摘要：農(nóng)作物秸稈中含有豐富的有機質(zhì)，是個巨大的能源庫，對其的準確定量是秸稈綜合利用的前提條件。文章以2005年中國農(nóng)作物秸稈資源為例，結合農(nóng)作物秸稈的能源轉(zhuǎn)化方式，定量估算了中國農(nóng)作物秸稈能源化的潛力，為秸稈綜合利用提供參考資料。結果表明，中國每年約有3.995x10⁸ t農(nóng)作物秸稈可作為能源利用，這些秸稈若全部以直接燃燒、鍋爐燃燒、壓縮成型燃燒、沼氣供熱、沼氣發(fā)電、氣化供熱以及氣化發(fā)電等不同轉(zhuǎn)化方式加以利用，則其能源化產(chǎn)品可分別替代化石燃料0.291x10⁸，0.5x10⁸，2.039 x10⁸，0.815 x10⁸，0.258×10⁸，2.217x10⁸和0.5987x10⁸ t標煤。其中氣化供熱能源轉(zhuǎn)化效率最高，可達60.37%，其次為壓縮成型燃燒，能源轉(zhuǎn)化效率達58.26%。秸稈資源用于氣化供熱或者經(jīng)過秸稈顆粒機、木屑顆粒機壓縮成生物質(zhì)成型顆粒燃料潛力巨大。
關鍵詞：農(nóng)作物秸稈；能源；潛力；生物質(zhì)顆粒燃料；顆粒機
0、引言
    中國是農(nóng)業(yè)大國，在稻谷、麥子、玉米、豆類、塊莖作物和棉花等農(nóng)作物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物——農(nóng)作物秸稈，這些秸稈是中國生物質(zhì)資源的重要來源之一。據(jù)統(tǒng)計，中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約7x10⁸t/a。農(nóng)作物秸稈中蘊含豐富的有機質(zhì)，是潛在的巨大能源庫。但是對這個“巨大的能源庫”的定量研究鮮有報導。本文以2005年中國農(nóng)作物秸稈資源為例，結合農(nóng)作物秸稈的能源轉(zhuǎn)化方式，對中國農(nóng)作物秸稈能源化的潛力進行定量估算，以期對中國農(nóng)作物秸稈綜合利用有所裨益。 1.1中國農(nóng)作物秸稈資源量
秸稈是農(nóng)村最主要的農(nóng)作物副產(chǎn)品。由于秸稈產(chǎn)量未列入國家有關部門的統(tǒng)計范圍，其產(chǎn)量通常是依據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量計算得到，表1列出了2005年中國主要農(nóng)作物產(chǎn)量及秸稈資源量。
表1 2005年中國農(nóng)作物秸稈資源量

作物種類		作物產(chǎn)量106t	谷草比	秸稈產(chǎn)量	占秸稈總量的比例
谷物	水稻	180.59	1.0	180.59	24.77
	小麥	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
豆類		21.58	1.5	32.37	4.44
薯類		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
糖類	甘蔗	86.64	0.1	8.66	1.19
	甜菜	7.79	0.1	0.78	0.11
合計		614.86		729.11	100

    由表1可以看出，2005年中國農(nóng)作物秸稈資源總量約7.29x10⁸t，其中玉米秸2.79x10⁸t，麥秸0.94x10⁸t，稻草1.81x10⁸t，這3類秸稈資源量約占總資源量的75.88%。秸稈產(chǎn)量最大的是玉米秸，約占秸稈總產(chǎn)量的38.23%；其次是稻草，約占秸稈總產(chǎn)量的24.77%；麥秸的產(chǎn)量在農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量中占第3位，約占12.88%；豆類秸稈、薯類秸稈、油料作物秸稈以及糖類作物秸稈的產(chǎn)生量相對較少，分別約占4.44%，4.76%，8.44%，1.3%。
根據(jù)農(nóng)作物秸稈的化學組成（表2）可知，2005年中國農(nóng)作物秸稈中含碳總量為3.58x10⁸t。含氫0.44x10⁸t，如果全部燃燒可放出1.74x101⁷J熱量。
表2 農(nóng)作物秸稈的主要化學組成 %

秸稈種類	碳	氫	氧	氮	硫
玉米稈	49.95	5.97	43.12	0.87	0.13
稻草	48.87	5.84	44.38	0.74	0.17
小麥桿	49.04	6.16	43.41	1.05	0.34
其他秸稈	48.63	6.08	44.92	0.36	0.01

1.2可能源化的秸稈資源
中國農(nóng)作物秸稈資源豐富，秸稈主要用于工業(yè)原料（造紙）、畜牧飼料、直接還田、農(nóng)村生活能源等4個方面，各方面所消耗的秸稈資源量及其所占比例見表3。
表3 中國秸稈資源的主要用途

用途	比例 %	資源量/108t
生活燃料	39.6	2.887
畜牧飼料	27.5	2.005
工業(yè)原料	2.7	0.197
秸稈還田及收集損失	15	1.094
廢棄或燒掉	15.2	1.108
合計	100	7.291

    近年來，由于中國農(nóng)村推廣普及省柴灶，提高了炊事用能的熱效率，而且農(nóng)村商品能源消耗比例逐步增加，因此大量農(nóng)作物秸稈被節(jié)省下來，閑置于田間地頭，有的甚至就地焚燒，不僅浪費了資源，而且污染了環(huán)境，這部分秸稈是秸稈綜合利用首先考慮的對象。另外，大部分農(nóng)戶采用傳統(tǒng)爐灶進行炊事，熱效率較低，造成了秸稈資源的浪費，且污染室內(nèi)環(huán)境，這部分秸稈是秸稈綜合利用的主要對象。將這兩部分秸稈資源綜合起來，則2005年中國通過秸稈綜合利用可轉(zhuǎn)化為能源的秸稈資源量約為3.995x10⁸t。
2、中國農(nóng)作物秸稈能源化潛力估算
2.1估算方法
    農(nóng)作物秸稈能源轉(zhuǎn)化方式多種多樣，但主要包括直接燃燒、物化轉(zhuǎn)化和生化轉(zhuǎn)化等3種方式。本文在假設所有可能源化的秸稈在單一的某種轉(zhuǎn)化方式的情況下，估算其可以轉(zhuǎn)化的能源量，并進一步計算其可替代的化石能源量。
2.2不同轉(zhuǎn)化方式下秸稈能源化潛力估算
2.2.1能源化估算條件
    (1)直接燃燒
  直接燃燒主要包括爐灶燃燒、鍋爐燃燒和生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒。爐灶燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，利用效率低，僅15%左右；鍋爐燃燒采用了現(xiàn)代化的鍋爐技術，適于大規(guī)模利用生物質(zhì)，燃燒效率高，可達到60%～80%；顆粒機壓縮成型燃料是生物質(zhì)被壓縮成型后的產(chǎn)品，其密度增大，熱效率提高（可達40%以上）。
    (2)物化轉(zhuǎn)化
    物化轉(zhuǎn)化技術包括3個方面：一是干餾技術，二是氣化制生物質(zhì)燃氣技術，三是熱解制生物質(zhì)油技術。針對農(nóng)作物秸稈的特點以及中國生物質(zhì)能利用技術的發(fā)展特征，本文只選取氣化制生物質(zhì)燃氣為研究對象。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體分為低熱值燃氣和中熱值燃氣，可以大規(guī)模利用的是低熱值燃氣技術。秸稈氣化效率一般為70%，燃氣的低位熱值為4818kj/m3，秸稈氣化的產(chǎn)氣率為2.39m3/kg，燃氣用于供熱的熱效率可達55%以上。產(chǎn)生的燃氣若用于發(fā)電，則平均1.8kg秸稈產(chǎn)生的燃氣可發(fā)電1kWh。
    (3)生化轉(zhuǎn)化
生化轉(zhuǎn)化技術主要是以厭氧消化和特種酶技術為主，本文只討論厭氧消化技術。厭氧消化又稱為沼氣發(fā)酵，是有機物（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等，在一定溫度、濕度、酸堿度和厭氧條件下，經(jīng)過沼氣菌種發(fā)酵（消化）生成沼氣、消化液和消化污泥（沉渣）的過程。各類農(nóng)作物秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣效率見表4，產(chǎn)生的沼氣熱值為20934kj/kg。沼氣燃燒熱效率可達55%～60%，1m³沼氣可發(fā)電1.25kWh。
表4 農(nóng)村沼氣原料總固體含量、實驗室產(chǎn)氣率、實際產(chǎn)生率

原料種類	總固體含量%	實驗室產(chǎn)氣率m3/kg	實際產(chǎn)氣率m3/kg
稻草	80～90	0.40	0.30
麥草	80～90	0.45	0.30
玉米秸稈	80～90	0.50	0.30
高粱秸稈	80～90	0.40	0.30

2.2.2能源化估算結果
可用作能源的3.995x10⁸t秸稈的能源化潛力估算結果見表5。由表5可以看出，在秸稈資源能源轉(zhuǎn)化方式中，能源轉(zhuǎn)化效率最高的是60.37%；其次是壓縮成型燃燒，轉(zhuǎn)換效率為58.26%：轉(zhuǎn)化效率最低的是沼氣發(fā)電，僅為7.37%。如果將可能源化的3.995x10⁸t秸稈資源全部用于氣化供熱和壓縮成型燃燒，則可分別產(chǎn)生9.557 x10¹¹m3燃氣和3.995x10⁸t燃料，節(jié)約化石燃煤2.979 x108 t和2.856x10⁸t，折合2.127x10⁸ t標煤和2.039x10⁸ t標煤．相當于2005年能源消費總量2.233x10⁹t（表6）的9.5%和9.13%。因此，我國秸稈資源在氣化供熱和壓縮成型燃燒兩種能源轉(zhuǎn)化方式上能源化潛力巨大。
表5 中國農(nóng)作物秸稈能源化潛力估算

利用方式		產(chǎn)品量	單位	燃料熱值/kj·kg-1	利用效率/%	節(jié)約化石燃料		折標煤/108t	轉(zhuǎn)化效率/%
						類型	數(shù)量/108t
爐灶燃燒		1.108	億t	15349	15	燃煤	0.408	0.291	8.31
鍋爐燃燒		3.995	億t	15349	60	燃煤	0.7	0.5	14.28
壓縮成型燃燒		3.995	億t	15349	40	燃煤	2.856	2.039	58.26
沼氣發(fā)酵	供熱	1200	億m3	20934	55～60	燃煤	1.142	0.815	23.29
	發(fā)電	1500	億kwh	-	-	燃煤	0.369	0.258	7.37
氣化	供熱	9557	億m3	4818	55	燃煤	2.979	2.127	60.37
	發(fā)電	2222	億kwh	-	-	燃煤	0.838	0.598	17.09

3、結論與建議
    中國農(nóng)作物秸稈資源豐富，2005年秸稈資源產(chǎn)量為7.28x108t，相當于1.74x10n J能量，是個巨大的能源庫。除去用于飼料、工業(yè)原料和直接還田外，約有3.995x108 t秸稈資源可作為能源利用。這些秸稈若全部以直接燃燒、鍋爐燃燒、壓縮成型燃燒、沼氣供熱、沼氣發(fā)電、氣化供熱以及氣化發(fā)電等不同能源轉(zhuǎn)化方式加以利用，則其能源化產(chǎn)品可分別替代化石燃料0.291 x10⁸，0.5×10⁸，2.039 x10⁸，0.815 x10⁸，0.258 x10⁸，2.217 x10⁸和0.5987x10⁸ t標煤，其中以氣化供熱轉(zhuǎn)化效率最高，轉(zhuǎn)化效率可達60.37%，其次為壓縮成型燃燒，轉(zhuǎn)化效率達58.26%。
    中國農(nóng)作物秸稈中雖然蘊含著豐富的能源資源，但是由于利用技術的不成熟、利用對策的不完善，致使很大一部分秸稈資源被低效率地利用，能源潛力不能有效地發(fā)揮。為了更高效地利用中國的農(nóng)作物秸稈資源，建議從以下幾個方面著手促進秸稈資源能源化利用。
    ①加快農(nóng)村能源建設，用新的能源替代農(nóng)作物秸稈，盡量減少農(nóng)作物秸稈燃燒利用量。
    ②結合當前秸稈綜合利用技術水平，確定優(yōu)先發(fā)展對策。例如，目前在秸稈綜合利用技術中，氣化供熱和壓縮成型燃燒技術發(fā)展較、為成熟，秸稈資源的利用可優(yōu)先考慮這2種方式。
    ③加快秸稈能源轉(zhuǎn)化技術研究，促進秸稈利用向商品化發(fā)展。
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