中科院院士、中国工程院院士 石元春：发展生物质能源是“一石二鸟”

来源：中国科学报 作者：石元春 时间：2014-09-05

 

    习主席最近提出能源革命和5点要求，深受鼓舞与启示。5点要求中提到，在主要立足国内的前提条件下，全方位加强国际合作，有效利用国际资源，以及务实推进“一带一路”能源合作。本文谨就建设本土“生物质煤田、油田和气田”，也就是“一片”谈一些体会。

 

    中国能源革命能提“自主”吗？

 

    崛起中的中国，能源安全乃国之大计，而安全又系之于自主，特别是一个大国。

 

    道理很简单，近60%的石油和近30%的天然气依赖进口并将继续走高，且不说沉重的经济与外交成本，美国对华形成包围圈、东海与南海复杂形势、中东乱局、俄乌“斗气”等能让中国能源有安全感吗？“饭碗任何时候都要牢牢端在自己手里”与“油桶”要尽量放在自己家里的道理是一样的。

 

    问题是，中国崛起对油气需求极旺而本土油气资源又极贫，能有底气提“能源自主”吗？仔细想想，也非绝对不可。“能源自主”是指增加本土能源产出，将油气对外依存度逐渐回落到50%以下或更低。

 

    值此能源转型时代，中国近中期可实行“一手广进化石油气，一手狠抓替代能源”的“两手”战略。趁全球能源大宴的“最后晚餐”（世界石油与天然气分别可使用53.3年和54.8年，《BP世界能源报告2014》）和生产消费版图转移时机，中国不妨广进油气，抢得一杯残羹，作为大国博弈中手上的一张大牌，在战略上是得当的。但是，随着油气资源渐竭、开发难度与成本增加，价格战与资源争夺更加激烈，国家能源安全度势将走低。因此，在广进油气的同时，必须未雨绸缪地狠抓替代能源，因为替代能源形成气候需要一二十年或更久。所以，这“一进一替”，必须两手都要硬，只有双面下注才能真正提升国家能源安全。这一二十年是我国能源战略转型关键期，千万把握好机遇，避免战略失误。

 

    现在的问题是，化石能源在中国太强势，决策者满脑子都是为解决现实问题的化石能源，替代能源仅“捎带脚”而已，少有危机感和紧迫感。“一进”很硬，“一替”很软，是当今国家能源决策中的重大隐患。随之而来的问题是，我国清洁能源能担此“一替”重任吗？据2009年中国工程院咨询报告，我国不含太阳能（缺数据）的本土清洁能源，近中期可年收集作能源用的资源量为21.5亿吨标煤，相当于2013年能源消费总量的40%，如加太阳能则可撑半壁河山。在能源多元化的未来，能撑起1/4或1/3天下的能源就是大能源。就资源潜力而言，清洁能源是可担此任的。

 

    同上资料，各类清洁能源的资源量及占比排序是：生物质（11.71亿吨标煤，占比54.5%）、水电（5.84亿吨标煤，占比27.2%）、风电（3.35亿吨标煤，占比15.5%）和核电（0.58亿吨标煤，占比2.7%）。生物质资源量是水电的2倍和风电的3.5倍。2013年我国生物质能、太阳能和风能的实际产能分别折合为5191.5万吨标煤、4722.1万吨标煤和4117.5万吨标煤，生物质能源也处在首位。

 

    以下分别阐述开发本土“生物质煤田”、“生物质气田”和“生物质油田”。

 

    开发本土“生物质煤田”

 

    生物质不经液化或气化，直接以固态形式作为直燃发电和成型燃料的原料，其能效可较传统薪柴提高数倍以至10倍，并可大幅减排有害气体与粉尘。以生物质替代煤炭发电和以成型燃料供热在欧美已流行半个多世纪，技术与市场很成熟。瑞典热电颗粒联产的能效可达95%以上。成型燃料年人均消费200多公斤，2013年的全国能源消费结构中，生物质已是占比32.4%的第一大能源了。2012年全球有634家万吨以上规模的成型燃料厂，总产3305万吨，主要在欧美诸国，中国只占2.7%（《生物质能源国际BEI•2012》）。

 

    固体生物质能源在中国近十年才发展起来。2013年全国生物质直燃发电项目200余个，并网容量7790兆瓦，上网电量356亿千瓦时，约相当于1/3的三峡电站发电量，其中48%集中于赣、鲁、粤、浙四省。生物质发电在我国已初具规模，发展态势良好。成型燃料发展之初，皆民营中小企业经营，深受资金、技术、政策等诸多制约，步履维艰，九死一生。近年，生产链条的原料收集、储运、成型、燃烧利用、技术装备诸环节，都有如广州迪森、北京奥科瑞丰、吉林宏日、江苏牧羊等一批骨干企业脱颖而出，初步奠定全行业发展基础。2013年全国成型燃料总产683万吨。

 

    近年全国雾霾暴发和2013年9月国务院发布《大气污染防治行动计划》后，成型燃料已成为全国60余万个中小锅炉年约6亿吨燃煤的最佳替代能源，国家有关业务主管部门下发多项鼓励性政策、条例和计划，正在积极推进。生物质成型燃料具有低灰、低硫、低氮的特点，接近天然气排放水平，价格是天然气的一半。成型燃料供热的近中期市场定位，以替代约60万个中小燃煤锅炉为主；中长期可为农村及中小城镇供热。当前和以后相当长一段时间里，减排、治霾和压煤是一种国家行为，必将为生物质固体燃料提供强劲社会需求和广阔市场。

 

    我国“生物质煤田”的可开采储量是多少？

 

    固态生物质能源的原料主要是作物秸秆和林业剩余物，根据中国工程院资料，二者可收集作能源用的年资源量分别为4.7亿吨和3.5亿吨。如一半用于气态和液态燃料，剩下的一半用于固态燃料，则“生物质煤田”的年可用能源资源量约4.1亿吨，可替代3亿多吨煤炭。据2012年统计，全国农作物秸秆的82%来自粮食作物，其中玉米、小麦和稻谷分别占46.0%（3.55亿吨）、20.4%（1.57亿吨）和15.8%（1.22亿吨），说明资源是相对集中的。粮产区即秸秆主产区，粮田即“生物质煤田”，其中黄淮海平原和东北平原粮区是两片“富矿”。3.5亿吨林业剩余物主要产自全国各个林区，多集中于我国西南和中南诸省。经数十年的建设，我国林区有健全的国家林场管理系统，林业生物质能源一旦得以开发，林场即生物煤场，可控性和操作性很强。

 

    开发“生物质煤田”的关键在于政府的胆识、决心和得力配套政策；在于引进资本和实力较强企业；在于解决好原料收集难点；在于探求和建立适合不同原料和市场条件的多种商业模式。

 

    开发本土“生物质气田”

 

    当前国家最为紧缺和大量进口的是天然气，本土“生物质气田”又能替代几何？

 

    对畜禽粪便、城市污泥污水、加工业废水废渣，以及作物秸秆等有机废弃物和污染源作无害化和资源化处理的最佳方式，是经微生物厌氧发酵生产沼气。沼气含甲烷约60%，如提纯到92%以上，即同质于天然气（NG），提纯后的沼气称生物天然气（BNG）。如果说固态生物质燃料在燃烧中，除钾元素外的几乎氮、磷、铁、锰、锌等所有植物营养元素皆被挥发或固化，微生物厌氧发酵过程则近乎全部保存，可重归土壤和参与物质循环；如果说固态生物质燃料是零碳排放，沼气则是负碳排放。即每做1千瓦时功，天然气排放398克CO2,沼气则是负414克，因它有同化空气中CO2和消除向大气释出甲烷的功能。所以，从原料到转化过程以至产品，BNG既是清洁能源产业，又是环保产业，其能效和物效极高，且负碳排放，真是一种神奇的能源。

 

    近十年，当中国大规模发展农村户用沼气之时，欧洲则因俄罗斯不能稳定供应天然气而发展了工业沼气和BNG生产。德国大型沼气——生物天然气工程由2000年的850个，增加到2009年的4780个，发电产能达1600兆瓦，计划2020年达9500兆瓦。2006年瑞典生产车用BNG2500万立方米，超过了化石天然气消费量（2000万立方米）。2011年欧盟27国已有12400个大型沼气生产厂，年产量相当于100多亿立方米BNG,计划2020年达到459亿立方米。欧洲以压力为动力，变被动为主动地成就了一个多么好的BNG战略新兴产业。中国能源革命也要有这种精神和豪气，不能一味依赖进口。BNG基本建设一次性投资是进口化石天然气的37%和“川气东送”工程的40%，经济性亦佳，开发潜力很大。

 

    2008年前后，北京德清源、山东民和、河南天冠、上海白龙港污水处理厂等日产2万～9万立方米的大型沼气生产厂陆续投产和发电上网；第一个日产1万立方米的BNG生产厂及所驱动的数百辆出租车出现在广西南宁市；德清源、民和、海南神州的车用BNG相继投入运营；日产7万和10万立方米的BNG项目也将陆续投产。中国企业正紧跟BNG国际发展形势。

 

    BNG生产在我国不存在技术与装备障碍，经济上可行，市场需求巨大。

 

    我国“生物质气田”的可开采储量是多少？

 

    生产微生物发酵型沼气的原料主要是两类，一类是畜禽粪便和秸秆等农业废弃物；一类是加工业排放的高COD值有机废水、废渣及城市污水、污泥。中国是养殖业大国，猪与鸡的饲养量世界第一，牛羊位居前列，畜禽粪便资源丰富。且80%以上养殖场集中于农区，特别是粮食产区，所以粮产区即作物秸秆与畜禽粪便资源富集的优质生物质气田。

 

    据中国工程院最新资料，2009年我国规模化养殖场的畜禽粪便具年产472亿立方米沼气的资源潜力。如按1:1配入作物秸秆，则具年产约1000亿立方米沼气或630亿立方米BNG的潜力，黄淮海平原与东北平原无疑是这片生物质气田的富产区。另一片生物质气田则是经处理的工业废水废渣和城市生活污水，有大分散小集中和易收集特点，其资源量具年50亿立方米沼气或32亿立方米BNG的生产潜力。两处“生物质气田”合计可年产出662亿立方米BNG。

 

    开发农区生物质气田的一条重要策略，是以现有万余规模化养殖场为据点，收集周边秸秆等农业有机废弃物，形成千千万万个BNG“气井”。有政府积极引导，市场强劲需求，可观经济效益，技术装备无障碍，何愁年供数百亿立方米的生物质气田建设不成。多年来，我国大中型养殖场的沼气项目并不少，但多为政府安排处理畜禽粪便的环保项目，多是既无内驱力又无市场拉动力的政府出钱，养殖场办差的“样子工程”。如果以北京德清源和山东民和为样板，改制为新型的养殖—BNG—环保一体化的多联产的高赢利产业，现养殖场何乐不为。现有规模化养殖场改制是开发“生物质气田”的关键。

 

    善其事先利其器。令人高兴的是，一种可按不同原料和规模量身定做的、“集装箱”式的BNG装备生产线即将在京郊开始批量投产，它将为千万个改制养殖场及时和快速提供先进装备和技术服务。每一个改制后的养殖—BNG—环保一体化多联产的养殖场，就是耸立在“生物质气田”上的一口气井，德国已经有5000口，中国为什么不能有5万口？这是完全可以成真的梦想。

 

    开发本土“生物质油田”

 

    国际公认，运输用燃料的当家品种是液体燃料。2013年，美国用4000万吨生物乙醇替代了13%的原油进口，而将石油对外依存度降到50%以下；巴西的2000万吨甘蔗乙醇占全国石油燃料市场的57%，以及1830万辆使用燃料乙醇汽油的灵活燃料汽车（FFVs），占全国汽车拥有量的61.8%。2013年全球产生物液体燃料9300万吨，并保持4.5%的年均增速，其中燃料乙醇占80%以上。

 

    燃料乙醇在中国有一个曲折而踏步不前的经历。世纪之交，中国因大量陈化粮积存而将陈化粮乙醇列为国家“十五”计划中的重点工程，2006年即以年产152万吨而位居世界第三。但随着陈化粮的消失和粮食吃紧，政府停批粮食乙醇而鼓励发展非粮乙醇。然而木薯乙醇踏步不前，纤维素乙醇攻关不克，甜高粱乙醇步履维艰，160万吨燃料乙醇的年产纪录保持8年至今。美国玉米乙醇也因生产规模扩大而冲击玉米市场，力图寻求纤维素乙醇技术的突破。

 

    旱路难行走水路。在生物平台上攻关纤维素乙醇技术的同时，热化学平台上也探索着生物质气化—合成燃油技术。1997年，德国科林公司（Choren Co.）开始研发Carbo-V气化技术，2008年在实验室动态试验装置上用木屑生产出合成液体柴油Sandiesel,开创了世界先例。2012年依托该技术建设了世界首套带有商业目的40MW气化示范工厂，但投运后系统的稳定性与可靠性出现了一些问题。同年世界500强企业德国林德公司将科林收购，继续做技术优化升级开发工作，并将优化升级的技术授权许可给芬兰Forest Btl公司，准备在2013年建设年产14万吨非粮生物质合成燃油商业化工厂。该项目获得欧盟“低碳技术”8850万欧元的财政支持，继续研发工作。此外，美Rentech公司也于2011年建成了年产1万吨非粮生物质合成燃油商业示范工厂，由于某些原因暂停运行。

 

    我国阳光凯迪新能源集团公司经过近10年的研发，非粮生物质气化与费托合成技术流程已打通，工艺已经成功，生产出了高品质高清洁的航空煤油、生物质柴油和轻质油商品。一座年产1万吨的生产线于2013年1月20日正式投产运行，该生产线现运行近万小时。生产线产出的油品主要技术指标已达到欧洲二代非粮生物质燃油商品的质量标准，也就是欧Ⅵ标准。阳光凯迪正在武汉和广西北海分别设计建设单线年产30万吨和年产60万吨规模的两个生产厂，计划2016年底投产运行。看来，此重大领域的国际技术竞赛中，中国是跑在了世界前面。此外，中国内蒙古金骄集团则在生物化学平台上研制出燃烧性能优异、环保性能优于常规柴油的高品位生物柴油，于2009年和2012年分别在包头与赤峰建成两座年产能分别为10万吨和8万吨的生产厂。

 

    我国“生物质油田”的可开采储量是多少？

 

    生物质组分中木质素占约四成，因植物组织结构致密而难以水解，至今只能一烧了之。生物质气化—合成燃油的重大意义在于，如果木质素转化为高品位燃料取得技术突破和实现产业化，将使年产3.5亿吨的林业“三剩物”不仅可用于固体燃料，也可用于转化为近亿吨的优质生物燃油。进而，与我国农田面积相当的1.31亿公顷毫无经济产出的宜林荒山荒坡也可通过种植能源植物转化1亿吨以上的生物燃油。科技是第一生产力，林业“三剩物油田”和“宜林荒山荒坡油田”可以提供生物质油品2亿吨以上。

 

    我国大面积的滨海盐渍土与海涂，是可盛产甜高粱乙醇的另一片生物质油田。技术进步使生物质液体燃料彻底远离粮田，摆脱与粮食的干系，“影响粮食安全”的误解应该完全排除了。

 

    中国能源革命不能没有“一片”

 

    本文的“一片”是相对于我国能源战略中的“一带（丝绸之路经济带）”和“一路（21世纪海上丝绸之路）”而言，是指在中国本土建设一片“生物质煤田、油田和气田”。

 

    中国能源革命不能没有这“一片”，为什么？

 

    一曰可当大任。过去国人对生物质能源了解少误解多，中国能源大军中一“弼马温”而已。这十年，它已成长为朝气勃勃的年轻才俊，如得国家培养与启用，亿吨级的“生物质煤田”、亿吨级的“生物质油田”、千亿立方米的“生物质气田”不在话下。此非坐而论道，而是根据对资源禀赋、收集转化技术与装备、商业模式、现有产业化基础与成熟度等方面的综合分析与评价提出的。只要政府下决心和给政策，“一片”梦是能实现的。

 

    二曰保国家能源安全。协议中的俄罗斯中俄天然气管道东线2018年开始向中国供气，最终达年输气380亿立方米，供应30年，中国签单4000亿美元。其实，中国生物质气田资源潜力只要发挥一半，也可拿下如此规模的签单，而且是一千年，何不搏一搏？2013年我国进口原油2.82亿吨，何不像2007年的美国那样，订一个年产1亿吨生物燃油的计划？中国“生物质油田”正在紧张地准备着。“一带一路”是为增加能源进口安全，“一片”则是为保障本土供应，国家能源安全不能没有这“一片”。

 

    三曰克霾环保之必须。畜禽粪便、加工业废水废渣、城镇污水污泥、作物秸秆露地焚烧等巨量有机污染物，如何使之无害化，进而资源化循环利用，非生物质能源生产莫属也；制造雾霾的主犯是燃煤与汽车尾气，治理最大难点是全国60多万中小燃煤锅炉，燃煤替代非生物质成型燃料莫属。此外，生物天然气与生物燃油还是减排城市化石燃料汽车尾气的有力武器。中国环保不能没有这“一片”。

 

    四曰保国家粮食安全。国家粮食安全不仅存在“需求增”和“土水缺”的问题，农民不愿种地和劳动力流失更是隐患。因为农业比较效益太低，辛辛苦苦种一亩小麦只挣一二百元，不如进城当几天临时工。受教育较多的农村青壮劳力纷纷弃农离乡，城镇化正在加快农村优质劳动力流失进程。作为重要生产要素的劳动力衰落了，农业空心化了，谈何粮食安全和农业现代化？如果农民种一亩小麦除挣一二百元外，再加卖秸秆“另捡”的二三百元，种粮积极性能不大增吗？如果农村经济中再注入新兴的生物质能源产业，农业的比较效益显著上升，工作岗位众多，农业劳动力会不回流？粮食安全度会不提高吗？国家粮食安全不能没有这“一片”。

 

    五曰发展城镇化之必须。城镇化的主体是发展中小城镇，那么城镇里的产业在哪里？工作岗位在哪里？城镇居民的能源消费量是农村居民的三到四倍，能源又在哪里？发展绿色城镇化靠什么？这一系列问题的最佳解决方案是大力发展生物质能源产业。因为它植根于“三农”和围绕中小城镇，可以为中小城镇发展提供产业、工作岗位和绿色能源，缓解城镇化对化石能源的需求压力和改善环境质量。中国发展城镇化不能没有这“一片”。

 

    六曰新经济增长点。习主席在能源革命中提出：“同其他领域高新技术紧密结合，把能源技术及其关联产业培育成带动我国产业升级的新增长点。”生物质能源产业以亿公顷、亿吨和千亿立方米计，其体量巨大，且对“三农”等相关产业带动性强，提供工作岗位多，增加内需力度大，是促进国家产业转型升级和经济上行的新增长点。

 

    中国是生物质资源大国，生物质能源产业已历练十余载，渐趋成熟和可担重任。望国家对我国生物质能源产业的潜力和综合效应给以科学和客观的再评估，早下开发本土“生物质煤炭、气田和油田”之决心，它必将在“十三五”和以后十年大放异彩，为中国崛起作出重要贡献。

 

    作者简介：

 

    石元春，中国科学院院士、中国工程院院士，中国农业大学教授。


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