關鍵詞：農作物秸稈；能源；潛力；生物質顆粒燃料；顆粒機
0、引言
中國是農業大國，在稻谷、麥子、玉米、豆類、塊莖作物和棉花等農作物生產過程中產生大量的農業廢棄物——農作物秸稈，這些秸稈是中國生物質資源的重要來源之一。據統計，中國農作物秸稈產量約7x108t/a。農作物秸稈中蘊含豐富的有機質，是潛在的巨大能源庫。但是對這個“巨大的能源庫”的定量研究鮮有報導。本文以2005年中國農作物秸稈資源為例，結合農作物秸稈的能源轉化方式，對中國農作物秸稈能源化的潛力進行定量估算，以期對中國農作物秸稈綜合利用有所裨益。
1、可能源化的農作物秸稈資源
1.1中國農作物秸稈資源量秸稈是農村最主要的農作物副產品。由于秸稈產量未列入國家有關部門的統計范圍，其產量通常是依據農作物產量計算得到，表1列出了2005年中國主要農作物產量及秸稈資源量。
表1 2005年中國農作物秸稈資源量
| 作物種類 | 作物產量106t | 谷草比 | 秸稈產量 | 占秸稈總量的比例 | |
| 谷物 | 水稻 | 180.59 | 1.0 | 180.59 | 24.77 |
| 小麥 | 93.88 | 1.0 | 93.88 | 12.88 | |
| 玉米 | 139.37 | 2.0 | 278.73 | 38.23 | |
| 其他 | 13.93 | 1.5 | 20.90 | 2.97 | |
| 豆類 | 21.58 | 1.5 | 32.37 | 4.44 | |
| 薯類 | 34.69 | 1.0 | 34.69 | 4.76 | |
| 棉花 | 5.66 | 3.0 | 16.97 | 2.33 | |
| 油料 | 花生 | 14.30 | 2.0 | 28.60 | 3.92 |
| 油菜籽 | 13.05 | 2.0 | 26.1 | 3.58 | |
| 芝麻 | 0.63 | 2.0 | 1.25 | 0.17 | |
| 其他 | 2.79 | 2.0 | 5.58 | 0.77 | |
| 糖類 | 甘蔗 | 86.64 | 0.1 | 8.66 | 1.19 |
| 甜菜 | 7.79 | 0.1 | 0.78 | 0.11 | |
| 合計 | 614.86 | 729.11 | 100 | ||
根據農作物秸稈的化學組成（表2）可知，2005年中國農作物秸稈中含碳總量為3.58x108t。含氫0.44x108t，如果全部燃燒可放出1.74x1017J熱量。
表2 農作物秸稈的主要化學組成 %
| 秸稈種類 | 碳 | 氫 | 氧 | 氮 | 硫 |
| 玉米稈 | 49.95 | 5.97 | 43.12 | 0.87 | 0.13 |
| 稻草 | 48.87 | 5.84 | 44.38 | 0.74 | 0.17 |
| 小麥桿 | 49.04 | 6.16 | 43.41 | 1.05 | 0.34 |
| 其他秸稈 | 48.63 | 6.08 | 44.92 | 0.36 | 0.01 |
中國農作物秸稈資源豐富，秸稈主要用于工業原料（造紙）、畜牧飼料、直接還田、農村生活能源等4個方面，各方面所消耗的秸稈資源量及其所占比例見表3。
表3 中國秸稈資源的主要用途
| 用途 | 比例 % | 資源量/108t |
| 生活燃料 | 39.6 | 2.887 |
| 畜牧飼料 | 27.5 | 2.005 |
| 工業原料 | 2.7 | 0.197 |
| 秸稈還田及收集損失 | 15 | 1.094 |
| 廢棄或燒掉 | 15.2 | 1.108 |
| 合計 | 100 | 7.291 |
2、中國農作物秸稈能源化潛力估算
2.1估算方法
農作物秸稈能源轉化方式多種多樣，但主要包括直接燃燒、物化轉化和生化轉化等3種方式。本文在假設所有可能源化的秸稈在單一的某種轉化方式的情況下，估算其可以轉化的能源量，并進一步計算其可替代的化石能源量。
2.2不同轉化方式下秸稈能源化潛力估算
2.2.1能源化估算條件
(1)直接燃燒
直接燃燒主要包括爐灶燃燒、鍋爐燃燒和生物質成型顆粒燃料的燃燒。爐灶燃燒是傳統的利用方式，利用效率低，僅15%左右；鍋爐燃燒采用了現代化的鍋爐技術，適于大規模利用生物質，燃燒效率高，可達到60%～80%；顆粒機壓縮成型燃料是生物質被壓縮成型后的產品，其密度增大，熱效率提高（可達40%以上）。
(2)物化轉化
物化轉化技術包括3個方面：一是干餾技術，二是氣化制生物質燃氣技術，三是熱解制生物質油技術。針對農作物秸稈的特點以及中國生物質能利用技術的發展特征，本文只選取氣化制生物質燃氣為研究對象。生物質氣化產生的氣體分為低熱值燃氣和中熱值燃氣，可以大規模利用的是低熱值燃氣技術。秸稈氣化效率一般為70%，燃氣的低位熱值為4818kj/m3，秸稈氣化的產氣率為2.39m3/kg，燃氣用于供熱的熱效率可達55%以上。產生的燃氣若用于發電，則平均1.8kg秸稈產生的燃氣可發電1kWh。
(3)生化轉化
生化轉化技術主要是以厭氧消化和特種酶技術為主，本文只討論厭氧消化技術。厭氧消化又稱為沼氣發酵，是有機物（碳水化合物、脂肪、蛋白質等，在一定溫度、濕度、酸堿度和厭氧條件下，經過沼氣菌種發酵（消化）生成沼氣、消化液和消化污泥（沉渣）的過程。各類農作物秸稈發酵產氣效率見表4，產生的沼氣熱值為20934kj/kg。沼氣燃燒熱效率可達55%～60%，1m3沼氣可發電1.25kWh。
表4 農村沼氣原料總固體含量、實驗室產氣率、實際產生率
| 原料種類 | 總固體含量% | 實驗室產氣率m3/kg | 實際產氣率m3/kg |
| 稻草 | 80～90 | 0.40 | 0.30 |
| 麥草 | 80～90 | 0.45 | 0.30 |
| 玉米秸稈 | 80～90 | 0.50 | 0.30 |
| 高粱秸稈 | 80～90 | 0.40 | 0.30 |
可用作能源的3.995x108t秸稈的能源化潛力估算結果見表5。由表5可以看出，在秸稈資源能源轉化方式中，能源轉化效率最高的是60.37%；其次是壓縮成型燃燒，轉換效率為58.26%：轉化效率最低的是沼氣發電，僅為7.37%。如果將可能源化的3.995x108t秸稈資源全部用于氣化供熱和壓縮成型燃燒，則可分別產生9.557 x1011m3燃氣和3.995x108t燃料，節約化石燃煤2.979 x108 t和2.856x108t，折合2.127x108 t標煤和2.039x108 t標煤．相當于2005年能源消費總量2.233x109t（表6）的9.5%和9.13%。因此，我國秸稈資源在氣化供熱和壓縮成型燃燒兩種能源轉化方式上能源化潛力巨大。
表5 中國農作物秸稈能源化潛力估算
| 利用方式 | 產品量 | 單位 | 燃料熱值/kj·kg-1 | 利用效率/% | 節約化石燃料 | 折標煤/108t | 轉化效率/% | ||
| 類型 | 數量/108t | ||||||||
| 爐灶燃燒 | 1.108 | 億t | 15349 | 15 | 燃煤 | 0.408 | 0.291 | 8.31 | |
| 鍋爐燃燒 | 3.995 | 億t | 15349 | 60 | 燃煤 | 0.7 | 0.5 | 14.28 | |
| 壓縮成型燃燒 | 3.995 | 億t | 15349 | 40 | 燃煤 | 2.856 | 2.039 | 58.26 | |
| 沼氣發酵 | 供熱 | 1200 | 億m3 | 20934 | 55～60 | 燃煤 | 1.142 | 0.815 | 23.29 |
| 發電 | 1500 | 億kwh | - | - | 燃煤 | 0.369 | 0.258 | 7.37 | |
| 氣化 | 供熱 | 9557 | 億m3 | 4818 | 55 | 燃煤 | 2.979 | 2.127 | 60.37 |
| 發電 | 2222 | 億kwh | - | - | 燃煤 | 0.838 | 0.598 | 17.09 | |
中國農作物秸稈資源豐富，2005年秸稈資源產量為7.28x108t，相當于1.74x10n J能量，是個巨大的能源庫。除去用于飼料、工業原料和直接還田外，約有3.995x108 t秸稈資源可作為能源利用。這些秸稈若全部以直接燃燒、鍋爐燃燒、壓縮成型燃燒、沼氣供熱、沼氣發電、氣化供熱以及氣化發電等不同能源轉化方式加以利用，則其能源化產品可分別替代化石燃料0.291 x108，0.5×108，2.039 x108，0.815 x108，0.258 x108，2.217 x108和0.5987x108 t標煤，其中以氣化供熱轉化效率最高，轉化效率可達60.37%，其次為壓縮成型燃燒，轉化效率達58.26%。
中國農作物秸稈中雖然蘊含著豐富的能源資源，但是由于利用技術的不成熟、利用對策的不完善，致使很大一部分秸稈資源被低效率地利用，能源潛力不能有效地發揮。為了更高效地利用中國的農作物秸稈資源，建議從以下幾個方面著手促進秸稈資源能源化利用。
①加快農村能源建設，用新的能源替代農作物秸稈，盡量減少農作物秸稈燃燒利用量。
②結合當前秸稈綜合利用技術水平，確定優先發展對策。例如，目前在秸稈綜合利用技術中，氣化供熱和壓縮成型燃燒技術發展較、為成熟，秸稈資源的利用可優先考慮這2種方式。
③加快秸稈能源轉化技術研究，促進秸稈利用向商品化發展。
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