我國農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化生物能源潛力評估

艾斌凌　鄭麗麗　鄭曉燕　盛占武

摘 要 農(nóng)作物秸稈是一種價格低廉的可再生資源，燃料化是其資源化利用的重要途徑。以農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量為依據(jù)，對我國各類農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量和可收集利用量進行估算，進而評估其生物轉(zhuǎn)化甲烷和燃料乙醇的潛力。2014年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達72 836.9萬t，其中可收集利用量達60 986.1萬t。玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈為前三大秸稈資源。河南省、黑龍江省和山東省的秸稈資源是最為豐富。以熱值估算，僅玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大秸稈可折合標準煤量20 177.5萬t?；谖⑸锇l(fā)酵工藝估算，我國主要農(nóng)作物秸稈可生產(chǎn)甲烷1 286.8億m3，或可生產(chǎn)燃料乙醇1 823.5億升。我國農(nóng)作物秸稈的可收集利用量巨大，以其為原料生產(chǎn)生物燃料具有廣泛的開發(fā)前景。

關(guān)鍵詞 農(nóng)作物秸稈 ；可收集利用量 ；生物能源 ；甲烷 ；燃料乙醇 ；潛力評估

中圖分類號 TQ35；X712 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.12.018

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不可避免的副產(chǎn)物，同時也是產(chǎn)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(nóng)作物秸稈生產(chǎn)生物燃料是一種具有廣泛開發(fā)前景的替代技術(shù)，對于緩解能源供需矛盾，提高農(nóng)民收入以及改善農(nóng)村生活條件，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內(nèi)關(guān)于秸稈資源的研究多集中于農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與統(tǒng)計[1-3]、秸稈資源資源化利用[4-7]、秸稈處置政策研究與綜合效益分析[8-10]等方面。朱建春等[1]分析了1978～2009年我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(guān)不同農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)生物能源的潛力評估等方面的研究尚不多見。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的2014年各類農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量數(shù)據(jù)，估算我國各類秸稈資源的儲量和可收集利用量，并在各農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化生物能源的適宜性分析的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)研究中的生物燃料轉(zhuǎn)化率，對幾大農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化甲烷和乙醇潛力進行評估。

1 研究方法

以農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量為依據(jù)，對我國各農(nóng)作物秸稈資源的儲量、可收集利用量及其轉(zhuǎn)化為生物能源的理論潛力進行估算。文中農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒2014》和中國國家統(tǒng)計局網(wǎng)站（http：//data.stats.gov.cn/）。

草谷比（SG）是指農(nóng)作物地上莖稈產(chǎn)量與經(jīng)濟產(chǎn)量之比，又稱農(nóng)作物副產(chǎn)品與主產(chǎn)品之比。在草谷比和農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量已知的條件下，可用下述公式計算農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量。

WS=WP×SG

式中，WS為農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量，t；WP為農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量，t；SG為草谷比。

秸稈資源可收集利用量是指在現(xiàn)實耕作管理尤其是農(nóng)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(jù)秸稈資總產(chǎn)量和其可收集利用系數(shù)來計算，公式表示為：

WGS=WS×IG

式中，WGS為秸稈資源可收集利用量；WS為秸稈總產(chǎn)量；IG為秸稈資源可收集利用系數(shù)。秸稈資源可收集利用系數(shù)是指可收集利用的秸稈重量占農(nóng)作物莖稈總生物量即秸稈總產(chǎn)量的比重。

以甲烷和乙醇為例評估農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化生物能源的潛力，根據(jù)秸稈資源可收集利用量和秸稈類生物質(zhì)生產(chǎn)甲烷與乙醇的實際轉(zhuǎn)化率來計算。用公式表示為：

WBS=WGS×RB

式中，WBS為甲烷或乙醇產(chǎn)量；WGS為秸稈資源可收集利用量；RB為秸稈生物轉(zhuǎn)化甲烷或乙醇的實際轉(zhuǎn)化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國主要農(nóng)作物秸稈資源儲量與可收集利用量估算

我國是糧食生產(chǎn)大國，農(nóng)作物秸稈資源產(chǎn)量豐富。根據(jù)中國國家統(tǒng)計局網(wǎng)站中公布的2014年我國農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量數(shù)據(jù)，參考其他研究中的草谷比（秸稈籽粒折算系數(shù)）[11]和可收集利用系數(shù)[4]，計算出農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量和可收集利用量（表1）。2014年我國主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達72 836.9萬t，可收集利用量達60 986.1萬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21 481.0萬、15 420.1萬和11 519.4萬t，分別占到農(nóng)作物秸稈可收集利用總量的35.2%、25.3%和18.9%，三者之和接近農(nóng)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(nóng)作物秸稈的分布與產(chǎn)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(nèi)蒙古、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(chǎn)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2013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5 098.0萬、4 897.9萬和4 062.5萬t。

2.2 農(nóng)作物秸稈的生物能源開發(fā)技術(shù)與策略

農(nóng)作物秸稈是一種儲量豐富價格低廉的可再生資源。由于農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，工業(yè)性生產(chǎn)要素對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的替代，大量過剩的農(nóng)作物秸稈被丟棄，更有大量秸稈被露天焚燒。秸稈焚燒產(chǎn)生大量煙霧煙塵、溫室氣體CO2、以及CO、NOx、苯及多環(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(zhì)為原料開發(fā)生產(chǎn)生物能源獲得了越來越多的關(guān)注。由于秸稈生物質(zhì)原料的組分多樣性和不均一性（不同來源原料中糖、淀粉、纖維素、半纖維素木質(zhì)素等的組分差異巨大），以及轉(zhuǎn)化途徑的多樣性（除了物理和化學(xué)方法外，生物轉(zhuǎn)化法利用酶催化或微生物發(fā)酵產(chǎn)生各種化學(xué)品）為開發(fā)更多生物能源產(chǎn)品提供了可能[13]。圖1所示為利用生物質(zhì)原料制備生物能源與生物基產(chǎn)品的路線圖[13-14]。以各種農(nóng)作物秸稈為原料，通過機械的、熱和（或）化學(xué)以及生物發(fā)酵等轉(zhuǎn)化工藝，可直接產(chǎn)生熱和電力，亦可生產(chǎn)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。

2.3 農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化生物能源的適宜性分析

農(nóng)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(zhì)能利用的最主要方式[15]。大多數(shù)農(nóng)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。2014 年我國可以直接燃燒利用的農(nóng)作物秸稈約為55 065.5萬t，占可收集利用量的90.4%。從熱值看，農(nóng)作物秸稈燃燒產(chǎn)生的熱值比柴薪的低15%；此外，由于農(nóng)作物秸稈的木質(zhì)化程度較低，其耐燃性不及柴薪[4]。當前我國農(nóng)作物秸稈直接燃燒利用主要在農(nóng)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(shù)，即添加一定的粘結(jié)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(nóng)作物秸稈通過熱裂解技術(shù)生產(chǎn)木炭、生物油和可燃氣等生物燃料。

農(nóng)作物秸稈通過微生物發(fā)酵技術(shù)可轉(zhuǎn)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(nóng)作物秸稈均適宜于轉(zhuǎn)化這類生物能源。多數(shù)木質(zhì)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(zhì)素占5%～30%。典型的農(nóng)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(zhuǎn)化為氫氣、甲烷以及乙醇等生物燃料。農(nóng)作物秸稈通過現(xiàn)代加工轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)氣體燃料和液體燃料等高附加值產(chǎn)品，可推進秸稈的高效利用和轉(zhuǎn)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。

2.4 農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化生物能源的潛力估算

農(nóng)作物秸稈的平均熱值約為14.7×103 kJ/kg[19]。以熱值為標準，1 t秸稈熱值相當于0.5 t標準煤，不同種類秸稈的具體折合標準煤量見表2。僅以2014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20 177.5萬t，相當于當年我國煤炭產(chǎn)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600～1 300 kg/m3，其燃燒特性明顯提升，秸稈的能源利用率顯著提升，是農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)能利用的有效途徑[20]。

農(nóng)作物秸稈可以在厭氧條件下熱轉(zhuǎn)化成氣體成分（CO2、CO、CH4和H2等）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(zhuǎn)化成其他液體燃料和化學(xué)品[21]。本文對幾大作物秸稈轉(zhuǎn)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（1）]，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（2）]。在之后的理論分析與計算中將半纖維素假定為木聚糖。木糖等戊糖通過磷酸戊糖途徑轉(zhuǎn)化為葡萄糖[式（3）]。

（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6（1）

（C5H8O4）n+nH2O→nC5H10O5（2）

6C5H10O5→5C6H12O6（3）

葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)甲烷遵循以下公式：

C6H12O6→3CH4+3CO2（4）

葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇遵循以下公式：

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2（5）

由式（1）和式（4）可得，1 g纖維素發(fā)酵可產(chǎn)甲烷0.296 g，標準狀態(tài)下約為413 mL。由式2、3和4可得，1 g半纖維素（以木聚糖計）發(fā)酵可產(chǎn)甲烷0.303 g，標準狀態(tài)下約為423 mL。由式1和式5可得，1 g纖維素發(fā)酵可產(chǎn)乙醇0.568 g，約0.719 mL。由式（2）、（3）和（5）可得，1 g半纖維素（以木聚糖計）發(fā)酵可產(chǎn)乙醇0.581 g，約0.736 mL。不同種類農(nóng)作物秸稈的組分含量各不相同，由于產(chǎn)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(jié)果，小麥秸稈纖維素含量為51.2%，半纖維素含量為23.7%。依此計算，1 t小麥秸稈理論上可發(fā)酵產(chǎn)生312 m3甲烷或543 L乙醇。

實際研究和生產(chǎn)工藝中，由于底物種類、預(yù)處理方式及發(fā)酵工藝等不同，秸稈類生物質(zhì)的甲烷產(chǎn)率為0.112～0.420 m3-CH4/kg-VS，其中小麥秸稈的甲烷產(chǎn)率為0.211～0.382 m3-CH4/kg-VS[23]。為了便于估算，本研究中采用小麥秸稈甲烷產(chǎn)率0.211 m3-CH4/kg-VS作為農(nóng)作物秸稈的甲烷轉(zhuǎn)化率，即每噸農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化甲烷211 m3?；谠摷淄檗D(zhuǎn)化率和本研究中農(nóng)作物秸稈可收集利用量估算結(jié)果，計算得到的我國主要農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為甲烷產(chǎn)量見表3，合計可生產(chǎn)1 286.8億m3甲烷，為我國年天然氣消費總量的75.5%。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)表明，2013年全國天然氣消費總量為1 705.4億m3。

根據(jù)美國國家可再生能源實驗室研究報告[24]，纖維素乙醇的轉(zhuǎn)化率可達到79 gal（乙醇）/t（生物質(zhì)），即299 L（乙醇）/t（秸稈）。依據(jù)該乙醇轉(zhuǎn)化率，2014年我國主要農(nóng)作物秸稈可轉(zhuǎn)化乙醇1 823.5億L（表3），為2014年我國燃料乙醇總產(chǎn)量的6.7倍。中國科學(xué)院發(fā)布的《中國工業(yè)生物技術(shù)白皮書2015》顯示，2014年我國燃料乙醇年產(chǎn)量約216萬t[25]。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

根據(jù)農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量數(shù)據(jù)估算，我國農(nóng)作物秸稈儲量豐富，2014年可收集利用量達60 986.1萬t。秸稈資源的產(chǎn)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(nóng)作物秸稈均適宜于轉(zhuǎn)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20 177.5萬t，相當于當年我國煤炭產(chǎn)量的5%?；谖⑸锇l(fā)酵工藝估算，我國主要農(nóng)作物秸稈可生產(chǎn)甲烷1 286.8億m3，為當年我國天然氣年消費總量的75.5%，或可生產(chǎn)乙醇1 823.5億L，為當年我國燃料乙醇年產(chǎn)量的6.7倍。利用農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的客觀需求。

3.2 討論

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、農(nóng)民生活水平及農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的提高與改變，傳統(tǒng)的農(nóng)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(jù)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(chǎn)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(nóng)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(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)作物秸稈資源化利用主要集中在農(nóng)村日常生活和生產(chǎn)上，直接作為燃料、肥料和飼料的比重較大，而用作工業(yè)原料較少[26-27]。通過固體成型技術(shù)可將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為固體燃料，通過厭氧消化工藝可轉(zhuǎn)化為甲烷和氫氣等氣體燃料，通過微生物發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為附加值更高的乙醇等液體燃料。農(nóng)作物秸稈的生物能源化是其高值化利用的重要途徑，不僅可以避免廢棄物處置不當帶來的環(huán)境污染以及作物病蟲害發(fā)生增加等問題，更是延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的重要突破口，亦是實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益同步提升的重要基礎(chǔ)。

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