生物质能源集成生产系统的研究

武瑞娟，时在涛，赵 磊，徐广印

(1.河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002;2.河南省农业机械技术推广站，河南郑州450003)

生物质能源是以生物质为载体的一种化学态能量，既稳定又储能，原料易得，现代加工转化技术与途径多样，产品既有热与电，又有固态、液态、气态的多种能源产品，以及塑料、生物化工原料等众多的非能生物基产品.此外，生物质能源的生物性使它与农业和农民有着亲密关系，可以帮助农民增收，促进农村经济发展，这些特质与功能是其他所有物理态清洁能源所不具备的［1］.随着人们对生物质能的重视，生物质能转化技术得到迅速发展，许多技术都已经相当成熟［2～6］.但目前生物质能源产业链过短，缺乏系统的生产和技术集成，上、下游企业和农户脱节，整个产业链显得非常脆弱，生物质能源开发利用系统和相关服务体系不健全，制约了生物质能源产业的发展.作者设计了生物质能源集成生产系统，把生物质能转化利用技术集成优化组合，实现生物质能源生产系统集成，转变过去相对单一生物质转化利用的单一生物质能源生产、单个循环的小系统，将生物质资源能源化利用与生产精细化工产品相结合，深度利用、综合开发生物质资源使之增值.建立起多能互补、多种产出、多种经营、结构合理、安全可靠的生物质能源利用体系，从源头上解决污染问题，实现能源梯级利用，产业化经营，集约化管理，建立健全生物质能源开发利用各项环节间的联系，提升生物质能源产业服务水平.促进资源循环利用，提高资源转化率，增加能源产量，增强生物质能源的市场竞争力，延长产业链，实现能源可持续发展.

1 生物质能源系统

1.1 生物质能源系统的组成要素和结构

生物质能源系统包含作为其内在的属性，或者是一种投入的能源生产的材料或设备，能源政策体系，人类生产性活动以及能源从资源收集、运输、加工、转换、分配销售直至最终使用的各个环节所组成的系统.生物质能源系统作为整个国民经济的一个子系统，与自然环境、技术水平、社会经济活动、生态系统都有极其密切的联系.生物质能源系统不但涉及各种自然的生物质能源资源(如秸秆、人畜粪便、加工废弃物、能源作物等)，还包括了大量的人类活动 (生物质原料收集、运输、加工、转换和使用)以及这些活动对自然环境的影响、污染与破坏，是典型的复合系统.

1.2 生物质能源系统与其他系统之间的关系

生物质能源系统和农业系统有密切的关系，生物质能开发利用与农业生产和农村经济社会发展密切相关.生物质能来源于植物和太阳的光合作用，生物质能资源绝大多数是土地上产出的植物及其间接产物，即主要来源于农业生产.直接来源于农业生产的生物质能源包括:(1)农作物秸秆，既是农业生产的副产品，又是最主要的生物质能源之一;(2)农业加工的废弃物，如稻壳、玉米芯等;(3)林业废弃物，由薪炭林或森林抚育、管护、采伐的副产品得到，这也是最主要的生物质能源之一;(4)能源作物，在农业生产中直接为提供生物质能而种植的作物，如用于生产燃料油的油脂植物，以及生产醇类燃料的甘蔗、甜高粱等目前正在得到开发利用.间接来源于农业生产的生物质能源包括:(1)禽畜粪便，动物消化农产品后的废弃物，是生产沼气的主要原料;(2)生活垃圾，其中的可燃物大部分是食品类废弃物以及纸张、纺织品、木材等;(3)工业有机废水，食品、酒精、皮革等轻工业排放的高浓度有机废水，可以生产沼气，而且数量很大.

生物质物流系统是生物质能源系统的重要环节，生物质能源系统的原料、资源、产品的收集、运输、储存、搬运、装卸、回收、集散、加工和信息处理等均属于物流的内容，对这些过程的管理也应是现代物流管理的重要领域，只有包括现代物流管理的生物质能源系统才是完整的生产系统.

生物质能源系统与农业种植系统、养殖系统、工业系统、物流系统、科技环境、社会系统、生态环境和政策等之间相互作用、相互影响形成复杂的生物质能源系统.

2 生物质能源集成生产系统

2.1 生物质能转化技术

生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低，而且劳动强度大，污染严重.通过生物质能转换技术可以高效利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料.生物质能源的使用可以减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染.生物质能转化技术主要包括生物质气化技术，生物质固化成型技术、生物质热解液化技术和沼气技术.其主要涉及到物理、化学、生物等多学科领域的交叉、渗透.生物质气化技术具有就地取材、废物利用、减少污染、使用方便卫生等优点，是目前生物质热化学转化技术中最具实用性的一种.生物质裂解液化技术是最具有发展潜力的生物质利用技术之一.生物质成型技术可缩小生物质原料体积，大大增加燃料的能量密度，以提高利用效率，具有很大发展潜力［5～8］.沼气技术把畜禽粪便、工业生产废水等有机物质在一定条件下经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体，对于改善生态环境和保证经济的可持续快速发展具有重大意义.

2.2 生物质能源集成生产系统的设计

生物质能源从原材料生产、收储运物流过程、生物质能源生产再到能源产品到达消费者手中，这中间要经过很多复杂过程.在这个过程中生物质能生产企业和生产环节间大都是比较松散的，没有统一的组织管理形式，只是处于单个独立运行阶段，联结机制比较脆弱，各利益群体之间缺乏有机结合协作，不利于生物质能生产产业链的延伸和发展.

本研究根据生物质能源转化方式，分析、综合现有生物质能源转化技术，遵循一体化设计理念，按照循环经济的3R原则，以实现产业链整体效益最大化为目标，优化集成现有成熟的生物质能转化利用技术，结合现代化物流管理技术研究设计了生物质能源集成生产系统(图1).构建完整生物质能源产业链，实现其生产和利用整个生命周期过程的清洁无污染.

2.3 生物质能源集成生产系统分析

生物质能技术集成生产系统是一个多学科交叉的复杂系统，是实现能源利用“节流”与“开源”并举的有效途径.系统以生物质资源的收集过程开始，现代化的物流管理技术贯穿始终，物流过程对原料收集运输储存后进入加工利用阶段，此阶段对不同种类生物质资源加工转化技术进行合理优化组合，实现资源的清洁高效无害化转化利用.系统的环境影响和效果不仅仅取决于其转化过程，而是取决于生物质能源从原料生产到产品最终分解的整个生命周期.本研究以秸秆能源为例，对其生产、收集、运输、供给以及转化过程涉及到的物流系统、典型生物质产品生产过程进行分析.

图1 生物质能源集成生产系统Fig.1 The integrated production system of biomass energy

2.3.1 生物质能源集成生产物流系统 物流系统部分是生物质能源集成生产系统的重要环节，生物质能源集成生产系统的原料、资源的收集、运输、储存、搬运、装卸、回收、集散、加工和信息处理等均属于物流的内容.集成生产系统按照现代物流运行的要求，将以前分散实施的与工农业产品及其废弃物流通相关的物质流动过程组织到集成生产系统中来，实现生产系统中原料管理的高效化.将生产上游企业或阶段的废物变成下游企业的原材料，形成贯穿集成生产系统“食物链”中的无形的“链”，继而与其他阶段和系统在全社会范围内形成“食物网”，使生物质及工农业废弃物得到快速有效的循环利用［9］.

生物质能源物流系统是一个基于供应链管理的物流系统，其目标是把涉及到多种生物质能源生产活动的各个环节(以生物质秸秆为例，包括种植、田间管理、收割、田间处理、运输、初加工、包装、储存、最终加工生产、消费使用和回收)纳入到一个大系统进行优化组合.物流系统贯穿生物质能源生产系统的整个生产过程，在生物质能源物流系统中主要有关键性物流流作业流程和支持性物流作业流程2个流程.(1)关键性物流作业流程包括运输作业、库存作业、信息流动及单据处理作业;(2)支持性物流作业流程包括仓储作业、物料搬运作业、采购作业、包装作业、搬运作业、储存作业、信息维护作业.

在物流过程中的关键环节是生物质原料的收集和运输过程，在原料的收集阶段，中国目前主要存在的收集储存模式有分散型收储运和集约型收储运2种模式［10］，其收储运模式如图2和图3所示.其中分散型多为秸秆经纪人负责，原料经纪人管理收购散户，收购散户听从经纪人的调度、安排，从经纪人那里获得报酬.

在生物质能的开发利用中，原料是其中的首要实现环节.依据市场经济模式，与当地的各个乡镇、村建立起原料收购经济组织，以生物质加工利用为中心建立原料收购基地，形成一套完整的生物质原料收储运物流体系，确保生产加工中心有充分生物质原料资源利用.生物质能源物流系统能有效实现生物质原料的收购、运输等环节的节能环保清洁生产过程，利于发展循环经济、环保产业，利于形成发展生物质能源工程的产业链，调整农业结构，促进生态农业发展，实现整个社会生产过程物质的循环可持续发展.

2.3.2 生物质能源集成生产技术系统 生物质能源集成生产系统，包括生物质能源的生产和运输过程的各个环节，在此系统中充分发展能源产业的诱致性演进，用技术的发展促进相对丰富和便宜的资源要素(太阳能、生物质能等可再生能源资源)代替相对稀缺昂贵的要素(煤、石油等不可再生能源).

生物质集成生产技术系统应用生物质能源领域高新技术，充分利用生物质能源技术多学科交叉的特点.在生产过程中与生态农业技术、能源转化技术，精细化工技术等相结合，通过技术手段加强生产过程资源循环利用，实现生产过程废物少排放或零排放，达到生产过程清洁、高效，生产产品多元化，生产与环境协调发展.根据不同生物质原料特点生产不同的能源产品，经原料与产品匹配与整合，在具体地区使用时根据具体地区实际情况，不同生产环节采用适合生物质能技术.例如在农村养殖业发达的地区以畜禽粪便为原料采用生物质沼气技术提供能源和生物基产品;在种植业发达地区采用生物质气化、生物质固化成型技术等提供能源和化工产品;在一些边际性土地上通过种植能源林或其它能源作物提供生物质原料，选择合适生物质利用技术生产能源和化工产品.根据当地气候、农作方式和经济发展水平，因地制宜，采用不同生物质能转化技术组成集成生产系统，将技术优化组合利用，成能源种类多样化，产品多元化的可持续能源供应体系.

在中国生物质能源集成生产系统规模化推广应用，应根据不同区域生物质能资源的特点，利用适合的生物质能利用技术生产加工利用当地的生物质资源，把它转化成最适宜的利用形式，然后再不同区域之间形成不同形式的生物质能利用形式，形成不同形式的生物质能利用互联链，在不同区域之间交叉使用，各取所长，优势互补.

3 结语

1)生物质能源集成生产系统，以循环经济理论原则为指导，以生态农业为基础，从整体出发，协调各个环节效益，统筹管理，环环把关，使生物质能源生产和经营逐步有单独的、相互割裂的生产经营环节走向联合，形成一个从生产资料供应到生产、加工转化、运输、销售、回收利用的集成生产系统.根据中国生物质能的资源特点，紧紧围绕生物质能的原料供应、生产、转换、改质与合成、利用和回收等6个环节进行技术的优化集成，形成具有中国特点的生物质能集成应用系统.

2)生物质能源集成生产系统利用定位在技术集成利用，产品多元化上，从资源特点、经济发展和用能需求、技术成本等方面都符合中国的国情.变被动使用生物质资源为主动使用，解决了能源资源的可持续性，生物质能将成为未来世界的战略性能源.将循环经济理念运用于能源与环境协调发展中，从自然界获取能源的同时不增加环境的负担.充分利用丰富的生物质资源，以及各种有机废弃物，采用现代化的生物质能源技术，结合现代化的物流管理手段，合理优化组合产业结构，发展符合循环经济发展原则的现代化生物质能源、化工产业.生物质能源集成生产系统涉及土地和农民，农林废弃物和非粮能源植物，生物质原料生产和加工转化，机械制造和储藏运输，科技研发和社会服务等方面，是较长的产业链条，这个产业链可以提供许多的工作岗位.同时生物质能源集成生产系统的开发利用，变废为宝使过去丢弃的废弃物增值，使其在市场上销售，获得经济效益.以此废弃生物质资源转化为能源和化工产品利用市，通过市场疏导方式，代替禁止就地焚烧、随意堆放等堵截的方式对其处理，从而达到在治理生态环境污染的同时，增加能源和生物产品供应，保障能源安全的双重效果.

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