中国生物质能源的定量评价及其地理分布
[ 编辑:coco | 时间:2013-04-13 14:02:49 | 浏览:794次 ]
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摘要:利用已有统计资料和数据,定量估算了中国生物质能源的数量,并对其地理分布格局进行了探讨。研究表明:①2004年中国生物质资源实物蕴藏量为:秸秆7.28×108t,主要分布在河南、山东、黑龙江、吉林、四川等省;畜粪39.26×108t,主要分布在河南、山东、四川、河北、湖南等省;林木生物质21.75×108t,主要分布在西藏、四川、云南、黑龙江、内蒙古等省区;城市垃圾1.55×108t,主要分布在广东、山东、黑龙江、湖北、江苏等省;废水482.4×108t,主要分布在广东、江苏、浙江、山东、河南等省;②2004年中国生物质能实物总蕴藏潜力为35.11×108tce,前五位依次为四川、云南、黑龙江、河南和内蒙古;其中理论可获得量为4.6×108tce,前五位为四川、黑龙江、云南、西藏和内蒙古。可获得量中秸秆、薪柴和畜粪所占比例分别达38.9%、36.0%和22.14%;③中国生物质能分布不均,省际差异较大。按农村人口计算,人均理论可获得生物质能最大的西藏自治区达14.17tce,最小的浙江省仅0.15tce。而生物质能蕴藏潜力分布在一定程度上与常规一次能源蕴藏潜力分布呈现互补状态,则更加突出了在一次能源蕴藏量较低的地区开发利用生物质能的巨大潜力。
关键词:生物质能;地理分布;秸秆;畜粪;薪柴;城市垃圾;废水
能源短缺和环境危机是制约当今世界经济社会发展的两大主要问题。生物质能以其可再生、资源丰富、生态环境友好而逐渐成为一种重要的新的替代能源。2004年,全球可再生能源利用总量的一半以上为生物质能,占一次能源总量的9.2%[1]。我国是一个农业大国,针对我国有着7.5×108农民的基本国情和油气等化石能源资源十分短缺的情况,开发利用生物质能,对于维护我国能源安全、促进农村和农业可持续发展具有十分重要的意义。
生物质能资源可开发潜力的估算是生物质能科学开发利用研究的关键和基础。但是由于生物质能不属于商品能源,中国能源平衡表和其他传统统计口径中通常不包括生物质能的相关数据,因此这同时又是一个难点。本文在总结生物质能现有估算方法的基础上,利用已有统计资料和数据,定量计算了中国生物质能源的数量,并对其地理分布格局进行了探讨。
1方法和数据
1.1研究对象和方法
生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式,遍布世界各地、蕴藏量极大。据估计,地球上每年植物光合作用固定的碳达2×1011t,含能量达3×1021J,相当于全世界年耗能量的10倍[2]。生物质资源种类繁多,中国生物质资源主要包括农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等几个方面[3]。
对于生物质能源的可获得性评价和资源量的计算,根据不同的标准有不同的指标[4]。本文所计算的实物蕴藏量是中国生物质能主要资源的全部理论实物产量的总和,理论可获得量是理论条件下可以获得并转化为有用能的生物质能源资源数量。此外,由于可再生能源资源具有地域性特点,一般不进行地区间的贸易,不易输送[4]。因此进行生物质能源资源量的计算时,还必须考虑其地理分布因素,本文以省为单位来计算比较。
1.1.1各种生物质资源实物蕴藏量的估算方法和参数选取
(1)秸秆和农业加工剩余物
秸秆,通常指农作物籽收获后的植株,是农村最主要的农作物副产品。农作物秸秆主要包括粮食作物、油料作物、棉花、麻类和糖料作物等五大类[5]。农作物秸秆除用于还田造肥、作为造纸等工业原料和畜牧饲料外,剩余部分都可以作为燃料使用。由于秸秆产量未列入国家有关部门的统计范围,其产量通常依据农作物的产量计算而得。计算公式如下:

式中,CR为秸秆资源实物量,Qci为第i类农作物的产量,ri为第i类农作物的谷草比系数(ResiduetoProductRatio,缩写为RPR,也有学者称之为“产量系数”或“经济系数”)。
秸秆资源估算的关键是农作物谷草比系数(RPR)的确定,它是可以通过田间试验和观测得到的经验常数,不同地区、不同品种的农作物大致相同,可能略有差异。不同学者在估算中国秸秆资源时,采用了不同农作物谷草比系数[4~9]。综合已有研究的RPR选择方法,并考虑不同农作物的地理分布,本文选取的RPR系数如表1所示。
表1本文选取的不同农作物谷草比系数(RPR)
 
(2)畜禽粪便
畜禽粪便也是一种重要的生物质资源。畜禽粪便经干燥可直接燃烧供应热能,若经厌氧处理还可产生甲烷和肥料。畜禽粪尿排泄量与动物种类、品种、性别、生长期等因素有关[12]。
根据各类畜禽每日粪便产生量和畜禽的饲养周期可以估算畜禽粪便排放量,公式如下:

式中,D为畜粪实物量,Qdi为第i类畜禽的数目,di为第i类畜禽每天粪便的产量,mi为第i类畜禽的饲养周期,Mi为第i类畜禽在整个饲养周期内粪便排放总量。
值得指出的是,从统计年鉴中收集到的畜禽养殖头数一般包括出栏和存栏两部分,且各类畜禽生长期不一样。存栏头数的饲养期按全年365d计算,出栏头数的饲养期参考国外资料和实际调查,确定如下[13]:肉猪一般为300d;肉兔与肉禽大致相同,为55d。一般认为出栏的牛、猪、禽、兔分别为肉牛、肉猪、肉禽、肉兔,而对于生长期较长且当年出栏少的羊、马、驴、骡等则按照全年饲养计算。不同类型单位畜禽饲养期内的排泄量如表2所示。
表2本文选取的单位畜禽饲养期内粪便排放总量(Mi)(单位:kg)[10~15]

(3)薪柴和林木生物质能
通常的林木生物质能源是指可用于能源或薪材的森林及其他木质资源,主要来源于薪炭林、林业生产的“三剩物”、灌木林平茬复壮、经济林修剪和林业经营抚育间伐过程产生的枝条和小径木,还有造林苗木截干、城市绿化树和绿篱修剪等。
林木质生物资源量的估算可以用不同林种的面积、可取薪柴系数以及单位面积产柴量等指标计算得出[8];也可以通过分类计算薪炭林,林业生产和更新剩余物以及灌木林、竹林等其他林木生物质资源来计算[16]。本文在这两种方法的基础上计算了薪炭林、林业生产采伐剩余物、森工加工剩余物和林木抚育间伐量等4种主要类型的林木质资源,公式如下:

式中,FR表示林木生物质资源实物量,Qfi为第i种林木资源量,ri为相应的折算系数。
根据各大林区采伐数据和样地试验数据[16],ri的取值和相关计算参数如表3所示。采伐剩余物包括梢头、枝、叶等,约占林木生物量的40%,计算中用材林只取达到采伐标准的成熟林和过熟林,防护林和特种用途林取需要采伐更新的过熟林面积。木材加工剩余物为原木的34.4%,包括板条、板皮、刨花、锯末等。根据国家林业局的相关技术规定,中、幼龄林在其生长过程中间伐2~4次,针叶树种和阔叶树种的修枝次数平均为2~3次。
表3薪柴和林木生物质能计算相关参数[8,16]

(4)城市垃圾和废水
城市垃圾根据其组成可分为有机垃圾与无机垃圾资源。将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热分解处理制成燃料使用。城市垃圾资源实物量(SW)可以通过统计年鉴中每年的城市垃圾清运量得到。城市废水分为生活污水和工业废水两大类。一般城市污水约含有0.02%~0.03%的固体与99%以上的水分,可以用于产生沼气。计算公式如下:

WW为废水产生的沼气量,Qw为废水总量,r1为废水中COD平均含量,r2为单位COD产生CH4的量。本文r1按《中国环境统计年报》有关统计计算,r2取0.907m3/kg[17]。
1.1.2折标能源总量
根据以上各类生物质能资源的实物量,乘以相应的折标系数,就可以得到不同种类生物质能的折合成标准能源的总量。对于秸秆资源能源潜力量ECR,就是在CR计算过程中引入不同类型农作物秸秆的折标系数η,其计算公式如下:

畜禽粪便资源能源潜力量ED,林木资源能源潜力量EFR,城市垃圾资源能源潜力量ESW和城市废水资源能源潜力量EWW计算方法与此相同。不同生物质能资源ηi值如表4所示。
表4不同种类生物质能源的折标系数[9,18,19](ηi)(单位:沼气kgce/m3,其它kgce/kg)
 
1.1.3理论可获得量
上述计算的生物质资源量只是理论蕴藏量,代表着生物质能资源的理论最大开发潜力。
在此基础上还需要计算理论可获得量,即理论上可以用来进行能源生产的生物质能源资源量。例如,秸秆生物质能理论可获得量计算公式如下:

式中,ECR'表示秸秆生物质能源的理论可获得量,λi表示第i种作物秸秆可获得系数。畜禽粪便生物质能理论可获得量ED',林木生物质能理论可获得量EFR',城市垃圾生物质能理论可获得量ESW'和城市废水生物质能理论可获得量EWW'计算方法与此相同。可获得系数通常由某地区该种生物质资源的多种制约因子决定,如秸秆资源的收集半径,畜粪、废水、垃圾收集率,林木质资源用于能源的比例等。
结合相关文献[20,21],本文计算时认为:随着技术进步和观念变革,单就资源收集潜力来说,秸秆、畜粪、废水资源可近似认为100%可获得,其中秸秆约50%用于能源利用[5],畜粪1/3用于能源利用,处理时BOD厌氧消化量约16.25%[17],城市废水中约50%可用作生产沼气;我国林木资源可获得量可以根据当年实际薪炭林面积、实际采伐原木数、实际森工加工产品数和实际抚育出材量来计算[16],计算方法与式(3)相同,本文取其可获得系数为40%,所有林木资源中约1/3用作能源[16];考虑到目前垃圾收集率仅为40%左右,因此垃圾资源可获得量只取实物蕴藏量的40%[20]。
1.1.4能量密度
能量密度[4]是单位面积或人口的生物质资源拥有量,这是一个用以反映资源丰度的指标。实物蕴藏量、理论可获得量等都可以进行能量密度的计算。
1.2数据来源和处理
本文所有计算数据均来自于官方出版公布的相关统计年鉴资料和数据(其中林业资源数据为第五次全国森林连续清查数据)。数据基期为2004年,地理分布以省(直辖市、自治区)为单元。利用上述方法和公式首先计算各省生物质能资源的实物量,再利用各类资源的折标系数计算出其能源量,最后用ArcGIS软件对其地理分布格局进行分析。
2计算结果和分析
2.1中国生物质资源实物蕴藏量的地理分布
由于生物质能是太阳能在地球表层系统中在生物体内以某种形式的存储,决定生物质能地理分布格局的主要因素是其所处的自然生态地带和区域气候条件[17]。例如秸秆资源的分布主要受光热组合条件和区域自然地理条件的影响,畜粪资源分布则受地区草场条件和气候条件的影响。根据上述计算方法和数据,计算得到中国生物质资源理论蕴藏量分布情况如图1、图2、图3、图4、图5及表5所示。

图1中国秸秆资源分布

图2中国畜粪资源分布

图3中国林木生物质资源分布

图4中国城市垃圾资源分布

(1)秸秆资源分布
首先,中国作物秸秆的分布格局与农作物的分布相一致。从总量分布来看,作物秸秆资源主要集中分布于中部和东北的主要农区和西南部分省市,黑龙江、河北、山东、江苏和四川五省是作物秸秆资源分布最集中的区域,五省总量占全国的36%以上(表5)。从秸秆主要类型来看,稻谷杆、玉米秆、小麦秆等主要粮食作物秸秆和油料作物秸秆是中国秸秆资源两大主要类型,蕴藏量分别为1.79×108t、2.61×108t和1.01×108t,占全国总量的90%以上(图6)。

图6中国秸秆资源类型构成
表5中国生物质能资源蕴藏量的省区分布差异

其次,由于不同地区自然气候状况、社会经济条件、文化传统习俗的差异,地区间种植结构差异巨大,由此带来作物秸秆品种和类型结构组成有所不同,作物秸秆分布具有明显的地域性[5]。我国广大南方地区传统食品以大米为主,因此,华东、华南、西南等地区稻秆资源丰富,占全国的87.35%;而北方地区传统食品为小麦和玉米,因此东北、华北等地区麦秆和玉米秆资源丰富,占全国的41.66%。此外,广东、广西、云南、海南四省蔗秆和蔗渣资源总量占到全国的91.49%,豆秆主要分布在黑龙江、内蒙古、四川、河南、安徽等五省区,油料秆主要集中在湖北、四川、安徽、湖南、河南等五省,棉花秆主要分布在新疆、山东、江苏、河北等四省区。
(2)畜粪资源分布
从区域分布上看,我国畜粪资源主要分布在河南、山东、四川、河北、湖南等养殖业和畜牧业较为发达的地区,五省共占全国总量的39.50%。从构成上看,畜粪资源主要来源是大牲畜和大型畜禽养殖场。其中牛粪占据全部畜禽粪便总量的33.61%,主要来自于养殖场的猪粪则占据总量的34.45%。
(3)林木生物质资源分布
林木生物质资源主要分布在我国主要的林区,其中西藏、四川、云南三省区蕴藏量就占全国总量的50.90%,黑龙江、内蒙古、吉林三省区则占全国总量的27.41%,其余依次是陕西、福建、广西等省区。在我国许多人口稠密的缺煤地区,薪柴仍是重要的农村能源。薪炭林分布广的省份多为能源不足、经济欠发达或者林业资源较丰富的地区,如内蒙古、江西、湖北、贵州、陕西、辽宁、吉林、黑龙江、湖南、云南、福建等,除内蒙古和云南以外,其他各省均为缺煤的省份。
(4)城市垃圾和废水资源分布
城市垃圾和废水主要是现代社会产生的生物质资源,因此其分布与经济发展水平、城市人口等因素紧密相关。其中城市垃圾主要分布在广东、山东、黑龙江、湖北、江苏等省,五省共占全国总量的35.93%;废水主要分布在广东、江苏、浙江、山东、河南等省区,五省共占全国总量的37.40%。
2.2中国生物质能源的地理分布格局
计算得出,2004年我国生物质能实物总蕴藏潜力为35.11×108tce,其中理论可获得量为4.6×108tce。可获得量中秸秆、薪柴和畜粪分别占38.9%、36.0%、22.14%,如表6所示。从图7、图8和表6中可以看出,中国生物质能源的分布呈现以下特点:

图7中国生物质能蕴藏潜力量的地理分布

图8中国生物质能可获得量的地理分布
表6中国主要生物质能资源汇总

从图7、图8和表6中可以看出,中国生物质能源的分布呈现以下特点:
(1)总体上分布不均,省际差异较大,西南、东北以及河南、山东等地是我国生物质能的主要分布区。从生物质能蕴藏潜力量地域分布上看,西南地区占据很大优势,四川、云南、西藏三省总量约占全国的1/3,其次是东北的吉林和黑龙江,以及中部的河南、河北、山东、湖南等地;分布最少的地区则包括上海、北京、天津、宁夏和海南。从生物质能理论可获得量地域分布上看,最大的5个省区依次是四川、黑龙江、云南、西藏和内蒙古,共占全国总量的38.57%;最小的5个省区则依次是上海、北京、天津、海南和宁夏,合计仅占全国总量的1.52%。不管从蕴藏潜力还是可获得量的角度来说,四川省都位居全国第一位;而3个直辖市上海、北京、天津,面积较小的宁夏和最南端的海南省都处于全国最后五位。
(2)生物质能分布在一定程度上与常规一次能源分布呈现互补状态。这一特点更加突出了在一次能源蕴藏量较低的地区开发利用生物质能的巨大潜力。以西藏自治区为例,常规能源缺乏,尤其在广大农村地区取暖、做饭等基本生活能源都难以保障,一次能源总蕴藏量只占全国的3.83%,但同时生物质能蕴藏总量却有2.47×108tce,占全国的7.08%,与小水电、太阳能、风能等其它可再生能源相结合,高效开发利用生物质对于解决这一地区的能源问题具有很大的潜力。从图9中还可以看出,上海、天津、宁夏、青海、海南、浙江等地常规一次能源和生物质能都很缺乏,四川、云南、内蒙等地则两者都比较丰富。


(3)由于上述分析中的各省市区之间存在着人口和面积的差别,因此单独从某一省市区的角度来评价区域生物质能可获得量的大小,并不能完全描述该区域生物质能丰度的大小。
由于现阶段我国生物质能多在农村使用,因此又计算了生物质能基于农村人口数和国土面积的能量密度,如图10和图11所示。
从图10中可以看出,人均可获得生物质能量也呈现出明显的省际差异,最大的西藏自治区达14.17tce/人,而最小的浙江省仅0.15tce/人。此外,人均可获得生物质能量较大的省区还包括内蒙古、吉林、新疆和黑龙江,最小的省市则依次是浙江、广东、江苏、重庆和上海。
从图11单位国土面积可获得生物质能角度看,最大的5个省主要是中东部的河南、山东、上海、吉林和江苏,最小的5个省则全为处于西部的青海、新疆、甘肃、内蒙古和西藏。其中河南省达175.93tce/km2,青海仅2.88tce/km2。这主要是由于各省不同的生物质能结构和国土面积差异造成的。

图10农村人均生物质能能量密度分布

图11单位国土面积生物质能能量密度分布
3结论和讨论
(1)中国生物质能蕴藏丰富,可开发潜力巨大。2004年我国生物质能总蕴藏量和可获得量分别达35.11×108t和4.6×108t。随着农业的发展,城乡居民生活水平的提高,生物质能经济和技术可得性逐渐增大,我国生物质能资源量将还有所增加。需要指出的是,本文计算时并没有考虑能源植物的潜力。2020年我国几种主要能源植物有年产液体燃料5000×104余t的潜力,其中乙醇燃料2800×104余t,生物柴油2400×104余t[22]。
(2)中国生物质能总体上分布不均,省际差异较大,西南、东北及河南、山东等地是我国生物质能的主要分布区;而生物质能蕴藏潜力分布在一定程度上与常规一次能源蕴藏潜力分布呈现互补状态,使得在一次能源蕴藏量较低的地区开发利用生物质能具有巨大潜力。
(3)中国现阶段生物质能利用以农村为主,多数为传统利用和直接燃烧,效率低下,严重威胁着农村生态环境和健康。2003年,中国农村地区消费秸秆和薪柴等非商品能源分别达1.43×108tce和1.16×108tce[18]。低效和浪费使用生物质能一方面很容易使这些地区陷入能源短缺和生态破坏的恶性循环之中,另一方面人畜粪便和室内空气污染已成为农村地区危害人们健康的主要原因之一。在未来,大力发展生物燃油、生物质发电等生物质能利用技术,科学高效地开发利用生物质能源将成为解决我国能源环境问题的有力措施之一。
 
 

 

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