瑞典生物質(zhì)能源發(fā)展及柳樹能源林研究

秦光華，宋玉民，喬玉玲，于振旭

(山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014)

瑞典的生物質(zhì)能源利用技術(shù)成熟、基礎(chǔ)設(shè)施完備，生物質(zhì)能的開發(fā)利用已成為該國重要的新型產(chǎn)業(yè)。以森林資源為主的生物質(zhì)燃料、木材加工、制漿造紙、熱電聯(lián)產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，2015年底，瑞典的生物質(zhì)能源消耗量已占其能源消耗總量的62.1 %以上，是發(fā)達(dá)國家使用生物質(zhì)能源比例較高的國家。瑞典自20世紀(jì)80年代開始對柳樹能源林進(jìn)行系統(tǒng)研究，柳樹能源林在生物質(zhì)能源資源中占有較高比重，目前已經(jīng)形成從良種選育、資源培育、高質(zhì)利用和熱電聯(lián)產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，具備一套完善的技術(shù)體系。本文對瑞典生物質(zhì)能源利用概況和生物質(zhì)能源熱電聯(lián)產(chǎn)情況進(jìn)行介紹，重點詳述了柳樹能源林的進(jìn)展情況，對加快我國林業(yè)生物質(zhì)能源建設(shè)提出建議與思考。

1 生物質(zhì)能利用概況

由于缺少石油和天然氣等自然資源，瑞典非常重視可再生能源特別是生物質(zhì)能源的開發(fā)利用。豐富的森林資源為生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)提供了充足的資源供應(yīng)。生物質(zhì)能利用技術(shù)以林業(yè)生物質(zhì)固體燃料為主，主要來源于林業(yè)加工如板材、造紙等廢棄物。截至2015年，可再生能源利用量已占其能源消耗總量的62.1 %，成為發(fā)達(dá)國家使用生物質(zhì)能源比例較高的國家。政府鼓勵和扶持生物質(zhì)能源培育和利用等方面的研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)，已經(jīng)建立起了較為完善的基礎(chǔ)設(shè)施，形成了先進(jìn)的利用技術(shù)，以森林資源為主的木材加工、造紙、生物質(zhì)燃料和熱電聯(lián)產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成。

2 能源林培育與熱電聯(lián)產(chǎn)

瑞典在生物質(zhì)能的開發(fā)與利用特別是熱電聯(lián)產(chǎn)方面有著先進(jìn)的技術(shù)儲備和豐富的管理經(jīng)驗，全國建有多家生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)電廠和生物質(zhì)能小區(qū)供熱系統(tǒng)。SalixEnergi公司在瑞典建有四萬多公頃的柳樹能源林基地，進(jìn)行能源柳良種開發(fā)和資源培育，向熱電廠提供木材、木片、枝丫等原料，實行以供熱為主的熱電聯(lián)供。Hasselby公司從20世紀(jì)90年代開始使用生物質(zhì)原料，為斯德哥爾摩地區(qū)進(jìn)行供熱、供電，實現(xiàn)了從原煤、原油到生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)變。VARMEVERKET熱電公司自20世紀(jì)90年代開始起將原料由原煤轉(zhuǎn)為柳樹等生物質(zhì)原料，將原煤鍋爐改造為蒸汽鍋爐，采用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為林雪平市及周邊供熱、供電。先進(jìn)的爐排式直燃系統(tǒng)和余熱回收利用技術(shù)大大提高了能量利用率，燃燒效率高達(dá)98 %以上。由于采用封閉循環(huán)系統(tǒng)，廢水、廢渣得到充分利用。利用木質(zhì)原料燃燒后產(chǎn)生的灰分等剩余物制成肥料對柳樹能源林進(jìn)行施肥，實現(xiàn)肥料和能源的循環(huán)利用。

瑞典生物質(zhì)燃料主要是木屑壓縮顆粒，其成型技術(shù)和直燃熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛。木屑壓縮顆粒是將木片、鋸屑和刨花等林木加工廢棄物經(jīng)粉碎、烘干、壓縮等特殊工藝處理后制成的直徑約6～8 mm的短小圓柱形顆粒，不僅可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶及家庭取暖爐的燃料，而且可用于熱動力發(fā)電。相較于木材和枝丫，木屑壓縮顆粒便于貯存和運輸、燃燒性能好、熱效率高。柳樹每千克木屑壓縮顆粒的熱值大于4.7 kW·h，大于其他速生樹種，是能源林資源培育的首選樹種。目前瑞典木屑壓縮顆粒的年產(chǎn)量超過2.0×106t，其中柳樹木屑壓縮顆粒占一半以上，17 %以上的家庭已使用木屑壓縮顆粒取暖供熱。在20世紀(jì)，瑞典的取暖系統(tǒng)還是以燃油為主，但是2004年后已經(jīng)有60 %以上的地區(qū)使用生物質(zhì)燃料進(jìn)行供暖，目前木屑壓縮顆粒的產(chǎn)量和消費量均居世界首位。生物質(zhì)發(fā)電量也從20世紀(jì)80年代的20億kW·h增長至2010年的150億kW·h，到2020年有望達(dá)到200億kW·h。

3 柳樹能源林的發(fā)展與推廣

瑞典能源林研究項目由國家能源局負(fù)責(zé)，從20世紀(jì)80年代以來開始對森林能源研究進(jìn)行資助。截至2012年，已經(jīng)累計投入3.8億克朗。近年來，由于瑞典農(nóng)畜產(chǎn)品過剩，致使瑞典的農(nóng)產(chǎn)品在國際市場上的價格較低。為了調(diào)節(jié)農(nóng)畜產(chǎn)品價格，政府要求縮小農(nóng)耕地，增加能源林用地，這項措施間接增加了50萬hm2的能源林用地，同時政府建立補助金制度對能源林進(jìn)行補助，吸引了很多公司和林農(nóng)從事柳樹能源林的生產(chǎn)經(jīng)營，刺激了柳樹能源林的發(fā)展。目前瑞典能源林約有16 000 hm2，主要集中在中南部水熱條件較好的地區(qū)。這些能源林每年每公頃平均的生物量生產(chǎn)為12～16 t，相當(dāng)于30～36 m3木材或5～6 t燃油。

4 柳樹能源林研究

瑞典國家森林能源研究始于20世紀(jì)80年代，瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)和一些林業(yè)公司如歐洲能源公司(SalixEnergi)、Lantmannen育種公司，以及一些與農(nóng)林相關(guān)的組織都參加了該項目的合作，主要開展了以下幾方面的研究。

4.1 良種培育

瑞典柳樹育種主要有短期和長期兩個方案。短期育種主要是為生產(chǎn)提供急需的一些優(yōu)良品種，注重育種的時效性；長期育種方案注重于品種的長期世代改良，進(jìn)行種間、種內(nèi)、種源和家系的種質(zhì)資源收集、評價和目標(biāo)性狀的長期穩(wěn)定改良，育種目標(biāo)主要包括生物量、抗病蟲能力、熱能、抗寒性、抗土壤污染等性狀。瑞典南北狹長，東西較短，自然氣候條件差異較大，根據(jù)氣候條件劃分了能源柳的不同栽培區(qū)，根據(jù)基因環(huán)境交互作用進(jìn)行區(qū)域定向輪回選擇育種，為不同栽培區(qū)選育適于本地的優(yōu)良品種。目前在瑞典廣泛栽培的應(yīng)用于能源林的柳樹品種主要是蒿柳(Salixviminalis)、毛枝柳(S.dasyclados)和偽蒿柳(S.schwerinii)。經(jīng)過30多年的育種研究，目前在瑞典普遍應(yīng)用的能源柳樹品種有上百個，這些品種具有生長快、砍伐后根萌能力強、無性繁殖容易、抗病蟲害能力和抗寒性強、生物產(chǎn)量高等優(yōu)良性狀，在瑞典南部和中部生長較好，非常適宜于短周期人工林的機(jī)械化集約經(jīng)營。

4.2 造林密度和輪伐期

柳樹根萌能力強，多代間生長活力和生產(chǎn)潛力穩(wěn)定，非常適于短輪伐期經(jīng)營，特別適用于能源林和紙漿林[1]。短輪伐期經(jīng)營對立地條件和經(jīng)營管理水平有較高要求，要選用立地條件好、土壤肥力高、地力衰退慢、適于多代經(jīng)營的土地，同時還要選用有澆灌條件、適宜機(jī)械化作業(yè)的土地。集約經(jīng)營措施主要包括造林地整地、水肥管控、雜草控制、病蟲害防治等。能源林的產(chǎn)量與品種和群體結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，林分密度是影響短周期人工林的重要指標(biāo)。瑞典柳樹能源林林分密度一般為2.2萬～3.1萬株·hm-2，4～6年達(dá)到最高產(chǎn)量[2]。為了便于機(jī)械化作業(yè)，目前瑞典一般采用寬窄行設(shè)計，寬行大約1.0 m，造林、撫育和收獲主要在寬行中運行；窄行0.6～0.8 m，株距0.4～0.5 m，在這種密度條件下，根據(jù)不同的立地條件和管理水平，輪伐期一般為4～6年，共4個輪伐期，4個輪伐期后進(jìn)行重新造林。密度的大小和株行距的配置還要綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤理化性質(zhì)和經(jīng)營管理水平。能源林的采伐主要在秋冬季節(jié)柳樹生長期結(jié)束后進(jìn)行。

4.3 產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益

柳樹短輪伐期經(jīng)營的經(jīng)濟(jì)效益包括所有與生產(chǎn)過程有關(guān)的成本和收益。生物量的市場價格為520克朗·t-1，計算周期為24年，輪伐期為4年，共收獲6個輪伐期。第一個輪伐期的生物量較低，為40.0～50.0 t·hm-2；從第二個輪伐期開始，每個輪伐期的產(chǎn)量可達(dá)64.0～70.0 t·hm-2 [3]。在24年的經(jīng)營過程中，利率按5.0 %計算，在不包括造林補助金的情況下，種植柳樹能源林，每年每公頃的凈收入為11 000克朗左右。

5 發(fā)展我國生物質(zhì)能源的建議與思考

我國已經(jīng)于2006年開始實施可再生能源法，開發(fā)利用可再生能源是事關(guān)我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、能源安全和社會進(jìn)步的重大任務(wù)。瑞典在生物質(zhì)能源建設(shè)方面的政策法規(guī)、資源培育和技術(shù)開發(fā)等方面的先進(jìn)經(jīng)驗值得借鑒和學(xué)習(xí)，針對我國生物質(zhì)能源建設(shè)現(xiàn)狀提出以下幾點思考和建議。

5.1 加大政策扶持力度

學(xué)習(xí)瑞典有效的政策措施和成功經(jīng)驗，結(jié)合我國的實際情況，研究制定適合我國生物質(zhì)能源快速發(fā)展的有效措施和激勵政策，解決目前我國生物質(zhì)能源利用基礎(chǔ)設(shè)施落后、成本高等現(xiàn)階段突出問題，采取差別化稅收政策和財政補貼、供熱補貼等措施，保障和促進(jìn)生物質(zhì)能源熱電聯(lián)產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)鏈的延伸發(fā)展。生物質(zhì)能的開發(fā)利用在增加能源供應(yīng)、保護(hù)環(huán)境的同時，還將直接帶動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是解決“三農(nóng)”問題的有效措施。要從能源發(fā)展戰(zhàn)略和解決“三農(nóng)”問題的高度出發(fā)，制定明確的促進(jìn)生物質(zhì)能資源培育的政策激勵措施，增加農(nóng)民的收入，調(diào)動農(nóng)民的積極性，促進(jìn)生物質(zhì)能源發(fā)展。

5.2 合理規(guī)劃培育和開發(fā)林業(yè)生物質(zhì)資源

充足的資源是生物質(zhì)能源的工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)，要在對我國可供利用的林業(yè)生物質(zhì)資源分布和后續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ确矫孢M(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，充分利用我國大面積的宜林荒山、荒灘、荒地等邊際土地資源，制定科學(xué)的林業(yè)生物質(zhì)能開發(fā)利用規(guī)劃和生物質(zhì)資源培育規(guī)劃。根據(jù)我國不同區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，加快建立能源林基地，培育生長速度快、熱值高、含油率高的林業(yè)生物質(zhì)能源資源，保障原料生產(chǎn)和供給，促進(jìn)我國林業(yè)生物質(zhì)能源開發(fā)利用和健康有序發(fā)展。

5.3 加強技術(shù)研發(fā)和試驗示范

生物質(zhì)能利用的產(chǎn)業(yè)鏈較長，涉及技術(shù)領(lǐng)域較廣。目前我國的生物質(zhì)能源開發(fā)利用技術(shù)還不夠成熟，要在充分吸收國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗的同時，結(jié)合我國實際情況，加強林業(yè)生物質(zhì)能源相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)與試驗示范，集聚優(yōu)勢力量組建重點實驗室和工程技術(shù)研究開發(fā)中心，創(chuàng)新管理運行機(jī)制，為我國林業(yè)生物質(zhì)能源快速發(fā)展提供科技支撐。重點研究領(lǐng)域包括速生豐產(chǎn)高效能源林培育技術(shù)和生物質(zhì)熱化學(xué)、物理利用等方面的高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，包括固體成型、熱電聯(lián)產(chǎn)、液體燃料等產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)。鼓勵相關(guān)學(xué)科和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，構(gòu)建開放、協(xié)作、高效的創(chuàng)新平臺，加快研發(fā)進(jìn)程，提高研發(fā)技術(shù)水平，促進(jìn)我國林業(yè)生物質(zhì)能源的建設(shè)發(fā)展。