我國秸稈類生物質固廢資源化技術的應用與發(fā)展

我國秸稈類生物質固廢資源化技術的應用與發(fā)展

1開發(fā)生物質,可緩解農業(yè)發(fā)展的壓力,改善人馬農業(yè)自古以來就是國家的基礎。改革開放以來,我國農業(yè)取得了巨大的發(fā)展,但提高糧食產量的同時也產生大量的農業(yè)秸稈類生物質固廢。據統計,我國秸稈年產量達7億多噸,其中,水稻、玉米和小麥這三大糧食作物的秸稈數量最多,分別為2.1億噸、2.09億噸和1.1億噸。能源危機是制約我國經濟發(fā)展的重要因素之一,我國每年都要進口大量的化石燃料,石油的對外依存度達到55%以上。開發(fā)生物質能可以在一定程度上緩解我國的能源危機:我國的秸稈產出量折合成標煤約為3.5億噸,相當于7個神東煤田,全部利用可以減排8.5億噸二氧化碳,且秸稈含硫量僅為0.3%,是替代煤炭的上佳選擇;利用生物質制取乙醇、生物柴油等生物燃料也可以緩解我國燃料供應緊張的問題。對于畜牧業(yè),飼料成本占總成本的70%以上,其中糧食飼料占常規(guī)飼料的90%以上,因此,隨著人們對畜產品需求的不斷增加,飼料缺口將不斷加大,而全球糧食價格的上漲更是促使畜牧業(yè)成本再次升高。應用秸稈飼料化技術對秸稈進行處理,提高其營養(yǎng)價值,進而替代糧食飼料,降低飼料成本,改善人畜爭糧的困局?！鞍咨廴尽睓M行無忌,據統計,我國每年僅農業(yè)用塑料薄膜的使用量就達150萬噸,而且大部分殘留于農田,破壞土壤結構,污染環(huán)境。隨著可降解塑料及生物高分子材料的出現及快速應用,傳統塑料產品必將被取代,“白色污染”將成為過去。隨著經濟、科技的發(fā)展,環(huán)保意識的增強以及國家對“三農”問題的關注,農業(yè)秸稈固廢——這些被“放錯了地方的資源”,因其巨大的產量和再利用價值,已經成為人們關注的重點,生物質產業(yè)這一新興產業(yè)的崛起必將為我國的經濟發(fā)展和環(huán)境保護做出貢獻。2農業(yè)秸稈固廢資源集約利用情況以往,我國秸稈利用方式主要以秸稈飼料化、肥料化、燃料化為主,只有很少一部分用作化工原料及建材。其中,秸稈飼料化的利用方式主要有秸稈青貯、氨化、膨化以及微生物發(fā)酵處理;秸稈肥料化的利用方式主要有直接還田、堆肥還田、過腹還田以及制造有機復混肥;秸稈燃料化包括秸稈直燃、氣化和秸稈發(fā)酵制取沼氣等;利用秸稈生產的多元醇及糠醛是重要的化工原料,此外,秸稈還是很好的造紙和建材原料。但是,秸稈利用率低,綜合利用技術水平有限,工藝及設備不成熟等問題是我國秸稈資源化過程中比較突出的問題。由于受“重糧食生產,輕廢物利用”的思想的束縛,以及缺乏技術支持和環(huán)境保護意識,我國農業(yè)秸稈固廢的綜合利用一直處于低效狀態(tài),且多以傳統利用方式為主,如直接燃燒,堆肥等,更多的則是直接將其丟棄在田地中或就地焚燒,導致大量的“資源”浪費和嚴重的環(huán)境污染。據統計,2005年,我國的農業(yè)秸稈固廢利用率為30%左右,而經過技術有效處理的更是少之又少。隨著《可再生能源法》的頒布及其他相關政策的出臺,我國農業(yè)秸稈固廢利用率逐步提高,并且通過技術引進和加大自主研發(fā)力度,在對傳統的秸稈飼料化、秸稈肥料化等技術進行強化的同時,秸稈燃燒發(fā)電、秸稈氣化、秸稈建材和秸稈化工等秸稈利用技術逐步成熟,并已經投入產業(yè)化使用或已具備大規(guī)模投產的條件。此外,利用秸稈制取新型生物材料、化工原料,生物質制氫等技術也正在研發(fā)之中。到2007年,我國的農業(yè)秸稈固廢綜合利用率達到40%~50%,山東、安徽、江蘇等農業(yè)大省利用率則更高,表1[7~11]中列舉了部分省市的秸稈利用情況。根據國家發(fā)改委和農業(yè)部發(fā)布的文件,到2015年,全國各地區(qū)要建立較完善的秸稈還田、收集、儲運體系,基本形成布局合理、多元利用的秸稈還田和產業(yè)化綜合利用格局,實現秸稈利用率超過80%。在注重秸稈綜合利用率提高的同時,必須同時注意到我國農業(yè)秸稈固廢資源化過程所存在的困難與問題:(1)技術水平有限,我國在生物質利用的很多方面未能掌握其核心技術,并且存在設備老化嚴重、維護費用高、后期服務不到位等問題,以及出現二次污染的可能性,這是限制我國生物質資源利用水平和生物質產業(yè)發(fā)展的最大瓶頸;(2)政策引導不力,相比于發(fā)達國家,我國宏觀性的生物質資源利用規(guī)劃方案剛剛著手編制,因此導致資金投入有限,資金分配比例不合理,缺乏市場機制的引導,未能有效整合我國的科研力量等問題;(3)我國秸稈資源分布的地域特點,使得秸稈綜合利用過程中存在收購、運輸及保存困難等問題,成為生物質產業(yè)發(fā)展的不利因素。這些都是我們在以后的研究和生產中需要重點解決的問題。3農業(yè)秸稈固廢成分和理化性質隨著科技的進步和資源觀念的轉變,人類利用生物質的方法在不斷的進化,從鉆木取火到生物質發(fā)電,從茅草屋到秸稈建材,從傳統堆肥到有機無機復混肥,對生物質資源的開發(fā)利用幾乎涵蓋了整個人類發(fā)展史。我國農業(yè)秸稈固廢數量大,種類多,如表2所示,不同種類的秸稈成分和性質有一定的區(qū)別,但其元素組成和結構組成具有一定的相似性。元素c、h、o、n的總含量在75%以上,由這些元素組成的纖維素、木質素以及淀粉等糖類有機物是秸稈的主要成分,其他成分還包括粗蛋白、粗脂肪以及鈣、磷、鉀等元素。在物理性質方面,秸稈的表面密度小、韌性大、抗拉、抗彎、抗沖擊,且干燥的秸稈對熱、電的絕緣性和聲的吸收能力較好。干燥的秸稈具有良好的可燃性,秸稈燃燒值約為標準煤的50%,即每2噸秸稈的熱值就相當于1噸煤,且秸稈的平均含硫量只有0.38%,而煤的平均含硫量約達1%。3.1秸稈生物處理技術秸稈飼料在全世界的畜牧業(yè)發(fā)展中起到了重要的作用,但未經飼料化技術處理的秸稈營養(yǎng)含量低,適口性差,為牲畜提供的能量和營養(yǎng)有限,無法替代玉米大豆等糧食飼料。目前,使用較多有青貯、氨化、膨化、熱噴、微生物發(fā)酵等秸稈處理方法,尤其是經青貯法和微生物發(fā)酵法處理,能有效提高秸稈飼料的粗蛋白含量,降低粗纖維含量。如若經微生物發(fā)酵處理的秸稈飼料品質可以達到糧食飼料的標準,甚至更佳,這將是解決我國人畜爭糧和畜牧業(yè)發(fā)展問題的最佳途徑。秸稈化學處理方法是使用化學物質對秸稈進行處理,破壞秸稈中的纖維木質素結構,提高秸稈的消化率和營養(yǎng)價值,包括堿化處理法,氨化處理法等。在歐洲一些發(fā)達國家,氨化處理法被廣泛使用,秸稈撿拾、打捆、注氨、包裝,實現了氨化處理的全機械化操作。但化學法也有其自身的限制因素,如氮素流失嚴重、成本高、存在二次污染的風險等。秸稈物理處理方法,包括傳統的粉碎和切割,以及膨化技術和熱噴技術等。其中,膨化和熱噴技術可以改變秸稈的結構,有效地將纖維素與木質素分離,從而提高秸稈的消化率,并且便于運輸和儲存。但物理法未能提高秸稈的營養(yǎng)成分,且耗能大、設備要求高,生產成本高,因此,不易推廣。秸稈青貯法是利用自然的乳酸菌或人工添加微生物在厭氧條件下對青綠秸稈進行發(fā)酵處理,使原來粗硬的秸稈變軟熟化,秸稈經過青貯后,增加原料的營養(yǎng)價值和可消化率,并保持柔軟多汁,氣味酸香,是冬季等飼料緊缺季節(jié)的優(yōu)良飼料。青貯法成本低,牲畜適口性較好,在農村得到廣泛使用。秸稈微生物發(fā)酵處理是近年來國內外的研究熱點,研究的重點在于秸稈預處理工藝、篩選高效的纖維素降解菌和高蛋白質產量的微生物。目前較為成熟的工藝有二步發(fā)酵法和混合菌種共發(fā)酵法,利用多元微生物體系對秸稈中的纖維素木質素進行降解,并利用纖維素降解產物,將其轉化為蛋白質,從而有效地提高秸稈飼料中的營養(yǎng)成分。以玉米秸稈為例,經微生物發(fā)酵后,粗蛋白含量可達20%左右,粗纖維利用率達到70%以上,達到精飼料的標準。3.2過腹還田對秸稈堆肥的影響秸稈肥料化中比較常見的做法有直接還田,焚燒還田,堆漚還田和過腹還田。直接還田是在機械化操作的基礎上,在作物收獲同時對秸稈進行粉碎,并鋪撒在田地中,秸稈經翻埋后腐爛,從而達到增加土壤有機質的目的,使秸稈的養(yǎng)分保留在土壤中。但秸稈中的病蟲卵等沒有得到處理,容易引發(fā)病蟲害。秸稈焚燒后將得到的草木灰施加到田地中,草木灰中含有豐富的磷、鉀、鈣等無機鹽,可以提高土壤的養(yǎng)分。但秸稈焚燒后,氮素流失嚴重,而且產生的環(huán)境污染較大,國家已經明確禁止露天焚燒秸稈。過腹還田是對秸稈的二次利用,秸稈經過牲畜消化后,部分營養(yǎng)物質被吸收,將牲畜糞便施入土壤中,可以大量提高土壤有機質、腐殖質,并改變土壤的理化性質,起到改良土壤的作用。傳統的堆漚還田是將秸稈作為畜牧養(yǎng)殖場的鋪料,經過清理后堆漚還田。目前使用較多的則是秸稈堆肥技術,需要一定的堆肥場地及機械,并選育高效的降解微生物。但堆肥過程中氮素損失較大,磷、鉀等元素含量也不高,而且經濟效益方面不如化肥,競爭力不強?？梢砸肫渌挠行ё饔靡蜃?如蚯蚓,對秸稈堆肥技術進行改進;或在堆肥處理的基礎上按照一定的氮磷鉀比較加入各種無機物,如硫酸銨、硫酸鉀、硝酸鉀、磷酸二銨、硝酸銨等,從而集有機、無機和微生物肥料的優(yōu)點為一體,達到農業(yè)資源循環(huán)利用的目的。3.3稻草、木材和化工3.3.1秸稈落料的技術特點利用稻草或麥草秸稈制作建筑板材,關鍵在于秸稈熱壓成型技術。我國在借鑒國外先進技術的同時,通過自主攻關,掌握了熱壓板材生產中的關鍵技術,改善制造工藝,提高設備穩(wěn)定性,降低了制造成本,并且秸稈板材的質量有了很大提高,具有質輕、強度高、剖面密度均勻、保溫性能好等特點,經特殊處理后還可阻燃、防火、防蟲。據統計,我國每年大約需要7000億塊紅磚,毀壞良田0.8萬公頃,若能充分利用各種輕質建材板等材料,便可起到保護我國的土壤資源的作用。此外,利用秸稈制造紙板、人造纖維板等也拓展了生物質資源化的版圖,具有較好的市場前景。3.3.2炭化硅陶瓷的生產秸稈類生物質經不同工藝處理后,可得到各種基本有機化工原料和新型材料,如麥草經常壓水解、溶劑萃取反應后制取糠醛,利用稻殼生產白炭黑、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷,秸稈、稻殼經炭化后生產鋼鐵冶金行業(yè)金屬液面的新型保溫材料,棉稈皮、棉鈴殼等含有酚式羥基化學成分制成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬等。此外,秸稈纖維素也是造紙工業(yè)的重要原料。3.4生物基材料的研究進展在能源和環(huán)境的雙重壓力下,生物塑料已得到廣泛認可。在生物質材料領域,國外起步較早,對生物降解高分子材料進行了廣泛的研究,并已得到聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己內酰胺(PCL)等生物塑料?？山到馍镔|復合材料的開發(fā),即通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝將天然纖維材料與EVA、PVA等可降解材料復合,進一步強化了生物質材料的性能,降低了生物質材料的生產成本。2007年底,國家發(fā)改委發(fā)出通知,決定于2008~2009年組織實施《生物基材料高技術產業(yè)化專項》,旨在突破制約生物基材料產業(yè)發(fā)展的關鍵技術瓶頸,加速技術成果的產業(yè)化進程。相信不久的將來,我國在生物質材料領域會有較大的突破。3.5能源轉化技術3.5.1常溫固化成型技術秸稈直燃發(fā)電、供熱技術,在發(fā)達國家已經比較成熟,并且多以熱電聯產為主。秸稈直燃發(fā)電、供熱中的技術難點有秸稈固化成型技術,直燃機組的穩(wěn)定性及燃燒效率。我國對秸稈固化成型技術的研究開始于20世紀80年代,并取得了豐碩的成果。清華大學研發(fā)的生物質常溫固化成型技術,通過獨創(chuàng)的纖維碾切搭接技術,在常溫下把粉碎后的生物質材料壓縮成高密度成型燃料,能耗比國外同類產品降低50%,成型設備體積減小70%,綜合生產成本降低60%以上,從而解決秸稈的運輸成本高和儲存困難的問題。我國秸稈發(fā)電廠的直燃機組主要是引進丹麥BWE公司的產品,其研發(fā)生產的秸稈發(fā)電機組技術成熟,熱效率高,已在世界多個國家投入運行。目前,我國在設備制造及運行方面無法擺脫對國外企業(yè)的依賴,需要一定時間對該技術進行消化、吸收,進而開發(fā)出適應我國生物質特性的發(fā)電設備。3.5.2技術特點及應用情況生物質氣化技術主要包括固定床和流化床兩種工藝形式,輸出產品為電力及燃氣。生物質氣化發(fā)電分為小型、中型、大型氣化發(fā)電系統。小型氣化發(fā)電系統主要采用固定床工藝,采用空氣為氣化劑,氣流方式有上吸式、下吸式和平吸式,特點是設備結構簡單、易于操作、可以實現多種生物質原料的熱解氣化。歐美等國在這一方面的技術比較成熟,但其市場需求有限,實際經濟效益不高。中型氣化發(fā)電系統一般采用流化床工藝,其氣化反應速度快,可燃氣得率高,可燃氣中焦油含量較小,但出爐的可燃氣中含有較多的灰分,結構復雜,設備投資較多,發(fā)電成本較高,因此應用較少。大型氣化發(fā)電系統中應用的聯合循環(huán)發(fā)電方式(IGCC)目前仍處于研發(fā)階段,技術尚未成熟。此外,生物質經氣化后,將得到的燃氣輸送至用戶使用,這種氣化利用方式在我國城鎮(zhèn)中使用較多,但由于技術不成熟,焦油堵塞問題嚴重等導致氣化站運行困難。3.5.3炭、熱解油和混合可燃氣生物質快速熱解技術是在高溫下,將生物質隔絕空氣或在少量空氣中加熱很短的時間,然后迅速冷卻,得到炭、熱解油和混合可燃氣[25~26]。目前,該技術仍處于試驗階段,但應用前景較為廣闊。歐美國家在豐富的理論依托下,已經開始對設備和工藝進行研究,目的是降低成本,提高熱解油的純度。3.5.4發(fā)酵燃料技術生物燃料的開發(fā)曾因石油資源的大量開采而被擱置,但也隨著石油價格的飆升而再度興起。生物燃料具有可再生性,對環(huán)境危害小,且資源豐富,生產潛力大,是應對能源危機的有效途徑。生物燃料主要有沼氣、乙醇、氫氣和生物柴油。沼氣是通過厭氧發(fā)酵菌群在厭氧條件下對秸稈、動物糞便等有機質進行發(fā)酵得到的。我國為了解決農村能源問題,于20世紀70年代開始推廣過沼氣發(fā)酵技術,經過幾十年的發(fā)展,我國的沼氣發(fā)酵技術已經相當完善。目前我國已有超過1300萬個戶用沼氣池,并建設了很多大型沼氣發(fā)酵工程,并要求大型養(yǎng)殖場必須配套建設沼氣發(fā)酵裝置。液體酒精燃料技術是利用生物技術通過發(fā)酵手段等把生物質轉化為乙醇的過程。目前,乙醇生產過程中主要原料為淀粉(主要是玉米)和糖蜜,但存在成本較高,且與人爭糧、爭地等問題,因此,我國開展了以甜高粱莖稈、木薯等非糧原料生產燃料乙醇的研發(fā)工作,并已具備規(guī)模化生產的能力。此外,以秸稈纖維素為原料制取燃料乙醇的技術也已經獲得突破。氫氣是目前最理想的燃料,因而許多國家對生物質制氫技術都很感興趣,其主要方法是熱化學處理,通過控制氣化條件和催化劑的選擇來制取氫氣,但處理成本高是其發(fā)展的最大瓶頸。近年來,利用光合菌、藻類和發(fā)酵細菌的生物制氫技術也引起了人們的關注,有望成為生物質制氫的另一條有效途徑。生物柴油是利用可再生的動物和植物油脂為原料與甲醇或乙醇等醇類物質進行酯交換反應制得。目前,生物柴油的生產方法主要有直接混合法、酯交換技術、超臨界流體法、高溫熱裂解法和微乳液法。生物柴油與礦物柴油相比,在燃燒效率、含硫量等方面具有一定優(yōu)勢(見表3),既可以單獨使用,也可以與礦物柴油以任意比例互溶(一般加入生物柴油比例2%~30%),具有極好的發(fā)展前景。生物柴油技術在歐美及日本比較成熟,并已經形成產業(yè)化。我國四川大學采用基因技術在控制油含量和碳鏈長度方面取得突破,生產的生物柴油符合歐洲3號標準。但我國生物柴油的生產中仍有很多問題需要解決,如原料供應、工藝及設備不穩(wěn)定等。4我國生物質資源的發(fā)展現狀生物質作為太陽能的產物,幾乎遍布地球的每一個角落,包括動物、植物、微生物及其有機代謝產物。將生物質資源的利用分為兩部分,能源和物質。能源:生物質所獲取的太陽能雖然只占其總量的0.2%,卻是人類能源消耗總量的40倍,巨大的潛力吸引了全世界的目光。物質:每年再生的生物質數量不計其數,根據其不同的組成成分和結構,采取不用的處理技術,可制成各種建工、化工材料以及飼料和肥料。近年來,由于能源危機、經濟危機的影響,我國正處在經濟轉型期,承受著巨大的發(fā)展壓力?？梢哉f有效地開發(fā)生物質資源,有針對性的利用生物質資源化技術,并將其形成產業(yè)化,將是解決我國的經濟危機、能源危機的有效辦法,據估計,經過未來幾年的發(fā)展,我國的生物質產業(yè)產值將達到400億元/年,而其發(fā)展?jié)摿Ω求@人?！叭r”問題和能源問題是關乎我國社會穩(wěn)定、經濟快速增長的兩大焦點和難點問題。我國以及全世界大力發(fā)展生物質產業(yè)的初衷也是為了解決這些困擾人類的問題。美國于20世紀末開始大力發(fā)展生物質產業(yè),之后,美國能源部和農業(yè)部提交了《美國生物質技術路線圖》,并根據路線圖,制定了很多發(fā)展規(guī)劃,如用生物燃油代替?zhèn)鹘y燃油消耗量的10%,為農民增收200億美元/年等。此外,巴西制定了“酒精能源技術”,日本制定了“陽光技術”,以及印度的“綠色能源工程”。為了深化可持續(xù)發(fā)展,推行循環(huán)經濟和低碳經濟,我國也積極地加入到生物質發(fā)開的世界團隊中,提出“農林生物質工程”的發(fā)展計劃,并頒布《可再生能源法》、《秸稈綜合利用規(guī)劃》等法律和政策,以鼓勵和刺激生物質資源化技術和產業(yè)的發(fā)展。目前,國際生物質資源開發(fā)的主要方向是能源和生物質材料的開發(fā)。我們應立足于我國的具體國情,選擇最適當的資源化利用方式,合理規(guī)劃,合理布局,充分利用我國龐大的秸稈資源。4.1飼料資源豐富、飼料化技術等技術的應用是當前重要的主要制約因素近年來,隨著人民對肉、蛋、奶等畜牧業(yè)產品需求量的激增,我國畜牧業(yè)飛速發(fā)展,但付出的代價就是植被破壞嚴重、生態(tài)環(huán)境惡化及“人畜爭糧”問題的加劇,改變傳統放牧養(yǎng)殖方式、減少飼料成本和缺口已經迫在眉睫。我國人畜爭糧的問題嚴重,因此能夠作為飼料的糧食有限,需要大量進口玉米、魚骨粉等精飼料,我國2010年玉米飼料缺口為2301萬噸,2020年預計將要進口5000多萬噸,而2010年我國魚粉的進口量達到全球進口量的33%以上,且其價格又受到國際糧食價格走高的影響不斷上漲。這樣就導致畜牧養(yǎng)殖業(yè)的成本大大增加,從而限制了畜牧業(yè)的發(fā)展。秸稈直接作為飼料品質不佳,但經過微生物發(fā)酵等技術處理后蛋白含量高,適口性較好。加之我國秸稈資源豐富,且飼料化技術比較成熟,因此,將兩者有機結合就是解決我國畜牧業(yè)飼料短缺、生產成本高的最有效的途徑。我國畜牧業(yè)巨大的飼料需求則是推動秸稈飼料產業(yè)發(fā)展的最大動力。4.1世界各國的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃隨著石油資源的逐漸枯竭,生物質能將成為21世紀極其重要的能源資源,大力開發(fā)生物質能已經被列入世界各國的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。《可再生能源法》及其相應的配套政策是我國加速開發(fā)生物質能源的重要標志。這些文件對我國生物質能產業(yè)的發(fā)展提供了最有力的支持,為產業(yè)發(fā)展制定了詳細的發(fā)展規(guī)劃,不僅有總量目標,見表4,還涉及各類資源化技術的研發(fā)和應用。4.2.1周邊地區(qū)生物質資源利用必要性生物質燃燒發(fā)電在發(fā)達國家已經投入運行,并且效果良好。國能生物發(fā)電有限公司投資建設的山東省單縣生物質能發(fā)電工程于2007年11月16日正式投產,效果良好,為周邊地區(qū)的秸稈綜合利用