开发生物质能 发展能源农业

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一、能源农业的概念和利用方式　　农业是人类以固定、转化太阳能，获取农产品为目的的生产活动。种植业以固定太阳能为主，利用绿色植物进行光合作用，将无机物合成为葡萄糖、淀粉、脂肪和蛋白质等有机物,种植业又叫初级生产。在光合作用中，每固定1克分子CO2，大约吸收209.3×104J的日光能，光合产物中有46.9×104J的能量以化学能的形式固定下来。其余的162.4×104J的能量在固定CO2过程中,以热能的形式消耗掉了。由于人类培育了高产、高效、优质的农作物品种，为植物生长创造良好的生产条件，农业生产中植物固定太阳能的效率大幅度提高。植物光合作用效率，一般在肥沃地区可达到1％－2％，在贫瘠荒凉地区仅0.1%，人工精心管理的农田生态系统有过6%－8％的记录。[1]养殖业、农产品加工业则是以转化太阳能为主,又称次级生产。养殖业生产的动物产品（肉、奶、蛋、毛、皮等），在转化过程中大量的能被消耗掉了,一部分以粪便形式排出，一部分能量以尿和气体（甲烷、氢）能形式排出。在农产品加工中，除了提取主要产品外，还有大量的能量在排出的废水、废物中。农产品转化过程中的畜禽粪便，农产品加工排出的废水、废料都可作为生物质能源加以开发利用。
, f& H4 ^- e0 j6 t) p  L4 T( ~/ w; {　　所谓能源农业，就是以生产能源为目的的农业。能源农业以生物质能源为主要开发对象，它包括四种能源利用方式［2］(图1)：
　　（一）直接燃烧方式

　　直接燃烧方式可分为炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾燃烧和固型燃料燃烧四种情况。

　　其中，固形燃烧是新推广的技术，它把生物质固化成型后，再采取传统的燃煤设备燃用。其优点是充分利用生物质能源替代煤炭，可以削减大气CO2和SO2排放量。
　　（二）物化转换方式
　　物化转换方式包括三方面，一是干馏技术；二是气化制生物质燃气；三是热解制生物质油。其中，气化制生物质燃气技术推广面积较大，群众易于接受。
　　（三）生化转化方式
　　生化转化方式有两种，一是厌氧消化制取沼气；二是通过酶技术制取乙醇液体燃料。
* G4 {- u0 R+ v7 u　　（四）植物油利用方式
0 Y3 q, Y9 e" `) f% }　　能源植物油是从油脂植物和芳香油（还原式烃）植物中提取的燃料油，经加工后，可以替代石油使用。
/ W( m: m  o# x二、发展能源农业的重大意义　　（一）拓宽农业服务领域，增加农民收入
% f# m# `$ ]* K( i　　恩格尔指出：在收入增加的时候，食品及生活必需品的支出占收入增加的比例递减。随着经济的增长，人们基本生活需求得到满足后，消费热点将转向享乐型的产品，从而市场将减少食品、衣服的消费份额。进入新世纪后，我国居民消费结构发生了很大变化，恩格尔系数降到38％。2002年城市居民收入增长2020元，人均食品消费只增长109元，占新增收入的5％，增加的因素主要是外出吃饭开支和烟、酒、茶的开支。对粮、油、肉、菜的消费开支下降，粮食人均消费金额下降83元。油10.1元，肉25.3元，菜12.4元。由于边际消费递减规律的作用，出现了农民收入增长难现象。 1997年以来，农民收入中来自农业的收入一直没有增长，农民增收主要靠工资性收入，2002年工资性收入占农民纯收入的34.5％，2003年增加到36％。这个经济规律告述我们：农业必须扩大服务领域，向农业的深度和广度进军。农业不仅提供食品和纤维，还应提供能源和其它化工、医药等产品。发展能源农业为农业拓宽了服务领域，同时也为农民增收开辟了新途径。［3］
　　（二）缓解我国能源短缺，保证能源安全
　　我国从1993年进口原油3000万t，成为原油净进口国，2000年进口达7000万t，2003年进口1亿t。预计到2020年，中国的GDP可能达到5万亿美元，能源需求25亿t到30亿t标煤，其中石油缺口1.6-2.2亿t。[4]开发生物质能源不但可行，而且非常紧迫。农业要抓住这个契机，提出能源农业的发展战略，并把它发展成为一个大产业。
& e; L% P! E1 S$ p. O" o5 X' b　　（三）治理有机废弃物污染，保护生态环境
　　当前我国环境污染形势非常严峻。对环境污染最严重企业仍是养殖企业和农产品加工企业。2003年通报点名批评的十家排污大户，8家是农产品加工企业。据国家环保总局2004年第1周（2004年1月5日～2004年1月11日），全国主要水系73个重点断面水质自动监测站八项指标（水温、pH、浊度、溶解氧、电导率、高锰酸盐指数、氨氮和总有机碳）的监测结果表明：Ⅰ～Ⅲ类水质的断面为39个，占53.4%；Ⅳ类水质的断面为10个，占13.7%；Ⅴ类水质的断面为6个，占8.2%；劣Ⅴ类水质的断面为18个，占24.7%。Ⅳ类以上劣质污水河流占46.6％。水体污染中，农产品加工企业排出污染物的约占1／2。特别是，劣Ⅴ类水的河段，农产品加工企业污染贡献率更高。［5］全国人大2003年对《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》执法检查，对农村固体废物污染问题提出严厉批评。据调查我国畜禽养殖场的粪便产生量达17.3亿吨。80％的规模化畜禽养殖场缺乏必要的污染治理设施，畜禽粪便未经处理直接排入环境，严重污染空气和水体。［6］我国温室气体排放已严重影响我国气候变化。国家气象局局长秦大河介绍，中国科学家预估了未来中国气候的变化：第一，中国气候将继续变暖。到2020至203O年，全国平均气温将上升1.7℃；到2050年，全国平均气温将上升2.2℃；当大气中二氧化碳浓度加倍时，全国平均气温将上升2.9℃。第二，中国气候变暖的幅度由南向北增加。到2030年，中国西北地区气温可能上升1.9-2.3℃。第三，中国不少地区降水出现增加趋势，东南沿海增加值最大。长江中下游地区出现变干的趋势，华北和东北南部等一些地区出现继续变干的趋势。
* X. g+ m! a$ m+ M4 O1 p- G9 A0 O: |　　（四）广泛应用生物技术，发展基因工程
" Y1 R/ ]4 W" p　　生物技术在培育能源作物，培育高效酶微生物方面大有作为。国外用转基因方法获得柴油油菜新品种；用转基因技术获得分解秸秆纤维生产酒精的工程菌。转基因技术应用于能源作物和能源微生物上，不受基因标识的限制，而应用在食物方面要求标识，因而受到很大限制。为了促进学科发展，生物技术可选择能源作物和能源微生物方向大力研究和应用。
0 b$ Q5 t3 N% ~' P: ^8 @7 g, k4 H三、实施能源农业的重大工程　　（一）沼气计划
& |  X3 r/ F& m: G8 T+ q( o( G3 L　　沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵生成以甲烷为主的可燃气体。沼气发酵过程可分为两个阶段，即不产甲烷阶段和产甲烷阶段。沼气发酵产生的三种物质，一是沼气，以甲烷为主，是一种清洁能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是优质肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物，是一种优良有机肥，并有土壤改良功效。沼气的生成物有很高的应用价值。很多人称：“沼气百利，而无一害”。
$ A8 p1 P8 x  ~　　沼气发酵有四个特点：
　　1、沼气微生物自身耗能少
　　沼气发酵过程中，沼气微生物自身繁殖需要的能量是好氧微生物的1／30－1／20。对于基质来说，大约90％的COD被转化为沼气。
　　2、沼气发酵能够处理高浓度的有机废物
　　好氧条件下，一般只能处理COD含量在1 000mg／L以下的废水，而沼气发酵处理废水COD含量可以高达10 000mg／L以上。如表1所示，各种农产品加工废水，都可作为沼气发酵的原料。

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3、能处理的废物种类多
% D5 J) z9 X" ^5 Z- @" F( {* n1 O4 m　　沼气发酵可以处理人、畜粪便，作物秸秆，农产品加工企业的废水、废渣等。沼气发酵除去了90％的有机质，余下的部分再经过耗氧处理，便可达到国家排放标准。
　　4、沼气发酵受温度影响较大
8 D* {( w( m" g7 h3 h　　沼气发酵可分为高温（50－600C）、中温（30－350C）和常温（自然温度）。高温发酵处理能力最强，中温次之，但需要一定的热能来维持所需要的恒定温度。
8 X+ \! [4 f* a. o　　沼气计划应包括农村户用小型沼气和大中型沼气两个部分。
　　农村户用小型沼气技术已比较成熟，目前主推的是埋地圆柱形水压式沼气池，并已制定出国家标准（GB 4750－84、GB 4751－84、GB4752－84）。这种沼气池解决了进料和出料的矛盾，可以连续生产。农民不需冒生命危险去掏出沼渣。北方在沼气池上加盖塑料大棚，使沼气与养猪种菜相结合，组装成“四位一体”模式，成功的解决了冬季沼气发酵问题。各地从当地实际出发，把沼气与农民致富奔小康结合起来，形成生态家园富民计划，大大推进了农村户用沼气的发展，国家已列入西部大开发计划。为了使农村户用小型沼气更符合国家经济建设和社会全面发展，建议：1、国家进一步加大投资力度，满足广大农民的需求；2、突出重点。一是解决生态脆弱区农民的燃料问题，巩固退耕还林成果，治理风沙危害。二是解决南方血吸虫高发区的虫卵处理问题。沼气发酵可以彻底处理血吸虫虫卵。据卫生防疫部门检测结果：在沼气池内，血吸虫卵秋季22天，冬季40天内，死亡100％。通过沼气池的建设把厕所、畜圈连接起来，人、畜粪便进入沼气池，经过沼气发酵，杀死虫卵，切断血吸虫传播链。
　　大中型沼气主要用来处理城市污水、高浓度工业有机废水、人畜粪便及生活垃圾。近20年，世界各国积极发展大中型沼气，创造出许多新的工艺，随着高效、常温厌氧消化工艺的开发，大中型沼气技术日臻成熟。我国不少企业兴办沼气，开展综合利用，取得了显著的经济效益和生态效益。如河南省南阳酒精总厂（天冠集团）先后建造了三座大型沼气池，集中处理了酒精醪液，形成了日供气4万m3的能力，满足了南阳市4万户的生活用气，污染排放接近于0，实现了社会效益、经济效益和生态效益三赢，形成了循环经济模式。北京市蟹岛度假村，建了一座的沼气池和一座150亩水面的污水处理系统，度假村内部生活垃圾和人畜粪便全部进行厌氧消化，产生的清洁能源供炊事用气，消化液和沼渣作优质肥料用于生产无公害农产品。生活污水处理后达到一级排放标准，回？？农田。整个度假村实现了污染0排放。当前我国环境污染日益严重，大中型沼气是消化有机污染物的最有效方式。国家要把发展大中型沼气列入发展计划，制定促进大中型沼气发展的优惠政策，调动企业建设沼气的积极性，使我国大中型沼气的发展出现一个良好发展的新局面。既生产可再生能源，又促进污染环境的治理。
6 @2 h- L1 f, w% f7 Q　　（二）酒精计划
8 C* l5 c% y: D2 [　　酒精学名乙醇，是由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，结构是C2H5OH。酒精生产方法有化学合成法和生物发酵法。化学合成法酒精含杂质较多，其应用受到限制。生产上主要采用生物发酵法。制造酒精的原料可以是淀粉质原料、糖蜜原料、纤维原料和亚硫酸造纸废液。
　　酒精是一种清洁能源。少量使用可代替四乙基铅和ETBE（乙基叔丁基醚）作汽油的防爆剂。大量使用则可与汽油混合制造汽油醇作汽车燃料。汽油醇作燃料可减少汽油燃烧对大气的污染，还可增加汽油辛烷值，提高燃烧效率。
　　2001年4月8日原国家计委和国家质量监督检验总局宣布我国将全面推广使用汽油醇。《变性染料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准已于4月2日公布。2002年6月30日起，在河南省郑州、洛阳、南阳和黑龙江哈尔宾、肇东等5个城市开展试点，试用汽油醇获得成功。2004年2月10日国家发展和改革委员会继续扩大试点，黑龙江、吉林、河南、安徽四省除在全省范围内扩大试点，还调出燃料酒精销售到辽宁、河北、山东、江苏。2005年底上述省、市基本实现车用乙醇汽油替代其他汽油。从1903年算起，酒精作为汽车燃料已经有近百年的历史了。20世纪的前半期人们给予酒精两次关注， “一战”期间，参战双方都重视酒精的战略意义。“二战”期间，燃料酒精得到了较大规模的推广。到了20世纪50年代，随着石油的大规模开采利用，高成本的酒精逐渐被人们淡忘了，直至1973年的世界石油危机。巴西、美国率先推行了“汽油醇计划”。汽油醇来自英文“ＧAＳＯＨＯＬ”，是指在汽油中加入一定比例的变性酒精形成的混合燃料。这是一种清洁实用的燃料。1975年，巴西**在世界上首倡“汽油醇计划”，1977年正式以20％酒精比例在首府圣保罗市实行，1980年提高到22％的比例在全国推行。如今，巴西年产酒精1000万吨，其中97％用于汽车燃料。目前，巴西是世界上惟一不供应纯汽油的国家。25年来实施的“汽油醇计划”给巴西带来了3大收益：“形成了独立的经济能源运行系统，刺激了农业、酒精工业及相关行业大发展，大气和生态环境显著改善。”美国用法律来强制推行“汽油醇计划”，鼓励汽油醇的生产和消费。从1978年至今，美国已通过数十项法案，从能源、交通、税收、环保、农业等方面，对汽油醇予以支持。一些盛产玉米的州也自行立法，要求在州内必须使用汽油醇。目前，美国燃料酒精的年消费量约为500万吨，根据汽车发动机的类型将酒精加入汽油有两种比例，汽油发动机的加入量为5％～15％，专用发动机的酒精比例为85％～100％。据美国有关部门的调查，使用汽油醇作为燃料，可明显降低汽车废气的排放，一氧化碳排放量降低20％～30％，二氧化碳降低27％。除有利于环保外，汽油醇的推广也为美国带来了可观的综合效益。以1997年为例，全年美国汽车燃料共使用酒精512万吨，转化玉米1500万吨，占美国当年玉米总产量的7％，为社会提供了19．52万个就业机会，并使联邦**多收入36亿元。美国国会还通过了一项法案，要求未来10年内大力发展酒精工业，将每年燃料酒精的使用量增加到1000万吨。从80年代起，德国、荷兰、加拿大、瑞典等发达国家也开始了汽油醇的推广。到1995年前后，英、法、南非、古巴、泰国等越来越多的国家也纷纷加入到这个行列中。
　　为什么要推广汽油醇，还有一个迫切的问题，就是汽油的添加剂问题。汽油在汽车发动机的汽缸内燃烧时由于汽缸内氧气不足，燃烧不完全，机器强烈震动，从而使输出功率下降，机件受损，这就是汽油的抗爆性。反映汽油抗爆性的数字指标叫辛烷值，就是人们通常说的汽油的标号，如“90＃”、“93＃”汽油，指的就是这些汽油的抗爆性，指数越高，抗爆性越好。改善汽油抗爆性的办法就是在汽油中添加其他化学制剂。过去普遍加入四基乙铅，结果生成的是含铅汽油，由于铅对人体的危害，四基乙铅从1997年在世界上被禁止使用。目前普遍使用的是ＭＴＢＥ（甲基叔丁基醚），由于它的生产难度大，包括我国在内的许多国家都是依赖进口。近年来，科学研究发现了ＭＴＢＥ的缺点：它不易分解，对地下水有一定污染；它有少量气味，使驾驶者不舒服，可引起恶心、眼睛疼、出现疱疹等反应。美国最近已通过一项“清洁燃料法案”，将在今后4年内禁用ＭＴＢＥ。目前，代替ＭＴＢＥ的“最佳化学品”就是酒精。酒精的作为一种添加剂，没有毒性、无污染，也无须进口。［8］
　　（三）秸秆能源利用计划
　　秸秆能源利用计划包括两个方面：一是秸秆气化：二是秸秆致密成型燃料。现分别介绍：
　　1、秸秆气化
　　秸秆气化广义上又称谓“生物质气化”，是指生物质在缺氧状态下燃烧，使生物质发生化学反应，生成高品位、易输送、利用效率高的气体燃料。生物质由碳氢化合物组成，在生物质气化的过程中经过热解、燃烧和还原反应，转化为一氧化碳和氢等可燃气体。我国每年可再生生物质约11.45亿t，其中作物秸秆6.7亿t。因此，开发生物质气化燃料，应以农作物秸秆利用为重点。农业部已在全国几百个村进行了秸秆气化、集中供气的试点，取得了比较理想的效果。特别是农民致富奔小康，热切需要使用清洁能源，改变村庄卫生面貌，秸秆气化使农民由烧柴变为烧气，适应了农民的要求，因而受到农民的欢迎和肯定。［9］
' t- ^; n+ B9 O: R' _　　2、秸秆致密成型燃料
. v2 |6 }" `% A  m" R4 g　　秸秆致密成型燃料是将秸秆粉碎，送入成型器中，在外力作用下，压缩成需要的形状，然后作燃料直接燃烧。也有进一步加工制成生物碳。
) |& L% J! Y) g* k6 N4 `5 G　　国外如丹麦、德国、比利时、美国、日本等，改性技术已经成熟，实现工厂化生产，主要用于取暖炉、锅炉发电等。我国由河南农业大学、山西万发炉具厂联合开发的生物质成型机已用于生产。生产的致密成型燃料，用于取暖、小型锅炉。经测定，各种排放都大大低于煤，是一种洁净的可再生能源。［9］
　　

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四）能源作物培育计划
  f. [7 m+ J6 d. D0 i5 K/ g/ x- {　　能源作物是指以提供制取燃料原料或提供燃料油为目的的栽培植物总称。能源作物作原料制取的燃料油有很多优点：燃烧后比矿物能源对环境污染少，是一种低硫燃料，而且不增加CO2排放量；比核能使用安全；比风能、地热使用广泛；可进行降解等。因而成为国际上开发的热点，并称之为“绿色”能源。
　　能源作物可分为4类：①以制酒精为目的的一年生或多年生作物，如玉米、甘蔗、甜高粱、甘薯、木薯等；②以生产燃料油（如生物柴油、烃类物质）为目的的植物，如油菜、绿玉树等；③用于直接燃烧的植物；④可供厌氧发酵的藻类或其它植物。
: H2 x4 v. I7 z" v- }* m! |　　促进能源作物发展的条件在我国已逐渐形成：①人类对资源无限制的开采与利用带来了资源枯竭和生态危机；②化石能源燃料燃烧使所产生的物质严重污染了环境，带来酸雨、温室气体、全球变暖等诸多问题；③农业服务领域过窄，农民增收乏力。作物科学工作者要抓住能源作物发展的机遇，大力研究和培育能源作物。
　　能源作物的培育方法，除常规技术之外，还应大力采用生物技术。充分利用能源作物无禁区的优势，使生物技术在能源作物的培育中大放异彩。生物技术培育转基因能源作物是把作物作为生物反应器，充分利用植物的生物合成能力，大规模生产廉价能源原料。在培育糖类物质方面，将细菌的ADP葡糖焦磷酸化酶基因转入马铃薯，可以使淀粉含量提高60％。
# _; ?! B& c1 T4 n% C. j$ I7 @　　生物技术在酒精发酵工艺中显示了更大的作用。利用DNA重组技术改进酒精生产工艺，通过酶的改进，减低成本，提高效益。培育不同的工程菌以提高对木质素、半纤维素和纤维素的分解、糖化及合成酒精的能力。生物技术在这方面的进步，将进一步扩大生物质能源生产的原料来源，使能源农业成为现实。［10］
1 S9 }2 z1 `) D6 W% |' g: g* C# k' S四、发展能源农业必须处理好的几个关系　　（一）处理好粮食安全和能源安全的关系
+ O/ [8 u7 y, R* Q  f. B　　用发展的眼光来看，从“黑色能源”走向“绿色能源”是大势所趋。 开发生物质能源，使用沼气和汽油醇，不仅能够有效地将地球上有限的石油资源的使用时间延长10％～20％。在未来的世界，沼气可能是天然气的替代物，酒精是汽油的替代物。有人会提出能源安全和粮食安全问题的矛盾问题。酒精是用粮食转化来的。在中国养活13亿人口已是一个巨大的压力，生产酒精土地在那里？水资源在那里？要Crack这个问题需要从以下几个方面来研究。
' n' [4 ]3 _# g. O. L$ J　　粮食安全和能源安全有统一性。
　　近几年农民种粮的积极性不高，主要是粮食价格太低，甚至低到种粮亏损的地步。要提高农民种粮的积极性，必须有市场拉动。如果粮食只做食物，市场容量有限。如果粮食既作食物，又做能源，市场容量将开拓1／3以上。从这个意义上讲发展能源农业将是促进农民增收，调动农民种粮积极性的有效措施。
　　粮食作物和能源作物有很大的互补性。
　　能源作物种类较多，主要是玉米、高梁、甘蔗、甜菜、马铃薯、甘薯木薯等。这些作物都是高产作物，既能满足粮食安全的需要，又是很好的能源作物。我国玉米每年大约有400－600万吨剩余。甘蔗、甜菜由于糖的销路不好，每年也有较大的剩余生产能力，2003年人为减少500万吨生产能力。马铃薯、甘薯可以种植在旱地，增产还有很大的潜力。如果粮食丰收，小麦、水稻的陈化粮可用作酒精。如果粮食歉收，可将玉米、甘薯、马铃薯等能源作物转为粮食作物。
% V( n8 V4 D0 @; [0 t　　能源农业开发的领域很广，可以做到不与或少与粮食争地。
　　能源农业开发的领域，大多是利用农业生产中的废弃物，如利用玉米秆、稻草、麦秸等纤维质原料生产酒精和沼气。1999年，美国已建起了世界上第一家用纤维质原料生产酒精的生产线，目前，我国也开展了这方面的研究工作，天冠企业集团实验中心与郑州工业大学、清华大学、无锡轻工业大学及国外研究机构合作进行的“用纤维质原料生产酒精”研究课题已经列入了国家“十五”攻关项目。利用养畜场粪便、农产品加工企业的废水、废物开发能源，既能增加农民收入，又为粮食生产提供优质肥料，是生产清洁能源，促进粮食生产，保证粮食安全和能源安全的双赢举措。
4 F0 C9 c. [; c% g) l5 D4 c8 t7 b　　（二）处理好市场配制资源机制和国家扶植的关系
% Q0 R1 E$ _5 `$ ?1 Q& ?　　能源农业作为新型的、生产生物质能源的产业，在市场化发展中面临诸多障碍和问题。为了促进能源农业健康发展，国家给于必要的扶植是完全必要的。但是仅靠国家扶植，不依靠市场的力量和企业的积极参与，形不成能源农业的大产业。特别是要吸引民间资本进入能源农业，能源农业才能具有较大的活力。为此，建议**制定能源农业产业政策，创造能源农业发展的环境。初步考虑能源农业产业政策应包括以下几个方面：
: Z, u- c$ V+ m) w7 |　　1、制定排放标准，对环境友好企业给予激励政策。减排污染气体的企业可以得到补偿，超排污染气体的企业应受到罚款。
　　2、投融资政策。生物质能源企业优先得到优惠贷款。对产业化龙头企业进行技术改造，生产清洁能源的技改项目，给与贴息贷款。
. z5 P; |; t, h: C8 j8 G- i' x　　3、税收政策。对生产清洁能源企业给与税收优惠，以弥补较高的生产成本。
- f  |0 v" r2 k8 z/ H( |, S　　4、创建能源农业产业化科技园区，实行产供销一体化经营，创造良好的发展环境。
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