我国秸秆资源开发利用综述_汪昉

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汪　日方,汪　炜2

(1.四川省自然资源科学研究院,四川成都610015;2.四川省科技信息研究所,四川成都610015)

　　摘要:生物质资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、薪材及林业加工剩余物等,具有可再生性、低污染性、广泛分布性等特点。我国是农业大国,农作物的废弃物———秸秆资源极其丰富,对我国开发利用秸秆资源进行发电、制沼气、还田、制饲料以及秸秆的其它用途进行了综述。

关键词:生物质资源;秸秆资源;开发利用;中国

中图分类号:X712　　文献标志码:A　　文章编号:1005-8141(2008)11-1009-04

ReviewofDevelopmentandUtilizationofStrawResourcesinChina

WANGFang1,WANGWei2

(1.SichuanAcademyofNaturalResourceScience,Chengdu610015,China;2.SichuanInstituteofScienceandTechnologyInformation,Chengdu610015,China)

Abstract:Biomassresourcesincludedcropstraws,agriculturalprocessingresidues,fuelwoodandforestryprocessingresidues,etc.Biomassre-sourceshadthecharactersofrenewa1,lowpollutionandwidespreaddistribution.Chinawasalargeagriculturalcountrywhichcropwaste-strawre-sourceswereextremelyrich.Thisarticlereviewedthedevelopmentandutilizationofstrawresourcesforpowergeneration,producingmethane,strawre-turnedintofield,producingfeedanditsotherusesinChina.

Keywords:biomassresources;strawresource;developmentandutilization;China

1　前言

生物质能是指蕴藏在生物质中的能量,是绿色植

物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、薪材及林业加工剩余物等。生物质能具有以下特点:①可再生性。生物质能通过植物的光合作用可再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用。②低污染性。生物质的硫含量与氮含量低,因此在燃烧过程中产生的SO2和NO较低,CO2净排放量几乎为零,可有效地减少温室效应。③广泛分布性。生物质能是惟一的一种既可再生又可直接贮存与运输的能源,是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源资源,约占全球总能耗的l4%。在发展中国家则更为突出,生物质能占总能耗的35%。据预测,到2050年生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%,发电量占全球总电量的l7%。

我国是农业大国,农作物废弃物———秸秆资源(包括稻草、麦秸、玉米秸、大豆秸、秧蔓类秸秆)极其丰富。据有关文献报道,我国稻草产量为1.88亿t/a、麦秸产

　　收稿日期:2008-09-16;修订日期:2008-10-18

第一作者简介:汪日方(1974-),女,四川省成都人,大学本科,工程师,编辑,主要从事科技期刊的编辑工作及自然资源信息方面的收集、分析工作。

通讯作者:汪炜(1968-),女,四川省成都人,四川省科技信息研究所高级工程师,长期从事查新工作。

量1.1亿t/a,与籽实相等;玉米秸产量为1.55亿t/a、豆秸产量为1500万t/a,主要分布在黑龙江、吉林和内

蒙古等省(区);秧蔓类秸秆资源有甘薯秧和花生秧,全国总产量为3000多万t/a,主要分布在山东、河南、河北等省;此外,还有高梁秸、稻秸、杂粮、杂豆秸、油菜秸、芝麻秸、甘蔗梢、向日葵花盘、甜菜叶等,总产量为7750万t/a。据统计,全国各种农作物秸秆年产量为57521.54万t[1]。

每到夏秋时节,我国农民就在田间地头焚燃秸秆,不仅污染环境,还威胁着飞机的起降。政府虽三令五申仍不能杜绝这一现象。因此,有效利用秸秆,变废为宝,造福社会是其发展趋势。按照《可再生能源法》的规定,秸秆与农林牧业生产中产生的其它废弃物质属于可再生能源中的生物质能,秸秆的有效利用已成为发展生物能源的主要方向。2　秸秆资源的开发利用

我国秸秆资源丰富,秸秆除具有生物质能的特点外,还具有自身的特点,因此有多种利用途径,主要分为秸秆还田、秸秆发电、秸秆饲料、秸秆制沼气等。2.1　秸秆发电

国外秸秆发电现状:世界生物质发电起源于20世纪70年代,丹麦首先开发清洁的可再生能源,大力推行秸秆等生物质发电。目前,丹麦已建立了15家大型生物质直燃发电厂,年消耗农林废弃物约150万t,提

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(11)·资源与环境·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　资源开发与市场ResourceDevelopment&Market200824

供丹麦全国5%的电力供应。丹麦BWE公司研发的秸秆焚烧发电机组已在丹麦、西班牙、瑞典、法国等国

投产运行多年,此机组容量较大,热效率较高[2]。2007年11月,世界第一个以玉米秸秆为主要燃料的生物质发电项目———国能望奎项目1×2.5万kW机组圆满完成72+24h试运行,并正式投产,成为生物质直燃发电产业发展的一个重要里程碑[3]。

国内秸秆发电现状:在我国,山东省生物质气化技术重点实验室研制成功了秸秆气化集中供气和发电技术,2007年该秸秆能源项目在比利时布鲁塞尔召开的2006年度全球能源奖颁奖大会上获得“全球能源奖”一等奖,它为充分利用我国丰富的秸秆资源开创了新途径。由南京盛泰碳业有限公司投资建设的南京市溧水县革新村1200kW·h秸秆发电机组,利用生物质转化为可燃气体进行气化发电。南京盛泰碳业有限公司的秸秆发电项目建成后,每年除发电600万kW·h外,还生产4000t碳粉、2400t醋酸和240t焦油,经济效益达900万元,其运行成本低于500万元/a[5]。西安市辖周边区县拥有丰富的秸秆资源,利用秸秆发电得天独厚,被列为西安市再生资源产业重点示范项目的秸秆发电总装机容量3.6万kW,年发电量2.6亿kW·h,年消耗秸秆26.4万t。以小麦秆、玉米秆等秸秆为燃料的生物质直燃发电项目———国家电网公司国能河南浚县项目1×2.5万kW机组一次并网成功。国能巴彦生物发电项目是由国能生物发电有限公司投资建设,在哈尔滨市首次以玉米秸秆为燃料的生物发电供热工程,属于高科技、环保型、清洁能源项目。该项目达产后,年燃烧秸秆20万t,年发电量1.44亿kW·h,年实现销售收入9450万元,年创利润2700多万元[8]。

秸秆发电技术:秸秆发电技术包括秸秆直接燃烧发电、秸秆混合燃烧发电、热解气化发电技术[9]:①秸秆直接燃烧发电。直接燃烧发电技术是把秸秆原料送入适合秸秆燃烧的特定蒸汽锅炉中,生产蒸汽驱动蒸汽轮机,从而带动发电机发电,见图1。利用秸秆直接燃烧发电,秸秆中硫的质量分数远低于电厂用煤中硫的质量分数,无需配备昂贵的脱硫装置;灰分易于收集,无需配备静电除尘器而节约用电。②秸秆混合燃烧发电。混合燃烧发电是指将秸秆用于燃煤电厂,使用秸秆和煤两种原料进行发电,主要有两种方式:一种是将秸秆原料直接送人燃煤锅炉与煤共同燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电;另一种是先将秸秆原料在气化炉中气化生成可燃气体,再送入燃煤锅炉与煤共同燃烧生产蒸汽,带动蒸汽轮机发电,见图2。③热解气化发电技术。它是指在气化炉中将秸秆等生物质原料气·1010·[7][6]

[4]

化,生成可燃气体,经过净化供给内燃机或小型燃气轮机,带动发电机发电,见图3。秸秆气化发电可根据规

模的大小选用合适的发电设备,保证在任何规模下都有合理的发电效率;秸秆本身属于可再生能源,可有效地减少CO2、SO2等气体的排放,是所有可再生能源技术中最经济的发电技术。

　　注:1.生物质现场储存区;2.生物质粉碎系统;3.排粉风机;4.锅炉;5.空气预热器;6.送风机;7.除尘器;8.引风机;9.灰渣泵;10.烟筒。

图1　秸秆直接发电流程图

图2　秸秆混合燃烧发电流程图

图3　秸秆热解气化发电流程图

秸秆发电的专利技术:这方面的专利文献报道较多,包括工艺方法上和设备上的改进,如厦门大学研究了利用农作物生物质制氢及氢能发电装置;天津泰达环保有限公司将农田秸秆与城市生活垃圾在焚烧炉中混合燃烧,产生的热能通过锅炉、汽轮机和发电机转化成发电能,供应城市用电;辉县市光泰热电有限责任公司研制了一种煤粉掺烧秸秆发电燃烧器,解决了电厂锅炉掺烧秸秆发电的难题,等等。2.2　秸秆制沼气

以秸秆为原料生产沼气虽受时间和空间限制,但不产生焦油、废水和废气等污染物,可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可解决我国大量秸秆的环境污染问题,还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源,为在更大规模和更大范围内推广沼气提供了原料保障,具有十分广阔的推广应用前景。

2007年,农业部把秸秆沼气化生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。在农村沼气方面,目前全国已建成户用沼气池2200多万口,建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处,年产沼气70多

资源开发与市场ResourceDevelopment&Market200824(11)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　·资源与环境·亿m3。2010年,全国将建设户用沼气4000万户,2015年达到6000万户。目前我国生产沼气主要利用的是畜禽粪便,但畜禽粪便无法保证原料供给和达到上述目标,可收集的畜禽粪便产量不足以生产大量沼气;而秸秆不存在原料来源问题,可就地获得、就地建厂,因此在我国广大农村地区大规模推广沼气就必须利用秸秆资源。

推广秸秆制沼气工程必须采用高效、快速和简单的秸秆化学预处理技术,优化秸秆发酵工艺。2001年,山东省泰安市建成了我国第一个完全以秸秆为原料的厌氧消化生产沼气的集中供气示范项目。该项目发酵罐总容积500m3,年消化玉米秸秆190t,生产沼气4.8万m,生产有机肥料190t,可为全村160户农户提供生活用能。2006年,黑龙江农垦海林农场建设了一个3000m3的以稻草和麦秸为原料的秸秆沼气工程。2007年,北京市又利用该技术在顺义区建成了一个1000m的以玉米秸秆为原料的集中供气工程,可为300户的村庄提供生活用能[10]。山西省泽州县从2002年开始发展农村户用沼气,到2006年底全县沼气、秸秆气化用户3100余户。2007年,晋城市将农村沼气、秸秆气化建设列为新农村建设的“农字一号”工程。全县开工在建和建成沼气总户数达27471户,其中已建成15415户、开工在建12056户,先后在巴公镇南山村和北义城镇西张村等建立起大型沼气工程示范点、北义城镇河底村和周村镇下掌村等大型秸秆气化站示范点、高都镇大路村和周村镇中山村等养殖小区联户工程示范点以及金村镇后掌洼和李寨乡上马台村等户用沼气建设示范点,并在犁川镇水城村和高都镇西刘庄进行了秸秆生物质炉的试验示范点建设[11]。2.3　秸秆还田

秸秆还田是改善土壤理化性状、培养土壤肥力的一项重要措施。秸秆中含有大量的有机物和氮、磷、钾等矿物质元素,秸秆以还田的方式将有机物、氮、磷、钾和微量元素归还土壤,供作物吸收再利用。农业发达的国家都非常重视施肥结构的科学合理性,减少化肥施用量,改善土壤结构。在施肥总量中,把化肥的施用量控制在施肥总量的1/3左右,秸秆还田和农家肥等施用量占施肥总量的2/3,美国、加拿大等国家的小麦、玉米秸秆绝大部分都用于还田。

我国的化肥施用量较大,农家肥施用量正在逐渐减少,导致土壤有机质含量逐年减少,平均仅1.5%。近几年来,我国化肥施用量平均每年增长12%,远远高于世界化肥施用量0.2%的增长速度,使我国占世界7%的耕地的化肥施用量已由占世界总施用量的14%上升到27%,导致不少地方土壤板结硬化。秸秆

33

是我国生物质能资源的重要组成部分,其中玉米秸秆在我国秸秆总量中占有较大比例,农作物秸秆是重要

的有机肥源,秸秆还田是增加土壤肥力的有效措施之一。据报道,秸秆还田后的地块增产幅度为10%—20%,可分别提高氮肥和磷肥的利用率15%—20%和30%左右。同时,秸秆还田可改善土壤物理性质,使土壤耕作性变好[12]。“八五”期间,我国秸秆直接还田技术规程研究已取得了重大突破,制定出了包括华北、西南、长江中游区、江苏水旱轮作区和浙江三熟制种植区的麦秸、玉米秸、稻草直接翻压还田技术规程,包括还田方式、秸秆数量、施氮量、土壤水分、粉碎程度、还田时间及防治病虫害、防治杂草等方面的技术要求,并分析了秸秆还田增产效果的作用机理。“九五”期间,农垦科学院水稻研究所承担了农业部课题,对寒地水田秸秆还田培肥地力技术进行了研究,欲在垦区大力推广水稻秸秆还田技术[13]。江苏省农业机械管理局将秸秆还田及秸秆综合利用技术作为“十一五”计划中的重点工作之一,目前已组成“秸秆综合利用”专家小组,对各有关专项项目配套资金、机具补贴、机具开发及机具选型工作进行了周密的部署。

秸秆还田的方法有多种,胡海生总结了几种方式的秸秆还田技术[15]:一是直接还田。即将作物的秸秆直接施人土壤中或覆盖于农田表面,主要方式有墒沟埋草还田、留高茬机械化返转灭茬还田、留高茬套播还田、铺盖还田、玉米秸秆还田。二是间接还田技术。即将作物秸秆堆腐沤制后还田,包括秸秆堆腐、高温堆腐、秸秆腐熟剂堆腐等形式;秸秆作基料生产食用菌,再将废渣还田以及沼肥还田等。2.4　秸秆作饲料

目前动物、家禽饲料、全价料都多以粮食为主,再添加某些营养成份,以满足畜禽的生长发育需要,但这些饲料成本高、加工复杂、消耗大量粮食。随着农副产品价格的不断上扬,以粮食为主原料的传统饲料成本将进一步提高,因此降低饲料成本,开发新的饲料是一种趋势。据有关文献报道,我国每年农作物秸秆总量的2/3已基本实现了初步利用,但还有1/3左右的秸秆剩余。在利用方面,用作家畜饲料的仅占其总量的15%—20%。秸秆是最廉价的资源,可利用其制造饲料。秸秆的营养成份见表1[16]。

由于秸秆中粗纤维含量高,粗蛋白、粗脂肪、糖类含量低,一般不适合直接用作饲料,因此国内外有关研究人员进行了对秸秆的处理,使秸秆中所含的纤维素、半纤维素和木质素进行降解和转化,以此提高动物的消化吸收率和秸秆的营养价值。秸秆饲料的处理技术分为物理处理技术和化学处理方法,其中物理处理技

·1011·

[14]

(11)·资源与环境·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　资源开发与市场ResourceDevelopment&Market200824

术包括蒸煮、膨化、秸秆碾青、颗粒化和射线照射;化学处理技术包括氨化处理、碱化处理;生物处理技术包括

青贮、微贮、酶解。

表1　不同秸秆的营养成分(%)

秸秆玉米秸小麦秸稻草豆秸谷草大麦秸花生藤

干物质精蛋白粗蛋白粗纤维无氮浸出物91.391.689.392.790.795.291.3

3.52.82.4

9.14.55.811.0

1.21.21.4

1.91.21.81.5

23.940.924.0

44.632.633.829.6

49.141.545.5

31.144.243.441.3

灰分7.95.216.0

6.18.210.47.9

钙0.30.20.0

1.20.30.18.4

磷0.230.030.04

0.200.060.020.04

生产的主要原料,也可广泛用于抽丝织布、无毒塑料、胶片、火药、无毒食品的包装。③秸秆生物反应堆。秸

秆反应堆技术就是采用生物技术,将秸秆转化为二氧化碳、热量、矿物质元素、有机质等,进而培育获得高产、优质、无公害农产品的应用技术。秸秆生物反应堆技术对作物生长可产生四大效应:可使日光温室、二氧化碳浓度提高4—8倍,光合效率提高50%以上,水的利用率提高127%,肥料利用率提高60%以上,所产生的热量可使晚秋、冬季、早春20cm地温增高4—6℃,气温提高2—3℃。3　小结

综上所述,在秸秆的开发利用方面,许多国家都制定了相应的计划,如日本的“阳光计划”、美国的“能源农场”、印度的“绿色能源工厂”等。秸秆产业具有广阔的发展前景,而相关技术的改进则更进一步推动了秸秆产业的普及和发展。

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注:摘自《中国饲料成分及营养价值表》。　　

在秸秆饲料的有效利用方面,罗建成以玉米秸秆为原料,经多菌体发酵生产蛋白饲料;在对培养基进行简单优化的基础上,通过正交试验分析木霉、青霉、黑

曲霉接种量,青霉、酵母接入时间和发酵时间对该试验的影响,得出最佳发酵工艺。结果显示,发酵对固形物蛋白含量降低,发酵液中可溶性蛋白含量增高(512.36μg/ml),与发酵前相比增加112.4%。有研究单位进行了秸秆块饲料的开发,即以玉米等农作物秸秆为原料,经铡切、混料、高温高压轧制而成,营养成分高,适合饲喂牛羊。徐州市农机技术推广站研制了秸秆粉碎还田旋耕机,该机可一次性完成秸秆粉碎、抛撒、旋耕碎土及秸秆覆盖等多道工序。

从当前和长远来看,开发秸秆饲料产品无论是在国际市场还是国内市场都存在着无限商机。由于资源短缺,日本、韩国、东南亚一些国家及台湾地区每年都要进口大量饲草。据有关资料报道,日本每年仅从澳大利亚就进口约100万t块状饲草,但由于路途远、运费高,所以多次寻求从中国进口玉米秸秆、稻草、豆秸等饲草。此外,国内秸秆饲料市场前景广阔,如北方牧区的冬春季节草料短缺,如用秸秆饲料作冬储饲料可解决畜群的饲草问题。同时,在全国范围内,畜牧养殖业(如奶牛、肉牛场)是秸秆饲料的大市场。从畜牧业持续发展的战略高度看,秸秆饲料将是进一步发展畜牧业的重要饲料来源

[10]

。

2.5　其它开发利用途径

黄九柏总结了农作物秸秆综合利用的主要途径

[17]

,包括:①秸秆基料栽培食用菌。以秸秆为基料

栽培的食用菌品种有草菇、平菇、双孢菇、鸡腿菇、香菇等。②其它工业产品生产。将秸秆纤维与树脂混合物在金属模具中进行加压成型处理,可制成各种各样的低密度纤维板材,再在其表面进行处理,可制作装饰板材和一次成型家具,具有强度高、耐腐蚀、防火阻燃、美观大方和价格低廉等特点。秸秆可代替木材和棉花生产高质量的人造纤维浆粕,可作为化纤制品和玻璃纸·1012·