稻秸稈，主要分布于湖南、湖北、四川、江西、江蘇、安徽、廣西、廣東等華南和華東地區(qū)以及如東北地區(qū)的黑龍江；第三大產量的小麥秸稈主要分布于河南、河北、山東、安徽和江蘇等省份。其中，河南省、黑龍江省和山東省的秸稈資源是我國最豐富的，以 2017 年為例，三省的玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集利用量分別達到萬、萬和萬 t。 農作物秸稈是一種儲量豐富 價格低廉的可再生資源。由于農業(yè)的現(xiàn)代化，工業(yè)性生產要素對傳統(tǒng)農業(yè)生產要素的替代，大量過剩的農作物秸稈被丟棄，更有大量秸稈被露天焚燒。秸稈焚燒產生大量煙霧煙塵、溫室氣體 及 及多環(huán)芳烴等有害氣體 12，這既浪費資源，還污染環(huán)境。因而，以秸稈生物質為原料開發(fā)生產生物能源獲得了越來越多的關注。由于秸稈生物質原料的組分多樣性和不均一性，以及轉化途徑的多樣性為開發(fā)更多生物能源產品提供了可能 13。圖 1 所示為利用生物質原料制備生物能源與生物基產品的路線圖 13以各種農作物秸稈為原料，通過機械的、熱和化學以及生物發(fā)酵等轉化工藝，可直接產生熱和電力，亦可生產固體壓縮成型燃料、甲烷和氫氣等氣體燃料以及乙醇和熱解油等液體燃料。 5 / 10 農作物秸稈含硫量比煤的平均含硫量低，是一種廉價的清潔能源，直接燃燒獲取熱能是目前其生物質能利用的最主要方式 15。大多數(shù)農作物秸稈的含水率在 15%左右 4，適宜于直接燃燒，亦有幾種秸稈由于自然干燥較困難而可燃性不足，如薯類蔓、花生秧、甘蔗渣以及甜菜渣等。 201 年我國可以直接燃燒利用的農作物秸稈約為萬 t，占可收集利用量的 %。從熱值看，農作物秸稈燃燒產生的熱值比柴薪的低 15%；此外，由于農作物秸稈的木質化程度較低，其耐燃性不及柴薪 4。當前我國農作物秸稈直接燃燒利用主要在農村，基本用于日常烹飪和加熱，其熱能利用率低，僅為 5%15%16。通過固體成型技術，即添加一定的粘結劑和水，在一定的溫度和壓力作用下，利用機械壓縮的方法，將秸稈加工成形為棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料，這種固體成型燃料的燃燒特性能得到明顯改善 17。此外，農作物秸稈通過熱裂解技術生產木炭、生物油和可燃氣等生物燃料。 農作物秸稈通過微生物 發(fā)酵技術可轉化為甲烷與氫氣等氣體燃料和乙醇等液體燃料，且?guī)缀跛械霓r作物秸稈均適宜于轉化這類生物能源。多數(shù)木質纖維素原料中，纖維素約占干重的 35% 50%，半纖維素占 20% 30%，木質素占5% 30%。典型的農作物秸稈，如玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈中包含約 70%的可發(fā)酵組分，即纖維素和半纖維素18。纖維素可分解為葡萄糖，半纖維素可降解為木糖、阿6 / 10 拉伯糖等戊糖以及甘露糖、半乳糖等己糖，這些單糖在微生物作用下最終轉化為氫氣、甲烷以及乙醇等生物燃料。農作物秸稈通過現(xiàn)代加工轉化技術生產氣體燃料和液體燃料等高附 加值產品，可推進秸稈的高效利用和轉化增值，從而進一步減少自然資源的浪費及其對環(huán)境的污染。 農作物秸稈的平均熱值約為 10kJ/9。以熱值為標準， 1 t 秸稈熱值相當于標準煤，不同種類秸稈的具體折合標準煤量見表 2。僅以 2017年玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集量為例，三者折合標準煤量為 20 萬 t，相當于當年我國煤炭產量的 5%。然而，由于秸稈單位體積的能量密度低，使得其運輸、儲存和使用不便。固體成型燃料的體積縮小了 6 10 倍，密度可以達 到 600 100 kg/燃燒特性明顯提升，秸稈的能源利用率顯著提升，是農作物秸稈生物質能利用的有效途徑 20。 農作物秸稈可以在厭氧條件下熱轉化成氣體成分和熱解油，這些氣體組分和液體熱解油可以直接用于燃燒獲得熱量或電力，也可用作化工原料進一步轉化成其他液體燃料和化學品 21。本文對幾大作物秸稈轉化甲烷和乙醇的理論潛力評估基于微生物發(fā)酵工藝。微生物水解纖維素為葡萄糖式 ，水解半纖維素為木糖，還有少量葡萄糖、甘露糖和半乳糖等 式 。在之后的理論分析與計算中將半纖維素假定為7 / 10 木聚糖。木糖等戊糖 通過磷酸戊糖途徑轉化為葡萄糖 式 。 n+n+5萄糖發(fā)酵產甲烷遵循以下公式： 3萄糖發(fā)酵產乙醇遵循以下公式： 2式和式可得， 1 g 纖維素發(fā)酵可產甲烷，標準狀態(tài)下約為 41式 2、 3 和 4 可得， 1 g 半纖維素發(fā)酵可產甲烷，標準狀態(tài)下約為 42式 1 和式 5可得， 1 。 由式、和可得， 1 g 半纖維素發(fā)酵可產乙醇 g，約。不同種類農作物秸稈的組分含量各不相同，由于產地及測定方法等不同而造成同種秸稈的組分含量在不同研究中出現(xiàn)較大差別。本文以小麥秸稈為例，參考趙蒙蒙等 22測定結果，小麥秸稈纖維素含量為 %，半纖維素含量為 %。依此計算， 1 t 小麥秸稈理論上可發(fā)酵產生 31烷或 54L 乙醇。 實際研究和生產工藝中，由于底物種類、預處理方式及發(fā)酵工藝等不同，秸稈類生物質的甲烷產率為 中小麥秸稈的甲烷產率為 /3。為 了便 于估算， 本 研 究中采用 小麥 秸稈甲烷 產率 8 / 10 每噸農作物秸稈轉化甲烷 211 于該甲烷轉化率和本研究中農作物秸稈可收集利用量估算結果，計算得到的我國主要農作物秸稈轉化為甲烷產量見表 3，合計可生產億 我國年天然氣消費總量的 %。國家統(tǒng)計局數(shù)據表明， 2017 年全國天然氣消費總量為億 根據美國國家可再生能源實驗室研究報告 24，纖維素乙醇的轉化率可達到 7t，即 29L/t。依據該乙醇轉化率， 2017 年我國主要農作物秸稈可轉化乙醇億 L，為 2017年我國燃料乙醇總產量的倍。中國科學院發(fā)布的中國工業(yè)生物技術白皮書 2017顯示， 2017 年我國燃料乙醇年產量約 216萬 t25。 結論與討論 結論 根據農作物經濟產量數(shù)據估算，我國農作物秸稈儲量豐富， 2017年可收集利用量達萬 t。秸稈資源的產量與分布各不相同，玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈為前三大秸稈資源，河南省、黑龍江省和山東省是我國秸稈資源最豐富的省份。大多數(shù)農作物秸稈均適宜于轉化生物能源，僅玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可折合標準煤量 20 萬 t，相當于當年我國煤 炭產量的 5%?；谖⑸锇l(fā)酵工藝估算，我國主要農作物秸稈可生產甲烷億 當年我國天然氣年9 / 10 消費總量的 %，或可生產乙醇億 L，為當年我國燃料乙醇年產量的倍。利用農作物秸稈轉化生物能源，不僅避免了其處置不當帶來的環(huán)境污染，更是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的客觀需求。 近年來，隨著農業(yè)生產方式、農民生活水平及農村能源結構的提高與改變，傳統(tǒng)的農作物秸稈作為燃料等方面的利用量減少，秸稈資源出現(xiàn)了更大規(guī)模的剩余，這些剩余秸稈的處置問題日益突出。根據曹國良等 12估算，在河南省、黑龍江省和山東省這 3個秸稈產量最豐 富的省份， 40% 60%秸稈被廢棄，其中更有一半被露天焚燒。這不僅造成了嚴重的空氣污染，同時也是對寶貴自然資源的浪費。農作物秸稈儲量巨大、價格低廉，然而，其分布分散、體積大以及能量密度低等特點致使收集、運輸及貯存困難，從而制約了其大規(guī)模工業(yè)化應用?，F(xiàn)階段，我國農作物秸稈資源化利用主要集中在農村日常生活