林木生物質(zhì)能發(fā)展研究綜述

趙曉光，鐘 敏

(東北林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

在實(shí)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?、太陽能、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螅瑏碓簇S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(dòng)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(shí)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(gè)部分:①林地生長剩余物，是指在未受保護(hù)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(jì)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(jì)，每年地球上經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)高達(dá)1 730億t，其中蘊(yùn)含的能量可達(dá)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(yùn)藏量高達(dá)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(gè)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(dá)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(jì)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(jì)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(biāo)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(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用時(shí)間序列預(yù)測了未來的煤炭價(jià)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(shí)際可行性。

1.1.2 開發(fā)前景。劉曼紅［8］認(rèn)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(shí)在其替代化石燃料的過程中又保護(hù)了環(huán)境。孫永明［10］認(rèn)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(xiǎn)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(xiàn)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(jìn)行了總結(jié)，并提出了運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)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(xiǎn)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(rèn)為阻礙林木生物質(zhì)能源發(fā)展的另一個(gè)重要因素是林木生物質(zhì)專業(yè)的高級人才供給嚴(yán)重不足。段凱莉等［18］認(rèn)為能源的核心突破技術(shù)沒有落實(shí)到位，人才培養(yǎng)欠缺，相關(guān)能源的運(yùn)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(yán)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(diǎn)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(shí)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(shí)施。陳廷輝［20］認(rèn)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(diǎn):減少稅收或者免稅;建立重點(diǎn)資助專項(xiàng)基金;提供原料以及生產(chǎn)過程的補(bǔ)貼;成立帶頭示范項(xiàng)目;減少化石燃料的使用;產(chǎn)業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定;資源勘査、評價(jià)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(gè)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(jī)垃圾處理技術(shù)(焚燒、填埋、堆肥)［24］。自螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)開始，我國的壓縮成型機(jī)便如火如荼的發(fā)展。很多廠家對燃料成型設(shè)備進(jìn)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(jìn)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(shí)不會(huì)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?yàn)閲鴥?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(jī)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(jìn)行了生物質(zhì)在富氧條件下定向氣化的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)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?jǐn)?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(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)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(jìn)行了生物質(zhì)氣化制氫實(shí)驗(yàn)研究，得出溫度和壓力對實(shí)驗(yàn)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(jìn)入了使用的階段。

2.2 國外發(fā)展情況 印度于l975年就啟動(dòng)國家沼氣開發(fā)計(jì)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(jì)，在印度各地共有800～900座生物質(zhì)發(fā)電廠和3 000個(gè)小型的生物質(zhì)氣化爐［29］。世界上唯一一個(gè)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(jì)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(jì)80年代到21世紀(jì)，生物質(zhì)能源的增長率高達(dá)7%以上，生產(chǎn)網(wǎng)點(diǎn)遍布北歐各國［30-32］。美國生物質(zhì)能發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過了10 000 MW，單機(jī)容量達(dá)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?xì)猓?2-33］。

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(xì)問題:替代使用前景、生產(chǎn)成本和投資的風(fēng)險(xiǎn)等。林木生物質(zhì)本身的分布特點(diǎn)限制了其自身的發(fā)展，只有達(dá)到了成本、風(fēng)險(xiǎn)最小化，而收益達(dá)到最大化，林木生物質(zhì)發(fā)展才能突飛猛進(jìn)。

(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(huì)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(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)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(gè)子系統(tǒng)都落實(shí)到位，建立起可模擬的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而分析其效率。

(3)投資風(fēng)險(xiǎn)的問題。除了傳統(tǒng)的投資風(fēng)險(xiǎn)(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(xiǎn)。為了兼顧經(jīng)濟(jì)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(jià)機(jī)制，求得全面均衡的發(fā)展。

［1］劉剛，沈鐳.中國生物質(zhì)能源的定量評價(jià)及其地理分布［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2007，22(1):9-19.

［2］國家林業(yè)局.全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)［Z］.2013.

［3］李怒云，支玲，王國勝，等.“三北”地區(qū)林木生物質(zhì)能源資源現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究［J］.中國水土保持科學(xué)，2007，5(4):70-74.

［4］周曉，岳彩榮.林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿ρ芯俊栽颇鲜槔跩］.中國林業(yè)經(jīng)濟(jì)，2009(6):23-26.

［5］許忠海，趙麗敏，龐景榮.發(fā)展伊春林區(qū)生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略思考［J］.中國林副特產(chǎn)，2011(5):52-54.

［6］馬文元.中國能源樹種研究［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1990.

［7］徐劍琦，張彩虹，張大紅.木質(zhì)生物質(zhì)能源樹種生物量數(shù)量分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6):98-102.

［8］劉曼紅.林業(yè)“三剩物”的開發(fā)利用現(xiàn)狀和前景概述［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2010，35(3):62-67.

［9］孫鳳蓮，王忠吉，葉慧.林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、可能影響與對策分析［J］.經(jīng)濟(jì)問題探索，2012(3):149-153.

［10］孫永明，袁振宏，孫振鈞.中國生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用現(xiàn)狀與展望［J］.可再生能源，2006(2):78-82.

［11］劉騰飛，陳凱，丁蒙.林木生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展對策——以福建省建寧縣為例［J］.經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2013(5):215-217.

［12］蔣大龍.生物質(zhì)直燃發(fā)電展望［J］.現(xiàn)代電力，2007(5):53-56.

［13］姜洋.生物質(zhì)能源成本問題研究綜述與分析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(16):9759-9760.

［14］劉俊偉.生物質(zhì)能資源化利用系統(tǒng)的初始條件及生物周期評價(jià)的研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010.

［15］嚴(yán)永林，陳喜龍，李際平.木質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)成本分析［J］.林業(yè)科技，2006(6):50-52.

［16］景月明，張永，陳曉嬌.生物質(zhì)能供應(yīng)鏈的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模研究［J］.物流技術(shù)，2009(10):114-116.

［17］劉統(tǒng)民，曹國斌.林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的現(xiàn)狀、問題與對策［J］.北京農(nóng)業(yè)，2013(3):161，168.

［18］段凱莉，任國威.我國可再生能源法律制度完善探析——以生物質(zhì)能源為例［J］.廣東廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，22(3):44-47.

［19］蔡守秋.我國可再生能源立法的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中州學(xué)刊，2012(5):71-75.

［20］陳廷輝.國際能源政治背景下我國的可再生能源立法［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17(1):72-78.

［21］石帥.北京市以園林綠化廢棄物為原料的生物質(zhì)燃料巿場推廣研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2012.

［22］任東明，曹靜.論中國可再生能源發(fā)展機(jī)制［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2003(5):16-19.

［23］龔雅弦.發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的影響因素研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［24］袁振宏，呂鵬梅，孫曉英.生物質(zhì)能源開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀和前景［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2006(B12):13-21.

［25］趙先國，常杰，呂鵬梅，等.生物質(zhì)流化床富氧氣化的實(shí)驗(yàn)研究［J］.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(2):199-203.

［26］蔣劍春，應(yīng)浩，戴偉娣，等.生物質(zhì)流態(tài)化催化氣化技術(shù)工程化研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25(5):678-684.

［27］吳正舜，馬隆龍，吳創(chuàng)之.下吸式氣化爐中生物質(zhì)氣化發(fā)電的運(yùn)行與測試［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26(4):79-82.

［28］呂友軍，金輝，郭烈錦，等.生物質(zhì)在超臨界水流化床反應(yīng)系統(tǒng)中氣化制氫實(shí)驗(yàn)研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30(10):1155-1160.

［29］印度大力發(fā)展生物質(zhì)能源［EB/OL］.(2013-10-21)http://news.bjx.com.cn/html/20131021/466721.shtml.

［30］RANDERSON P F，董宏林，SLATER F M.世界若干國家生物質(zhì)能源利用及有關(guān)問題研究［J］.寧夏農(nóng)林科技，1999(5):5-8，16.

［31］蔡利祥.歐洲三國生物質(zhì)能源利用狀況與啟發(fā)［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2007，32(3):106-108.

［32］戴向榮，蔣立科，羅曼.發(fā)展農(nóng)村生物質(zhì)能的設(shè)想與建議［J］.世界農(nóng)業(yè)，2006(7):52-55.

［33］CAO Y，WANG Y，RILEY J T，et al.A novel biomass air gasification process for producing tar-free higher heating value fuel gas［J］.Fuel Processing Technology，2006，87:343-353.