吉林省玉米秸秆资源利用分析

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  摘 要:为缓解当前的能源危机,寻求、农作物秸秆特别是玉米秸秆的有效利用途径。本文介绍了玉米秸秆的处理现状及存在的问题,对秸秆资源化利用进行了综述,并提出了发展前景展望。
  关键词:玉米;秸秆资源;利用途径;能源化
  中图分类号:F303 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-3309(s).2012.04.13 文章编号:1672-3309(2012)04-29-03
  农作物秸秆是一种重要的生物质资源,是当今世界上仅次于石油、煤炭、天然气的第四大能源。玉米秸秆是农作物秸秆的重要种类之一,其中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素和微量元素等,是一种可供开发和综合利用的绿色资源。把玉米秸秆作为能源化、工业原料化原料进行秸秆综合利用是吉林省玉米秸秆综合利用的主要发展方向。
  一、 国内外秸秆的开发利用现状及发展趋势
  (一)国际情况
  随着能源危机的加剧,美国及欧洲各国对生物质原料——玉米秸秆的利用研究迅速发展起来,先后进行了肥料化即秸秆还田、能源化等技术的开发,并取得了多项成果。
  在生物质能源开发利用方面,各国出台了一系列支持可再生能源发展的政策,各国生物质能在能源中的比例迅速提高。生物质能是重要的可再生能源。较为成熟的技术有沼气、热解气化技术、生物质颗粒成型技术、直燃发电技术,而纤维质原料乙醇、丁醇及化工醇的发酵技术为新兴技术。
  (二)国内情况
  我国可再生的生物质资源极其丰富。稻草、小麦秸秆和玉米秸秆是三大农作物秸秆,具有分布广、可永续利用等特点。近年来我国农作物秸秆资源总量都在8亿吨左右。2009年全国农作物秸秆理论资源量为8.2亿吨,秸秆可收集量为6.87亿吨[1]。其中玉米秸秆2.65亿吨,占32.3%以上。
  我国秸秆利用多数停留在传统利用的层面上,利用量不多,就地焚烧的现象还普遍存在。原因主要有两方面:一是没有找到合理的利用途径;二是随着生活水平的提高,农民易获得廉价的商品能源,导致秸秆大量剩余。
  目前全国大约有30%的秸秆直接用作农村生活燃料;10%用于牲畜饲料;10%用做工副业生产;6%直接还田[2-4];约剩余4成全部焚烧,造成了严重的污染环境和资源浪费。农作物秸秆主要利用途径情况如下:
  1.秸秆还田情况。农作物秸秆还田是把秸秆资源转化成为土壤重要的成分即有机质。秸秆还田对于提高耕地基础地力和保证农业的可持续发展具有重要的意义。2009年全国秸秆还田占总耕地面积的18%,其中,翻耕还田面积达到1934万公顷,约占当年播种面积的12.9%;秸秆或根茬留在地表覆盖还田742万公顷,约占当年播种面积的5%。
  2.秸秆饲料化情况。玉米秸秆制作饲料是节粮型畜牧业发展的重要措施,可以节省大量的饲料粮,提高养殖业的效益。据测算,1000kg的青玉米秸秆,青贮后可得220个饲料单位,相当于168kg玉米。秸秆作为营养价值较低的粗饲料,由于富含纤维素动物难以消化吸收,必须进行加工才能提高品质。我国饲料秸秆目前还处于粗放型使用阶段,应加大科研力度和成果转化,使秸秆饲料加工尽快走向产业化。
  3.秸秆能源化和工业原料化情况。
  (1)秸秆能源化利用的途径有直接燃烧、颗粒化、气化、发电及液体燃料。
  ——秸秆直接做燃料仅在传统利用地区(如三北地区)、经济不发达地区(如西部)、以及经济发达地区的贫困人群中使用,目前利用量约为1.23亿吨。
  ——颗粒化现状:我国的生物质固化成型技术装备研究与制造起步较晚,产品生产批量小、秸秆颗粒成本偏高。到2008年底固体成型加工点102处、年产成型燃料30万吨。
  ——气化现状:
  沼气:我国于20世纪80年代建立起以沼气为纽带,物质多层次利用、能量合理流动的高效模式,使之成为我国农村地区可持续发展的有效方法。截止到2008年底,全国农村地区已累计建设秸秆沼气集中供气工程150处;到2009年底,中央财政对农村沼气建设的投入达到190多亿元,全国农村户用沼气池3049万户。
  秸秆热解气化:我国于20世纪80年代开始系统研究生物质气化技术。至今,已广泛开展了生物质能高品位气化转换技术以及装置的研究开发,至2008年底全国建秸秆热解气化站856处[5]。
  ——生物质发电现状:目前,中国生物质发电仅占可再生能源发电装机的0.5%,远低于25%的世界平均水平。根据国家“十一五”可再生能源发展规划,到2012年末我国生物质发电要达到550万千瓦装机容量。国家电网公司、五大发电集团、中国节能投资公司等国有大型企业纷纷投资参与生物质直燃发电建设运营,国内民营企业及外资企业也纷纷进入该领域。据不完全统计,我国各级政府核准的生物质发电项目累计超过170个,总装机超过460万千瓦。但生物质发电还存在着一次性投资大,燃料成本高,缺乏市场竞争力,技术含量高,设备国产化困难较大,燃料的收储运复杂和管理难度较大等问题。
  ——制液体燃料现状:
  乙醇:我国对生物质乙醇项目的研发起步于“十一五”,中粮生化能源(肇东)有限公司、河南天冠集团、安徽丰原生化及国家863项目承担单位上海华东理工大学都已完成纤维素乙醇中试,这些企业及研究单位将共同推动行业的快速发展。
  丁醇:由于技术及成本的限制,生物丁醇产业还处于初级阶段。拥有亚洲最大发酵基地的华北制药,在国内率先启动“非粮发酵制造生物丁醇高技术产业化示范工程项目”。2008年,华药成功申报国家发改委生物基材料高技术产业化专项。
  (2)秸秆工业原料化的途径主要是生产多元醇。目前,由于非粮生物多元醇的成本太高,故产业化程度还很低,大多处于中试或小试阶段。
  ——多元醇:以玉米秸秆等可再生植物资源为原料生产化工醇产品。吉林省玉米深加工企业开发了秸秆糖生产技术,“十二五”期间,计划秸秆制糖量达到350万吨,用玉米秸秆糖生产多元醇,进而加快以秸秆糖为原料的非粮乙醇及多元醇等产品的产业化进程。   二、吉林省秸秆资源及利用情况
  (一)资源潜力
  吉林省是农业大省,玉米年产量约占吉林省粮食总产量的70%,位居全国之首[6]。2005-2009年玉米年均产量1898万吨。秸秆资源总量较大、类型集中,可利用潜力巨大,资源优势十分明显。
  从资源总量看:吉林省每年玉米秸秆收获量都在2600万吨左右。随着增产百亿斤商品粮工程的实施,吉林省玉米产量将不断跃上新台阶,预计至2015年秸秆产量也会提高到3000万吨。
  (二)秸秆综合利用现状
  吉林省的秸秆利用方式除了秸秆部分还田和作饲料以外,能源化利用是综合利用的另一个重要方式,主要包括秸秆直燃发电、秸秆固化成型燃料、秸秆气化及秸秆液态燃料。玉米秸秆利用潜力约在1000万吨左右。
  目前,生物化工产业是我国高技术领域与世界技术水平差距较小且最可能实现突破的新兴产业。在国内,吉林省粮食为原料的生物化工产业走在前列,但是粮食原料生物化工产业发展受到国家粮食安全政策、资源条件等因素的制约。因此,探索出非粮原料的生产工艺,可以为吉林省找出一条发展玉米秸秆产业的新途径——生产多元醇及乙醇。
  目前,吉林省玉米淀粉为原料生产的乙二醇、丙二醇和丁醇等产品,被国内外大客户广泛应用。但从国家粮食安全的大局出发,为规避与人争粮的潜在风险,玉米加工企业已经着手非粮原料多元醇生产工艺技术的开发,并取得了成果。实现了从玉米原料平台向纤维原料平台的转变,为企业发展找到了更为广阔的原料空间,进而加快以秸秆糖为原料的非粮乙醇及多元醇产品的产业化进程。
  为进一步降低成本,吉林省玉米深加工企业还选用廉价的可再生物质作为发酵丁醇的原料。在现有玉米秸秆丁醇的中试线的基础,计划在“十二五”期间建设玉米秸秆生产生物丁醇的生产线。
  (三)存在的问题
  吉林省在秸秆利用方面仍存在利用率不高、产业链短和产业布局不合理现象。适宜农户分散经营的小型、实用化技术缺乏,各项技术之间集成组合不够,在一定程度上制约着秸秆的综合利用。
  三、玉米秸秆综合利用总体考虑
  总体思路:在保障适度还田和满足饲料需求的前提下,把玉米秸秆能源化、工业原料化作为吉林省剩余秸秆综合利用的主要发展方向。
  确定科学的利用比例:秸秆还田20%,饲料20%,工业利用(主要是能源化利用)40%,直接做生活燃料10%,废弃10%。
  产业发展战略:通过财政补贴及税收优惠,探讨新的收储运行机制,引导农民收集剩余秸秆;以大型现代化的玉米深加工企业为依托,以多元醇、乙醇和丁醇等液体燃料为主导产品,通过现代技术手段提高转化效率;把利用秸秆资源产出各种产品的单独过程加“环”组“链”,逐步实现贮、养、加、销各环节的有机衔接,提高产业化规模,加速产业化进程;把资源优势转化为产业优势,将秸秆转化为适应现代社会需求的清洁能源,变废为宝。
  ——因地制宜,突出重点。根据各地的秸秆资源的数量和利用现状方式,选择适宜的秸秆综合利用技术进行推广应用,逐步提高秸秆综合利用效益。在方式上,实现秸秆从简单利用向综合利用的转变;在机制上,实现秸秆从自给自足利用向商品化的转变。
  ——依靠科技,强化支撑。建立不同类型地区秸秆综合利用的技术模式,强化技术支撑;依靠科技入户、新型农民培训,推广简捷实用的秸秆综合利用技术,促进技术普及应用;大力开发操作简便、集约利用水平高的实用新技术。
  ——政策扶持,加大投入。统筹考虑国家对秸秆综合利用的扶持政策,进一步加大政策引导和扶持力度,充分发挥市场配置资源作用,鼓励社会力量积极参与,形成以市场为基础、政策为导向、企业为主体、农民广泛参与的长效机制。
  (一) 发展目标
  今后5年秸秆综合利用将分两步走:一是到2013年底,建立完善的秸秆收集贮运体系;建立较完善的秸秆还田体系,初步形成产业化综合利用格局,利用率达到60%-70%;全面禁止露天焚烧。二是到2015年底,形成多元、深层次的秸秆产业化综合利用格局,利用率超过80%。在秸秆酒精和多元醇生产的技术上实现突破,实现共发酵,有效提高酶转化率,有效降低预处理和酶制剂成本。
  (二)关键技术
  “十二五”期间研究的关键技术问题,主要是围绕秸秆综合利用,尤其是能源化利用这一中心,依托省内玉米加工龙头企业进行相关技术的重点突破,破解存在的瓶颈问题,为秸秆综合利用扫除障碍。关键技术中与生物转化相关的项目有3项:
  ——生物质多糖转化为生物基材料的关键技术研究:解决秸秆预处理即秸秆纤维多糖转化成单糖的问题[7],为秸秆制造各种醇类及其衍生物提供必要的先决条件。
  ——玉米秸秆制备多元醇技术:丁二醇为粘稠液体,在化妆品行业用作润湿剂、乳化剂、增塑剂合溶剂。丙二醇是不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂的的重要原料,用途广泛,可用来合成“涤纶”等高分子化合物,还可用作薄膜、橡胶、增塑剂、干燥剂、刹车油等原料。以农作物废弃物为原料开发多元醇产品,采用发酵的方法,克服化学合成法带来的不足,具有条件温和、操作简便、副产物少、无环境污染等优点。
  ——纤维丁醇的制备:解决替代乙醇作汽车用燃料,优化醇类与燃料添加剂和润滑油的配伍性。
  四、问题与对策
  (一)资源方面
  存在问题:玉米秸秆收集难和成本高,从而增加了加工企业的生产成本。此外,吉林省玉米秸秆的主要产量集中于广大农村地区,交通欠发达、缺乏设备;缺乏相应的政策、法规,使得秸秆的可获得性较差。
  对策建议:研究探讨秸秆的收集模式,解决生物质资源开发瓶颈,使秸秆生物质资源的开发顺利进行。疏通资源出路,尽快摸索出适合省情的秸秆收集模式及收集贮运服务体系。结合玉米秸秆集中收获,全年消费和利用的特点以及吉林省秸秆利用程度低、种植范围分散、收集处理秸秆难度大的现实,探索适合省情的秸秆综合利用和流通管理机制,建立健全相应的秸秆收集贮运服务体系,即依托规模化企业、专业合作经济组织、农民经纪人,建立“集-贮-运-用”有机结合的市场化、网络化的秸秆收集贮运体系,多途径收集贮运秸秆资源。解决存不下、放不住、易发生火灾等问题,保证秸秆均衡供应,促进秸秆产业稳步发展。
  (二)技术方面
  存在问题:秸秆乙醇及多元醇难于产业化,主要是预处理成本高,且效果不理想;酶水解得到糖后,尚无可将五碳糖和六碳糖高效共同发酵的菌种。非粮原料生产丁醇技术也尚未成熟,由于丁醇的毒性会在发酵过程中破坏细胞质膜的结构及功能,产物中丁醇浓度较低,生产成本较高。
  对策建议:利用生物技术,重点研究目前存在的瓶颈问题,这需要加大对此项目的资金投入力度,重点用于攻克关键性技术难题,之后才能进行推广, 以及示范项目建设。可以积极引导社会资金投向秸秆加工技术领域,因此目前生物秸秆乙醇、多元醇及丁醇的产业化发展还有相当一段路要走。
  总之,生物质能利用是非常复杂的系统工程,涉及生物质原料的收集运输、生物质能源的转化、市场开拓、支持政策和建设管理等许多方面,特别是生物质资源的季节性、分散性与生物质能利用的连续性、集中性的矛盾,是任何生物质能技术规模化利用都要面对的难题。
  参考文献
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  [2] 赵晶、夏黎明.重组酵母发酵半纤维素水解液生产酒精的研究[J].高校化学工程学报,2010,(02):247- 251.
  [3] 贾飞、许海艳、关转飞、王鑫、杨翔华.无机金属盐和过氧化物对酸处理玉米秸秆纤维素和半纤维素降解的影响[J].食品工业科技,2011,(10):349-352.
  [4] 张强、戈兴炜等.利用树干毕赤酵母发酵玉米秸秆制备燃料酒精[J].化工进展,2010,(12):2270-2273.
  [5] 秦丽杰、尚金城、常永智.吉林省玉米秸秆的综合利用模式研究[J].生态经济,2008,(02):141-142.
  [6] 李湘、魏秀英、董仁杰.秸秆微生物降解过程中不同预处理方法的比较研究[J].农业工程学报,2006,(10):110-115.
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