低碳经济下农作物秸秆能源利用需求性分析

周育红 花海蓉 陈 前

（南通农业职业技术学院，江苏 南通 226007）

低碳经济下农作物秸秆能源利用需求性分析

周育红 花海蓉 陈 前

（南通农业职业技术学院，江苏 南通 226007）

本文介绍了农作物秸秆能源利用的几个途径，从能源短缺、环境压力、秸秆过剩数量压力以及发展农村经济等方面分析了在低碳经济下秸秆能源利用的需求性和紧迫性，提出应该加强秸秆能源利用技术研究，大力推广秸秆能源利用。

农作物秸秆；能源；利用；环境污染

低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。近年来，发展低碳经济已成为中国经济发展的大趋势，农作物秸秆作为农业生产的主要副产物，是农村重要的物质资源，秸秆能源利用就是把低碳经济的发展理念应用于农业系统中，在农业生产中把秸秆重新利用，实现农业发展和生态环境的双赢。我国是一个农业大国，每年可生产农作物秸秆数亿吨，是世界上秸秆资源量最为丰富的国家之一，农作物秸秆大部分用于农村生活能源被烧掉，另有一部分被丢弃在田间；秸秆的丢弃或焚烧造成了资源的巨大浪费，不仅严重影响了我国的生态环境以及交通安全，而且还危害着人类的健康和安全。总的来说，秸秆目前还处于高消耗、高污染、低产出的状况，未能得到高效合理的开发利用，因此，秸秆资源的合理、有效利用已成为亟待解决的问题。

1 农作物秸秆能源利用技术

1.1 农作物秸秆综合利用技术

综合起来，秸秆利用主要途径为“五料”，即肥料、燃料、饲料、基料及工业原料。秸秆肥料化是指秸秆通过直接还田、动物过腹还田以及积制、堆沤肥等技术使之肥料化，可以改善土壤理化性状，增加土壤有机质，活化土壤，有利于农作物的正常健康生长；秸秆饲料化是指秸秆通过经过一定的物理、化学或生物方法处理，打破秸秆营养物质障碍，把秸秆转化为营养丰富的优质饲料来用于发展养殖业；作为工业原料是指利用秸秆天然纤维素纤维生物降解性好的特性，将其作为纸浆原料、保温材料、包装材料、各类轻质板材的原料，或从中提取淀粉、木糖醇、糖醛等；秸秆是食用菌栽培的基础材料，秸秆袋料栽培食用菌，是目前利用秸秆生产平菇、香菇、金针菇、鸡腿菇的常用方法；秸秆用作燃料是指通过秸秆能源化利用技术产生燃气、燃油等可以供热、发电等用途。

1.2 农作物秸秆能源利用技术

农作物秸秆能源转化的主要方式有直接燃烧（包括通过省柴灶、节能炕、节煤炉燃烧及直燃发电）、固化燃料（固体成型为颗粒、块状和棒状燃料）、气化燃料（包括生物质燃气、沼气）和液化燃料（包括燃料乙醇和生物原油）等。

1.2.1 秸秆生物气化

又称秸秆沼气技术，是指以秸秆为主要原料，经微生物厌氧发酵作用生产可燃气体——沼气的秸秆处理利用技术。采用此技术处理秸秆，可通过化学、物理和生物等预处理方法，改善厌氧发酵效果，提高沼气产量，能生产农村急需的高品质清洁能源；同时产生的沼渣、沼液具有高肥效、低成本的优势，对改善植物与环境的互作关系、增强植物的抗逆能力、提高作物的产量、改进农产品品质等具有重要作用。

1.2.2 秸秆热解气化

就是将秸秆转化为气体燃料的热化学过程。秸秆在气化反应器中氧气不足的条件下发生部分燃烧，以提供气化吸热反应所需的热量，使秸秆在700℃～850℃左右的气化温度下发生热解气化反应，转化为含H2、CO和低分子烃类的可燃气体。得到的可燃气体既可直接作为锅炉燃料供热，又可以经过除尘、除焦、冷却等净化处理后，为燃气用户集中供气，或者驱动燃气轮发电机或燃气内燃发电机发电。

1.2.3 秸秆固化成型燃料

秸秆固化成型燃料是指利用机械设备，在一定温度和压力作用下，将农作物秸秆粉碎后再压缩制成规则的、密度较大的棒状、块状或颗粒状等成型燃料。秸秆挤压成型后，密度可达0.8～1.3t/m3，热值可达15～17MJ/Kg，燃烧特性明显改善，且贮存、运输、使用方便，是在一定领域代替木材、煤炭的理想燃料。

1.2.4 秸秆直接燃烧发电

秸秆直接燃烧发电技术类似燃煤技术，燃烧产生的蒸气通过汽轮机或蒸汽机系统驱动发电机发电。秸秆燃烧发电技术可分为直接燃烧、气化燃烧和混合燃烧发电等几种技术类型。

1.2.5 秸秆液化

是指是通过不同的工艺，将秸秆液化为生物油或液化油的技术。秸秆液化主要包括水解液化、热解液化和直接液化三种技术。此不同于目前已应用的生物柴油和粮食乙醇等第一代生物燃料技术，它是利用农林废弃物等生物质为原料来制备液体燃料的新一代生物能源技术，能解决用作物籽实生产生物柴油和乙醇等第一代生物能源占用耕地、与人抢粮的致命缺点，被称为第二代生物能源。得到的产品可以完全与目前的车用液体燃料系统相兼容，不需要对目前的车辆系统做出任何调整，便于推广；此外，生物质合成油产品质量非常高，基本不含硫和芳香化合物，污染排放指标优于传统石油产品，属于清洁燃料。

2 农作物秸秆能源利用需求性分析

为了应对全球气候变化和石油价格不断上升等问题，进入21世纪以来，世界各国非常重视发展替代能源，提出明确的发展目标，积极制定新的能源发展战略、法规和政策，能源多元化和发展可再生能源已成为世界发展之大势。我国是能源消费大国，能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源，而化石能源资源的有限性及其开发利用过程对生态环境造成的巨大压力，制约着经济社会的可持续发展，开发清洁的可再生能源已成为我国能源领域的一个紧迫课题。生物质能作为一种环境友好的可再生能源，是唯一可存储和运输的可再生能源，是国家重点鼓励发展领域之一。

2.1 开辟新能源，解决能源危机

近十几年来，化石能源储量逐渐减少耗竭，越来越引起全世界的关注。据国际权威机构测算，从全球现有石油、天然气和煤炭可采储量、储量增长潜量及待发现量来看，石油还可用92年，天然气和煤炭分别可用63年和90年，可见21世纪将是化石能源换代世纪。

我国能源资源短缺，消费结构单一，需求增长，石油进口依存度高，形势十分严峻。我国2005年一次能源消费结构中，煤炭占68%，石油21%，天然气3%，水电7%，即其中化石能源占了92%，核能与可再生能源不到1%，这种能源结构必然导致对环境的严重污染和可持续低。据专家估计，我国可用煤储量1145亿～1892亿t，按2004年开采量计，可用60～100年，石油可开采资源量150亿t，约能用到2040年。我国能源的紧张，突出地表现在石油上，储量仅占世界总量的3%，消费是世界第二，其需求持续高速增长。1990年的消费量突破1亿t，2000年达2.3亿t，2004年达3.2亿t。我国自1993年成为是有进口国后，2004年进口量达到1.4亿t，依存度46%；预测2020年的石油消费量将达到4.5亿t，进口2.5亿t，依存度将超过55%。我国经济的高速发展，必须建立在能源安全和有效、持续供给的基础上，资源短缺与需求剧增的矛盾激化以及石油产品价格飙升的严峻挑战，已越来越深刻地影响我国经济的健康发展和安全，在厉行能源节约和加强常规能源开发的同时，改变目前的能源消费结构，向能源多元化和可再生清洁能源时代过渡，已是迫在眉睫。

农作物秸秆含碳量约为40%，其能源密度约为14.0～17.6MJ/kg，即燃烧热值相当于标准煤的50%，秸秆本身作为某些物质和能量的载体，是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%，预计到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能源的40%以上，如何让农作物秸秆能源发挥最大的效益，目前已成为越来越多的国家广泛关注的问题，并且已经把农作物秸秆等可再生资源的转化利用列入社会经济可持续发展的重要战略。

丹麦是世界上最早使用秸秆发电的国家，其阿维多发电厂建于上世纪90年代，被誉为全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一，该电厂每年燃烧15万t秸秆，可满足几十万用户的供热和用电需求；和煤、油、天然气相比，秸秆成本低、污染少，是电厂认为最划算的燃料；此外，秸秆燃烧后的草木灰还可以无偿地返还给农民作为肥料。使用秸秆发电，电厂降低了原料的成本，百姓享受了便宜的电价，环境受到保护，新能源得以开发，同时还使农民增加了收入，串联起了一个“黄金圈”。但目前我国这样的专业发电厂很少。如今已有130家秸秆发电厂遍及丹麦，秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24%以上。丹麦BWE发电技术也在西班牙、英国、瑞典、法国等国投产运行多年。丹麦建有许多小型的利用农作物秸秆的气化炉，用于家庭冬季供暖。

农作物秸秆在美国的用途很广，其利用农作物秸秆气化发电技术的总装机容量已达9×103MW，单机容量达10～25MW，预计2020年将达3×105MW，有关农作物秸秆与纤维素乙醇的提炼，则是秸秆综合回收利用在美国的最新进展；近年日本地球环境产业技术研究机构与本田技术研究所共同研制出从农作物秸秆纤维素中提取酒精燃料的技术，向实用化发展；德国农场3000多个沼气工程中，超过60%的工程采用玉米青贮秸秆与畜禽粪便混合厌氧发酵来生产沼气并用来发电。

据有关资料，如果我国产生的农业废弃物按目前的沼气技术水平能转化成沼气3111.5亿m3，户均达1275.2m3，可解决农村能源短缺。以农作物秸秆为例，将目前的7亿t秸秆转化成电能，按1kg秸秆产生电1kWh计算，就具有产生7亿kWh电能的潜力。

2.2 缓解环境压力，改善生态环境质量

众所周知，过分使用化石原料已造成严重的环境污染，减排温室气体和减缓全球大气变暖已成为人类的共识。我国以化石能源为主的能源消费量剧增，对环境压力越来越大。2003年的二氧化碳排放量达到8.23亿t，居世界第二位，二氧化硫的排放量也超过了2000万t，居世界第一位，酸雨区已占到国土面积的30%以上。我国氧化碳排放量的70%、二氧化硫的排放量90%、氮氧化物排放量的2/3均来自燃煤。预计到2020年，我国氧化碳的排放量、二氧化硫的排放量将分别超过我国环境容量的30%和46%。在未来几十年，我国将面临国际公约以及二氧化碳减排的巨大压力。

秸秆是一种很好的清洁的可再生能源，其利用方式充分体现了环保和绿色。首先，秸秆纤维中的碳占绝大部分，小麦、玉米等主要粮食作物秸秆的含碳量约占40%以上，而且其平均含硫量只有3.8‰，而煤的平均含硫量约达1%，与矿物能源相比，秸秆在完全燃烧后释放出的SOX、NOX、灰分等要小得多；同时，秸秆生产和能源利用过程还具有二氧化碳零排放特性，由于秸秆在生长时需要的二氧化碳相当于利用它时排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，是减排二氧化碳的最重要的途径；另外，通过气化，松散的秸秆变成燃气，供应给农户使用，又避免了秸秆的随意焚烧而带来的环境污染以及随意堆放而带来火灾隐患，改变了村庄的面貌，减少了家庭的炊事时间，改善了厨房的环境卫生。

2.3 克服秸秆过剩，解决资源浪费

我国是农业大国，大部分地区盛产粮食作物，秸秆的年产量也非常可观，且呈逐年增加的趋势，见表1。

表1 我国主要农作物秸秆资源量（107t/y）

由上表可见我国秸秆的资源量增加较快，秸秆利用方式主要有：还田、饲料、工业原料、薪柴和露天焚烧，其中还田占15%、饲料20%、工业原料4%、薪柴45%、露天焚烧16%，依次参数，秸秆资源在有61%可用于能源，即在不改变秸秆现有用途的前提下，每年可用做生物质原料的秸秆数量巨大并呈逐年上升趋势。

另外，近几年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，与随种植业发展秸秆产出量增加相反，农民对秸秆的燃烧利用却减少，从而使农作物秸秆出现过剩，山东、福建、吉林、河南等地区，本身的煤炭资源就十分丰富，很多农户已经选用较为清洁和使用方便的煤、油、电、气作为日常生活用能。

秸秆还田虽然可以补充土壤中的有机质含量，提高土壤肥力，但是在目前耕作条件下，秸秆还田并不是越多越好。这是由于中国大部分地区复种指数高，倒茬间隔时间短，加之秸秆碳氮比高，不易腐烂。秸秆还田常因翻压量过大，土壤水分不适，施氮肥不够，翻压质量不好等原因，出现妨碍耕作、影响出苗、病虫害增加等现象，有的甚至造成减产。因此，秸秆还田并非多多益善，需要根据实际情况，尤其是土壤肥力状况，量田定还。化肥也替代农家肥而广泛使用。因此，秸秆剩余量就更为丰富，秸秆能源浪费量也更为惊人。

秸秆产量过剩的趋势不可逆转，只有通过能源利用技术实现工业化生产才能解决秸秆大量过剩问题。

2.4 发展农村经济，改善农民生活质量

我国有8亿农民，农业和农村经济还比较落后，正在大力推进现代农业和社会主义新农村建设，在发展农村经济上，就必须延伸生产链条，拓宽生产领域和农民增收渠道；在社会效益上，要推进农村工业化和中小城镇建设，缩小工农和城乡差别，充分利用农村劳动力；在生态效益上可以通过对农业废弃物的处理和利用使之无害化和资源化，推进资源化节约和循环使用，改善农村环境状况，改善农村生活能源的消费水平和质量。

在这种形势下，使得农作物秸秆能源利用成为必需，秸秆热解气化、液化等技术，符合我国高速发展的经济形势，大大降低煤、天然气等化石能源的使用量，提高能源综合利用效率，减少污染，对新农村建设，构建节约型社会，保障能源供应，提高农民生活质量、健康水平和文明程度，从长远的能源发展战略角度出发，是改变我国能源结构、实现科学用能的重大举措。

3 研究结论

本文在介绍了农作物秸秆能源利用的几个途径基础上，从能源短缺、环境压力、秸秆过剩数量压力以及发展农村经济等方面分析了在低碳经济下秸秆能源利用的需求性和紧迫性。

研究充分表明：

第一，近年来发展低碳经济已成为中国社会经济发展的大趋势。尤其为了应对全球气候变化和石油价格不断上升等问题，进入21世纪以来，世界各国非常重视发展替代能源，提出明确的发展目标，积极制定新的能源发展战略、法规和政策，能源多元化和发展、可再生能源已成为世界发展之大势。农村秸秆能源利用就是把低碳经济的发展理念应用于我国社会主义新农村建设的重要实践与途径之一。

第二，我国是能源消费大国，能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源，而化石能源资源的有限性及其开发利用过程对生态环境造成的巨大压力，制约着经济社会的可持续发展，开发清洁的可再生能源已成为我国能源领域的一个紧迫课题。生物质能作为一种环境友好的可再生能源，是唯一可存储和运输的可再生能源。

第三，我国是一个农业大国，每年可生产农作物秸秆数亿吨，是世界上秸秆资源量最为丰富的国家之一，农作物秸秆大部分用于农村生活能源被烧掉，另有一部分被丢弃在田间。秸秆的丢弃或焚烧造成了资源的巨大浪费，不仅严重影响了我国的生态环境以及交通安全，而且还危害着人类的健康和安全。同时，我国秸秆目前还处于高消耗、高污染、低产出的状况，未能得到高效合理的开发利用，因此，秸秆资源的合理、有效利用已成为亟待解决的重要生态环境问题。

第四，过分使用化石原料已造成严重的环境污染，减排温室气体和减缓全球大气变暖已成为人类的共识。我国以化石能源为主的能源消费量剧增，对环境压力越来越大。在农业生产中把秸秆重新利用，能够有效缓解环境压力，改善生态环境质量，实现农业发展和生态环境保护的双赢。

第五，我国有8亿农民，农业和农村经济还比较落后，目前正在大力推进现代农业和社会主义新农村建设，通过对农业秸秆等废弃物的处理和利用使之无害化和资源化，推进资源化节约和循环使用，改善农村生态环境状况，改善农村生活能源的消费水平和质量。从长远的能源发展战略角度出发，推动秸秆循环利用是改变我国能源结构、发展农村经济，建设社会主义新农村的重大举措。

总之，随着石油、煤等不可再生资源的日益枯竭，农作物秸秆作为一种宝贵的可再生资源，得到有效地利用已是必然趋势。我国农作物秸秆资源丰富，分布广、种类多、产量大、质量高，但是利用率还不是很高，在未来的发展中，我国应积极利用世界先进技术，结合本国现有条件，加快秸秆能源转化技术研究，通过广泛宣传和政府多渠道扶持，大力推广秸秆能源利用，促进秸秆利用向商品化发展，从而转变农业增长方式、发展农业循环经济，给农民增收带来新的途径，并且减少污染物排放，改善环境质量。

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Study on the Necessity of Energy Utilization of Crop Straw in the Low-Carbon Economy

ZHOU Yuhong HUA Hairong CHEN Qian

(Nantong Agriculture Vocational Technological College, JiangSu NanTong 226007)

In this paper, we recommend the energy utilization of crop straw; analyze the necessity of crop straw in the low-carbon economy from energy shortage, environment pressure, excess straw and rural economy development; We must strengthen study and spread on energy utilization of crop straw.

Crop straw; Energy; Utilization; Pollution

X32

A

1673-288X（2012）04-0104-05

周育红, 工程师、副教授,主要研究方向为固体废物处理与利用