我國農作物秸稈轉化生物能源潛力評估

艾斌凌　鄭麗麗　鄭曉燕　盛占武

摘 要 農作物秸稈是一種價格低廉的可再生資源，燃料化是其資源化利用的重要途徑。以農作物經濟產量為依據，對我國各類農作物秸稈的產量和可收集利用量進行估算，進而評估其生物轉化甲烷和燃料乙醇的潛力。2014年我國農作物秸稈產量達72 836.9萬t，其中可收集利用量達60 986.1萬t。玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈為前三大秸稈資源。河南省、黑龍江省和山東省的秸稈資源是最為豐富。以熱值估算，僅玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大秸稈可折合標準煤量20 177.5萬t?；谖⑸锇l酵工藝估算，我國主要農作物秸稈可生產甲烷1 286.8億m3，或可生產燃料乙醇1 823.5億升。我國農作物秸稈的可收集利用量巨大，以其為原料生產生物燃料具有廣泛的開發前景。

關鍵詞 農作物秸稈 ；可收集利用量 ；生物能源 ；甲烷 ；燃料乙醇 ；潛力評估

中圖分類號 TQ35；X712 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.12.018

農作物秸稈是農產品生產不可避免的副產物，同時也是產量巨大的可再生資源，若處置不合理可能會成為巨大的污染源。另一方面，石油、煤炭及天然氣等化石資源本身帶有明顯的不可持續性，且其大量使用帶來嚴重的空氣污染。在資源與環境的雙重壓力下，以可再生的農作物秸稈生產生物燃料是一種具有廣泛開發前景的替代技術，對于緩解能源供需矛盾，提高農民收入以及改善農村生活條件，促進農業可持續發展具有重要意義。國內關于秸稈資源的研究多集中于農作物秸稈資源調查與統計[1-3]、秸稈資源資源化利用[4-7]、秸稈處置政策研究與綜合效益分析[8-10]等方面。朱建春等[1]分析了1978～2009年我國農作物秸稈產量的變化及其時空分布，這30年間我國田間秸稈總量總體上呈不斷增長的趨勢，其產量分布由西北向東南逐漸增加。王亞靜等[4]對我國各類秸稈資源的可收集利用量進行了估算，并對秸稈用于燃料、飼料、肥料、工業原料以及食用菌基料等用途的適宜性進行了評價。結果表明，我國秸稈可收集利用量非常豐富，適宜于多種用途。目前，有關不同農作物秸稈生產生物能源的潛力評估等方面的研究尚不多見。根據國家統計局公布的2014年各類農作物經濟產量數據，估算我國各類秸稈資源的儲量和可收集利用量，并在各農作物秸稈轉化生物能源的適宜性分析的基礎上，參考相關研究中的生物燃料轉化率，對幾大農作物秸稈轉化甲烷和乙醇潛力進行評估。

1 研究方法

以農作物經濟產量為依據，對我國各農作物秸稈資源的儲量、可收集利用量及其轉化為生物能源的理論潛力進行估算。文中農作物產量數據來源于《中國統計年鑒2014》和中國國家統計局網站（http：//data.stats.gov.cn/）。

草谷比（SG）是指農作物地上莖稈產量與經濟產量之比，又稱農作物副產品與主產品之比。在草谷比和農作物經濟產量已知的條件下，可用下述公式計算農作物秸稈產量。

WS=WP×SG

式中，WS為農作物秸稈產量，t；WP為農作物經濟產量，t；SG為草谷比。

秸稈資源可收集利用量是指在現實耕作管理尤其是農作物收獲管理條件下，可從田間收集并可為人們利用的秸稈資源的最大數量。秸稈可收集利用量一般根據秸稈資總產量和其可收集利用系數來計算，公式表示為：

WGS=WS×IG

式中，WGS為秸稈資源可收集利用量；WS為秸稈總產量；IG為秸稈資源可收集利用系數。秸稈資源可收集利用系數是指可收集利用的秸稈重量占農作物莖稈總生物量即秸稈總產量的比重。

以甲烷和乙醇為例評估農作物秸稈轉化生物能源的潛力，根據秸稈資源可收集利用量和秸稈類生物質生產甲烷與乙醇的實際轉化率來計算。用公式表示為：

WBS=WGS×RB

式中，WBS為甲烷或乙醇產量；WGS為秸稈資源可收集利用量；RB為秸稈生物轉化甲烷或乙醇的實際轉化率。

2 結果與分析

2.1 我國主要農作物秸稈資源儲量與可收集利用量估算

我國是糧食生產大國，農作物秸稈資源產量豐富。根據中國國家統計局網站中公布的2014年我國農作物經濟產量數據，參考其他研究中的草谷比（秸稈籽粒折算系數）[11]和可收集利用系數[4]，計算出農作物秸稈產量和可收集利用量（表1）。2014年我國主要農作物秸稈產量達72 836.9萬t，可收集利用量達60 986.1萬t，其中玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集利用量分別是21 481.0萬、15 420.1萬和11 519.4萬t，分別占到農作物秸稈可收集利用總量的35.2%、25.3%和18.9%，三者之和接近農作物秸稈可收集利用總量的80%，具有廣泛的開發前景。

由于地理位置和氣候條件的差異，不同農作物秸稈的分布與產量各不相同。玉米秸稈是我國第一大秸稈資源，主要分布于東北地區各省份以及河南、河北、山東、內蒙古、山西等華北地區；其次是水稻秸稈，主要分布于湖南、湖北、四川、江西、江蘇、安徽、廣西、廣東等華南和華東地區以及如東北地區的黑龍江；第三大產量的小麥秸稈主要分布于河南、河北、山東、安徽和江蘇等省份。其中，河南省、黑龍江省和山東省的秸稈資源是我國最豐富的，以2013年為例，三省的玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集利用量分別達到5 098.0萬、4 897.9萬和4 062.5萬t。

2.2 農作物秸稈的生物能源開發技術與策略

農作物秸稈是一種儲量豐富價格低廉的可再生資源。由于農業的現代化，工業性生產要素對傳統農業生產要素的替代，大量過剩的農作物秸稈被丟棄，更有大量秸稈被露天焚燒。秸稈焚燒產生大量煙霧煙塵、溫室氣體CO2、以及CO、NOx、苯及多環芳烴等有害氣體[12]，這既浪費資源，還污染環境。因而，以秸稈生物質為原料開發生產生物能源獲得了越來越多的關注。由于秸稈生物質原料的組分多樣性和不均一性（不同來源原料中糖、淀粉、纖維素、半纖維素木質素等的組分差異巨大），以及轉化途徑的多樣性（除了物理和化學方法外，生物轉化法利用酶催化或微生物發酵產生各種化學品）為開發更多生物能源產品提供了可能[13]。圖1所示為利用生物質原料制備生物能源與生物基產品的路線圖[13-14]。以各種農作物秸稈為原料，通過機械的、熱和（或）化學以及生物發酵等轉化工藝，可直接產生熱和電力，亦可生產固體壓縮成型燃料、甲烷和氫氣等氣體燃料以及乙醇和熱解油等液體燃料。

2.3 農作物秸稈轉化生物能源的適宜性分析

農作物秸稈含硫量比煤的平均含硫量低，是一種廉價的清潔能源，直接燃燒獲取熱能是目前其生物質能利用的最主要方式[15]。大多數農作物秸稈的含水率在15%左右[4]，適宜于直接燃燒，亦有幾種秸稈由于自然干燥較困難而可燃性不足，如薯類蔓、花生秧、甘蔗渣以及甜菜渣等。2014 年我國可以直接燃燒利用的農作物秸稈約為55 065.5萬t，占可收集利用量的90.4%。從熱值看，農作物秸稈燃燒產生的熱值比柴薪的低15%；此外，由于農作物秸稈的木質化程度較低，其耐燃性不及柴薪[4]。當前我國農作物秸稈直接燃燒利用主要在農村，基本用于日常烹飪和加熱，其熱能利用率低，僅為5%～15%[16]。通過固體成型技術，即添加一定的粘結劑和水，在一定的溫度和壓力作用下，利用機械壓縮的方法，將秸稈加工成形為棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料，這種固體成型燃料的燃燒特性能得到明顯改善[17]。此外，農作物秸稈通過熱裂解技術生產木炭、生物油和可燃氣等生物燃料。

農作物秸稈通過微生物發酵技術可轉化為甲烷與氫氣等氣體燃料和乙醇等液體燃料，且幾乎所有的農作物秸稈均適宜于轉化這類生物能源。多數木質纖維素原料中，纖維素約占干重的35%～50%，半纖維素占20%～30%，木質素占5%～30%。典型的農作物秸稈，如玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈中包含約70%的可發酵組分，即纖維素和半纖維素[18]。纖維素可分解為葡萄糖，半纖維素可降解為木糖、阿拉伯糖等戊糖以及甘露糖、半乳糖等己糖，這些單糖在微生物作用下最終轉化為氫氣、甲烷以及乙醇等生物燃料。農作物秸稈通過現代加工轉化技術生產氣體燃料和液體燃料等高附加值產品，可推進秸稈的高效利用和轉化增值，從而進一步減少自然資源的浪費及其對環境的污染。

2.4 農作物秸稈轉化生物能源的潛力估算

農作物秸稈的平均熱值約為14.7×103 kJ/kg[19]。以熱值為標準，1 t秸稈熱值相當于0.5 t標準煤，不同種類秸稈的具體折合標準煤量見表2。僅以2014年玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可收集量為例，三者折合標準煤量為20 177.5萬t，相當于當年我國煤炭產量的5%。然而，由于秸稈單位體積的能量密度低，使得其運輸、儲存和使用不便。固體成型燃料的體積縮小了6～10倍，密度可以達到600～1 300 kg/m3，其燃燒特性明顯提升，秸稈的能源利用率顯著提升，是農作物秸稈生物質能利用的有效途徑[20]。

農作物秸稈可以在厭氧條件下熱轉化成氣體成分（CO2、CO、CH4和H2等）和熱解油，這些氣體組分和液體熱解油可以直接用于燃燒獲得熱量或電力，也可用作化工原料進一步轉化成其他液體燃料和化學品[21]。本文對幾大作物秸稈轉化甲烷和乙醇的理論潛力評估基于微生物發酵工藝。微生物水解纖維素為葡萄糖[式（1）]，水解半纖維素為木糖，還有少量葡萄糖、甘露糖和半乳糖等[式（2）]。在之后的理論分析與計算中將半纖維素假定為木聚糖。木糖等戊糖通過磷酸戊糖途徑轉化為葡萄糖[式（3）]。

（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6（1）

（C5H8O4）n+nH2O→nC5H10O5（2）

6C5H10O5→5C6H12O6（3）

葡萄糖發酵產甲烷遵循以下公式：

C6H12O6→3CH4+3CO2（4）

葡萄糖發酵產乙醇遵循以下公式：

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2（5）

由式（1）和式（4）可得，1 g纖維素發酵可產甲烷0.296 g，標準狀態下約為413 mL。由式2、3和4可得，1 g半纖維素（以木聚糖計）發酵可產甲烷0.303 g，標準狀態下約為423 mL。由式1和式5可得，1 g纖維素發酵可產乙醇0.568 g，約0.719 mL。由式（2）、（3）和（5）可得，1 g半纖維素（以木聚糖計）發酵可產乙醇0.581 g，約0.736 mL。不同種類農作物秸稈的組分含量各不相同，由于產地及測定方法等不同而造成同種秸稈的組分含量在不同研究中出現較大差別。本文以小麥秸稈為例，參考趙蒙蒙等[22]測定結果，小麥秸稈纖維素含量為51.2%，半纖維素含量為23.7%。依此計算，1 t小麥秸稈理論上可發酵產生312 m3甲烷或543 L乙醇。

實際研究和生產工藝中，由于底物種類、預處理方式及發酵工藝等不同，秸稈類生物質的甲烷產率為0.112～0.420 m3-CH4/kg-VS，其中小麥秸稈的甲烷產率為0.211～0.382 m3-CH4/kg-VS[23]。為了便于估算，本研究中采用小麥秸稈甲烷產率0.211 m3-CH4/kg-VS作為農作物秸稈的甲烷轉化率，即每噸農作物秸稈轉化甲烷211 m3?；谠摷淄檗D化率和本研究中農作物秸稈可收集利用量估算結果，計算得到的我國主要農作物秸稈轉化為甲烷產量見表3，合計可生產1 286.8億m3甲烷，為我國年天然氣消費總量的75.5%。國家統計局數據表明，2013年全國天然氣消費總量為1 705.4億m3。

根據美國國家可再生能源實驗室研究報告[24]，纖維素乙醇的轉化率可達到79 gal（乙醇）/t（生物質），即299 L（乙醇）/t（秸稈）。依據該乙醇轉化率，2014年我國主要農作物秸稈可轉化乙醇1 823.5億L（表3），為2014年我國燃料乙醇總產量的6.7倍。中國科學院發布的《中國工業生物技術白皮書2015》顯示，2014年我國燃料乙醇年產量約216萬t[25]。

3 結論與討論

3.1 結論

根據農作物經濟產量數據估算，我國農作物秸稈儲量豐富，2014年可收集利用量達60 986.1萬t。秸稈資源的產量與分布各不相同，玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈為前三大秸稈資源，河南省、黑龍江省和山東省是我國秸稈資源最豐富的省份。大多數農作物秸稈均適宜于轉化生物能源，僅玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈三大作物秸稈可折合標準煤量20 177.5萬t，相當于當年我國煤炭產量的5%?；谖⑸锇l酵工藝估算，我國主要農作物秸稈可生產甲烷1 286.8億m3，為當年我國天然氣年消費總量的75.5%，或可生產乙醇1 823.5億L，為當年我國燃料乙醇年產量的6.7倍。利用農作物秸稈轉化生物能源，不僅避免了其處置不當帶來的環境污染，更是農業可持續發展的客觀需求。

3.2 討論

近年來，隨著農業生產方式、農民生活水平及農村能源結構的提高與改變，傳統的農作物秸稈作為燃料等方面的利用量減少，秸稈資源出現了更大規模的剩余，這些剩余秸稈的處置問題日益突出。根據曹國良等[12]估算，在河南省、黑龍江省和山東省這3個秸稈產量最豐富的省份，40%～60%秸稈被廢棄，其中更有一半被露天焚燒。這不僅造成了嚴重的空氣污染，同時也是對寶貴自然資源的浪費。農作物秸稈儲量巨大、價格低廉，然而，其分布分散、體積大以及能量密度低等特點致使收集、運輸及貯存困難，從而制約了其大規模工業化應用?，F階段，我國農作物秸稈資源化利用主要集中在農村日常生活和生產上，直接作為燃料、肥料和飼料的比重較大，而用作工業原料較少[26-27]。通過固體成型技術可將農作物秸稈轉化為固體燃料，通過厭氧消化工藝可轉化為甲烷和氫氣等氣體燃料，通過微生物發酵可轉化為附加值更高的乙醇等液體燃料。農作物秸稈的生物能源化是其高值化利用的重要途徑，不僅可以避免廢棄物處置不當帶來的環境污染以及作物病蟲害發生增加等問題，更是延長農業產業鏈、農業增效、農民增收的重要突破口，亦是實現經濟效益、生態效益和社會效益同步提升的重要基礎。

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