中国生物质原料资源

中国生物质原料资源石元春(中国农业大学,北京100193)[摘要]对我国的有机废弃物(包括作物秸秆、林业剩余物、畜禽类便、林业采伐及加工剩余物、育林剩余物、工业有机废弃物和城市有机数)及可用于生物质原料植物生产的边际性土地(包括宜垦和宜林的荒地现有的能源林地与农地)的相关资料进行了系统收集整理与分析分别提出了它们的资源量及可经济收集量按2007年生物质产出现状与潜力中国生物质资源的年产能为932亿tce,其中有机废弃物和边际性土地分别占41.1%和58.9%;预测2030年生物质原料资源的年产能为11.71亿tce,其中有机废弃物与边际性土地分别占483%和51.7%。[关键词]中国;生物质;原料资源[中图分类号]TK6[文献标识码]A[文章编号]1009-1742(2011)02-0016-08地利用类型和生产模式,并考虑到水分供应(雨养/1前言灌溉)、技术水平、饲料转换效率等多种生产条件和原料是生物质产业之本,一则生物质原料主要要素,从低产出到高产出设计了4种情景,即ms(勉依靠本土,再则产品依原料而定和原料因地域而异。强适宜土地)、MS(一般适宜土地)、S(适宜土地)、凡生物质皆为资源,而原料资源是指其中可以经济VS(最适宜土地)。全球2050年4种情景的生物质收集与利用的部分。生物质原料资源研究是个新领原料年产出潜力(按标煤计)分别为93.26亿t、域概念和边界不尽清晰研究方法也不成熟,文章175.26亿t401.76亿t和502.54亿t,是2005年世是一次研究尝试界石油消费量(38.37亿t)的1.7~9.1倍,各大洲2研究进展与方法和地区的产能潜力如图1所示。005年美国能源部与农业部向美国国会提交过去的一些研究比较零星,且多注重于某一国了一份题为“作为生物能源和生物基产品行业原料家或地区的退化土地和多余农田的生物质原料的产的生物质:年供应10亿t的技术可行性研究”的报出潜力分析,估算结果相当悬殊。2004年荷兰乌德告2)。报告是为实现2030年以生物质燃料替代目勒支大学 Edward Smeets等对2050年全球生物质原前石油消费总量30%的目标,美国本土能否年提供料资源的预测是一项全球性和系统性的专门研10亿t生物质原料的一次论证。研究结果显示,美究。其选择的原料对象是专用能源作物、农业废国本土具有137亿t生物质原料的年产出潜力,其弃物、农林加工剩余物、畜禽粪便及城市有机废弃物结构以农林等有机废弃物及多年生纤维素能源植物等,使用的是 Image模型。研究设计中根据不同土为主,七成来自农业,三成来自林业(见图2)。中国煤化工收稿日期]2010-12-14CNMHG[作者简介]石元春(1931-),男湖北武汉市人,中国科学院院士中国工程院院士中国农业大学教授主要研究方向为土壤学;E-mail: shiyi@ cau. edu.e19冑费J科学1471口收获的残渣□生物源作物次哈拉注每组条状图从左至右依次为情景1至情景4土地情况,即依次为ms,MS,S,vS图1200年全球十大区域生物质能源生产潜力预测(单位:EJ·a1)Fig 1 Productivity potential forecast of biomass energy in global 10 regions in 2005(unit: EJ. a")估算是在不同类型土地与其相适应的原料植物整合后得出的。研究中虽尽力收集整理了已有资料,但资料出处、年代、统计方法不尽相同,完整性也不够。此研上4究结果是初步的,但从中能够看出中国生物质原料资源的基本面貌。3有机废弃物的原料资源量图2美国年产出137亿t生物质原料的构成田Flg. 2 Composition of biomass feedstock of annual3.1作物秸秆output about 1. 37 billion tons in the U.s. [2用“谷草比”估算作物秸秆资源量可以做到相笔者于2006年主持中国工程院可再生能源重当准确。根据2007年全国九大作物产量得出的秸大咨询项目中的生物质能源专项的战略研究,最秆总量是704亿t,总产能是3.55亿te(见表1)。近出版了《决胜生物质》4一书,文章是在此基础上排在前三位的是玉米、小麦和稻谷,分别为撰写而成。釆取的研究方法是先选择原料,后确定3.065亿t、1.49亿t和1.16亿t;其热值(标煤)分别其资源量和可经济收集量,再作资源整合及汇总。约为161亿t0.75亿t和0.50亿t。作物秸秆的选择的原料资源一是有机废弃物包括作物秸秆、林集中产区与主要粮食产区一致,按省份的前五名排业剩余物、畜禽粪便、林业采伐及加工剩余物、育林序是河南>山东>黑龙江>河北>吉林。作物秸秆剩余物、工业有机废弃物以及城市有机垃圾等6类;的现去向有还田、饲料、工业原料、薪柴和露地焚烧二是可能利用的边际性土地包括宜垦和宜林的荒5项,所占份额的有关专项研究结果见表2。文章所地、现有的能源林地与农地。边际性土地产能潜力用的秸秆资源的能源利用系数是0.6。表12007年九大作物的秸秆产量及产热量Table 1 Straw yield and the equivalent energy amount of 9 crops in 2007秸秆量折标煤折标媒农作物谷草比万t单位/万t单位/%单位/万t单位/%稻谷1:0.623l590小麦10929.81:1.36621中国煤化工21.0玉米15231:2.0CNMHG杂粮12豆类1720.11:1.51401.02011年第13卷第2期17续表秸秆量折标煤折标煤农作物万谷草比单位/万t单位/%系数单位/万t单位/%281:0.5682.3油料2568.71:2.02717.7棉花3.20.5431241.9甘蔗l1295.11:0.10.441合计70387注:作物产量引自文献[5];甘蔗秸秆仅为叶部;折标煤系数引自文献[6]表2关于农作物秸秆去处的资料汇集Table 2 Collected date for utilization of crop residues出处总量/亿t年份还田/%饲料/%工业原料/%薪柴/%废弃与露地焚烧/%可能源用途/%业部与美国能源部7.215.7石油规划院农业部8.2200915注标·的数字为存栏量32林业剩余物大,猪多为家庭圈养,无效资源可忽略不计,牛与鸡林业剩余物包括森林采伐剩余物、木材加工的可收集率与规模化饲养程度关系较大剩余物及清林育林剪枝剩余物。据第六次森林表32007年牛、猪、鸡排粪量及可开发资源量资源清查报告等资料,全国木材采伐和加工剩余Table 3 Feces amount and available resource物资源量实物量为7760万t,折标煤4423万t。薪amount of excretion of cattle, swine炭林、用材林、防护林等的育林剩余物年产出为and chicken in 20074813万t,折标煤为2743万t。二者合计12573万t项目猪肉鸡蛋鸡和折标煤7166万to此数值稍低于文献[10]的数体重/kg据(薪材年合理采伐量约1.58亿t,折9006万te)饲养(出栏)周期/d36515060和国家林业局2008年提出的数据(采伐造林剩余昼夜排粪量/0.1(kg·头-1)物1.1亿t木材加工剩余物3000万t,废旧木材6000万t,“三剩物”总量约2亿t)田。文章采用排粪量/7.30.60.0060.0365的是笔者综合整理的,也是数值最低的年产出(12514万t和折标煤7166万t)年饲养数量/(万头·年1)3.3畜禽粪便畜禽粪便原料资源的来源主要是牛、猪和鸡,整粪便资源量/73433390543599054理步骤是饲养周期一每头排粪量一年出栏量一粪粪便收集系数0.601.000.600.60便资源量一可收集资源量一折标煤量,所得结果见粪便可开发量/万t464063390526155432表3。2007年畜禽粪便实物量为12.47亿t,可a.干物质含量/%开发量为8.84亿t,其中牛、猪鸡分别为464亿t、b标煤折算系数0.4710.4290.6430.643339亿t和0.80亿t,折算的年产能(标煤)分别为c标准量(标煤)万t3934.2290.013453279.23934万129095t和4139万,合计为1.0983V山中国煤化工亿tce。畜禽粪便资源量最丰富的6个省份的排序382.7CNMHG是河南>山东>河北>四川>湖南>云南。畜禽粪注标申的数字为存栏量;标煤折算系数根据《中国能源统计年便的收集和利用方式对资源的可收集程度关系很鉴》中的《各种能源折标准煤参考系数18中国工程科学3.4工业及城市有机废弃物量557亿t,所含COD(化学需氧量, chemical oxygen食品/农产品加工业的有机废水废渣和城市污 demand)总量接近2000t,可产沼气110亿m3。水是重要的有机物污染源,也是生物质原料资源。35有机废弃物原料资源总汇轻工业中的谷类磨品、植物油加工、制糖、屠宰、水产表4为2007年我国主要有机废弃物的年产生加工、菜果加工、食品加工、淀粉、酒精、食用酒、造纸量、可用量及按标煤折能的数据。全国有机废弃物等11种行业2007年的工业产值为297万亿元,占的年实物产出量是18.66亿t,可用实物量是同年轻工业产值的39%。有资料估计,中国农产品11.65亿t折标煤3.83亿t,相当于2007年全国加工产生的有机废弃物可生产500亿m3沼气,相当次性能源消费总量的1/7。有机废弃物中757%于3500万te的产能1。全国生活垃圾清运量源自农业,16.1%来自林业,工业加工和城市的产1.52亿t(约含有机垃圾30%),设可用率为10%,出占8.2%。按年产能多少的排序是:作物秸秆可用资源量为0.16亿t,折标煤250万t。据资料统畜禽粪便>采伐及加工剩余物>工业有机废弃物>计,2000年城市垃圾填埋量1.2亿t,可产填埋气约育林剩余物>城市有机垃圾。90亿m3。2007年我国工业和城市污水每年排放总表42007年中国主要有机废弃物的年产生量、可用量及按标煤折能Table 4 Annual productions, available quantity and equivalent energy of major organic wastes of China in 2007年产生量/亿tF可用量化亿t种类可用率/%实物量折标煤实物量折标煤百分比/%作物秸秆7.043.554.22裔禽粪便8.841.106.19林业采伐及加工剩余物200育林剩余物0.270.22工业有机废弃物0.35城市有机垃圾1.520.00.160.0318.6611.65100.04可能源用的边际性土地资源边际性土地”原是经济学概念,在此是指不能用于粮食生产而可以种植抗逆性强的能源植物的荒地和低质农田。4.1荒地中的宜垦地据国土资源部报告,“中国未被利用的土地为24509万hm2,其中可利用而尚未利用的面积占24.6%,其余为难利用的土地”。其后又给出了可利用而尚未利用的土地面积是8874万hm2和“8874万hm2的可利用后备土地中,自然条件相对图3中国宜能荒地的8个重点开发区较好的宜农后备土地面积为7344万hm2lFig 3 Eight focused areas of wasted land for2009年农业部针对可用于发展液体燃料的宜能荒tapping bioenergy in Ch地资源进行了一次以县级为单位的专项调查,其总面积为2680万hm2,比较集中和可列为重点开发原区分别占24%、23%和18%。宜林后备土地多对象的地区有8片(见图3),文章采用的是最新数为土质丘陵和中低山地面积大、分布广、开发潜力据2680万hm2。大,特别是在水热条件良好的西南、华北和黄土高4.2荒地中的宜林地原。V山中国煤化工沙荒地”单独提据国家林业局的报告宜宣林地是指坡度在25°出,是CNMHG木林还可以与防以下的“荒山荒坡”和沙荒地,面积为5704风治沙的生态治理工程相结合。我国科尔沁沙地、万hm21。区域分布上,西南区、蒙新区和黄土高毛乌素沙地、浑善达克沙地和呼伦贝尔沙地这四大2011年第13卷第2期19沙地的面积为10.3万k国家林业局1994表5中国可供生物质原料生产的边际1998年“全国森林资源调查”报告中提出的宜林沙性土地资源(单位:万hm荒地面积为003万hm2,其中内蒙古37.4 Table 5 Marginal land resource suited for producing万加m,甘肃19.6万hm2,陕西752万hm2和宁 mass feedstock in China (unit: 10 thousand hectare夏4.9万hm2。类型面积百分比4.3现林地中的能源林地荒地型边际性土地现林地中的能源林地主要是指薪炭林、木本油宜农地2787料林和灌木林。据2009年第七次全国森林资源清地查报告,天然薪炭林面积145.33万hm2,人工薪炭滩涂地107林面积2940万hm2,合计175万hm21。油料林宜林地累计570434.9荒山荒坡面积343万hm2,灌木林面积5365万hm211根沙荒地700据国家林业局200年资料,至2020年全国能源林现有型边788348.1际性土地培育总规模可发展到1300万hm2,木质能源林边际性890万hm2,其中新造450万hm2,改造440万hm2;2000油料能源林410万hm2,其中新造350万hm2,改造林地累计588360万hm2。每年可提供5400万t干物质,相当于3000万te和年产出670万t生物柴油。油料林3432.14.4现农地中的可能源用地灌木林5365除粮棉油糖烟茶等主要农作物用地外的低质低产农田可作为发展能源作物的潜在边际性土地资源。国土资源部的较早资料是:“截至1996年10月,中国13004万hm2耕地中有低产田50242787万hm2,占耕地面积的41%。”国土资源部2009年发布的资料中,将全国耕地分为15等排在末三环性林地:58312际性农地:200等即13-15等非粮地的面积为2091万hm2。文章采用的是200数据并简化为200万hm2。导致农田国林地面积:2849y\全国耕地面积:1300这些农田低产的原因,一是自然条件和土质差,如沙地、粘土地、盐碱地瘠薄地、旱地、渍涝地等;二是因为产量低而不稳,农民不愿意投肥投工,管理粗放。图4可供生物质原料生产的边际性荒薯类、高粱、菊芋等能源作物具有很强的抗逆性,新林地和农地资源(单位:万hm2的能源用途可以大大提高其经济性和农民投工投肥Fig 4 Sizes of wasted land, woodland and的积极性。4.5现边际性土地资源总汇feedstock(unit: 10 thousand hectare)表5为中国可供生物质原料生产的边际性土地4.6可能源用土地资源的产能潜力资源情况,即可能源用的边际性土地面积为不同类型土地适合发展不同原料植物,可粗略16374万hm2,其中荒地型边际性土地面积8491地提出4种组合:宜农边际性土地-甜高粱/薯类组万hm2,占51.9%,现有型边际性土地面积合、宜林荒山荒坡-能源林组合、宜林沙荒地-能源7883万hm2,占48.1%。其中宜农的边际性土地灌木林组合,以及现能源林地-薪炭林/灌木林/油与宜林的边际性土地分别占292%和70.8%。区料林组合。中国主要能源植物的分布及单位产出见域分布上北部和西部多东部和南部少。图4形象表6经整合后的资源潜力是:在16374万hm2边际地给出了全国农田林地和荒地资源的总貌及可能性土中国煤化工能潜力为s4974源用边际性土地在其中的位置与比重。万CNMHG22140万te,40.3%,林业边陈性土地严能32834万te,占597%(见表7)。20中国工程科学表6主要能源植物的分布及单位产出Table 6 Distribution and the unit output5生物质原料资源总汇of major biomass plants将以上6类有机废弃物资源与经整合后的6类原料主要原料产出/主产品产能/(tce边际性土地的产能总汇于表8,可从中看到中国生植物分布区(t·hm2)产出/thm2)物质原料资源的全貌。即按2007年生物质产出现甜高粱北方60~80(茎秆)4-6状与潜力,生物质资源的年产能潜力为9.312亿te,及全国3~5(籽粒)(乙醇)其中有机废弃物3.83亿te,边际性土地5.49甘薯全国15-20(一般)(乙醇)亿te,分别占41.1%和58.9%。排在前5位的木薯西南华南30(一般)4-6(乙醇)4-6产能潜力大户依次是:宜农荒地(2.21亿tce,占45~75(高产)10(乙醇)1023.7%)、作物秸秆(2.13亿tee,占22.9%)、甘蔗西南华南60~70宜林荒地(1.75亿tce,占18.8%)、现灌木林木本油料全国4.0(籽粒)1.5(油脂)(1.40亿tce,占15.0%)和畜禽粪便(0.77能源林全国3.3亿tce,占8.3%),5项合占产能潜力总量的88.7%932亿t产能中其中612%来自农业灌木林西北及全国(成型燃料)2638.8%来自林业;有机废弃物产能的838%来自注技燃料乙醇的低位发热量为814H4计,1t乙醇的发农业边际性土地产能中60%来自林地热量相当于1te表7中国边际性土地及相应原料植物产能Table 7 Potential energy output of biomass plants of Chinas marginal land适种的原料植单位产能产能潜力边际性土地类型主产品万hm2物及面积比例标煤/(t·hm2)单位/万te单位/%甜高粲35%宜农后备地2787甘薯15%(北)甘薯:2-3燃料乙醇木薯35%(南)其他:4-622现边际性农地2000(不含生物柴油)甘蔗15%(南能源林60%成型燃料宜林后备地荒山荒坡5004油料林20%3.3生物柴油能源作物20%燃料乙醇沙地1820成型燃料1.3成型燃料现边际油料林泊料林生物柴油性林地灌木林5365灌木林2.6成型燃料454974100.0注适种能源植物中的比例分配是估计数;单位产出参数引自表6;产能潜力取中间值表8中国生物质原料资源总汇(按200年产出量)Table 8 Overall amount of various biomass feedstock in China( based on output in 2007)产能/(万边际性面积产能/(亿t·a-1)有机废弃物种类实物量折标煤百分比土地类型折标煤百分比作物秸秆22宜农荒地2.2123.7畜禽粪便6现边际农地林业剩余物0.70宜林18.8采集育林薪柴现薪工业废弃物0.28现油YHE中国煤化工CNMHG0.6城市有机垃圾41,258.92011年第13卷第2期21笔者用国家权威部门对中国农林业发展的需求6结语和产量预测指标(2030年)反推了作物秸秆、畜禽粪便和能源作物产量三项的增长量,三者分别1)中国生物质原料资源十分丰富,其产能相当新增产能1.37亿te、0.45亿t和0.57亿tce,共于现全国能源消费总量的30%左右。计2.39亿tce。即由2007年的年产能潜力9.322)按产能计,中国生物质原料的48.3%来自亿tce提高到11.71亿tce。图5是2007年中国生农林废弃物(565亿tce),1.7%来自边际性土地物质原料资源的状况与2030年增量情况上的能源植物(6.06亿te),或66.7%来自农业,333%来自林业200年实际产能量3833)农林废弃物是资源的循环和再利用,边际性2030年预测产能增量1.82土地是土地资源利用的延伸,二者都是新开发的资源,产品是新开发的产品,不存在与传统产业争夺原07年实际产能量54930年预测产能增量0料与市场折标煤/亿t4)根据不同生物质原料适合加工不同产品的原则,中国生物质原料可替代4.59亿te的石油图5中国2007年生物质原料资源的559亿tce的煤炭和1.53亿te的天然气,可年减状况与2030年增量排CO2约20亿tFig 5 Situation of biomass resources5)中国幅员辽阔,自然条件复杂,生物质原料in 2007 and the increment amount in 2030种类繁多和分散,宜形成以地域和原料为基础和导向的,原料多元化和产品多元化的发展战略;建议采不同生物质原料适合转化加工为不同产品。取液体固体和气体燃料并举生物燃料与生物基产经原料与产品间的搭配与组合,11.71亿tce中品并举的方针,在全国形成以中小型加工厂为主分的392%,即具有4.59亿tce产能的生物质原料宜用于生产液体燃料以替代石油;47.7%即具有559布式的生物质产业布局和网络。亿tce产能的生物质原料宜用于转化固体燃料供热参考文献发电以替代燃煤;13.1%即具有1.53亿tce产能的[1] Edward Smeets, Andre Faaij, Inis Lewandowski. A quickscan of生物质原料宜用于生产气体燃料以替代天然气。其nergy potentials to 2050[Z].2004中稍作处理的是将作物秸秆的一半用于转化纤维素(2]U.s. Department of Energy,U.s. Department of Agriculture.Bi乙醇,另一半用于固体燃料(见图6)。naAs as feedstock for a bioenergy and bioproducts industry The甜高粱和薯类technical feasibility of a billion-ton annual supply[ Z]. 2005木本油料四动画石代[3]中国工程院.中国可再生能源发展战略研究丛书(生物质能1n2作物秸秆口啊卷)[M].北京:中国电力出版社,20081/2作物秸秆[4]石元春决胜生物质M].北京:中国农业大学出版社,2010.林业剩余物[K热发电&d煤炭替代成型燃料[5]中国农业年鉴编辑部.中国农业年鉴2008[M].北京:中国农林地生物质业出版社,2008畜禽粪便口》沼气燃料工天然气替代[6]李京京,白金明, Ralph Overend.中国生物质资源可获得性评有机废弃物[单位:亿tce/a价[M].北京:中国环境科学出版社,1998[7]王峰.秸秆热电厂的发展前景[].控制工程,2008,15图6中国生物质原料资源与相应产品(S1):82-84.整合后对化石能源的替代能力[8]朱成章秸秆是能源资源吗?[].大众用电,200(1):16Fig 6 Overall situation of Chinas biomass17[9]寇建平赵立欣郝先荣等.我国2007年农村可再生能源发fuels once they are integrated展现状与趋势[J].可再生能源,relevant energy products[10]丑修始片物儒些利用原理与技术[M]中国煤化工[11]CNMHG报告[2.08[12]刘英沼气发展的现状潜力与建议[R].北京香山会议,200522中国工程科学[13]李元,中国土地资源[M].北京:中国大地出版社200[18]国家林业局,中国森林资源报告—第七次全国森林资源清[14]温明炬唐程杰中国耕地后备资源[M],北京:中国大地出查[Z].2009版社,2005[19]刘江农产品供求总量平衡研究[M]∥/刘江.21世纪[15]寇建平,毕于运赵立欣,等.中国宜能荒地资源调查与评价初中国农业发展战略北京:中国农业出版社,20041-60J.可再生能源2008,26(6):3-9[20]吕飞杰.农产品中长期发展展望:预测模型与政策分析[16]国家林业局森林资源调查报告[Z],2006.[M]//刘江.21世纪初中国农业发展战略.北京:中国农[17]王涛中国沙漠与沙漠化[M].石家庄:河北科学技术出版业出版社,2000:555-577社,2003China's resources of biomass feedstockShi yuanchunChina Agricultural University, Beijing 100193, China)[Abstract] The data of organic wastes(including residues of crops and forests, animal excretion, agricultural and forestry processing, industrial wastes and municipal organic wastes) and marginal land(including suitableforestland, reclaimable wasteland, existed woodland and arable land) that suited to produce plants were systematially collected sorted out and analyzed. The corresponding resource volume and available volume for economicalharvesting were also put forward. According to the situation and potentiality of biomass products in 2007, it wasconcluded that the total productivity of Chinas biomass feedstock in a year equals to 932 million tce, with organicwastes and marginal land accounting for 41. 1 and 58.9 % respectively. It was projected that to 2030, the an-nual potentials of biomass feedstock will be increased to 1 171 million tce, and the share of organic wastes and mar-ginal land will be 48. 3 and 51.7 %, respectivKey words] China; biogas; material resources中国煤化工CNMHG2011年第B3卷第2期23