农村生物质能源化利用研究综述.doc

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1、农村生物质能源化利用研究综述摘要：对农村生物质能源进行开发利用已经成为中国可再生能源战略规划的重要组成部分，对生物质能源的开发利用逐渐受到重视，对其开展的文献研究广度与深度也在不断拓展。通过梳理总结农村生物质能源发展相关文献研究，从潜力评价、技术更新、经济效益与环境效益4个方面归纳了现有研究得到的成果与不足，为推动生物质产业持续健康发展提供参考。生物质能源发展潜力巨大，然而近期仍需要政府扶持等外部支持手段来推动其发展，如何推动生物质能源开发利用综合效益提升仍需要进一步深入研究。传统化石能源作为中国长期以来消耗的主体能源，支撑了中国几十年来经济的快速发展，同时也带来了严重的污染问题。随着能源短缺

2、危机与环境污染问题日益严重，以清洁与可再生概念为核心的新能源发展在全球范围内得到关注。其中生物质能因其环境友好、可再生、蕴含量大等特点，近年来成为许多发达经济体能源发展规划的重要组成部分。作为传统农业大国，我国农业生产活动衍生出大量生物质废弃物资源，农村生物质资源具有资源量大、再生性强等特征，具备较高的开发潜力。结合我国农村特点，重点开发农村生物质能源是缓解国家能源约束的重要路径。然而由于生物质资源的低品位与分散性，大量农村生物质并没有得到有效利用，反而被随意填埋与焚烧，成为影响环境的废弃物。积极开发利用生物质资源并将其转化为高品位能源既有利于处理废弃垃圾、改善环境条件、促进生态循环，又有助于

3、缓解能源紧张局面，目前已经成为学界研究的热点问题。影响生物质能源发展的影响因素主要包括资源丰度及可获得性、技术水平、成本经济性、市场接受程度、替代能源价格、外部性及政府政策支持等。本文通过对生物质开发利用相关专题文献进行梳理与综述，从生物质开发潜力、技术经济性、生物质经济效益、生态环境效益4个方面进行述评，归纳生物质开发利用与产业化发展过程中的经验与问题，为农村生物质能源发展提供参考。1农村生物质资源潜力评价研究生物质能广义上指太阳能以化学能形式存储于生物质中，以生物质为载体的能量。目前技术水平下具备开发价值的农村生物质资源一般包括农作物秸秆、林木生物质残余物、禽畜粪便与能源作物等。其中可作为

4、能源作物的常用树种包括麻风树、油桐、乌桕、漆树、油茶、黄连木等。对生物质资源进行有效利用首先需要建立在对生物质资源的充分认识与评价的基础上。早期由于生物质资源空问分布零散、收集统计困难，且经济发展用能以化石能源为主导，对生物质资源的研究资料较为匮乏。随着生物质能成为部分发达国家能源规划的重要组成部分，20世纪90年代开始对生物质资源潜力评价的情景分析研究逐渐增多。近年来学界研究逐步深化，统计与评价方法不断得到改进，对生物质潜力评价的广度与准确度都得到较大提升。Batidzirai界定了4种生物质潜力，包括理论潜力、技术潜力、生态可持续潜力与市场潜力，随之确定了3类评价方法：以资源为重点、以需求

5、为导向和综合评估。目前资源导向方法以空间评估与统计分析为主，而需求驱动方法则主要采用成本供应分析与能源系统建模的方法。Brosowski认为影响生物质潜力的2个最重要因素是土地利用与人口分布，同时不同的来源数据、时问范畴及空间参考都可能引致研究结果的显著差异。通过对德国生物质利用案例的研究，编制了93种生物质潜力估计表，确定德国技术生物质潜力在92.7107122.1107t之间。Miguel提出解决生物质潜力评估不确定性的一种新方法，利用扩展概率函数与蒙特卡罗算法进行估计，并通过敏感性分析得到对不确定性贡献最大的关键参量。哥伦比亚案例的实证研究结果表明，该方法可降低至少30的不确定性。随着气

6、候环境条件的变化、统计资料的更新以及核算方法的改进，国内学者也在多个时期阶段对各区域的资源量进行测算。蔡亚庆运用草谷比法核算了中国省级秸秆资源密度及能源化潜力，估算得到2009年中国秸秆理论资源量约7.48108t，能源化潜力为1.52108t。区域对比显示长江中下游与华北地区资源潜力较大，黄土高原与西南地区资源量较低。左旭重点考察了玉米秸秆的资源潜力与利用途径，估算得到中国2013年玉米秸秆资源量达2.403108t，在各类农作物秸秆中产量最高，主要分布于东北与黄淮海地区，适用于可再生能源的开发利用。刘志彬结合了作物秸秆的草谷参数与能量比率，估算出中国2011年主要农业生物质资源发电潜力为6

7、.833104MW，认为中国农业生物质资源储量丰富，相应生物质发电产业的发展有助于应对能源短缺与环境污染两大问题。Chen开发了多市场价格内生的非线性数学规划模型，以县级区域为作物生产的基本决策单位，确定了各种农作物最佳土地分配、作物市场价格与附属生物质价格等参量，估计了中国残余生物质供应的经济潜力，分析表明，生物质价格为60美元/t时，供应总量在5.47107t以内；当生物质价格大于100美元/t时，中国每年可生产174.4107248.6107t农作物生物质，其中稻草约占47，玉米与小麦秸秆所占比例分别为28与25。对生物质潜力的估计结果存在许多误差影响因素，随着研究的深入，对生物质潜力的

8、评价已经由单纯的理论与技术潜力估算向考虑生态影响的可持续潜力与考虑经济影响的市场潜力方向发展。理论与技术潜力通常根据技术参数进行分类统计与估算，生态潜力与市场潜力则需要进一步考虑多系统均衡以进行综合评价。同时近年来文献中国内外学者都逐渐重视对估计误差中的不确定性的衡量。评价方法的改进为生物质潜力的准确度量提供一定的参考。生物质能在北欧、南美、北美许多国家的能源供应体系中占据重要地位，而国内发展相对滞后，中国充足资源储量蕴含着巨大的可持续发展潜力，未来对资源潜力的研究需要根据可收集潜力、生态潜力与经济市场潜力分类进一步减少误差，对具备商业化利用价值的资源量分布准确评估，为产业发展提供基础依据。2

9、生物质能转化技术经济性研究生物质能属于可转化为固态、液态、气态三相的含碳可再生能源。从生物质获得能量的主要过程包括直接燃烧、热解、气化、液态气化、液化、厌氧消化、酒精发酵和酯交换。经过技术转化，可制取生物柴油、乙醇燃料、固体燃料、生物质燃气、沼气，或用于生物质发电等项目。根据生物质原料和所需能量形式的不同，各种技术都有自身优势。燃烧过程主要转化为热能，气化与热解等方式主要转化为化学能。第一代生物质燃料主要以粮食作物为生产原料，以巴西、美国为代表的部分国家推广的生物乙醇项目常用的原料是玉米、甘蔗与小麦。其生产技术已经较为成熟，然而以粮食作物为主要原料的生产方式与中国的粮食安全存在一定冲突。吴方卫

10、基于农户决策行为的研究发现，中国以玉米为原料的燃料乙醇发展在有限土地的约束下，会对粮食安全产生一定负面影响。为避免生物质能与粮食作物形成大规模土地竞争，现阶段适宜重点开发宜农后备地、荒山荒坡、沙地等边际土地资源用于培养能源农作物与能源林木。近年来以作物残余物为主的纤维素生物质的利用受到学者的广泛关注。由于作物废弃物是农作物2018年3月穆献中等：农村生物质能源化利用研究综述生产的副产品，此类生物质的收集与利用不会形成与粮食作物的土地竞争关系，对粮食价格的负面影响也较小，因此以纤维素为主要成分的作物残余物也成为第二代生物质燃料的核心原料。然而与粮食作物生物质利用相比，纤维素生物质技术相对不太成熟

11、，目前技术经济性表现不佳。Dahlberg提出如果能将林木残余物的70收集为能源原料，则既可满足能源规模需求又不影响森林生态的可持续性。如果将常规木料应用于能源生产，则会与传统木材产业产生竞争关系，生物质能源的生态环境效益也大幅降低。但生物质残余物通常具有7080的高挥发性物质含量，1525的固定碳含量，如部分林木残留物有3050的含水量及3543的含氧量，导致能源密度较低，价值产出效率不高，从而对运输、储存等方面的成本控制提出了较高的要求。对于农村规模化生物质燃烧发电的原料供应，一般有单一生物质燃烧或生物质与煤炭混合燃烧2种替代方案。混合燃烧具有2个优势，一是生物燃料能源转化效率提高，二是实

12、现生物电生产的前期投资成本大幅降低。其缺陷主要在于：为实现更充分的能量转化，混合燃烧需要更繁琐的颗粒处理，对应着更高的预处理成本；另一方面，煤电厂通常并不位于重要生物质资源的富有产区，因此生物质资源供应需要更长的运输距离，这也意味着更高的物流成本。对农村分布式小规模生物质供热需求系统，生物质供热受到的运输成本、储存成本与资金成本约束则更为严重。对技术经济性提出了极高的要求。生物质致密化可以降低一定的运输与储存成本，目前已经成为解决小规模生物质发电机组成本约束问题的重要技术措施。在农村小规模生物质发电技术中，目前具有经济性的主要有内燃机气化和有机朗肯循环（ORC）固体生物质燃烧技术。内燃机燃烧是

13、农村电气化最常见的技术，生物质在低氧环境下部分燃烧生成合成气产物，并进而成为电力供给的气体燃料。然而相较传统化石能源，生物质燃料会提高发电机的运行维护成本，有较大概率降低发电机的使用寿命。合成气组分比例可控性差，总体能量转换性能约20。而生物质ORC技术基于朗肯热力学循环，选用特定的有机流体代替水作为高效循环的换热介质，在小规模能源应用中具有较高的转化效率。中型规模（大于1Mw）的生物质ORC在北欧已经成为一种较为成熟的商业化技术。相较气化炉技术具有工作寿命长、维护成本低、稳定性高等优点，因而在农村电气化中成为优先级较高的解决方案。3农村生物质资源开发经济效益研究传统化石能源产业已经趋于成熟，

14、而生物质的开发利用技术尚存在许多不完善之处，导致生物质利用项目的经济效率有限，同时生物质能源高昂的技术成本与前期资金流门槛约束也阻碍了其产业的发展。另一方面，化石能源价格的波动直接影响到生物质能源的经济效率，当化石能源价格低迷时，生物质能源项目就难以达到合理的收益边界，导致企业缺乏进人生物质行业的激励，因此生物质能源开发的经济效益问题是制约其发展的关键因素。生物质能在国外已经进入产业化应用的成熟阶段，欧美一些发达国家学者从项目绩效、产业规划和宏观市场等视角考虑了生物质资源开发的经济效益问题。对于生物质能源开发项目的经济性研究，部分学者引入了包括净现值、内部收益率和投资回收期等经济绩效指标进行衡

15、量。其中Clereq采用现场调查方式收集了中国海南省生物质废弃物处理项目的经济绩效数据，利用净现值与内部收益率等性能建模工具分析项目绩效，并通过蒙特卡罗模拟分析项目的不确定性。结果显示项目有86的亏损概率，经济表现不佳，至少需要2.19元/m2的政府补贴才能达到盈亏平衡。罗玉和应用能值分析理论研究了江苏兴化5.5MW生物质气化发电项目，认为生物质气化发电的能值产出率低于传统燃煤发电项目，但将其转化为清洁生产机制（CDM）项目后，可获得额外环境减排效益，纠正外部性溢价，从而有效改善项目经营指标，有利于项目长期的发展。由于受到农村地区生物质资源可收集量的约束，生物质能源化项目规模普遍较小，而技术成

16、本和基建成本相对固定，造成单位造价比偏高。相应企业的投资回收期也将延长，给中小企业带来更多的不确定性风险。系列研究体现出目前技术水平下生物质处理项目的经济绩效水平较低，民间资本进入生物质能源领域的激励受限，已经开展生物质能源化项目的企业往往由于原料、设备、成本等原因出现亏损，严重依赖外部政策支持与补贴来维持项目运转。部分发达国家通过将减排效益进行市场化定价，从而实现对生物质能源化项目的外部性效益补偿，目前正在推行的清洁生产机制（CDM）在这方面具有良好成效。一些学者基于宏观市场均衡的视角，分析了生物质能源发展对区域经济的综合影响Hendricks采用投入产出分析方法，构建SAM矩阵估计生物质区域供热（BDH）对纽约农村地区的经济影响，模拟结果表明：生物质区域供热建设每投入100万美元，将产生164万美元的经济产出，派生12.5个就业岗位，同时会为政府贡献可观的直接税与增值税收入。He建