天津市農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈能源化利用形式的比較與討論

馮，李玲，解玉紅

（天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384）

天津市農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈能源化利用形式的比較與討論

（天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384）

可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當前發(fā)展的潮流，是任何活動和行為都應遵循的原則。秸稈由于其產(chǎn)量大、可再生能力強的特點，成為目前解決能源危機的一個突破口。本文從秸稈利用方式角度出發(fā)，通過對天津市秸稈能源化利用的3種途徑（秸稈發(fā)電、沼氣和纖維素乙醇）利用費用效益分析方法進行分析比較，得到秸稈的最佳利用方式。研究證明，纖維素乙醇若實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用，優(yōu)于秸稈發(fā)電和秸稈制沼氣。

秸稈；可持續(xù)發(fā)展；沼氣；費用效益

1 研究背景

我國每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈近7億t，其巨大的產(chǎn)量和再利用價值，已經(jīng)成為人們關注的焦點。其中有3.5億t可用作能源使用，如果能得到合理的利用，不僅能緩解我國的能源危機，也在很大程度上減弱了能源消耗對環(huán)境造成的壓力。能源供需矛盾為秸稈大規(guī)模能源化利用提供了新的機遇，同時也向小規(guī)模傳統(tǒng)利用方式提出了新的挑戰(zhàn)。

作為農(nóng)業(yè)大國，每到夏秋時節(jié)便是農(nóng)忙季節(jié)，大量農(nóng)作物秸稈未得到有效處理而被廢置，甚至燃燒，這是一種資源的浪費。盡管近幾年我國已經(jīng)嚴令禁止焚燒秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，但是每年仍有接近15%的秸稈被燃燒處理，不僅造成秸稈中有機質(zhì)和氮磷鉀等元素的流失，更嚴重的是對環(huán)境造成了不可想象的污染。秸稈焚燒一般是在7——8月農(nóng)作物收割以后，發(fā)生在城郊等遠離市區(qū)、缺乏監(jiān)管的地區(qū)，屢禁不止。有研究表明，秸稈不加利用的焚燒，是引起目前備受關注的霧霾問題的重要因素之一［1-2］。更有報道指出，京津冀地區(qū)頻發(fā)的霧霾天是由河北廊坊和天津?qū)氎娴榷鄠€縣市屢禁不止的秸稈焚燒造成的［3］。秸稈焚燒有百害而無一利，但每年秸稈產(chǎn)量巨大，如何有效、合理地利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，成為目前亟待解決的問題之一。

纖維素乙醇是繼糧食乙醇后的第2代生物質(zhì)乙醇，自2007年國家出臺政策不再批準新建糧食乙醇項目后，人們對于纖維素乙醇的發(fā)展熱情就空前高漲。纖維素乙醇在替代石油等化石能源方面存在很多優(yōu)勢，但同時也存在著成本高、效率低的發(fā)展困境。

纖維素乙醇作為秸稈能源化的代表，既可以減輕化石能源使用的壓力，又可以實現(xiàn)秸稈的資源化，但是秸稈能源化利用的途徑并非只有纖維素乙醇一種，如何合理利用秸稈，最大限度地實現(xiàn)能源替代，具有很大的現(xiàn)實意義。因此，本文在利用灰色預測法對天津市秸稈可收集量進行預測的基礎上，采用費用效益法，對目前秸稈能源化利用的3種途徑進行分析，從社會、經(jīng)濟、環(huán)境3方面綜合考慮，進行對比分析，從而對秸稈能源化利用方向提出相應的策略和建議。

2 研究方法

2.1 灰色預測法

分析秸稈的開發(fā)利用形式，秸稈可收集量的預測是最基礎的。本研究對秸稈可收集量的預測采用灰色預測法GM（1，1）模型進行。

2.2 費用效益法

應我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，我國的所有項目均應盡可能地符合可持續(xù)發(fā)展的要求，纖維素乙醇的開發(fā)利用同樣如此。可持續(xù)發(fā)展包括社會可持續(xù)、經(jīng)濟可持續(xù)和環(huán)境可持續(xù)，也就是可持續(xù)發(fā)展3方面的要求。纖維素乙醇的開發(fā)利用不僅僅是環(huán)境問題，同樣也是社會和經(jīng)濟問題，在這3個方面，單純地只考慮某一方面，都不能客觀評價纖維素乙醇與傳統(tǒng)化石能源的優(yōu)劣。

為了客觀全面地分析天津市農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈合理的資源化開發(fā)利用形式，從而對秸稈的開發(fā)利用提出指導意見，本研究以秸稈作為研究對象，通過費用效益法對秸稈的3種能源化利用途徑進行分析，對比分析后得到秸稈能源化利用的開發(fā)方向，以此提出天津市秸稈資源化的開發(fā)策略。

3 秸稈可收集量預測

3.1 模型建立

根據(jù)《天津市統(tǒng)計年鑒》可知每年糧食作物產(chǎn)量，通過草谷比可計算得到每年天津市秸稈可收集量，表1為天津市2001年——2010年秸稈可收集量統(tǒng)計及累加生成數(shù)據(jù)。

表1 天津市2001年——2010年秸稈可收集量統(tǒng)計及累加生成數(shù)據(jù)Tab.1The statistic data of the straw collection quantity and the accumulated data

利用灰色預測法可得預測模型為

累減后整理還原的秸稈量預測模型為

其中，k=N-2000。

3.2 精度檢驗

確定模型后，需對模型預測的精度進行檢驗。對于GM(1，1)模型的精度檢驗主要分兩方面，殘差檢驗及關聯(lián)度分析。

3.2.1 殘差檢驗

利用模型預測出2002年——2010年秸稈可收集量，與原始數(shù)據(jù)進行比較，可得到誤差E和相對誤差△E，計算過程如下式:

通過預測模型預測得到的每年秸稈可收集量及相對誤差見表2。

表2 天津市秸稈可收集量預測結(jié)果及相對誤差Tab.2The prediction of straw collecting quantity and the relative error in Tianjin

灰色預測法中對預測模型進行殘差檢驗時，相對誤差越小越好，一般要求不大于20%，最好不大于10%。從表2可以看到，秸稈可收集量預測模型的相對誤差均小于10%，滿足殘差檢驗要求。

3.2.2 關聯(lián)度分析

關聯(lián)度分析，即檢驗預測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的關聯(lián)度。首先，對原始數(shù)據(jù)和預測的數(shù)據(jù)進行初始化，初始化公式分別為：

然后，計算絕對差△k：

記最大差△max=max△k，△min=min△k，根據(jù)關聯(lián)系數(shù)的計算公式：

取分辨率ρ=0.5，可得關聯(lián)系數(shù)為0.633 908＞0.6，表示關聯(lián)度良好?？梢钥闯觯A測結(jié)果的誤差小于10%，在可控范圍內(nèi)，因此，該模型可行。

綜上所述，利用式（2）模型對天津市秸稈可收集量的預測是可行的。通過預測得到的2011年——2020年秸稈可收集量如表3所示。

表3 2011年——2020年秸稈可收集預測量Tab.3The prediction of straw collecting quantity from 2011 to 2020

根據(jù)表3的預測可以初步分析出至2020年天津市農(nóng)業(yè)固體廢棄物的可收集量，根據(jù)可收集量對秸稈的利用進行效益費用分析。

4 秸稈能源化利用途徑比較

表4 秸稈焚燒、發(fā)電、沼氣和生產(chǎn)纖維素乙醇的費用效益分析Tab.4 The cost and benefit analysis among straw incineration，straw power，straw biogas，and cellulosic ethanol

本研究選取了主要的3種秸稈能源化利用途徑，分別為秸稈發(fā)電、秸稈沼氣和纖維素乙醇，與秸稈露天焚燒進行對比，以對比能源化利用的優(yōu)勢。然后通過對發(fā)電、沼氣和纖維素乙醇的對比分析，得出秸稈利用的開發(fā)策略。具體對秸稈焚燒、發(fā)電、沼氣和生產(chǎn)纖維素乙醇的費用效益分析如表4所示。

從表4可以直觀看出，秸稈發(fā)電、沼氣和纖維素乙醇都不同程度解決了秸稈焚燒帶來的問題，3者各有利弊。

從經(jīng)濟效益來看，同熱值的沼氣和纖維素乙醇比秸稈發(fā)電成本要高200～400元/GJ，但環(huán)境污染物的排放卻削減一半以上，同時，秸稈發(fā)電的規(guī)模由于鍋爐功率和秸稈收集難易程度的限制不宜過大，一般在15～30MW，因此，綜合來看，秸稈發(fā)電不如沼氣和纖維素乙醇。

對秸稈沼氣和纖維素乙醇比較來看，經(jīng)濟效益方面，雖然在利用秸稈的成本上，沼氣成本要遠遠小于纖維素乙醇，但是，由于沼氣的產(chǎn)氣率不高，以及沼氣熱值的原因，加上對纖維素乙醇的政策補貼，纖維素乙醇的成本已與沼氣幾近相當。

從環(huán)境排放物來看，產(chǎn)生相同熱量時，以秸稈發(fā)電產(chǎn)生的污染物排放量為基準，秸稈沼氣對SO2的排放削減為42.41%，纖維素乙醇為99.79%。碳氫化合物的排放沼氣削減69.91%，纖維素乙醇削減99.6%。NOx的排放量沼氣削減47.26%，纖維素乙醇為99.9%。CO2排放量削減沼氣為80.87%，而纖維素乙醇為99.9%。CO的排放量沼氣削減99.9%，而纖維素乙醇為96.16%。因此可以看出，從環(huán)境效益來看，產(chǎn)生同等熱量時，沼氣除了CO的排放量優(yōu)于纖維素乙醇以外，其他均不同程度劣于纖維素乙醇。

從社會效益來看，秸稈焚燒不但造成了資源的浪費，還會有大量的污染物及顆粒物的排放，引起人們重視的霧霾。同時氣體污染物不具備地域的穩(wěn)定性，隨著天氣的變化遷移，會影響周邊城市的環(huán)境，在影響人們身體健康的同時，也造成了生活質(zhì)量的下降，另外引起的霧霾也使道路上能見度降低，間接增加了交通事故的幾率和隱患。

秸稈發(fā)電雖然從某種程度上解決了焚燒的資源浪費問題，但是依然存在著局限性。由于原料自身的性質(zhì)，秸稈密度小，收集難度大，受季節(jié)影響較大等原因，大規(guī)模開發(fā)過程中秸稈占據(jù)較大的堆放場地，存儲過程中還需要防火、防雨、防潮、防雷等措施。有研究表明，含水量5%時，秸稈的發(fā)熱量較好，但含水量達到20%時，發(fā)熱量將大大受損。另外秸稈發(fā)電的成本要高于常規(guī)發(fā)電成本，工程造價也是常規(guī)發(fā)電的2倍以上，并且秸稈中堿性金屬及氯含量較高，容易腐蝕金屬表面，因此秸稈燃燒的鍋爐需采用特種耐腐蝕鋼材，無形中又增加了設備的成本。另外，秸稈發(fā)電也存在電廠熱效率偏低的問題。

秸稈制沼氣的環(huán)境要求嚴格，必須在嚴格的厭氧環(huán)境中進行，還需有一定的溫度、水分和酸堿度等條件。近幾年，我國實行了各種政策推廣沼氣的開發(fā)使用，雖有發(fā)展，但是仍發(fā)展緩慢，究其原因是沼氣開發(fā)自身的局限性所致。秸稈沼氣的產(chǎn)生條件苛刻，而秸稈大量廢置的地區(qū)往往是農(nóng)村地區(qū)，人們受教育程度低，對技術(shù)的掌握能力不足，國家雖出臺相應的政策扶持秸稈沼氣池的構(gòu)建和使用，但是后期的技術(shù)支持不夠。沼氣的產(chǎn)氣率低，不穩(wěn)定，沼氣產(chǎn)生過程伴隨著硫化氫等氣體產(chǎn)生，有劇毒，并有刺激性氣味產(chǎn)生，對脫硫裝置也有要求，調(diào)查發(fā)現(xiàn)脫硫劑需及時更換，因此戶用沼氣的推廣受到了阻力。對于中小型沼氣工程，一般以自然村為單元建設發(fā)酵裝置和儲氣裝置，再通過管道把沼氣輸送到農(nóng)戶家中，也就是集中供氣。集中供氣雖然方便技術(shù)人員對沼氣產(chǎn)生條件的控制和管理，但是秸稈沼氣技術(shù)仍然處于起步階段，運行效果并不明顯，沼氣工程的收益并不高，導致沼氣工程的發(fā)展受到了限制。

纖維素乙醇與前兩種利用方式相比，自2007年我國開始加大力度扶持纖維素乙醇的研究和開發(fā)以來，得到了空前的發(fā)展。雖都是由秸稈產(chǎn)生，成本較高，但產(chǎn)出的液體乙醇便于運輸，熱值較高，環(huán)境污染物排放較少。采用纖維素酶進行降解，需要工廠進行生產(chǎn)，可以對降解過程的條件等進行有效控制和管理，適合大規(guī)模開發(fā)。雖然纖維素乙醇的開發(fā)目前尚未得到大規(guī)模生產(chǎn)，但是若實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用，優(yōu)于秸稈發(fā)電和秸稈制沼氣。

5 結(jié)語

就目前天津市秸稈的利用現(xiàn)狀來看，秸稈開發(fā)利用比率較少，秸稈目前尚未得到有效的利用，仍存在田間焚燒的情況。秸稈能源化是對秸稈進行加工處理后，替代天津市現(xiàn)有的化石能源。和秸稈露天焚燒相比，秸稈發(fā)電、沼氣、纖維素乙醇等能源化利用途徑都是不同程度的資源節(jié)約，更符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

從長遠角度出發(fā)，纖維素乙醇具有長遠意義，但尚未得到有效的利用和規(guī)?；l(fā)展，其自身開發(fā)過程中存在局限性，我們應當正確認識纖維素乙醇開發(fā)過程中的困難和局限，從而積極完善，盡可能實現(xiàn)長足發(fā)展。

［1］胡徐騰.纖維素乙醇研究開發(fā)進展［J］.化工進展，2011，30(1):137-143.

［2］吳楠，孔垂雪，劉景濤，等.農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣技術(shù)研究進展［J］.中國沼氣，2012，30(4):14-20.

［3］崔文文，梁軍鋒，杜連柱，等.中國規(guī)?；斩捳託夤こ态F(xiàn)狀及存在的問題［J］.中國農(nóng)學通報，2013，29(11):121-125.

The comparisons among the ways to use straw to replace energy utilization in Tianjin

FENG Xin，LI Ling，XIE Yu-hong
（Tianjin University of Technology，The College of environmental science and safety engineering，Tianjin，300384）

Sustainable development has become the trend of the current development，the principles of any activity and behavior should be followed.Because of its features，such as the large output，strong renewability，straw has become a breakthrough to resolve the current energy crisis.In this paper，from the perspective of the way to use straw to replace energy utilization through three ways in Tianjin:the straw power generation，biogas and cellulosic ethanol，the use of cost-benefit analysis methods were analyzed and compared，in order to get the best use of straw.The study shows that the development of cellulosic ethanol，although not yet been large-scale production，but if the large-scale development and utilization，better than straw and straw biogas generation.Therefore，large-scale development of cellulosic ethanol should be achieved as soon as possible.

Straw;Sustainable development;Biogas generation;Cost-benefit analysis methods

F323.214

A

1674-8646（2016）01-0150-04

2015-10-27

教育部人文社科項目“基于可持續(xù)發(fā)展理論的纖維素乙醇開發(fā)策略研究”（11YJAZH025）

馮（1961-），男，學士，教授，碩士研究生導師，主要從事環(huán)境科學與安全工程研究。

解玉紅（1976-），女，碩士，副教授，e-mail:xieyuhong76@126.com。