我国农村生物质能源利用研究_沼气发酵与生物质直接燃烧的技术经济效果对比分析(1)

第26卷第5期

2008年9月贵州大学学报(社会科学版)JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITY(SocialSciences)Vol.26　No.5Sep.2008

我国农村生物质能源利用研究

———沼气发酵与生物质直接燃烧的技术经济效果对比分析

曾　晶,张卫兵11

(1.贵州大学,贵州贵阳　550025)

摘　要:在我国农村,农作物秸杆等副产品主要作为炊事燃料而直接烧掉。文章将秸杆等进行沼气发酵和

直接燃烧的技术经济效果,从能量转移、物质循环和生态平衡三个方面进行对比分析,并指出,沼气发酵才是生物质利用最合理、最经济的途径。

关键词:沼气发酵;直接燃烧;生物质;技术经济效果

中图分类号:F323.214　　文献标识码:A　　文章编号:1000-5099(2008)05-一我们知道,1而副产品占1/2至2/3。秸杆和皮,壳等是农,一般禾本科作物约为籽实产量的1.2-1.5倍,即产1kg粮食,壳。全国每年大约产出4500-5000亿kg稿杆等,其中50%左右。文章将在下面的分析中指出,这种落后的利用方式是很不合理的,是一种巨大浪费。

目前,我国广大农村对于绿色植物的利用,主要分为农业内部利用和为工业提供原料。农业内部利用,第一,是大量作为生活燃料直接燃烧掉;第二,是作为牧畜饲料的原料;第三,部分地区用作堆肥或直接还田,以作为农作物再生产的有机肥料;第四,用作修房造屋及其他生活性消耗;第五,用作沼气发酵原料,对生物质实行综合利用。支援工业建设,主要作为造纸和制作手工产品的原材料。其中,农业内部利用是主要的。而农业内部利用又是农业生态平衡的重要内容;且只有在农业生态系统能够基本维持平衡,物质循环和能量转换能够满足农作物扩大再生产需要的前提下,农业才能提供更多的作物秸杆和其他物质支援工业建设。

那么,在农业内部如何利用农作物秸杆等生物质才是经济合理的?实践证明,沼气发酵就是生物质利用最合理、最经济的途径。由于目前在贵州等沼气发展缓慢的地区,作为生活燃料直接燃烧仍是生物质利用的主要方式。下面,将沼气发酵和直接燃烧的技术经济效果,从能量转移、物质循环和生态平衡三个方面进行对比分析。

二、从能量转移和利用效率来比较沼气发酵和直接燃烧的技术经济效果

在农业生态系统,农作物从地球土壤中吸收各种营养元素和水分,从太阳吸收光能,摄取空气中的二氧化碳,完成光合作用,形成碳水化合物、蛋白质和脂肪,以生物能和化学能的形式把从太阳、地球和大气中吸收的各种能量暂时贮存在农作物籽粒、秸杆和皮、壳中。这些生物质中的各种能量,通过人和其他生物吸收利用、分解化合,最后主要以热能形式回到地球和大气之中,完成一个循环。很明显,在整个循环中,对人类有直接经济意义和社会意义的是人与生物圈之间能量的转换效率。这就是说,在农业生态系统中,凝聚着人类劳动的粮食、农作物秸杆、皮壳及其他绿色植物中贮藏的能量,有多大部分被人们有效利用了。

3　　收稿日期:2008-05-20

作者简介:曾　晶(1972-),女,四川人,贵州大学学报编辑部副编审、副教授;

张卫兵(1970-),男,贵州人,贵州大学副教授。

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根据贵州省开阳县的定点观测数据,沼气池平均每m池容每年投入农作物秸杆为56.88kg,占每m池容的年平均总投料量219kg(干物质)的26%。按中国农村能源研究会的测定,每kg秸杆(干物质)的平均发热量为3500千卡,但按传统的直接燃烧方式,其热效率仅8-10%。故投入沼气池的这部份稿杆在直接燃烧时,其有效热量为:

56.88×3500×8%=19908千卡

33根据计算,沼气池每m池容的年平均产气量为37m,假定投入沼气池的人畜粪便中的干物质与稿杆中的

干物质经发酵后有相同的产气率,则每kg干物质的平均产气率为:

3每m池容平均产气量3==0.17m/kg干物质总投料量219

3所投入每m沼气池的秸杆的产气量应为:

356.88×0.17=9.67m

33据四川省沼气科研所测定,每m沼气的发热量约为5500千卡,沼气燃烧的热效率约为60%,则每m沼气

池由秸杆所产生的沼气完全燃烧时的有效热量为:

9.67×5500×60%=31911千卡

所以,秸杆发酵制取沼气与直接燃烧有效热量之比为:

3199÷19908=1.6

即沼气发酵的能源有效利用率为直接燃烧的1.6倍。这是根据开阳县44的,属于一般情况。一些管理较好、技术先进的沼气池,,有一

3部分沼气池平均每kg干物质的产气量在0.3m以上,,约高2倍。也就是说,1kg2kg稿杆的直接燃烧效果。沼气发酵与直接燃烧比较,术经济效果。33

三,从1982年到2006年的24年中,这两个县土壤中的有机质含量分别下降了24%和53%,N、P、K及微量元素含量也大幅度下降。为了保证粮食增产所需要的物质基础,不得不

[1]大量增施无机肥料,这不仅增加了农作物生产成本,对养护地力也很不利。据各处农村调查,从上世纪60年

代到90年代,主要粮食作物的直接生产成本以平均每年3.5%左右的幅度上升;2002年与1982年比较,每kg粮食的生产成本翻了一番,如果考虑到同一时期贵州大部分地区粮食的单产和总产也将近增长了一倍这一事实,则20年来单位粮食的生产成本增长幅度至少在1.5倍以上。这就是说,因兴修水利,推广良种,改进耕作技术和推行生产责任制等引起粮食大幅度增产所带来的好处,有很大一部分被物质状况恶化,土壤地力下降,粮食生产成本大幅度上升而抵消了。这也是种植业经济效益提高缓慢,与养殖业及其他事业的差距越来越大的重要原因。例如,2002年与2000年相比,贵州省开阳县水稻产量增长了12%,而同一时期,全县用于水稻的N肥数量上升了50.5%,K肥用量上升了23.7%,平均每kg水稻的生产成本上升17%。肥料用量递增幅度比粮食产量递增幅度高出3-13倍,而成本上升幅度也比产量增长幅度快1.5倍。

当然,造成物质循环状况恶化,土壤肥力下降的原因是多方面的,但最根本、最重要的原因之一,是占农作物生物学产量2/3左右的秸杆,被用作炊事燃料直接烧掉,不能还田,使农业生态系统物质循环中断或削弱。农作物稿杆中营养元素含量见表1:

表1　几种主要农作物秸杆N、P、K和有机质含量表

项目

水稻杆

小麦杆

玉米杆

油菜杆N0.630.500.600.54P0.110.200.400.35K0.850.601.601.25单位:%有机质78.6081.1080.5080.20

注:表中数据由贵州省农科院土壤所测定

据测定,直接燃烧,秸杆中的N素和有机质全部损失了,P、K及微量元素损失90%以上,而贮存于粮食中那1/3左右的物质,仅90%左右被人、畜吸收利用。由此看来,在农作物的整个生物学产量中,只有30%左右最

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后到了土壤中继续循环。这是造成土壤中有机质和营养元素不足的根本原因。解决这样的问题,世界各国所走过的道路已经表明,单靠增施化肥是行不通的。正确的作法应该是精耕细作,集约经营,以有机肥为主,适当增施化肥,以无机促有机。即以改善农业生态系统内部的物质循环状况为主,让占农作物生物学产量2/3左右的秸杆充分发挥其作用,这也是建立我国生态农业的实质所在。

因此,寻求一条最经济、最合理的利用数量巨大的农作物秸杆的途径,就成了我们建立生态农业的重要任务。实践证明,利用农作物稿杆发酵制取沼气,沼肥还田,正是改善农业生态系统内部物质循环状况,弥补土壤中有机质和营养元素不足的最有效、最经济的措施。因为农作物秸杆在沼气池中发酵以后,其中的营养元素和有机质绝大部分被保存下来了,沼液和沼渣是比较理想的优质有机肥料,其成份含量如表2:

表2　沼肥的几种主要养分含量[2]

项目

沼液

沼渣有机质—30～50单位:%全P0.02～0.060.4～0.6腐殖酸—10～20全N0.03～0.050.8～1.5全K0.05～0.100.6～1.2

沼肥施入土壤中,不仅可以使地力得到养护,还可以大幅度降低生产成本。四川省绵阳市永兴乡禾丰村,办沼气前,土壤板结十分严重,每年花在挖土、松土上的劳动日达2000个以上;办沼气以后,由于大量施用沼肥,从外观看土壤呈黑褐色,且很舒松,无需再进行人工松土。经我国著名土壤学家、原西南农业大学已故的侯光炯教授实地考察测定,从1975年全乡普及沼气到1980年的5年间,N、P、K等营养元素含量增加了50%至1倍以上。因此,,。例如,普及沼气前的1973年,该村化肥投资2450元,而1980年,,.;57%,平均每kg粮食的生产成本下降了25%。

3据实测数据,一个8m的沼气池,100多kg碳氨,价值60余元;还可出

沼渣1000kg,其中有机质含量约N、P、K等营养元素含量约25kg。沼液和沼

[3]渣两项合计,相当于-,。按贵州实有的沼气池15万口计算,每年所提供的肥料

相当于225、使农作物秸杆中的营养元素。

四、从自然生态平衡来比较沼气发酵和直接燃烧的技术经济效果

一个良好的自然生态环境,是人类耐以生存和发展的基础,又是农业活动得以正常进行的重要条件。人类既可以有意识地改造这个生态系统,使之有利于自己的生存和发展;也可能有意或无意地破坏这个系统的平衡,从而造成严重的恶果。人们对数量巨大的各类植物(包括农作物秸杆)的利用,就是一种有意识有目的的活动。事实证明,利用方式不同,对整个自然生态系统的影响和由此产生效果也迥然不同。

据统计数据表明,由于农村人口的不断增长和农民生活水平的改善,目前农村生活总能耗约比上个世纪七十年代增加了一倍左右,人均生活耗能增长了50-60%。农村生活燃料急剧增加,商品能源供不应求,又无其他非商品能源补充,因此大量农作物秸杆、草根、树枝、树皮等被作为燃料直接烧掉。在农村能源消费结构中,植物燃料所占比重高达80%以上。这种以植物燃烧为主的农村能源结构,近三十年来,大大超过了自然环境所能承受的限度,给生态平衡带来了严重危害。由于植物燃烧需要量增多,农民缺柴严重,开始剔树丫,继之以折嫩枝、砍树木、最后则挖草根、剥树皮作燃料。其直接恶果是,造成森林覆盖率急剧下降。建国以来30年所造1

222亿hm林地仅存0.3亿hm,水土流失面积150万km。

森林覆盖率下降,破坏了地球与大气之间的物质交换,使气候恶化,洪灾、旱灾、沙尘暴频繁发生。据统计,二十世纪九十年代与六十年代相比,重大灾害性天气的发生机率增加了1倍,间隔期缩短了40%。同时,由于植被减少,水土流失严重,近年形成的新沙化面积约有5万平方公里,草原退化面积约有4670万公顷,每年冲

[4]走的表土量相当于全国耕地表土1厘米厚度,损失N、P、K元素相当于全国化肥总量的60%。

由于土壤流失加剧,而大量绿色植物被继续作为燃料烧掉,土壤中丧失掉的有机质和营养元素得不到补充,地力日趋衰竭。据贵州省开阳县农业局土壤普查资料,全县土壤有机质平均含量,1998年为2.7-3.2%,2002年只有0.08-1.5%,下降了53-97%。为了提高农作物产量,不得不大量增施化肥,致使农业生产成本逐年上升,1998年与1997年相比,全县化肥用量上升171.2%,而粮食产量仅增长9.7%,平均每kg粮食的直接生产成本一年之内即上升了15%。国家一再提高粮食价格,旨在促进农业生产发展,但粮食提价的好处,大部分被粮食成本的增加所抵消了,农民得到的实惠远比人们想象的要少得多。

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此外,各种生物和微生物在自然生态系统中,总是互相依存,互为消长的。近三十年来,大量植物被当作燃料烧掉,地面植被到严重破坏,其结果,使经济生物的繁衍受到干扰和限制,有害生物则大量滋生,酿成大害。据统计,1980年2000年的20年间,蛇的数量约减少了一半。田鼠、家鼠减少了自然天敌,迅速繁衍,鼠害十分猖獗,每年被老鼠吃掉的粮食上亿kg。

五、总　　结

以上说明,以植物燃料为主的农村能源结构,严重破坏了自然生态系统的平衡,已直接影响到农业生态系统内部物质和能量的良性循环,造成了严重的后果。从生态角度看,解决农村能源问题的关键,在于经济、合理地利用好为数甚多的农作物稿杆,以促进农业生态系统内部能量转移和物质交换由恶性循环转向良性循环。实践证明,积极、稳步地发展农村沼气,正是实现这一目标的良好途径。

据调查资料分析,沼气发酵比直接燃烧,可使生物质燃料的热利用率提高2倍。一般五口之家,经沼气发酵,一日三餐加夜间照明,只需4kg秸杆(干物质)加部分人畜粪便入池,即已足够;而在直接燃烧的情况下,普通土灶每天至少要烧10kg,省柴灶也需要7kg左右,尚不包括夜间照明,沼气发酵比直接燃烧可节约1/2到2/3的燃料。更重要的是,农村普及沼气后,可以完全不用树枝、草根、树皮等薪柴作燃料,才能真正实现“封山育林”“四旁植树”的绿色计划,也才能切实有效地提高植被覆盖率。

同时,发展沼气节约了燃料,可以腾出部分秸杆作猪、牛、羊的饲料。据调查,使用沼气后,平均每户每天可节省出4kg秸杆。用这些秸杆作猪、牛、羊饲料,平均每户可多养猪0.8-1.0头,0.3-0.5头,多养牛0.1-0.2头,而猪、牛、羊粪又是沼气发酵的优质原料。这样,牲畜多、肥

[5]多、粮多的良性生态系统。

综上所述,农作秸杆沼气发酵与直接燃烧相比,,还是在改善农业生态系统内部物质循环方面,,,其技术经济效果是十分明显的。

参考文献:

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AStudyoftheUtilizingofRuralBiologicalResourcesinChina

———Acontrastanalysisofthetechnologicaleconomiceffectsbetween

biogasfermentingandbiologicalsubstanceburning

ZENGJing,ZHANGWei2bing11

(1.GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou,550025,China)

Abstract:IntheChineseruralareas,theby2productssuchasstalksarechieflytakenasfirematerialsforcooking.Thepresentpapercomparesthetechnologicaleconomiceffectsbetweenbiogasfermentingandbiologicalsubstanceburninginthreeaspects:energytransformation,materialcycle,andecologicalbalance;andpointsoutthatbiogasfermentingisthemostreasonableandeconomicalwaytoutilizebiologicalmaterials.

KeyWords:biogasfermenting;burning;biologicalsubstances;technologicaleconomiceffects

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