生物质及其开发利用的价值与意义

中国科技论坛(2007年9月)第9期生物质及其开发利用的价值与意义孔令刚,蒋晓岚(安徽省社会科学院,安徽合肥230053)摘要:生物质经济是以生物质资源为基础的经济,是一种古老而新兴的经济。生物质经济能够帮助人类较好地摆脱对化石能源的过度依赖保护环境和调整农业经济结构。必须抓住机遇,建立生物质产业发展协调机制,制定生物质产业化发展规划,引进国外先进技术,加大投入,完善政策机制,建立生物质产业集群,实觋国民经济尤其是农业经济的跨越式发展关键词:生物质;生物质经济;能源作物中图分类号:S4:F3文献标识码:A在认识并大规模开发利用石油、铁矿沙等矿产炭的过度开采,化石资源日渐匮乏,能源、原料的短资源及化学氮素发明之前,生物质早已存在。对其缺将成为石油和化学工业发展的瓶颈。另一方面,认识与利用程度的差异演绎了国家和人类截然不传统的石油和化工产业使环境进一步恶化,治理难同的兴衰命运度加大。与此同时,地球上存量巨大的生物质资源1生物质及生物质资源开发却未能得到有效的利用。对石油原料的依赖是现代生物质是由植物、动物或微生物生命体所合成社会最脆弱最棘手的问题之一。可以肯定地说,人得到的物质的总称,分为植物生物质、动物生物质类耗尽所有化石原料的一天终将到来,所以必须找和微生物生物质。据估算,目前地球每年新生成的到能替代化工原材料的物质。美国在生物资源的利植物生物质资源和可再生废弃物资源(包括农业废用方面一直处于领先的地位。我国目前在生物能源弃物、林业废弃物、畜牧业废弃物、水产废弃物和城和有机化学品方面的开发已取得一定的成果,研发市垃圾等)换算约为消耗石油天然气和煤等能源总范围在不断扩大,已出现新的开发热潮2。量的10倍。生物质资源既可当作能源,也可加工成美国生物质资源研究的短期目标是,到2010年日用化学品。美国、欧洲中国、印度、泰国等森林覆对生物质资源的利用量将是表1所示统计量的3盖面积大或为农业国家,生物质资源可以满足能源倍。这将给农业等产业带来相当于150亿-200亿和有机化学品的需要。美元的经济效益。而且,相当于减少1亿吨CO2的为了缓解未来能源与环境的双重压力,世界各排放,等同于减少700万辆汽车尾气排放的效国都十分重视可再生能源,特别是生物质资源的开果。美国化工行业已经开始准备迎接生物质化工产发和利用,生物质资源作为石油煤炭等化石资源的品时代的到来如农产品加工企业Carg公司在20理想替代品已引起了全球的广泛重视。生物质产品世纪90年代初开始开发研究把粮食转变为塑料的正冲击着石油资源,精细化学品以及其他石油资源低成本工艺,取得小试成果后,于1997年同陶氏化化学品。事实上,世界上许多国家已把发展生物质学( Dow Chemical)公司合作,在2002年研究取得突经济作为可持续性发展最重要的战略之一。因为,破性进展投资3亿美元在美国内布拉斯加州布莱传统的石油和化工产业,产品大多是以石油和煤炭尔市建成了第一个世界规模的(13.6万吨/年)用玉等为源头生产的,但随着石油价格的日益攀升,煤米等中国煤化工式图实现新开发可CNMHG基金项目:安微省软科学重点课题“生物经济发展前景与安徽率先推进生物经济产业化对策研究”(2007)部分成果收稿日期:2007-04-15第9期(2007年9月)中国科技论坛101表1美国年使用生物质资源使用量(百万吨/年)人类饥荒与灾难与其对生物质氮素资源的忽视有着生物质资源利用量用途或多或少的联系。工业革命后,用化学氮素逐步替「工业用淀粉30粘合剂\合物\树膻蔬菜油10表面活性剂\油墨\涂料\树代生物质氮素引起了日益严重的生态环境危机,也天然橡胶|0.9轮胎\生活消费品加大了农业生产的风险。1913年人工合成氮素机器木材提取物09油\橡胶的发明,为人类无限制地生产氮素肥料、彻底摆脱对纤维素纺织纤维\聚合物自然氮素的依赖开辟了道路,极大地解放了农业生木质素黏合剂\鞣革\香草醛产力,也产生了日益严重的生态环境危机。由于科学料来源:引自张淑芬,杨锦宗,生物质精细化学品的发展机遇现代化工,26,(4),2006,4技术水平的限制,氮素化肥的使用必然导致环境污染随用量增加而加重。20世纪50年代和80年代先生物降解塑料的工业化生产。后在欧美等发达国家、中国等发展中国家的发达地2历史警示与现实危机区出现了一系列严重的氮素污染问题。这些国家和化学物质逐渐替代生物质实现工业化的同时,地区土壤、淡水近海以及森林生态系统的氮素普遍伴随出现的生态环境危机已经严重危及人类健康和由亏缺演变成盈余状态。土壤中无法存储的氮素渗经济发展。100多年来忽视生物质利用孕育了历史漏到地下水中造成地下水污染,流失到地表水中导悲剧和现实危机,作为应对措施世界各国纷纷将生致江河湖、库富营养化进入海湾和近海中导致海物质的研究与发展作为国家重点战略加以扶持。从洋赤潮,多余的未被作物吸收的氮素以气态形式排2003年开始我国也将生物质能源、生物质材料、生放到大气中造成酸雨增加臭氧层破坏全球气候变物反应器的研究与开发纳入国家中长期发展规划。暖。排放到大气中的氮素化合物通过降水酸雨的形生物质经济这座潜能无比的巨大的冰山,再次浮出式降落到土壤与水体中导致土壤酸化加重水体富水面。生物质经济能够较好地解决能源、环境和“三营养化,降落到森林中导致森林生态系统氮素的进农”问题。我们必须抓住这次千载难逢的历史机遇,一步盈余由此形成恶性循环。中国经济发展中出现建立生物质产业发展协调机制,制定生物质产业化的生态环境问题和迅速发展的经济一样受到全世界发展规划,引进国外先进技术,加大投入,完善政策关注,比如沙尘暴不仅使中国受害,也直接影响韩机制建立生物质产业集群加大科技攻关力度等途国、日本等周边国家。环境污染也造成了严重的经济径,大力发展生物质经济实现国民经济尤其是农业损失严重危及广大人民群众的生命与健康经济的跨越式发展。工业革命前,氮素不足,生物质化学氮素肥的大量使用,不但增加了化石能污被弃之不用为人类带来了严重的饥荒与灾难。在工染也加大了农业风险。化肥价格受世界能源价格严业化之前漫长的历史长河中,人类是在氮素极其匮重影响,石油价格的持续上扬迫使化肥价格不断升乏的情况下,求生存、谋发展的。虽然大气中含有高,为了降低农本增加农民收入,政府必须对化肥78%的氮气,但在这些惰性气体的分子结构未被裂价格进行补贴,化肥补贴进一步增加了农民对化学解成氮原子之前不能被人类所利用。共生固氮的豆氮肥的依赖。随着人口的不断增加和经济的不断发科作物、稻田中的蓝绿藻类等非共生固氮生物闪电展,人类对粮食需求将会不断提高如何在增加食物以及只分布在秘鲁等极少数国家的鸟粪矿成了人类生产的前提下减轻氮素污染,成为全人类关注的焦极为有限的氮素来源。虽然氮素资源极为匮乏世界点问题。为此,自1998年起每隔3年在欧洲的荷上绝大多数国家并没有认识和利用生物质中含有的兰、北美洲的美国亚洲的中国南京分别召开了第丰富的氮素资源。在人烟稀少环境容量巨大的背景二三届世界氮素大会,第四五届世界氮素大会将在下,这些被丢弃的生物质资源对环境不构成任何威拉丁美洲、非洲举行,联合国粮农组织、环境署分别胁但对急需氮素生产食物的人类来说是个巨大的派代表参加了以往的3届氮素大会。世界权威专家遗憾。古代战争古代文明的兴衰与食物丰缺有关,普遍V凵中国煤化工品和化石能造成的食物丰缺与人们对生物质氮素的认识与利用程度有恶性CNMH(根本途径在于对关。从这个角度讲古罗马帝国、巴比伦王国的衰亡、生物质的资源化利用。中国科技论坛2007年9月)第9期3生物质经济与我国传统农业方式所产生的效应。生物质的应用具有悠久历史。人类自从发明火100多年来,世界对中国传统农业的兴趣经久以来,就用木材燃烧做饭和取暖的方式利用生物质不衰。在1973年世界范围的石油危机以及世界“八能源。生物质能源也是人类赖以生存的重要能源。每大”环境公害出现前,世界各国尤其是欧美日等经济年地球上的植物能量相当于目前人类消耗矿物能的发达国家对中国传统农业的关注仅仅停留在理论探20倍,相当于世界现有人口食物能量的160倍。我讨阶段当他们发现只考虑投入产出不考虑环境后国理论生物质能资源相当于50亿吨左右标准煤,是果的农业生产方式无法继续下去的时候,才真正将目前我国总能耗的4倍左右。生物质是人类利用最中国传统农业理论应用到生产实践中来,集中体现早、最多、最直接的能源,目前仅次于煤炭、石油、天在发展有机农业生产有机食品上。世界有机农业的然气居世界能源消费总量第4位,在世界能源总消“鼻祖们无不承认中国才是世界有机农业的真正发费量中占14%。至今,世界上仍有15亿以上的人口源地。国际社会的这一普遍共识和我国目前有机农以生物质作为生活能源。生物质能源是一种再生能业落后于欧美,甚至拉丁美洲的局面形成鲜明对源。只要太阳辐射存在,生物质能就可以源源不断地比。提供。生物质能源更是一种清洁能源。生物质能源生4生物质与生物质能源产与应用可以实现CO2的“零排放”,被称为CO2中生物质是由光合作用产生的各种有机体。生物性的能源可以实现资源和环境的双赢。生物质能源质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能也是未来重要的能源形式。据预测,到2050年利用量形式,它直接或间接来源于植物光合作用,在各种农、林业剩余物以及种植和利用能源作物等生物质可再生能源中,生物质是独特的,它是贮存的太阳能源,有可能提供世界60%的电力和40%的燃料能,更是一种唯一可再生的碳源可转化成常规的固态液态及气态燃料。生物质经济也造就了中国传统农业。可以说,生1)生物质开发的潜力。物质经济是对生物质(包括植物、秸秆枯枝落叶、动生物质能是人类最早直接应用的能源。随着工物及其排泄物、垃圾及有机废水等)资源的开发利业化的不断加速,人们对煤、石油、天然气等化石能用,是一种古老而新兴的经济。中国传统农业是世源的无节制使用,大量的二氧化碳、二氧化硫、粉尘界可持续农业的典范我国的太湖平原珠江平原和等废弃物排放到大气中,严重污染了人类赖以生存的成都平原在土地生产力不断提高的前提下,生态环环境。而使用大自然馈赠的生物质能源,几乎不产生境没有下降很大程度上得益于发展生物质经济实污染,资源可再生且不会枯竭,同时起着保护和改善现了农业的有机循环。其经验可以总结为种植业与生态环境的重要作用,是理想的可再生能源之一。生养殖业、城乡生活与农业、工业与农业、能源与环保、物质能开发利用,目标是把森林砍伐和木材加工剩余环保与农业的5个结合,即将畜禽粪尿、塘泥、城乡物以及农林剩余物如秸秆、麦草等原料通过物理或化人粪尿归还土壤,将剩饭剩菜作为畜禽饲料归还到学化工的加工方法,使之成为高品位的能源,提高使乡村的猪舍、禽舍,农产品加工业废弃物作为农业原用热效率,减少化石能源使用量,保护环境,走可持续料,秸秆等作为农村燃料。这种方式一直持续到发展的道路。以中科院植物所匡廷云院士、中国农业1983年联产承包责任制。全国乡村鱼塘沟渠河流学石元春院土等为代表的生物质能研究领域专家,中的塘泥都得到了充分利用,由于长期的塘泥还田围绕生物质能在实现我国能源结构多样化、确保国家措施,太湖地区稻田高度不仅没有因水土流失而降能源安全中的作用以及生物质能技术开发等问题,以低,反而出现了抬高现象。这些在中国极为寻常的措会议论坛等不同形式展开了激烈讨论。施在世界上其他国家,尤其是当今经济高度发达的中国已探明的石油、天然气煤炭储量分别只够欧美各国十分罕见9。我国在人口经济压力十分巨使用中国煤化工油只够用40年,大的情况下数千年之久农田地力没有下降,生态环矿产CNMH国每年有相当于境没有受到破坏的根本原因,是中国传统农业生产农田生物量的70%,热当量相当于3.5亿吨标煤的第9期(2007年9月)中国科技论坛7亿多吨作物秸秆没有很好利用。其中2亿吨被就我国石油储量是世界的2%,消费量是世界第地焚烧,污染大气;2亿多万吨林地废弃物未被利用二,二氧化硫和二氧化碳的排量分别居世界第一和并构成火灾隐患;相当于3亿吨标煤的25亿吨畜禽第二位。石油进口由1994年的300万吨增加到粪便及大量有机废弃物,未能利用而成为水体的污2004年的1.4亿吨进口依存度达46%。在我国,能染源;1000多万hm2农田因覆盖石油基塑料地膜而源的多元化、可持续、与环境友好以及降低进口依存导致土壤肥力衰退。此外,尚有1亿多hm3(略少于度已是大势所趋。生物质能源是最佳的可再生能现耕地面积)不宜垦为农田,但可种植高抗逆性能源源。太阳能、风能、水能等可再生能源可以提供能植物的边际性土地。这些农林废弃物和边际性土地,量,但不能形成物质性生产;不能像煤炭和石油那样对生物质产业而言是一笔宝贵的能源资源和物质财形成庞大的煤化工和石油化工产业,生产出上千种富。只有秸秆等生物质替代资源的开发速度超过枯化工产品。而生物质既是可再生能源也能生产出上竭速度,经济才是可持续的千种的化工产品,且因其主成分为碳水化合物在生我国农业除了解决13亿人的食物需求外,其潜产及使用过程中与环境友好比石油能源具有独特的在的生物质资源非常丰富,可为人们提供大量的能优势。发展生物质能源可以逐步摆脱因进口石油、天源,仅农业废弃物就可提供约合7x10吨标准煤的然气过程中受制于人的局面以及减少为此付出的外能量,其中农业秸秆产量7×10吨,可产生约交代价在利用我国自身资源的同时要积极引进国3.48×]03吨标准煤,畜禽粪便26×10吨,可产生外的先进技术,包括引进能源植物。北欧种植的多年1.12×I0吨标准煤。表2是对我国各种生物质资源生木本植物“沙莱斯"速生荆条和美国种植的多年生的一个统计草本植物柳枝稷是从众多植物中筛选出来的高产能2)生物质开发的价值和意义。①摆脱对化石能源植物4。一般树木10年成材,一次砍伐;:速生荆条源的过度依赖。生物质能一直是人类赖以生存的重4~5年成材,多次砍伐。柳枝稷的收获可以像割韭要能源,它仅次于煤炭、石油和天然气,位居世界第菜一样连续收获20年,每年可产2吨/hm2,柳枝稷四大能源在整个能源系统中占有重要地位生物质是节水植物,年耗水量只占现有农作物的40%,每能将成为可持续能源系统的重要组成部分,到21世公顷每年能够生产出4725升乙醇。专家估计充分纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将用边际性土地,中国的能源植物能够提供相当于年占全球总能耗的40%以上。我国是一个人口大国,产5000万吨石油的大庆油田的产量。路旁、沟旁、又是一个经济迅速发展的国家,面临着经济增长和河旁、农舍周围以及难以作为粮食用地的土壤可以环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方种植这些能源植物。②保护环境。发展生物质经式开发利用以生物质能为代表的可再生清洁能源,济可以根除有机污染。将作物秸秆、畜禽粪便、林产对实现国民经济可持续发展和环境保护具有重要意废弃物、有机垃圾等农林废弃物和环境污染物为原义l1l。料,使之无害化和资源化,将植物蓄存的光能与生物质资源深度开发和循环利用。发展生表2我国农业废弃物所能提供的能量统计物质经济可以减轻化肥污染6。用生种类数量(I吨)「热值标准煤物质肥料和饲料逐步替代化学肥料和(o°千焦耳)(0°立方米)(0吨)粮食饲料,是减轻化肥污染减轻粮食畜禽粪便32497.841.12生产对环境压力的根本途径。③调农业秸秆546.86蔬菜类废弃物整农业经济结构。开发利用生物质能生活垃圾346.7108对我国农村更具特味意义m几千林业废弃物0.5l1l.13025年来,传统农业一直从事稻麦棉、猪「加工废弃物,9312.24中国煤化工的生产,满足人类合计393111.5CNMHG工业化社会里,农寶料来源:孙水明等中国农业废弃物资源化现状与发展战略农业工程学报,x08:业供初仪厂品的同时以棉毛中国科技论坛(200年月)第9期麻丝烟酒茶糖、果菜皮革等农产品向着食品和轻工产能源,是帮助农村地区脱贫致富,实现小康目标的业方向延伸。我国80%人口生活在农村,秸秆和薪项重要任务。进入21世纪,通过开发生物质能柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等源、生物质材料和生物反应器,发展生物质经济,使商品能源在农村的使用迅速增加,但生物质能仍占种植业不再是粮、经、饲三元结构,而是粮、经、饲、能重要地位。1998年农村生活用能总量2.65亿吨标四元结构将秸秆、畜禽粪便等农业废弃物从污染源煤,其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤,占56.7%。变成宝贵的可以永续利用的清洁电力、清洁燃料、可因此发展生物质能技术,为农村地区提供生活和生再生饲料、有机肥料、可降解塑料、可降解木材。参考文献[朱效民,现代生物技术走进新时代[J].中国创业投资与高科技,2005(1:4-6[2]李晋川.发展生物技术,引领未来经济[门.科技论坛,2006(3):12-143]杜金沛.靳产业革命挑战:生物经济时代的来临[J.经济前沿,2005(10):50-534]张淑芬,杨锦宗,生物质精细化学品的发展机遇[J现代化工,2006(4):24-28.[5] 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