林木生物質能發展研究綜述

摘要 國家林業局2013年5月出臺的《全國林業生物質能發展規劃（2011-2020 年）》為林木生物質能的發展提供了極大的便利，引起了社會各界的廣泛關注。該文主要從“軟硬科學”2個方面綜述了林木生物質能的發展情況，分析現階段該如何借鑒發達國家的發展經驗實現我國的林木生物質能的中國特色式發展。

關鍵詞 生物質能；林業；發展

中圖分類號 S216 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05514-02

Abstract In May 2013， State Forestry Administration issued a \"National Forestry Biomass Energy Development Plan （2011-2020）\" providing a great convenience for the development of forest biomass and caused widespread concern in the community. This article reviews the development of forest biomass from two aspects of \"hard and soft science\"， summarizes how to learn from the experience of developed countries to achieve China's forest biomass development with Chinese characteristics at the present stage.

Key words Biomass； Forestry； Development

在實現可持續發展的大背景下，清潔能源，例如風能、水能、地熱能、太陽能、生物質能等一大批新能源取代了傳統煤、石油和天然氣等能源。其中林木生物質能是重要的可再生能源，其發展潛力大，來源豐富，是一類不可多得的新興能源。林木生物質能源是指將太陽能轉化的生物量經林業的經營活動產生的可以成為能源的物質，它是林木總生物質資源量的組成部分。具體就是將林木產品及其廢棄物通過生物或化學轉換成為生物柴油、燃料乙醇、林木成型固體燃料和電力等可再生清潔能源以實現對傳統化石燃料的替代。一般來講，林木生物質包括以下3個部分：①林地生長剩余物，是指在未受保護的林地上生長的林木，且不被列入工業用材采伐的林木剩余物資源，包括灌木平茬剩余物（包括純灌木林和天然次生林下木）、經濟林撫育管理剩余物、四旁樹和散生疏林撫育修枝剩余物、城市綠化更新及修剪剩余物等；②林業生產剩余物，是指以木材生產為主的森林經營和生產過程中形成的林木剩余物，包括森林采伐和造材剩余物、加工剩余物、森林撫育與間伐剩余物、造林育苗修枝、定桿和截桿剩余物、廢舊木制品等；③能源林采伐物，包括傳統的薪炭林和未來專門能源林[1]。據統計，每年地球上經光合作用產生的物質高達1 730億t，其中蘊含的能量可達到全世界能源消耗總量的數十倍，而利用率不到3%的森林生物質能源每年貯藏量卻占全部生物質能源總量的2/3。由此可見，林木生物質能源的重要性。

1 林木生物質“軟”科學探索

1.1 林木生物質能發展潛力

1.1.1

總體資源豐富。國家林業局在《全國林業生物質能發展規劃（2011～2020 年）》中提到我國現有林地面積約3億hm2，現有森林面積約2億hm2，森林蓄積137億m3，人工林保存面積0.6億hm2，蓄積量19.6億m3，林木生物質資源潛力約180億t[2]。劉剛[1]指出我國主要的林區儲藏著巨大的林木生物質資源，其中西藏、四川、云南3省/區蘊藏量高達全國總量的50.90%，黑龍江、內蒙古、吉林3省/區占全國總量的27.41%，其余依次是陜西、福建、廣西等省/區。李怒云[3]在論述我國“三北”地區林木生物質能源資源總量和類型的基礎上，從自然資源潛力、生產能力潛力、市場需求潛力和生態需求潛力4個方面分析了“三北”地區的發展情況。岳彩榮[4]從林木生物柴油提煉方面論述了云南省在林木生物質方面的明顯優勢。許忠海[5]指出伊春市的森林覆蓋率達到80%，又論述了伊春市發展生物質能源在人力、成本和高寒地區熱電聯產等方面的優勢，充分表明了東北地區的優勢所在。馬文元[6]在《中國能源樹種研究》一書中統計的能源樹種 有45種之多，并給出了各樹種的熱值和單位面積生物量的數據。徐劍琦[7]在此基礎上計算出了2種情況下的單位成本，通過對中國能源林樹種的單位面積生物量與產單位標煤熱值生物量所需土地的面積及生產木質燃料所需成本三者之間的關系進行分析，建立數學模型，運用時間序列預測了未來的煤炭價格，與林木生物質能源燃料對比，論證了利用能源樹種生產成型木質燃料來替代煤炭的實際可行性。

1.1.2

開發前景。劉曼紅[8] 認為林業“三剩物”可以被首選作為人造板和制漿造紙的原料，其次是利用林業“三剩物”制備松香等化學品。孫鳳蓮[9]指出林木生物質能源的長足發展既能緩解農村的資源短缺態勢，又可以使農民增產增收，同時在其替代化石燃料的過程中又保護了環境。孫永明[10]認為林木生物質能源的開發可以解決我國的“三農”問題，保證國家的能源安全，有利于創造改善環境，發展新型的材料和原料。

1.2 林木生物質能發展制約因素

1.2.1

成本問題。劉騰飛等[11]指出林木生物質能生產成本比成熟技術的產品高許多，政府對其扶持力度不夠大；生產風險太高，產品沒有銷路，加之林地資源少，效益以及效率普遍偏低等。蔣大龍[12]通過分析得出，由于缺乏統籌規劃，使得林木生物質原料來源不穩定，造成當前生物質能源成本高于普通化石燃料的問題。姜洋[13]通過文獻分析法從定性和定量2方面對生物質能源成本問題研究進行了總結，并提出了運用系統動力學方法深入研究生物質能源的環境成本問題的建議。綜上，林木生物質能成本涉及原料成本、開發成本、風險成本等一系列成本問題[14-16]。

1.2.2

人才問題。劉統民等[17]認為阻礙林木生物質能源發展的另一個重要因素是林木生物質專業的高級人才供給嚴重不足。段凱莉等[18]認為能源的核心突破技術沒有落實到位，人才培養欠缺，相關能源的運行、發展體系是以常規能源為基礎的，不適合林木生物質能源的未來發展。新興能源的異軍突起使得人才的供給捉襟見肘，重視程度低導致高級人才嚴重短缺，加之國內大學生普遍創新能力差、高校課程設置不合理等原因都直接導致了生物質能源“雷聲大，雨點小”。

1.2.3

立法以及相關政策問題。蔡守秋[19]指出我國可再生能源立法缺乏創新性，應該專門立法，實行“一種可再生能源一部法”的立法模式。段凱莉[18]指出完備的法律體系至關重要，作為單行法的《中華人民共和國可再生能源法》還需要配合其他專門法律實施。陳廷輝[20]認為隨著國際能源政治格局的形成，我國要與世界接軌，增加政策性條款的分量，為應對多變的不確定性引入“軟法”。關于政策研究方面，綜合國內外無外乎以下幾點：減少稅收或者免稅；建立重點資助專項基金；提供原料以及生產過程的補貼；成立帶頭示范項目；減少化石燃料的使用；產業相關標準的制定；資源勘査、評價和相關信息系統建設[21-23]等。

2 林木生物質“硬”科學探索

從技術層面上講，對于林木生物質的利用主要分為以下幾個方面：直接燃燒（燃灶、鍋爐燃燒、壓縮成型）、生物轉換（小型、大型沼氣池）、熱化學轉換（氣化、干餾、快速熱解）、液化技術（生物柴油、乙醇）、有機垃圾處理技術（焚燒、填埋、堆肥）[24]。自螺旋推進式秸稈成型機開始，我國的壓縮成型機便如火如荼的發展。很多廠家對燃料成型設備進行了批量生產和市場化，形成了研究、生產開發的產業鏈。生物轉換的沼氣發展方面，技術推廣已經進入商業化階段，但由于沼氣技術的投入大，產出小，環境效益一時不會體現。中國的生物乙醇發展一波三折，目前主要發展方向為國內外矚目的纖維素乙醇。生物柴油的發展規模很大，我國多家企業參與建成萬噸級的生產線。有機垃圾處理技術發展緩慢，但是發展空間巨大。

2.1 國內研究情況

研究應用的主要材料集中在農林廢棄物方面，中國科學院廣州能源研究所趙先國等[25-26]人在常壓流化床裝置上進行了生物質在富氧條件下定向氣化的實驗研究，認為生物質能源的理想性表現在將其氣化制成氣化質燃料，其中ER值對碳轉化率和熱值的影響是不同的，氧氣的體積分數也是很大的影響因素。吳正舜等[27]人通過將生物質用于下壓式氣化爐（25 kW）中進行發電系統的運行與測試，得出其操作的穩定性和便利性，并指出目前許多國家把焦點集中在生物質氣化發電技術研究上。呂友軍等[28]人以農業生物質為原料，羧甲基纖維素鈉為添加劑，利用連續管流反應器，在反應器壁溫為650 ℃、壓力為25 MPa的條件下進行了生物質氣化制氫實驗研究，得出溫度和壓力對實驗影響都很大，其中溫度越高，制氫越容易。氣化、液化是利用的主要手段。氣化研究的技術已經成熟，進入了使用的階段。

2.2 國外發展情況

印度于l975年就啟動國家沼氣開發計劃（NPBO），沼氣使用歷史悠久。另外，印度新能源與可再生能源部指出該國的生物質總量至少能生產出1 800萬kW的電，且能源研究所的丁格拉估計，在印度各地共有800～900座生物質發電廠和3 000個小型的生物質氣化爐[29]。世界上唯一一個成功的不供應純汽油的國家巴西，它在生物質領域發展較早，無論是1975年的能源計劃，還是利用甘蔗生產燃料乙醇以替代石油，無不昭示著巴西的輝煌成就[30]。木材資源豐富的瑞典，其生物質部門主要依靠市場化原則，顆粒燃料領域發展勢頭迅猛，從20世紀80年代到21世紀，生物質能源的增長率高達7%以上，生產網點遍布北歐各國[30-32]。美國生物質能發電的總裝機容量已經超過了10 000 MW， 單機容量達10～25 MW，其中西肯塔基大學開發的一種新型的生物質空氣氣化技術，可以制造出高熱值、低焦油燃氣[32-33]。

3 小結

從林木生物質的民眾宣傳，到此領域高級人才的培養，再到國家相關政策法規的完善，無外乎就是林木生物質未來發展前景的明細問題：替代使用前景、生產成本和投資的風險等。林木生物質本身的分布特點限制了其自身的發展，只有達到了成本、風險最小化，而收益達到最大化，林木生物質發展才能突飛猛進。

（1）替代前景的問題。為了發展新興起步能源而限制一些領域化石能源的使用將會產生很大作用，在化石能源枯竭之前穩定能源問題勢在必行。

（2）生產成本的問題。運用系統動力學整體對林木生物質能源的發展提供模擬的方案，將訂單流、人員流、資金流、設備流、物料流與信息流6個子系統都落實到位，建立起可模擬的數學模型，進而分析其效率。

（3）投資風險的問題。除了傳統的投資風險（例如資金投入、原料收集供應問題），還存在大量種植某作物造成的生態平衡、土壤、空氣等惡化的風險。為了兼顧經濟和環境的效益，防止只看到其巨大的發展前景方面，忽視其生態影響，要建立起一種長期有效的評價機制，求得全面均衡的發展。

參考文獻

[1]劉剛，沈鐳.中國生物質能源的定量評價及其地理分布[J].自然資源學報，2007，22（1）：9-19.

[2] 國家林業局.全國林業生物質能發展規劃（2011-2020 年）[Z].2013.

[3] 李怒云，支玲，王國勝，等.“三北”地區林木生物質能源資源現狀及產業發展研究[J].中國水土保持科學，2007，5（4）：70-74.

[4] 周曉，岳彩榮.林木生物質能源產業發展潛力研究——以云南省為例[J].中國林業經濟，2009（6）：23-26.

[5]許忠海，趙麗敏，龐景榮.發展伊春林區生物質能源的戰略思考[J].中國林副特產，2011（5）：52-54.

[6] 馬文元.中國能源樹種研究[M].北京：中國林業出版社，1990.

[7] 徐劍琦，張彩虹，張大紅.木質生物質能源樹種生物量數量分析[J].北京林業大學學報，2006，28（6）：98-102.

[8] 劉曼紅.林業“三剩物”的開發利用現狀和前景概述[J].林業調查規劃，2010，35（3）：62-67.

[9] 孫鳳蓮，王忠吉，葉慧.林木生物質能源產業發展現狀、可能影響與對策分析[J].經濟問題探索，2012（3）：149-153.

[10] 孫永明，袁振宏，孫振鈞.中國生物質能源與生物質利用現狀與展望[J].可再生能源，2006（2）：78-82.

[11] 劉騰飛，陳凱，丁蒙.林木生物質能源開發利用現狀及發展對策——以福建省建寧縣為例[J].經濟研究導刊，2013（5）：215-217.

[12] 蔣大龍.生物質直燃發電展望[J].現代電力，2007（5）：53-56.

[13] 姜洋.生物質能源成本問題研究綜述與分析[J].安徽農業科學，2011，39（16）：9759-9760.

[14] 劉俊偉.生物質能資源化利用系統的初始條件及生物周期評價的研究[D].北京：北京化工大學，2010.

[15] 嚴永林，陳喜龍，李際平.木質顆粒燃料生產成本分析[J].林業科技，2006（6）：50-52.

[16] 景月明，張永，陳曉嬌.生物質能供應鏈的系統動力學建模研究[J].物流技術，2009（10）：114-116.

[17] 劉統民，曹國斌.林木生物質能源產業規劃的現狀、問題與對策[J].北京農業，2013（3）：161，168.

[18] 段凱莉，任國威.我國可再生能源法律制度完善探析——以生物質能源為例[J].廣東廣播電視大學學報，2013，22（3）：44-47.

[19] 蔡守秋.我國可再生能源立法的現狀與發展[J].中州學刊，2012（5）：71-75.

[20] 陳廷輝.國際能源政治背景下我國的可再生能源立法[J].湖南工業大學學報，2012，17（1）：72-78.

[21] 石帥.北京市以園林綠化廢棄物為原料的生物質燃料巿場推廣研究[D].北京：北京林業大學，2012.

[22] 任東明，曹靜.論中國可再生能源發展機制[J].中國人口·資源與環境，2003（5）：16-19.

[23] 龔雅弦.發展生物質能產業的影響因素研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[24] 袁振宏，呂鵬梅，孫曉英.生物質能源開發與應用現狀和前景[J].生物質化學工程，2006（B12）：13-21.

[25] 趙先國，常杰，呂鵬梅，等.生物質流化床富氧氣化的實驗研究[J].燃料化學學報，2006，33（2）：199-203.

[26] 蔣劍春，應浩，戴偉娣，等.生物質流態化催化氣化技術工程化研究[J].太陽能學報，2004，25（5）：678-684.

[27] 吳正舜，馬隆龍，吳創之.下吸式氣化爐中生物質氣化發電的運行與測試[J].煤炭轉化，2003，26（4）：79-82.

[28] 呂友軍，金輝，郭烈錦，等.生物質在超臨界水流化床反應系統中氣化制氫實驗研究[J].太陽能學報，2009，30（10）：1155-1160.

[29] 印度大力發展生物質能源[EB/OL].（2013-10-21）http：//news.bjx.com.cn/html/20131021/466721.shtml.

[30] RANDERSON P F，董宏林，SLATER F M.世界若干國家生物質能源利用及有關問題研究[J].寧夏農林科技，1999（5）：5-8，16.

[31] 蔡利祥.歐洲三國生物質能源利用狀況與啟發[J].林業調查規劃，2007，32（3）：106-108.

[32] 戴向榮，蔣立科，羅曼.發展農村生物質能的設想與建議[J].世界農業，2006（7）：52-55.

[33] CAO Y，WANG Y，RILEY J T，et al.A novel biomass air gasification process for producing tar-free higher heating value fuel gas[J].Fuel Processing Technology，2006，87：343-353.