林木生物質(zhì)能發(fā)展研究綜述

摘要 國家林業(yè)局2013年5月出臺的《全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》為林木生物質(zhì)能的發(fā)展提供了極大的便利，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。該文主要從“軟硬科學(xué)”2個方面綜述了林木生物質(zhì)能的發(fā)展情況，分析現(xiàn)階段該如何借鑒發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗實現(xiàn)我國的林木生物質(zhì)能的中國特色式發(fā)展。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)能；林業(yè)；發(fā)展

中圖分類號 S216 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05514-02

Abstract In May 2013， State Forestry Administration issued a \"National Forestry Biomass Energy Development Plan （2011-2020）\" providing a great convenience for the development of forest biomass and caused widespread concern in the community. This article reviews the development of forest biomass from two aspects of \"hard and soft science\"， summarizes how to learn from the experience of developed countries to achieve China's forest biomass development with Chinese characteristics at the present stage.

Key words Biomass； Forestry； Development

在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的大背景下，清潔能源，例如風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⑻柲?、生物質(zhì)能等一大批新能源取代了傳統(tǒng)煤、石油和天然氣等能源。其中林木生物質(zhì)能是重要的可再生能源，其發(fā)展?jié)摿Υ?，來源豐富，是一類不可多得的新興能源。林木生物質(zhì)能源是指將太陽能轉(zhuǎn)化的生物量經(jīng)林業(yè)的經(jīng)營活動產(chǎn)生的可以成為能源的物質(zhì)，它是林木總生物質(zhì)資源量的組成部分。具體就是將林木產(chǎn)品及其廢棄物通過生物或化學(xué)轉(zhuǎn)換成為生物柴油、燃料乙醇、林木成型固體燃料和電力等可再生清潔能源以實現(xiàn)對傳統(tǒng)化石燃料的替代。一般來講，林木生物質(zhì)包括以下3個部分：①林地生長剩余物，是指在未受保護的林地上生長的林木，且不被列入工業(yè)用材采伐的林木剩余物資源，包括灌木平茬剩余物（包括純灌木林和天然次生林下木）、經(jīng)濟林撫育管理剩余物、四旁樹和散生疏林撫育修枝剩余物、城市綠化更新及修剪剩余物等；②林業(yè)生產(chǎn)剩余物，是指以木材生產(chǎn)為主的森林經(jīng)營和生產(chǎn)過程中形成的林木剩余物，包括森林采伐和造材剩余物、加工剩余物、森林撫育與間伐剩余物、造林育苗修枝、定桿和截桿剩余物、廢舊木制品等；③能源林采伐物，包括傳統(tǒng)的薪炭林和未來專門能源林[1]。據(jù)統(tǒng)計，每年地球上經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)高達1 730億t，其中蘊含的能量可達到全世界能源消耗總量的數(shù)十倍，而利用率不到3%的森林生物質(zhì)能源每年貯藏量卻占全部生物質(zhì)能源總量的2/3。由此可見，林木生物質(zhì)能源的重要性。

1 林木生物質(zhì)“軟”科學(xué)探索

1.1 林木生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿?/p>

1.1.1

總體資源豐富。國家林業(yè)局在《全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃（2011～2020 年）》中提到我國現(xiàn)有林地面積約3億hm2，現(xiàn)有森林面積約2億hm2，森林蓄積137億m3，人工林保存面積0.6億hm2，蓄積量19.6億m3，林木生物質(zhì)資源潛力約180億t[2]。劉剛[1]指出我國主要的林區(qū)儲藏著巨大的林木生物質(zhì)資源，其中西藏、四川、云南3省/區(qū)蘊藏量高達全國總量的50.90%，黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林3省/區(qū)占全國總量的27.41%，其余依次是陜西、福建、廣西等省/區(qū)。李怒云[3]在論述我國“三北”地區(qū)林木生物質(zhì)能源資源總量和類型的基礎(chǔ)上，從自然資源潛力、生產(chǎn)能力潛力、市場需求潛力和生態(tài)需求潛力4個方面分析了“三北”地區(qū)的發(fā)展情況。岳彩榮[4]從林木生物柴油提煉方面論述了云南省在林木生物質(zhì)方面的明顯優(yōu)勢。許忠海[5]指出伊春市的森林覆蓋率達到80%，又論述了伊春市發(fā)展生物質(zhì)能源在人力、成本和高寒地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)等方面的優(yōu)勢，充分表明了東北地區(qū)的優(yōu)勢所在。馬文元[6]在《中國能源樹種研究》一書中統(tǒng)計的能源樹種 有45種之多，并給出了各樹種的熱值和單位面積生物量的數(shù)據(jù)。徐劍琦[7]在此基礎(chǔ)上計算出了2種情況下的單位成本，通過對中國能源林樹種的單位面積生物量與產(chǎn)單位標煤熱值生物量所需土地的面積及生產(chǎn)木質(zhì)燃料所需成本三者之間的關(guān)系進行分析，建立數(shù)學(xué)模型，運用時間序列預(yù)測了未來的煤炭價格，與林木生物質(zhì)能源燃料對比，論證了利用能源樹種生產(chǎn)成型木質(zhì)燃料來替代煤炭的實際可行性。

1.1.2

開發(fā)前景。劉曼紅[8] 認為林業(yè)“三剩物”可以被首選作為人造板和制漿造紙的原料，其次是利用林業(yè)“三剩物”制備松香等化學(xué)品。孫鳳蓮[9]指出林木生物質(zhì)能源的長足發(fā)展既能緩解農(nóng)村的資源短缺態(tài)勢，又可以使農(nóng)民增產(chǎn)增收，同時在其替代化石燃料的過程中又保護了環(huán)境。孫永明[10]認為林木生物質(zhì)能源的開發(fā)可以解決我國的“三農(nóng)”問題，保證國家的能源安全，有利于創(chuàng)造改善環(huán)境，發(fā)展新型的材料和原料。

1.2 林木生物質(zhì)能發(fā)展制約因素

1.2.1

成本問題。劉騰飛等[11]指出林木生物質(zhì)能生產(chǎn)成本比成熟技術(shù)的產(chǎn)品高許多，政府對其扶持力度不夠大；生產(chǎn)風(fēng)險太高，產(chǎn)品沒有銷路，加之林地資源少，效益以及效率普遍偏低等。蔣大龍[12]通過分析得出，由于缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，使得林木生物質(zhì)原料來源不穩(wěn)定，造成當(dāng)前生物質(zhì)能源成本高于普通化石燃料的問題。姜洋[13]通過文獻分析法從定性和定量2方面對生物質(zhì)能源成本問題研究進行了總結(jié)，并提出了運用系統(tǒng)動力學(xué)方法深入研究生物質(zhì)能源的環(huán)境成本問題的建議。綜上，林木生物質(zhì)能成本涉及原料成本、開發(fā)成本、風(fēng)險成本等一系列成本問題[14-16]。

1.2.2

人才問題。劉統(tǒng)民等[17]認為阻礙林木生物質(zhì)能源發(fā)展的另一個重要因素是林木生物質(zhì)專業(yè)的高級人才供給嚴重不足。段凱莉等[18]認為能源的核心突破技術(shù)沒有落實到位，人才培養(yǎng)欠缺，相關(guān)能源的運行、發(fā)展體系是以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的，不適合林木生物質(zhì)能源的未來發(fā)展。新興能源的異軍突起使得人才的供給捉襟見肘，重視程度低導(dǎo)致高級人才嚴重短缺，加之國內(nèi)大學(xué)生普遍創(chuàng)新能力差、高校課程設(shè)置不合理等原因都直接導(dǎo)致了生物質(zhì)能源“雷聲大，雨點小”。

1.2.3

立法以及相關(guān)政策問題。蔡守秋[19]指出我國可再生能源立法缺乏創(chuàng)新性，應(yīng)該專門立法，實行“一種可再生能源一部法”的立法模式。段凱莉[18]指出完備的法律體系至關(guān)重要，作為單行法的《中華人民共和國可再生能源法》還需要配合其他專門法律實施。陳廷輝[20]認為隨著國際能源政治格局的形成，我國要與世界接軌，增加政策性條款的分量，為應(yīng)對多變的不確定性引入“軟法”。關(guān)于政策研究方面，綜合國內(nèi)外無外乎以下幾點：減少稅收或者免稅；建立重點資助專項基金；提供原料以及生產(chǎn)過程的補貼；成立帶頭示范項目；減少化石燃料的使用；產(chǎn)業(yè)相關(guān)標準的制定；資源勘査、評價和相關(guān)信息系統(tǒng)建設(shè)[21-23]等。

2 林木生物質(zhì)“硬”科學(xué)探索

從技術(shù)層面上講，對于林木生物質(zhì)的利用主要分為以下幾個方面：直接燃燒（燃灶、鍋爐燃燒、壓縮成型）、生物轉(zhuǎn)換（小型、大型沼氣池）、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換（氣化、干餾、快速熱解）、液化技術(shù)（生物柴油、乙醇）、有機垃圾處理技術(shù)（焚燒、填埋、堆肥）[24]。自螺旋推進式秸稈成型機開始，我國的壓縮成型機便如火如荼的發(fā)展。很多廠家對燃料成型設(shè)備進行了批量生產(chǎn)和市場化，形成了研究、生產(chǎn)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈。生物轉(zhuǎn)換的沼氣發(fā)展方面，技術(shù)推廣已經(jīng)進入商業(yè)化階段，但由于沼氣技術(shù)的投入大，產(chǎn)出小，環(huán)境效益一時不會體現(xiàn)。中國的生物乙醇發(fā)展一波三折，目前主要發(fā)展方向為國內(nèi)外矚目的纖維素乙醇。生物柴油的發(fā)展規(guī)模很大，我國多家企業(yè)參與建成萬噸級的生產(chǎn)線。有機垃圾處理技術(shù)發(fā)展緩慢，但是發(fā)展空間巨大。

2.1 國內(nèi)研究情況

研究應(yīng)用的主要材料集中在農(nóng)林廢棄物方面，中國科學(xué)院廣州能源研究所趙先國等[25-26]人在常壓流化床裝置上進行了生物質(zhì)在富氧條件下定向氣化的實驗研究，認為生物質(zhì)能源的理想性表現(xiàn)在將其氣化制成氣化質(zhì)燃料，其中ER值對碳轉(zhuǎn)化率和熱值的影響是不同的，氧氣的體積分數(shù)也是很大的影響因素。吳正舜等[27]人通過將生物質(zhì)用于下壓式氣化爐（25 kW）中進行發(fā)電系統(tǒng)的運行與測試，得出其操作的穩(wěn)定性和便利性，并指出目前許多國家把焦點集中在生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)研究上。呂友軍等[28]人以農(nóng)業(yè)生物質(zhì)為原料，羧甲基纖維素鈉為添加劑，利用連續(xù)管流反應(yīng)器，在反應(yīng)器壁溫為650 ℃、壓力為25 MPa的條件下進行了生物質(zhì)氣化制氫實驗研究，得出溫度和壓力對實驗影響都很大，其中溫度越高，制氫越容易。氣化、液化是利用的主要手段。氣化研究的技術(shù)已經(jīng)成熟，進入了使用的階段。

2.2 國外發(fā)展情況

印度于l975年就啟動國家沼氣開發(fā)計劃（NPBO），沼氣使用歷史悠久。另外，印度新能源與可再生能源部指出該國的生物質(zhì)總量至少能生產(chǎn)出1 800萬kW的電，且能源研究所的丁格拉估計，在印度各地共有800～900座生物質(zhì)發(fā)電廠和3 000個小型的生物質(zhì)氣化爐[29]。世界上唯一一個成功的不供應(yīng)純汽油的國家巴西，它在生物質(zhì)領(lǐng)域發(fā)展較早，無論是1975年的能源計劃，還是利用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇以替代石油，無不昭示著巴西的輝煌成就[30]。木材資源豐富的瑞典，其生物質(zhì)部門主要依靠市場化原則，顆粒燃料領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，從20世紀80年代到21世紀，生物質(zhì)能源的增長率高達7%以上，生產(chǎn)網(wǎng)點遍布北歐各國[30-32]。美國生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機容量已經(jīng)超過了10 000 MW， 單機容量達10～25 MW，其中西肯塔基大學(xué)開發(fā)的一種新型的生物質(zhì)空氣氣化技術(shù)，可以制造出高熱值、低焦油燃氣[32-33]。

3 小結(jié)

從林木生物質(zhì)的民眾宣傳，到此領(lǐng)域高級人才的培養(yǎng)，再到國家相關(guān)政策法規(guī)的完善，無外乎就是林木生物質(zhì)未來發(fā)展前景的明細問題：替代使用前景、生產(chǎn)成本和投資的風(fēng)險等。林木生物質(zhì)本身的分布特點限制了其自身的發(fā)展，只有達到了成本、風(fēng)險最小化，而收益達到最大化，林木生物質(zhì)發(fā)展才能突飛猛進。

（1）替代前景的問題。為了發(fā)展新興起步能源而限制一些領(lǐng)域化石能源的使用將會產(chǎn)生很大作用，在化石能源枯竭之前穩(wěn)定能源問題勢在必行。

（2）生產(chǎn)成本的問題。運用系統(tǒng)動力學(xué)整體對林木生物質(zhì)能源的發(fā)展提供模擬的方案，將訂單流、人員流、資金流、設(shè)備流、物料流與信息流6個子系統(tǒng)都落實到位，建立起可模擬的數(shù)學(xué)模型，進而分析其效率。

（3）投資風(fēng)險的問題。除了傳統(tǒng)的投資風(fēng)險（例如資金投入、原料收集供應(yīng)問題），還存在大量種植某作物造成的生態(tài)平衡、土壤、空氣等惡化的風(fēng)險。為了兼顧經(jīng)濟和環(huán)境的效益，防止只看到其巨大的發(fā)展前景方面，忽視其生態(tài)影響，要建立起一種長期有效的評價機制，求得全面均衡的發(fā)展。

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