農(nóng)村生物質(zhì)清潔能源發(fā)展及應(yīng)用分析
——以四川農(nóng)村為例

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州 635001）

能源的利用種類隨著社會(huì)的發(fā)展發(fā)生著不斷的變化，從工業(yè)革命開(kāi)始煤炭逐步成為主要的能源，到二十世紀(jì)二十年代，煤炭消費(fèi)量占世界商品能源的87%[1]；二十世紀(jì)后期，石油、天然氣、電力和煤炭一起成為了世界的主體能源。但是地球上的化石能源儲(chǔ)量是有限的，研究表明全球已經(jīng)探明的煤炭資源僅能滿足110余年的開(kāi)采，石油和天然氣資源僅能滿足50余年的開(kāi)采[2]。雖然水電、風(fēng)電等電力資源是可再生的，但是其資源儲(chǔ)量和空間分布都非常不均勻，無(wú)法滿足人民日益增長(zhǎng)的能源需求。

石油、天然氣、煤炭等化石能源的大規(guī)模使用，給全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了一系列的革命，但也帶來(lái)了溫室氣體的大量排放，全球氣候變暖已經(jīng)成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的主要問(wèn)題[3]，同時(shí)也帶來(lái)了生物多樣性破壞、酸雨、光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[4-5]。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)能源需求日益增加，加速利用其它類型的能源是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如今，世界能源消費(fèi)出現(xiàn)了巨大的變化，向低碳化趨勢(shì)進(jìn)行發(fā)展，以太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能等為代表的新能源的開(kāi)發(fā)和利用規(guī)模和范圍都在不斷的擴(kuò)大，新型能源的消費(fèi)份額也在不斷提高，能源消費(fèi)的格局也從化石能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)，逐步向多種能源供給的格局轉(zhuǎn)變[6]。能源利用低碳化轉(zhuǎn)型就是要實(shí)現(xiàn)清潔、可持續(xù)的高效利用，而開(kāi)發(fā)利用可再生清潔能源是解決能源利用轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中遇到的供需矛盾問(wèn)題的關(guān)鍵路徑之一。

1 生物質(zhì)能源的特點(diǎn)

生物質(zhì)能是一種特殊的可再生能源，是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，也是在可再生能源中唯一一種方便收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)淖罱咏剂系哪茉础Ｉ镔|(zhì)能是世界上排位在煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源，生物質(zhì)能原料資源是水電的2倍，是風(fēng)電的3.5倍[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)清潔能源（不含太陽(yáng)能）資源量為21.5億tce/年，其中生物質(zhì)能占半壁江山，約為54.5%[8]。作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了大量的生物質(zhì)資源，這些資源具有量大、可再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較高的開(kāi)發(fā)潛力。結(jié)合我國(guó)農(nóng)村的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)農(nóng)村生物質(zhì)能源，用生物質(zhì)能代替或部分代替化石能源可以避免農(nóng)村廢棄秸稈焚燒帶來(lái)的局部嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題，也可以彌補(bǔ)其他可持續(xù)能源面臨的間歇性弊病等問(wèn)題，對(duì)于優(yōu)化和調(diào)整能源的結(jié)構(gòu)和布局，緩解能源緊缺具有重要的意義[9]。

2 四川農(nóng)村生物質(zhì)能的現(xiàn)狀

四川是農(nóng)業(yè)大省，是全國(guó)生物質(zhì)原料最豐富的省份之一，四川農(nóng)村的生物質(zhì)資源潛力巨大，可以利用的主要包括農(nóng)作物的秸稈、人畜糞便、農(nóng)村生活垃圾和能源植物等4個(gè)方面[10]。秸稈是作物的伴生品，秸稈占農(nóng)作物的51%以上，其用途非常廣泛，主要用作燃料、飼料、肥料等。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，四川的糧食產(chǎn)量全國(guó)排名第九，主要的糧食作物是水稻和小麥，主要的油料作物是油菜，2019年四川的糧食產(chǎn)量為3498.5萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)0.1%，油料作物產(chǎn)量367.4萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)1.3%。綜合各地氣候的差異，各地草谷比也呈現(xiàn)相應(yīng)的差異，據(jù)估算，四川省2019年產(chǎn)生的糧食秸稈近3000萬(wàn)噸，油料秸稈超過(guò)900萬(wàn)噸。隨著城市化進(jìn)程的加快和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，秸稈被直接用作生活燃料的需要已經(jīng)逐漸減少，剩余秸稈往往被直接焚燒用于田地基肥，但這種焚燒方式既浪費(fèi)了生物質(zhì)能源，又引起嚴(yán)重的空氣污染，影響民航飛行。近幾年，為減輕對(duì)空氣的污染，很多地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)的政策，禁止在農(nóng)田里直接焚燒秸稈。2018年2月，黨中央、國(guó)務(wù)院在《關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見(jiàn)》中明確指出要推進(jìn)農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用，同年7月，國(guó)務(wù)院在《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中提出要加快調(diào)整我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建清潔低碳高效的能源體系，今年十月底《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中明確提出在“十四五”期間要“推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用”。

四川農(nóng)村已經(jīng)實(shí)現(xiàn)整體脫貧，但是城市和農(nóng)村的能源利用差距還很大，特別是農(nóng)村清潔能源的利用發(fā)展嚴(yán)重滯后，與美麗鄉(xiāng)村的要求還有很大的差距，如果這些問(wèn)題在“十四五”期間得不到解決，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源清潔低碳安全高效利用，也很難實(shí)現(xiàn)我國(guó)的碳減排和碳中和目標(biāo)[11]。由于生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中排放的二氧化碳是植物生長(zhǎng)時(shí)通過(guò)光合作用吸收的二氧化碳，不會(huì)增加大氣中的二氧化碳總量，并且在燃燒過(guò)程中二氧化硫和氮氧化合物的排放量很低，生物質(zhì)能在國(guó)際上被稱為二氧化碳零排放（又稱碳中和）[12]，滿足國(guó)家對(duì)環(huán)保和清潔能源的要求，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。因此，在農(nóng)村發(fā)展清潔能源是生態(tài)文明建設(shè)和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要組成部分，對(duì)改善農(nóng)村人居環(huán)境、推進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要的作用[13]。

3 農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

當(dāng)前，我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展與新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相比相對(duì)滯后，生物質(zhì)材料在很多地方往往是采取焚燒的方法進(jìn)行處理，生物質(zhì)能源的平均利用率不到20%。生物質(zhì)能源化利用最多的是農(nóng)村沼氣和生物質(zhì)秸稈發(fā)電。由于農(nóng)村大多采取分散居住模式，傳統(tǒng)的農(nóng)村沼氣池往往是每家每戶單獨(dú)建造，容積較小，只能滿足家庭照明和日常生活需求，但是這種模式帶來(lái)設(shè)備維護(hù)困難，特別是設(shè)備使用壽命到期后容易造成環(huán)境污染等問(wèn)題，如沼液泄漏后會(huì)造成地下水污染，秸稈氣化產(chǎn)生的煤焦油沒(méi)有專業(yè)人員進(jìn)行處理也會(huì)造成環(huán)境污染[14]。

秸稈用于發(fā)電是能源化利用的又一途徑，但是遇到的第二個(gè)問(wèn)題就是收集半徑大，運(yùn)輸成本高，收、儲(chǔ)、運(yùn)服務(wù)體系尚未建立。沒(méi)有形成從農(nóng)作物種植、收集、運(yùn)輸及加工利用的完整產(chǎn)業(yè)鏈，秸稈加工利用企業(yè)布局不合理，缺乏龍頭企業(yè)帶動(dòng)，產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)營(yíng)和綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢。同時(shí)，由于生物質(zhì)發(fā)電的高上網(wǎng)電價(jià)，導(dǎo)致農(nóng)民放棄選擇用電，而重新選擇使用煤炭，這種結(jié)果只是用農(nóng)民焚燒燒煤的方式替代電廠集中燒煤，仍然沒(méi)有減輕對(duì)環(huán)境的污染[15]。

生物質(zhì)能在推廣的過(guò)程中，出現(xiàn)推廣困難等問(wèn)題。根據(jù)農(nóng)業(yè)部對(duì)8個(gè)省的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，秸稈離田綜合利用成本較高[16]，農(nóng)村清潔能源設(shè)施和技術(shù)開(kāi)發(fā)利用成本也較高，當(dāng)前農(nóng)村大多數(shù)是老年人或留守婦女、兒童，文化層次往往不高，新技術(shù)的推廣比較困難，尤其是從事生物質(zhì)能源的專業(yè)人員缺乏，沒(méi)有形成較為有效的推廣網(wǎng)絡(luò)和推廣體系。因此，如何從農(nóng)村實(shí)際出發(fā)，堅(jiān)持因地制宜的原則，從根本上構(gòu)建和完善推廣網(wǎng)絡(luò)，將技術(shù)和設(shè)備有效地落地到農(nóng)村是生物質(zhì)能源發(fā)展的基礎(chǔ)性問(wèn)題[17]。

生物質(zhì)能源的配套和扶持政策有待進(jìn)一步完善。雖然國(guó)家已經(jīng)對(duì)秸稈的綜合利用制定了一系列的政策，但是這些政策往往只是針對(duì)生產(chǎn)的某一個(gè)特定的環(huán)境，沒(méi)有按照產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展形成系統(tǒng)的配套支持政策，政府在生物質(zhì)燃料的收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)缺乏相應(yīng)的政策支持，讓社會(huì)力量參與農(nóng)村生物質(zhì)能源建設(shè)的激勵(lì)力度還不夠，影響了秸稈的綜合利用。財(cái)政補(bǔ)貼存在補(bǔ)貼作物種類、補(bǔ)貼區(qū)域有限等特點(diǎn)，需要進(jìn)一步激發(fā)農(nóng)民參與秸稈綜合利用的積極性[18]。

4 農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的發(fā)展前景分析

秸稈能源化利用的主要方法為燃燒、熱化學(xué)處理法、生物化學(xué)法和物理化學(xué)法等，可轉(zhuǎn)化為電能和固體、液體、氣體燃料等二次能源。

一是秸稈發(fā)電。我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)存在電力結(jié)構(gòu)不完善和設(shè)備發(fā)展水平落后等問(wèn)題，往往無(wú)法滿足農(nóng)村日益增長(zhǎng)的用電需求[19]。利用秸稈替代煤炭為燃料進(jìn)行發(fā)電，由于秸稈的含硫量只有煤炭的1/5-1/4，可以減少二氧化硫的排放量，為農(nóng)村用電和節(jié)能減排開(kāi)辟了一條新的途徑。發(fā)電前先將秸稈進(jìn)行預(yù)處理，將秸稈碎化，然后壓制固化成體積小、便于儲(chǔ)存、熱值高的高密度固體燃料，作為發(fā)電廠生物質(zhì)發(fā)電燃料，在燃燒過(guò)程中生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。

二是秸稈氣化。秸稈氣化的傳統(tǒng)方式是秸稈生物發(fā)酵制沼氣。San等對(duì)柬埔寨農(nóng)村地區(qū)使用的4種能源進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本的分析，結(jié)果表明使用沼氣的家庭能源成本較低，沼氣是農(nóng)村最為合適的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)[20]。Wang Xiaohua等通過(guò)對(duì)比分析有沼氣農(nóng)村家庭和無(wú)沼氣農(nóng)村家庭的用能結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示生物質(zhì)能有助于改善農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)，使用沼氣的家庭人均能源消耗量明顯下降，每戶家庭年均減少了163.5 kgce[21]。由于秸稈生物質(zhì)主要是碳?xì)浠衔锝M成，新型的秸稈生物質(zhì)氣化技術(shù)是以秸稈為原料，通過(guò)在厭氧環(huán)境下，采用干餾熱解法等化學(xué)方法，秸稈在氣化過(guò)程中經(jīng)過(guò)熱解、還原等反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫氣等可燃?xì)怏w，生成品味較高、易于輸送的氣體燃料，該方式能源利用率高，比直接燃燒秸稈的熱效率高3倍多，綜合熱效率可達(dá)40%以上[22]。

四是秸稈液化。由于秸稈的主要成分是大分子多糖化合物纖維素，可以將秸稈直接粉碎進(jìn)行生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，進(jìn)一步生產(chǎn)乙醇汽油，達(dá)到節(jié)約石化燃料或者替代汽油的目的。Liu等分析了日本生物乙醇項(xiàng)目的環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)，結(jié)果表明生物乙醇的環(huán)境負(fù)載率、環(huán)境影響比等具體指標(biāo)均低于石化燃料，有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展[23]。德國(guó)、日本等國(guó)家都在積極開(kāi)發(fā)生物質(zhì)液體燃料，利用不同比例的廢棄木材、農(nóng)作物秸稈和其他廢棄生物質(zhì)混合，生產(chǎn)生物合成柴油和石腦油，生物質(zhì)液化技術(shù)是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的最新方向。