咸宁市秸秆资源潜力估算及能源化利用分析

来源:用户上传      作者: 聂飞 王宇波

　　摘要：以低山丘陵地区的咸宁市为例，通过对该地区秸秆资源量的科学测算以及对秸秆能源化利用分析，指出低山丘陵地区秸秆能源化利用应以适度规模的秸秆气化和秸秆沼气发酵工程为主要方式，减少秸秆废弃量，促进秸秆还田，提高农业可持续发展能力。
　　关键词：低山丘陵区；秸秆；能源化利用
　　中图分类号：Ｓ２１６．２ 文献标识码：Ｃ 文章编号：0439－８114（２０11）24－5075-04
　　
　　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｓｔａｔｕｓ ｏｎ Ｃｒｏｐ Ｓｔｒａｗ ｉｎ Ｘｉａｎｎｉｎｇ Cｉｔｙ
　　
　　ＮIE Ｆｅｉ，ＷANG Ｙｕ-ｂｏ
　　（Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６８，China）
　　
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔａｋｉｎｇ Ｘｉａｎｎｉｎｇ cｉｔｙ which located in hilly region ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｃｒｏｐ ｓｔｒａｗ in this region was estimated； Aｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｒｏｐ ｓｔｒａｗ was analyzed． It was suggested that ｃｒｏｐ ｓｔｒａｗ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｔｒａｗ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒａｗ ｂｉｏｇａｓ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓａｖｅ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｒｏｐ ｓｔｒａｗ， ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｓｔｒａｗ ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｏｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ of ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ．
　　Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： hｉｌｌｙ ｒｅｇｉｏｎ； cｒｏｐ sｔｒａｗ； eｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
　　
　　低山丘陵地区是我国农业发展潜力最大、开发难度较小的地区之一，并且劳动力资源充足，开发市场广阔。我国每年农作物秸秆产量约７亿ｔ以上，由于受气候和地势的影响，低山丘陵地区土壤有机质含量低，酸性较强，土质黏重，耕地水土流失现象严重，旱地农作物秸秆还田率较低，加之对该地区秸秆资源开发利用方式落后，作为能源利用时效率很低，导致农村能源缺乏加剧而更多地依赖柴草，使低山丘陵地区土壤贫瘠。以低山丘陵地区的咸宁市为例，对该地区秸秆资源量进行了科学测算，分析了目前咸宁市秸秆能源化利用现状，提出了有效开发利用该地区秸秆资源的途径，以期为低山丘陵区秸秆能源化利用及相关产业发展提供参考。
　　１ 咸宁市秸秆资源量及分布
　　咸宁市位于湖北省东南部，是武汉城市圈核心城市之一。全市面积９ ８６１ ｋｍ２，其中山地、丘陵地区占８３．６％，总体构成鄂东南低山丘陵地带［１］。咸宁属亚热带大陆性季风气候，气候温和，山区矿产资源丰富，降水充沛，日照充足，四季分明，无霜期长，历来是重要的农业生产基地，除水稻外，棉花、苎麻、甘薯，经济林木的油茶、油桐、鸟柏、茶叶以及柑橘等，都占有重要地位。
　　１．１ 咸宁市秸秆资源潜力估算
　　２０１０年秸秆资源量的计算是根据咸宁市作物产量与对应作物的草谷比所得。因地域、作物种类、气候条件等不同，作物产量、草谷比参照咸宁市统计局资料及相关文献确定［２－４］。
　　由表１可知，咸宁市每年秸秆资源量为１３６．１９万ｔ，其中稻草９２．１８万ｔ、玉米秸秆１０．２７万ｔ、蔗渣１０．３２万ｔ、油菜秸秆９．３８万ｔ，以上４种作物秸秆量达到秸秆总量的８９．７％。
　　选取水稻秸秆、玉米秸秆、蔗渣、油菜秸秆作为主要作物秸秆。由图１可知，２００５～２０１０年4种农作物（水稻、玉米、甘蔗、油菜）的产量呈逐年稳步上升趋势，２０１０年为１２２．１５万ｔ，较２００５年增长了２４．８６％。国家在２０１１年开展了全国粮食稳定增产的行动，引导粮食主产区的农民开展农田水利基础设施建设，旨在更有效地保证作物播种面积及产量。在今后一段时间，咸宁市未来的作物播种面积和产量也将不会下降，咸宁市的秸秆数量每年还将不断增长，未来秸秆资源产量将不会低于１２５万ｔ。
　　
　　
　　目前，咸宁市农村居民使用秸秆、柴草等作为炊事用能占６８．２％，且还有２３．８％的农村居民使用煤用于炊事用能［４］。２０１０年咸宁市农村用电量３．７０亿（ｋＷ・ｈ），相比２００５年增长了３６％［５］。随着传统农业向现代农业的转变，农村经济的发展和农民生活水平的提高，农村的传统能源消耗还会进一步扩大。而在未来秸秆资源数量不断增加的背景下，秸秆资源焚烧、过剩和浪费问题将会日趋严重。秸秆资源的开发利用成为保证农业可持续发展的重大课题之一。
　　１．２ 咸宁市秸秆资源分布
　　由图２可知，咸宁市各地的秸秆资源分布不均匀，主要是由于各县（市、区）的土壤特性、土地面积、资源禀赋、劳动人口等多因素造成的。尤其是通山县，山地居多，其中“五山相连”（九宫山、太阳山、太平山、大城山、大幕山），由于地势影响，当地秸秆产量相对低得多。因此，选取咸宁市秸秆资源密度作为分析指标，以便更准确地反映咸宁市各地秸秆分布情况。秸秆资源密度是指某一区域单位面积秸秆资源的数量，以反映该地区秸秆资源的丰富程度［６］。根据实际情况，选取各地作物播种面积和秸秆资源量作为反映咸宁市秸秆分布的指标。通过咸宁市各地秸秆资源量与作物播种面积的比值得到咸宁市各地秸秆资源密度，２０１０年咸宁市各地秸秆资源密度。
　　
　　
　　咸宁市平均秸秆资源密度为５６６．１１ ｔ／ｋｍ２，其中嘉鱼县的农作物秸秆资源密度最大，为９７７．７５ ｔ／ｋｍ２，其次是赤壁市和通城县，秸秆资源密度分别为５５５．１７ ｔ／ｋｍ２，５６４．１９ ｔ／ｋｍ２，而咸安区和通山县的秸秆资源密度因作物播种面积、地势因素不及全市平均值，秸秆资源密度分别为４０８．５０、３９５．２５ ｔ／ｋｍ２。由于地处幕阜山脉与江汉平原的结合部这个地理优势，嘉鱼县除了是全省水产大县之外，还是全省５６个粮食主产县之一，主产苎麻、小麦、水稻等作物。由图３可知，嘉鱼县的秸秆资源在全市中占有重要地位，其秸秆资源分布集中，加之为全市少有的长江冲积平原、切割残丘的地貌，且境内平原与丘岗地区气候无明显区别，所以，在考虑秸秆收集、储运的成本和费用等因素时，嘉鱼县、通城县和赤壁市较适宜进行规模较大的生物质（秸秆）发电、秸秆集中供气工程、大中型沼气工程建设等项目，以缓解每年大面积秸秆资源废弃、焚烧污染环境的现状。
　　２ 咸宁市秸秆能源化利用分析
　　秸秆能源化利用技术主要包括秸秆气化、直燃发电、固化成型及炭化等。秸秆气化又分为秸秆生物气化及秸秆热解气化。秸秆生物气化技术即秸秆沼气技术，主要是以秸秆为主要原料经微生物的厌氧发酵作用产生可燃气体；秸秆热解气化技术通常称之为秸秆气化技术，是将秸秆转化为气体燃料的热化学过程［７］。
　　２．１ 咸宁市各地秸秆能源化利用现状
　　《湖北咸宁碳减排潜力形势研究报告（２００８）》指出，“力争上核电和抽水蓄能电站，鼓励发展风电，引导发展小水电，大力发展火电，适时建设秸秆发电、垃圾发电、石煤发电和沼气发电工程，全面推动农村沼气普及”。报告表明当前咸宁市除火电、水电、风电及核电之外，生物质（秸秆）发电和农村沼气工程是全市发展重点项目之一。

　　２００７年通山县参与徐州市跨省跨市发展秸秆及其他农林废弃物发电连锁项目，与其签订了１０ＭＷ芭茅秆发电项目，同徐州铜山、安徽怀远一起被列入国家绿色能源示范县工程，形成跨省秸秆发电连锁网；崇阳县的山区与丘陵交错，梯田和村庄旁长年堆积大量秸秆，为此，崇阳县２００８年引进咸宁市首个生物质（秸秆）发电项目。２００８年崇阳县秸秆发电厂由武汉凯迪集团投资建设，总投资２．２５亿元，装机容量２×１２ＭＷ，以秸秆（稻壳为主）为燃料进行发电，年耗秸秆２０万ｔ，节约折合标准煤约为１０万ｔ，每年为农民增收３ ６００万元；今年３月，由武汉凯迪控股投资有限公司投资２．８亿元的生物质（秸秆）发电厂在赤壁正式破土动工，工程建设规模为１×３０ＭＷ高温超高压汽轮发电机组，预计年耗秸秆（稻壳为主）及经济林木枝干约２２．５万ｔ，可每年为当地供电１．５亿（ｋＷ・ｈ），节约标准煤约１１万ｔ，增加当地农民收入约４ ５００万元。
　　自２００３年以来，咸宁市积极推进农村沼气建设，掀起兴建农村沼气高潮。从２００３年新建农村户用沼气池１ ３５０口［８］，到“十一五”期间，新建户用沼气池７．９８万口［９］。经过７年多的沼气建设，户用沼气池不断增加，后续服务体系不断跟进，全市沼气建设得到较快发展，在不断增加农民收入和提高农民生活水平的同时，全面推进了全市生态农业的发展。通山县三阳秸秆燃气有限公司是湖北省第一家秸秆燃气公司，２００４年从河南省引进秸秆气化技术，利用当地丰富的秸秆、楠竹资源，生产燃气、竹炭、木焦油、木醋液等，生产的燃气可供千户，且每户每月只需４０～５０元即可满足家庭燃料用能。之后与华中科技大学建立长期的产学研合作关系，２００７年共同承担湖北省科技厅的科研项目――生物质微米燃料燃气制备及其应用示范。２００８年研究开发生物质燃气-蒸汽联合发电技术，利用燃气发电的余热生产蒸汽并发电，发电效率达５０％。此类技术适用于小型燃气-蒸汽发电供给系统，为当地农村提供了电力支持。赤壁市截至２００９年底，农村户用沼气池１８ ２００口，覆盖所有乡镇的９２个村。当地沼气的发展，带动了以沼气建设为纽带的生态家园建设，已形成“猪-沼-粮、猪-沼-渔、猪-沼-果、菜”等发展模式。近期，嘉鱼县农业局深入开展羊毛岸、东村等５个农村户用沼气池建设项目村户用沼气池后续服务的活动，专门组织一批技术、管理人员为户用沼气进行维护和管理，并为当地农户提供５ ０００份免费的户用沼气资料［１０］。目前，崇阳县年产沼气２９．２万ｍ３（折合标准煤３．６５万ｔ）、有机肥近１１ ０００ ｔ的泉韵生态农庄大型沼气工程也正在筹备建设中。
　　２．２ 咸宁市秸秆能源化利用途径
　　秸秆发电是秸秆能源化利用的主要方式之一，目前秸秆发电项目在咸宁市呈现上升趋势，通过生物质（秸秆）发电的方式进行秸秆能源化利用的热情异常高涨。但是应清醒地认识到，咸宁市总体构成为鄂东南低山丘陵地带，大部分地区秸秆分布散，加之秸秆比重轻、密度小、体积大，收集难；秸秆收集半径、运输距离过大，导致储运成本高；多数秸秆发电厂的发电效率只在３０％～４０％，且秸秆的燃烧值仅有煤的５０％，在效率和价格方面无明显优势；秸秆发电的核心技术和设备主要来自国外，限制了企业规模和未来的发展进程。在目前有限的秸秆发电技术条件下，这些都将导致燃料成本偏高，加之当前存在农村劳动力短缺，农户出售秸秆的积极性不高等现状，在低山丘陵地带开展秸秆发电项目并不是最优途径。
　　多年来，我国自主研发的气化技术不断改进，设备日趋完善。至今，全国各地研究机构已成功研制出大型秸秆气化集中供气技术，如大连市环境科学设计研究院开发的干馏热解法秸秆气化技术、辽宁省能源研究所的生物质气化集中供气及发电技术、浙江大学热能工程研究所的生物质中热值气化技术等；小型气化炉设备的研制开发，如中国机械化科学研究院研制的ＮＤ系列生物质气化炉设备、江苏大丰宝鹿生物科技有限公司生产的ＢＬ－３９０Ａ型气化炉、中国科学院广州能源研究所研制的ＧＳＱ型气化炉、中国林业科学院林产化工研究所研制的ＦＢ２００型流化气化炉等［１１，１２］；河北省石油化工规划设计院研制的ＫＦ系列秸秆燃气装置，根据不同自然村设计２００、４００、６００ ｍ３／ｈ等不同型号及产气量，热值在３ ９００～５ ６００ ｋＪ／ｍ３；中国科学院广州能源研究所研究开发的ＭＷ级生物质气化发电装置使用方便，价格适中，目前已广泛用于农村秸秆及林木生物质资源较分散的地区。
　　秸秆沼气发酵工程是根据微生物发酵原理，秸秆中的Ｎ、Ｐ、Ｋ等元素通过微生物的分解，合成新的活性物质，产出优质有机肥料（沼渣、沼液），实现秸秆的能源化利用。以秸秆为原料生产沼气，成本低，工艺简便易操作，适用于大范围推广应用。建１口８ ｍ３的户用秸秆沼气池，每年可转化秸秆１ ｔ［１３］。若咸宁市每年建２万口户用秸秆沼气池，则每年可转化２万ｔ秸秆，折合标准煤１万ｔ。
　　咸宁市应着眼于各地丘陵地带分布情况，根据当地气候及资源条件，考虑在秸秆资源密度较集中的嘉鱼县、通城县、赤壁市进行适度规模的秸秆集中供气工程或气化发电项目建设；在秸秆资源密度小、分布散的崇阳县和通山县进行以自然村为单位的小型秸秆气化技术或沼气发酵工程建设，有效地利用闲置的秸秆资源，减轻农民生活负担和秸秆过剩导致的环境污染。
　　３ 结论与建议
　　１）咸宁市２０１０年秸秆资源产量１３６多万ｔ，其中以稻草、玉米秸秆、蔗渣、油菜秸秆为主要作物秸秆，占总秸秆资源的８９．７％。咸宁市秸秆资源分布不均，测算出咸宁市平均秸秆资源密度为５６６．１１ ｔ／ｋｍ２，其中，嘉鱼县秸秆资源密度为９７７．７５ ｔ／ｋｍ２，远高于全市平均水平，通城县和赤壁市秸秆资源密度分别为５６４．１９、５５５．１７ ｔ／ｋｍ２。
　　２）咸宁市秸秆资源化利用虽然起步比较晚，但是近几年“调整能源发展战略”渐成为咸宁市经济发展的主调，引进大型生物质发电龙头企业先后在崇阳、赤壁等地投资建设秸秆发电厂，每年均消耗秸秆２０万ｔ以上。同时，农村沼气建设也在各地如火如荼进行，“十一五”期间新建户用沼气池７．９８万口，后续服务体系正在不断完善。
　　３）咸宁市应在秸秆资源密度较集中的地区，如嘉鱼县、通城县和赤壁市进行适度规模的秸秆集中供气或沼气发酵工程建设，特别是引入高效率秸秆发酵供气产肥装置，提高秸秆利用效率，促进发酵剩余产物还田，提高土壤中的有机质含量；以秸秆资源分散的地区的小型秸秆气化或沼气发酵工程为辅，减少秸秆废弃量，使秸秆中的有效元素回归土地，提高农业可持续发展能力［14-17］。
　　４）咸宁市应依托国家确立的武汉城市圈“环境友好型、资源节约型”两型社会综合配套改革试验区的优惠政策，结合全市生态立市和“在山上再造一个咸宁”的发展战略，扩大招商引资，吸引国内外新能源企业进入咸宁市场；同时加快与企业、高校和科研机构联合进行秸秆能源化利用技术研究，利用当地丰富的秸秆和低品位煤炭资源，兴办较大规模的秸秆热电联产企业，增加秸秆的附加值，推动秸秆利用的资源化、高效化和产业化发展，进一步推动全市能源结构调整的有序进行。
　　
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