山东省生物质资源及利用技术的系统评价

江苏农业科学2014年第42卷第12期李蓓蓓,施威,朱涛.山东省生物质资源及利用技术的系统评价[冂].江苏农业科学,2014,42(12):374-37dloi:10.15889/j.isn.1002-1302.2014.12.126山东省生物质资源及利用技术的系统评价李蓓蓓,施威2,朱涛(1.南京信息工程大学中国制造业发展研究院,江苏南京21004;2.南京信息工程大学语言文化学院,江苏南京210044)摘要:利用已有统计资料和数据,定量估算了山东省生物质资源的数量,并对生物质利用技术的评价方法进行了探讨。山东生物质蕴藏丰富,可开发潜力巨大,2010年,山东省生物质总蕴藏量和可利用量分别达1.15×10°tce和0.477×κo3'ce,其中,秸秆和林木剩余物所占比例高达50%以上,折合0.24×103t标准煤以上。从能源、经济和环境(3E)的角度出发,对生物质资源应用技术的系统评价方法进行了研究,以2MW和6MW生物质气化发电技术为例从经济性角度分析,可考虑适当增加发电规模和提高上网电价以增加经济效益,从环境收益角度分析,2MW生物质气化发电技术1年的CDM项目减排效益为64.464万元,6MW为207296万元,CDM机制可以对山东省生物质气化发电技术推广起到良好的促进作用关键词:生物质资源;系统评价方法;气化发电;清洁发展机制中图分类号:TK69文献标志码:A文章编号:1002-1302(2014)12-0374-04能源短缺和环境危机是制约当今世界经济社会发展的两物、禽畜粪便、工业有机废水、城市垃圾和污泥等几个方面。大主要问题。生物质资源以其可再生、资源丰富、生态环境友本硏究计算的实物蕴藏量是山东省生物质主要资源的全部理好而逐渐成为一种重要的替代能源2。我国是农业大国,论实物产量的总和,理论可获得量是理论条件下可以获得并目前,每年可利用的生物质资源量折合约7亿t标准煤,针对转化为有用能的生物质资源数量,数据来源于2011年山东省这一基本国情以及我国油气等化石能源资源短缺的现状,开统计年鉴。发和利用生物质资源能够有效缓解能源危机,改善能源结枃1.1各种生物质资源实物蕴藏量估算不合理状况,保护日益恶化的生态环境,对于维护我国能源安1.1.1农作物秸秆及林木剩余物资源山东省是我国玉米、全、促进农村和农业可持续发展具有十分重要的意义3。小麦和棉花的主产区之一,2010年,山东省农作物播种面积生物质资源应用技术的系统评价是生物质科学开发利用1081.82万hm2,其中玉米播种面积295.53万hm2,小麦播的关键和基础。对生物质资源利用技术来说,评价内容除了种面积358.11万hm2,棉花播种面积76.67万hm2。计算各要考虑储量、开采量、生产率以及成本、价格等进行一般资源种农作物秸秆产量的公式如下利用技术评价所考虑的因素以外,更应注重生物质资源开发技术的市场分析和环境收益-。目前,对生物质资源利用CR=∑Qrn。技术的评价方法比较单一,缺少比较系统的评价指标,更未能式中CR为秸杆资源实物蕴藏量;Q为第i类农作物的产量;形成综合的评价指标体系,因此,有必要根据生物质资源的特7为第i类农作物的谷草比系数,各种农作物谷草比系数见性对生物质资源利用技术的系统评价方法进行研究,并建立表技术评价的指标体系表1各种农作物的谷草比系数7山东省生物质的储量非常丰富,笔者在总结生物质资源作物种类谷草比作物种类现有评价方法的基础上,利用已有统计资料和数据,定量估算小麦了山东省生物质资源的数量,并从能源、经济和环境(3E)的角度出发,对生物质资源应用技术的系统评价方法进行了研究,最后以生物质气化发电技术为例,对以上构建的评价方法进行了实际应用。1,0定量计算山东省生物质资源棉花油菜生物质资源种类繁多,主要包括农作物秸秆及林木剩余中国煤化工CNMHG3.61万hm2,经济林面积收稿日期:2014-06-14为3.79万hm2,防护林面积为12.99万hm2,木材采伐量基金项目:国家自然科学基金(编号:71173116);中国制造业发展研究院开放课题(编号:S2012004);中国气象局气象软科学研292万m3,林木剩余物资源量的估算可以用不同林种的面究(编号:MC-10)积、可取薪柴系数以及单位面积产柴量等指标计算得出;也可作者简介:李蓓蓓(1984—),女,山东淄博人,博土,讲师,研究方向为以通过分类计算薪炭林林业生产和更新剩余物以及灌木林生物质资源利用。E- mail: beibei@ nuist,edu,cn竹林等其他林木生物质资源来计算,计算公式如下江苏农业科学2014年第42卷第12期FR=eARn表3不同种类生物质能源的折标系数(n;)式中:FR为林木剩余物资源实物量;Q为第i种林木资源量种类折标系数折标系数r为第i种林木的折算系数(表2)。根据公式计算山东省秸麦秆杂粮秆0.500秆和林业生物质资源总量约为9558万t。0.429粪玉米秆0.529猪粪0.429表2林木剩余物资源折算系数0-1豆秆、棉秆林木种类折算系数林木种类折算系数0.486(%)糖料秆羊驴骡粪薪炭林抚育间伐量8m3/hm2油料秆薪柴采伐剩余物四旁树麻类秆生活垃圾木材加工剩余物竹材加工剩余物林木资源能源潜力量、畜禽粪便资源能源潜力量、工业有1.1.2畜禽粪便畜禽粪便也是一种重要的生物质资源机废水城市垃圾和污泥资源能源潜力量的计算方法与此山东省现有各类规模以上畜禽养殖场(户)76万个,省级以上同。畜禽标准化规模养殖示范场(小区)2908个,大牲畜年末存相关文献报道,秸秆、畜粪、废水和污泥资源的收集系数栏502.39万头(牛存栏483.67万头)、猪年末存栏2747.5可近似认为100%,其中秸秆约50%用于能源利用,畜粪万头、家禽年末存栏54亿只兔年末存栏3472.1万只。畜3.3%用于能源利用,城市废水中约50%可用作生产沼气,禽粪尿排泄量与动物种类、品种、性别、生长期等因素有关,根污泥约20%用于厌氧消化和焚烧;林木剩余物的收集系数据各类畜禽每日粪便产生量和畜禽的饲养周期可以估算畜禽本研究取其为40%,其中约33.3%用作能源;考虑到目前垃粪便排放量,公式如下圾收集率仅为40%左右,因此垃圾资源的收集系数为40%。1.4山东省生物质资源的能源总量和理论可利用量D=2Qad·m=2Qa·M根据以上的计算方法和数据,计算理论可利用量见表4。式中:D为畜禽粪便量;为第i类畜禽的数日;d1为第i类畜禽每天粪便的产量;m为第i类畜禽的饲养周期;M为第i表42010年山东省主要生物质能资源类畜禽在整个饲养周期内粪便排放总量。类型实物总蕴折标能源总理论可利用比例根据公式计算山东省2010年畜禽粪便资源的实物量为藏量(10°1)量(10°ce)量(103tce)(%)9351万t。秸秆和林木剩余物0.9558畜禽粪便0.93510.15031.451.1.3工业有机废水、城市垃圾和污泥工业有机废水可以工业有机废水29.50000.006用于产生沼气。2010年,山东省废水排放总量约为436亿,城市垃圾和污泥总量1.50000.2100.08417.61其中工业有机废水20.8亿t,主要来自酿酒、纺织、造纸、食合计1.150品、抗生素、化工等生产企业,以COD计算约为29.5亿t城市垃圾根据其组成可分为有机垃圾与无机垃圾资源,将城市垃圾直接燃烧可产生热能,或是经过热分解处理制成燃料2山东省生物质应用技术评价方法使用等。污泥主要包括工业废水污泥和市政污泥。2010年,2.1评价方法山东省城市垃圾和污泥总量约1.5亿t。2.1.1能源影响分析本研究以生物质应用技术对一次能1.2折标能源总量源消费比重和对终端能源消费比重来描述其对山东省能源消根据以上各类生物质能资源的实物量,乘以相应的折标费结构的影响。系数,就可以得到不同种类生物质折合成标准能源的总量。2.1.2经济影响从经济性来看,无论采用何种生物质应用对于秸秆资源能源总量,其计算公式如下技术,经济收益都是不可或缺的因素。本研究从财务评价的秸秆资源折标能源总量=∑CR·n。角度出发,通过分析技术的财务内部收益率、投资回收期以及式中:CR为第i类秸秆资源实物量;η为折标系数。财务净现值等指标来评价生物质能技术的经济性粪便资源能源潜力量,2.1.3环境影响生物质应用技术可以减少CO2等气体的工业有机废水、城市垃圾和污泥资源能源潜力量的计算方法排放,对于保护生态环境减少温室气体排放具有重要的意与此相同。不同生物质资源折标系数η值见表3。义。本研究重点考察了生物质技术的温室气体减排量以及在1.3理论可利用量清洁M下通计沮玄气体减排所取得的经济效上述计算的生物质资源量只是理论蕴藏量,在此基础上益来中国煤化工益还需要计算理论可利用量,即理论上可以用来进行能源生产2.2CNMHG的生物质能资源量。例如,秸秆生物质能理论可利用量计算2.1能源影响指标在能源消费的影响上,工厂规模的生公式如下物质应用技术会改变能源消费结构,本研究以其对一次能源消费比重和对终端能源消费比重来描述这种结构改变。秸秆资源能源可利用量=∑CR·ηA。2.2.2经济性指标式中:A:为第i种作物秸秆的收集系数。2.2.2.1财务内部收益率(FRR)财务内部收益率是指项376江苏农业科学2014年第42卷第12期日财务净现值为零时的收益率,它反映项目所占用资金的盈2.2.3.2CDM项目减排效益清洁发展机制( clean devel-利率,是考察项目盈利能力的主要动态指标。表达式为:opment mechanism,CDM)是联合国为了保护全球气候和减少(C-CO),(1+FRR)=0。温室气体排放,1997年通过谈判制定的《京都议定书》中确定的履约机制之一。CDM允许联合国气候变化框架公约附件1式中:C/为现金流入量;CO为现金流出量;(C/-CO),表示所列的发达国家在非附件1缔约方(发展国)投资实施温室第t年的净现金流量;n为计算期。在经济评价中,把将求出气体( greenhouse gas,GHG)减排项目并据此获得所产生的经的财务内部收益率与行业的基准收益率比较,当FAR大于核证的减排量,以便帮助其履行他们在《京都议定书》中所承基准收益率时,在财务上是可以考虑接受的诺的约束性GHG减排义务。当存在CDM的情况下,根据国2.2.2.2投资回收期(P)投资回收期是指以项目的净收家发改委规定的温室气体减排量不得低于9.5美元/,按照益抵偿全部投资(固定资产投资投资方向调节税和流动资价格10美元(1美元兑换6.32元人民币计算,生物质利用金)所需要的时间。它是考察项目在财务上的投资回收能力技术的CDM项目减排效益如下的主要静态评价指标。表达式为:CDM减排收益=温室气体减排量×63.2(元)。∑(C-CO)=03实例分析在经济评价中,求出的投资回收期(P)与行业的基准投选择生物质气化发电技术作为研究对象,利用上述评价资回收期比较,当P小于基准投资回收期时,表明项目投资方法对该技术在山东省的应用进行系统评价。目前,我国生能在规定的时间内收回。物质气化发电规模以中小型为主,MW级的循环流化床气化2.2.2.3财务净现值(FNPV)财务净现值是将项目整个发电系统已在我国南方的许多省市得到推广应用。本研究选计算期内各年的净现金流量,按照某个给定的折现率,折算到取2MW和6MW气化发电系统作为具体分析案例,2MW采计算期期初(第零年)的现值之和,它是考察项目在计算期内用简单气化-内燃机发电系统,6MW采用高效的内燃盈利能力的动态评价指标。表达式为机一蒸汽轮机联合循环发电系统,对其进行系统评价3.1能源影响评价FNPV=(C-CO),(1+i)。从一次能源消费比重和对终端能源消费比重来说,生物式中:i为部门行业的基准收益率。财务净现值≥0的项目质气化发电技术是清洁能源技术,社会消费生物质表明该技是可以考虑接受的。术提升了清洁能源消费的比重,相对于国民经济中能源消费2.2.3环境收益指标的总量,目前,来源于生物质气化的发电量影响是存在的,但2.2.3.1温室气体减排量生物质利用技术的鲜明特色就是非常是减少环境污染和温室气体排放。环境特性的优劣是衡量生3.2经济性评价物质利用技术的重要因素,计算公式如下5首先对生物质气化发电技术进行成本分析,结合相关文ER=ER。m+BE生物质一PE一L生物质,(tCO2)。献,生物质气化发电成本核算见表5。式中:ER为生物质利用技术的CO2减排量;ER。为替代发电根据表5数据,并设定技术运行时间为15年,上网电价量所产生的CO2排放量;BE生物为生物质由于自然腐化或者为0.75元/(kW.h),企业所得税率为15%,基准收益率为人工焚烧的排放量PE为技术本身的排放量;L额为技术本6%(火力发电行业基准收益率),计算时假定每年的净现金身泄露的排放量。流量不变,根据公式,计算经济性指标见表6。表5生物质气化发电成本核算16项目2 MW 6MW1.投资总额(万元单位投资(元/kW)500065002.生产能力生产量(万kW·h/年)发电时间(h/年)6000损耗率(%销售量(万kW·h/年)l0803510年折旧费用(万元/年)221.00折旧年限(年)年折旧率(%4.修理费年修理费用(万元/年)5.运行费用合计(万元/年)343.206.燃料费用生物质用量(万t/年H中国煤化工CNMHG11.351.10生物质单价(元/t)2507.成本费用合计(万元/年624.631703.00从表6可以看出,6MW生物质气化发电项目的经济性以有效提高技术的经济性。在计算过程中发现生物质单价和明显高于2MW生物质气化发电项目,适当扩大发电规模可企业所得税率以及上网电价对于经济性评价影响显著,从经江苏农业科学2014年第42卷第12期济性角度分析,山东省上网电价相对较低,但生物质气化发电4结论属于可再生能源发电技术,鉴于国家对可再生能源发电技术的鼓励,正在酝酿对上网电价的补贴政策,可考虑提高上网电山东省生物质能蕴藏丰富,可开发潜力巨大。2010年,价以增加经济效益山东省生物质总蕴藏量和可利用量分别达1.15×103tc和0.477×10°tee,其中,秸秆和林业生物质所占比例50%以上表6生物质气化发电经济性评价折合0.24×10°t标准煤以上项目财务内部收益率投资回收期财务净现值在总结生物质资源现有评价方法的基础上,从能源、经济万元)和环境(3E)的角度出发,对生物质资源应用技术的系统评价-409.52方法进行了研究。以2MW和6MW生物质气化发电技术为1042.6例,从经济角度分析,在山东省可考虑适当增加发电规模和提高上网电价以增加技术的经济效益。从环境收益角度分析,3.3环境收益评价2MW生物质气化发电技术1年的温室气体减排量为根据公式首先计算生物质气化发电技术的温室气体减排1.02万t,CDM项目减排效益为64.464万元,6MW温室气量,以2MW为例,6MW的计算与此相同。体减排量为3.28万t,CDM项目减排效益为207.296万元。第一步:计算ER由于CDM机制带来的经济竟争力,使该类技术面临前所未有ER。用以下公式计算:ER。=EG·EF。式中:EG为的发展机遇,为其加速推广创造了条件生物质发电的净增发电量,根据表5的数值为10800MW参考文献h,EFCo为替代电的CO2排放因子,本项目活动采用中国指定国家管理机构DNA公布的采用ACM000计算出来的官方排1] Renewable energy policy network for the2 I st century:: renewables放因子0.8640tCO2/(MW·h),计算ER为9331.2tCO2。2005 global status report[R]. Washington D C: Worldwatch Institu-第二步:计算BE生物质2005BE生物质用以下公式计算:BE=CWPm·BF·[2]周中仁,吴文良,生物质能研究现状及展望门,农业工程学报,EF燃。式中:GWPa为在承诺期中甲烷对全球变暖的影005,21(12):12-15响值211CO2ACH4,BF为生物质用量1.62万1,EF燃m1表3]钟平,邵文奇纪力,等.江苏省秸秆发电厂草木灰的利用现示生物质在无控制燃烧下CH4排放因子,建议值为0.0027t状[J].江苏农业科学,2012,40(5):360-361[4]李京京,任东明,庄幸.可再生能源资源的系统评价方法及实CH4/t,最后计算BE生物质为918.54tCO2。例[J.自然资源学报,2001,16(4):373第三步:计算PE和L生物质5]丁兆军.生物质制氢技术综合评价研究[D].北京:中国矿业大由于采用生物质气化发电技术,整个过程不需要化石燃学,2010料,技术每年消耗生物质为1.62万t,用1辆15t卡车在[6]李京京,白金明,0 trend r.中国生物质资源可获得性评价[M]50km的范围内,平均来回运输里程为60km,全年的里程为北京:中国环境版社64800km。根据IPCC推荐的运输过程中CO2的排放系数为7]钟华平,岳燕珍,樊江文物秸秆资源及其利用[J].资源1097g/km,计算运输过程中每年CO2排放量(PE)为科学,2003,25(4):62-671.09t。生物质气化的过程中产生的CH4气体被用作发电,[8]韩鲁佳,闫巧娟,刘向阳,等.中国农作物秸秆资源及其利用现状所以不存在CH4的排放,即L生物质为零[J].农业工程学报,2002,18(3):87-91最后计算2MW生物质气化发电技术1年的温室气体减9田宜水,赵立欣,孙丽英,等.农作物秸秆资源调查与评价方法研排量为1.02万t,CDM项目减排效益为64.464万元,6MW究[J].中国人口·资源与环境,2011,21(增刊):583的环境收益见表7。[I0中国林木生物质能源硏究专题组.中国林木生物质能源资源培育和发展潜力调查[J].中国林业产业,2006(1):12-21[11]刘刚,沈镭.中国生物质能源的定量评价及其地理分布表7生物质气化发电环境收益[J].自然资源学报,2007,22(1):9-19温室气体CDM项目财务内部投资回收期财务净现值12]国家统计局工业交通统计司.中国能源统计年鉴200[M].北项目减排量减排收益收益率(%)(含CDM(年)(含(万元)(含京:中国统计出版社,2005CDM收益)CDM收益)13]中国农业部/美国能源部项目专家组.中国生物质资源可获得2MW1.0204,4649,2507.790186.450性评价[M].北京:中国环境科学出版社,19986MW3.280207.29617.5205.2602959.060烹击,生物气化发电的经济效益分析[J中国煤化工从表7可以看出,生物质气化发电技术是环境友好型技15CNMHG日开发的关键问题研究[D]术,但由于投资成本高,缺乏经济竞争力,难以普及开展,通过合肥:中国科学技术大学,2007CDM机制带来的经济竞争力,有利该技术在山东省广大农村16吴创之,周肇秋,马隆龙,等,生物质气化发电项目经济性分析地区普遍推[J].太阳能学报,2009,30(3):368-371