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中国农作物秸秆能源化潜力估算

发布时间：2014-12-05 15:16    来源：未知

摘要：农作物秸秆中含有丰富的有机质，是个巨大的能源库，对其的准确定量是秸秆综合利用的前提条件。文章以2005年中国农作物秸秆资源为例，结合农作物秸秆的能源转化方式，定量估算了中国农作物秸秆能源化的潜力，为秸秆综合利用提供参考资料。结果表明，中国每年约有3.995x108 t农作物秸秆可作为能源利用，这些秸秆若全部以直接燃烧、锅炉燃烧、压缩成型燃烧、沼气供热、沼气发电、气化供热以及气化发电等不同转化方式加以利用，则其能源化产品可分别替代化石燃料0.291x108，0.5x108，2.039 x108，0.815 x108，0.258×108，2.217x108和0.5987x108 t标煤。其中气化供热能源转化效率最高，可达60.37%，其次为压缩成型燃烧，能源转化效率达58.26%。秸秆资源用于气化供热或者经过秸秆颗�；�、木屑颗�；�压缩成生物质成型颗粒燃料潜力巨大。
关键词：农作物秸秆；能源；潜力；生物质颗粒燃料；颗粒机
0、引言
    中国是农业大国，在稻谷、麦子、玉米、豆类、块茎作物和棉花等农作物生产过程中产生大量的农业废弃物——农作物秸秆，这些秸秆是中国生物质资源的重要来源之一。据统计，中国农作物秸秆产量约7x108t/a。农作物秸秆中蕴含丰富的有机质，是潜在的巨大能源库。但是对这个“巨大的能源库”的定量研究鲜有报导。本文以2005年中国农作物秸秆资源为例，结合农作物秸秆的能源转化方式，对中国农作物秸秆能源化的潜力进行定量估算，以期对中国农作物秸秆综合利用有所裨益。秸秆压块机压制的玉米秸秆生物质颗粒燃料
松针颗粒燃料
1、可能源化的农作物秸秆资源
1.1中国农作物秸秆资源量
秸秆是农村最主要的农作物副产品。由于秸秆产量未列入国家有关部门的统计范围，其产量通常是依据农作物产量计算得到，表1列出了2005年中国主要农作物产量及秸秆资源量。
表1 2005年中国农作物秸秆资源量
作物种类 作物产量106t 谷草比 秸秆产量 占秸秆总量的比例
谷物 水稻 180.59 1.0 180.59 24.77
小麦 93.88 1.0 93.88 12.88
玉米 139.37 2.0 278.73 38.23
其他 13.93 1.5 20.90 2.97
豆类   21.58 1.5 32.37 4.44
薯类   34.69 1.0 34.69 4.76
棉花   5.66 3.0 16.97 2.33
油料 花生 14.30 2.0 28.60 3.92
油菜籽 13.05 2.0 26.1 3.58
芝麻 0.63 2.0 1.25 0.17
其他 2.79 2.0 5.58 0.77
糖类 甘蔗 86.64 0.1 8.66 1.19
甜菜 7.79 0.1 0.78 0.11
合计   614.86   729.11 100
    由表1可以看出，2005年中国农作物秸秆资源总量约7.29x108t，其中玉米秸2.79x108t，麦秸0.94x108t，稻草1.81x108t，这3类秸秆资源量约占总资源量的75.88%。秸秆产量最大的是玉米秸，约占秸秆总产量的38.23%；其次是稻草，约占秸秆总产量的24.77%；麦秸的产量在农作物秸秆总产量中占第3位，约占12.88%；豆类秸秆、薯类秸秆、油料作物秸秆以及糖类作物秸秆的产生量相对较少，分别约占4.44%，4.76%，8.44%，1.3%。
根据农作物秸秆的化学组成（表2）可知，2005年中国农作物秸秆中含碳总量为3.58x108t。含氢0.44x108t，如果全部燃烧可放出1.74x1017J热量。
表2 农作物秸秆的主要化学组成 %
秸秆种类 碳 氢 氧 氮 硫
玉米秆 49.95 5.97 43.12 0.87 0.13
稻草 48.87 5.84 44.38 0.74 0.17
小麦杆 49.04 6.16 43.41 1.05 0.34
其他秸秆 48.63 6.08 44.92 0.36 0.01
1.2可能源化的秸秆资源
中国农作物秸秆资源丰富，秸秆主要用于工业原料（造纸）、畜牧饲料、直接还田、农村生活能源等4个方面，各方面所消耗的秸秆资源量及其所占比例见表3。
表3 中国秸秆资源的主要用途
用途 比例 % 资源量/108t
生活燃料 39.6 2.887
畜牧饲料 27.5 2.005
工业原料 2.7 0.197
秸秆还田及收集损失 15 1.094
废弃或烧掉 15.2 1.108
合计 100 7.291
    近年来，由于中国农村推广普及省柴灶，提高了炊事用能的热效率，而且农村商品能源消耗比例逐步增加，因此大量农作物秸秆被节省下来，闲置于田间地头，有的甚至就地焚烧，不仅浪费了资源，而且污染了环境，这部分秸秆是秸秆综合利用首先考虑的对象。另外，大部分农户采用传统炉灶进行炊事，热效率较低，造成了秸秆资源的浪费，且污染室内环境，这部分秸秆是秸秆综合利用的主要对象。将这两部分秸秆资源综合起来，则2005年中国通过秸秆综合利用可转化为能源的秸秆资源量约为3.995x108t。
2、中国农作物秸秆能源化潜力估算
2.1估算方法
    农作物秸秆能源转化方式多种多样，但主要包括直接燃烧、物化转化和生化转化等3种方式。本文在假设所有可能源化的秸秆在单一的某种转化方式的情况下，估算其可以转化的能源量，并进一步计算其可替代的化石能源量。
2.2不同转化方式下秸秆能源化潜力估算
2.2.1能源化估算条件
    (1)直接燃烧
  直接燃烧主要包括炉灶燃烧、锅炉燃烧和生物质成型颗粒燃料的燃烧。炉灶燃烧是传统的利用方式，利用效率低，仅15%左右；锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适于大规模利用生物质，燃烧效率高，可达到60%～80%；颗�；顾醭尚腿剂鲜巧镏时谎顾醭尚秃蟮牟�，其密度增大，热效率提高（可达40%以上）。
    (2)物化转化
    物化转化技术包括3个方面：一是干馏技术，二是气化制生物质燃气技术，三是热解制生物质油技术。针对农作物秸秆的特点以及中国生物质能利用技术的发展特征，本文只选取气化制生物质燃气为研究对象。生物质气化产生的气体分为低热值燃气和中热值燃气，可以大规模利用的是低热值燃气技术。秸秆气化效率一般为70%，燃气的低位热值为4818kj/m3，秸秆气化的产气率为2.39m3/kg，燃气用于供热的热效率可达55%以上。产生的燃气若用于发电，则平均1.8kg秸秆产生的燃气可发电1kWh。
    (3)生化转化
生化转化技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主，本文只讨论厌氧消化技术。厌氧消化又称为沼气发酵，是有机物（碳水化合物、脂肪、蛋白质等，在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌种发酵（消化）生成沼气、消化液和消化污泥（沉渣）的过程。各类农作物秸秆发酵产气效率见表4，产生的沼气热值为20934kj/kg。沼气燃烧热效率可达55%～60%，1m3沼气可发电1.25kWh。
表4 农村沼气原料总固体含量、实验室产气率、实际产生率
原料种类 总固体含量% 实验室产气率m3/kg 实际产气率m3/kg
稻草 80～90 0.40 0.30
麦草 80～90 0.45 0.30
玉米秸秆 80～90 0.50 0.30
高粱秸秆 80～90 0.40 0.30
2.2.2能源化估算结果
可用作能源的3.995x108t秸秆的能源化潜力估算结果见表5。由表5可以看出，在秸秆资源能源转化方式中，能源转化效率最高的是60.37%；其次是压缩成型燃烧，转换效率为58.26%：转化效率最低的是沼气发电，仅为7.37%。如果将可能源化的3.995x108t秸秆资源全部用于气化供热和压缩成型燃烧，则可分别产生9.557 x1011m3燃气和3.995x108t燃料，节约化石燃煤2.979 x108 t和2.856x108t，折合2.127x108 t标煤和2.039x108 t标煤．相当于2005年能源消费总量2.233x109t（表6）的9.5%和9.13%。因此，我国秸秆资源在气化供热和压缩成型燃烧两种能源转化方式上能源化潜力巨大。
表5 中国农作物秸秆能源化潜力估算
利用方式 产品量 单位 燃料热值/kj·kg-1 利用效率/% 节约化石燃料 折标煤/108t 转化效率/%
类型 数量/108t
炉灶燃烧 1.108 亿t 15349 15 燃煤 0.408 0.291 8.31
锅炉燃烧 3.995 亿t 15349 60 燃煤 0.7 0.5 14.28
压缩成型燃烧 3.995 亿t 15349 40 燃煤 2.856 2.039 58.26
沼气发酵 供热 1200 亿m3 20934 55～60 燃煤 1.142 0.815 23.29
发电 1500 亿kwh - - 燃煤 0.369 0.258 7.37
气化 供热 9557 亿m3 4818 55 燃煤 2.979 2.127 60.37
发电 2222 亿kwh - - 燃煤 0.838 0.598 17.09
3、结论与建议
    中国农作物秸秆资源丰富，2005年秸秆资源产量为7.28x108t，相当于1.74x10n J能量，是个巨大的能源库。除去用于饲料、工业原料和直接还田外，约有3.995x108 t秸秆资源可作为能源利用。这些秸秆若全部以直接燃烧、锅炉燃烧、压缩成型燃烧、沼气供热、沼气发电、气化供热以及气化发电等不同能源转化方式加以利用，则其能源化产品可分别替代化石燃料0.291 x108，0.5×108，2.039 x108，0.815 x108，0.258 x108，2.217 x108和0.5987x108 t标煤，其中以气化供热转化效率最高，转化效率可达60.37%，其次为压缩成型燃烧，转化效率达58.26%。
    中国农作物秸秆中虽然蕴含着丰富的能源资源，但是由于利用技术的不成熟、利用对策的不完善，致使很大一部分秸秆资源被低效率地利用，能源潜力不能有效地发挥。为了更高效地利用中国的农作物秸秆资源，建议从以下几个方面着手促进秸秆资源能源化利用。
    ①加快农村能源建设，用新的能源替代农作物秸秆，尽量减少农作物秸秆燃烧利用量。
    ②结合当前秸秆综合利用技术水平，确定优先发展对策。例如，目前在秸秆综合利用技术中，气化供热和压缩成型燃烧技术发展较、为成熟，秸秆资源的利用可优先考虑这2种方式。
    ③加快秸秆能源转化技术研究，促进秸秆利用向商品化发展。
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