霍麗麗，趙立欣，姚宗路，羅 娟，張沛禎，謝 騰，賈吉秀，鄧 云，魏欣宇

?農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程?

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排潛力

霍麗麗1,2，趙立欣1,2※，姚宗路1,2，羅 娟1,2，張沛禎1,2，謝 騰1,2，賈吉秀1,2，鄧 云1,2，魏欣宇3

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達峰碳中和研究中心，北京 100081；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京 100125）

中國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈和畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物資源。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)是促進農(nóng)業(yè)廢棄物資源有效利用的重要途徑，既能夠解決農(nóng)業(yè)廢棄物的環(huán)境污染問題、減少因焚燒或無序堆放排放溫室氣體，又能夠替代化石能源減排CO2、提升土壤固碳能力，未來在“雙碳”背景下發(fā)展?jié)摿艽?。該研究基于LCA全生命周期評價方法，研究8種不同生物質(zhì)能技術(shù)的溫室氣體排放因子，核算農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與利用過程消耗能源的排放、抵扣化石能源減排、副產(chǎn)物土壤碳匯3個方面，并基于秸稈和畜禽糞污兩大類農(nóng)業(yè)廢棄物資源稟賦及能源化利用潛力，預(yù)測3種不同情景下，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源的潛力，以及減排溫室氣體的貢獻。結(jié)果表明，從減排因子看，熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)和規(guī)?；託?生物天然氣技術(shù)的溫室氣體減排貢獻最大。其次為成型燃料、捆燒供暖、生物質(zhì)發(fā)電、炭化和燃料乙醇等技術(shù)，而戶用沼氣的減排貢獻相對較小，8種不同生物質(zhì)能技術(shù)的溫室氣體排放因子分別為-3.47、-3.20、-2.57、-2.63、-2.58、-2.48、-2.42 t/t（單位為標準CO2當量/標準煤當量）；基于現(xiàn)有政策及規(guī)劃情景、技術(shù)水平提升情景、能源需求結(jié)構(gòu)變化情景等3種不同情景下，評價農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能對溫室氣體減排貢獻潛力。結(jié)果顯示，2030年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源潛力為6 490×104～7 664×104t，溫室氣體減排貢獻為1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源潛力為9 073×104～10 763×104t，溫室氣體減排貢獻為2.79×108～3.36×108t。該研究為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域碳達峰碳中和目標提供數(shù)據(jù)支撐。

生物質(zhì)；溫室氣體；減排潛力；農(nóng)業(yè)廢棄物；秸稈；畜禽糞污

0 引 言

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)是解決秸稈、畜禽糞污等廢棄物資源利用的重要途徑之一，能夠有效減少農(nóng)業(yè)面源污染及大氣污染，促進農(nóng)業(yè)和能源的可持續(xù)發(fā)展。生物質(zhì)能開發(fā)是實施鄉(xiāng)村振興、污染防治、能源革命等國家重大戰(zhàn)略的重要途徑，是中國積極應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要手段[1-6]?！?020中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》指出，生物質(zhì)能在供熱、交通領(lǐng)域的占比和影響力遠大于其他可再生能源，預(yù)計將占到可再生能源消費增長量的30%[7]。

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)是可再生、可持續(xù)的零碳或負碳的能源技術(shù)，如秸稈捆燒、成型燃料、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)等供暖技術(shù)的全生命周期過程溫室氣體排放僅為煤炭的1/10～1/7，能夠顯著減少CO2排放，可為中國農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型提供可行的技術(shù)路徑[8]。生物質(zhì)熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)生物炭聯(lián)產(chǎn)可燃氣和電力，具有較好的經(jīng)濟性。其全生命周期過程為負碳排放，通過替代化石燃料及生物炭固碳的溫室氣體減排CO2當量（CO2e）總量最高可達136.45 g/MJ，可使2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的碳排放量比2005年減少2%～61%[9]。秸稈沼氣制備生物天然氣技術(shù)在實現(xiàn)碳減排方面也有較好的潛力。以秸稈為原料的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物天然氣潛力823×108m3/a，通過替代天然氣溫室氣體最大減排量1.97×108t/a，接近中國當前年溫室氣體總排放的2%[10]。相關(guān)研究表明，農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用對碳達峰碳中和具有重要貢獻。

基于LCA全生命周期評價方法，研究成型燃料、秸稈捆燒供暖、戶用沼氣、規(guī)?；託?生物天然氣、熱解氣化、炭化、生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇等8種不同農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)的溫室氣體排放因子。分析農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體排放現(xiàn)狀，基于農(nóng)業(yè)廢棄物農(nóng)用優(yōu)先原則，即滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肥料化及飼料化利用的前提下，預(yù)測3種情景下農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模，評價秸稈、畜禽糞污為原料的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源潛力及減排溫室氣體貢獻，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域碳達峰碳中和目標提供數(shù)據(jù)支撐。

1 評價方法

溫室氣體排放核算基于政府間氣候變化專門委員會（IPCC）出版的《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]建立的框架體系。溫室氣體包含CO2、CH4、N2O三類，參考《IPCC第四次評估報告》100年時間尺度下的全球增溫潛勢（GWP，Global Warming Potential）分別為1、21和310[12]?；贚CA全生命周期評價方法[13]，考慮生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化與利用過程的能源消耗、生物質(zhì)能替代化石能源以及生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化與利用過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物還田碳匯三方面的溫室氣體排放或減排量。生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化與利用過程的化石能源（煤炭、石油、天然氣等）、電力等消耗溫室氣體排放，基于前期研究建立的全生命周期過程評價模型進行測算[14]；生物質(zhì)能替代化石能源，即在沒有生物質(zhì)能情況下的化石燃料使用的溫室氣體排放；副產(chǎn)物還田碳匯為有機碳還田固碳的碳匯。

1）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排量

式中GF為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排量，t（CO2當量，下文涉及溫室氣體同）；CF為替代化石能源溫室氣體減排量，t；HF為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化與利用過程溫室氣體排放量，t；CH為副產(chǎn)物還田碳匯減排量，t。

2）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與利用過程溫室氣體排放

主要包括CO2、CH4、N2O三類排放源，CO2當量為3類溫室氣體排放量與增溫潛力系數(shù)乘積之和。

3）副產(chǎn)物還田碳匯

4）替代化石能源溫室氣體減排量

2 排放因子與情景設(shè)定

2.1 邊界設(shè)定

研究對象為以秸稈、畜禽糞污為主要原料的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)。生物質(zhì)燃燒過程CO2的排放與生物質(zhì)生長過程所吸收的相抵消，生物質(zhì)能在燃燒利用過程中產(chǎn)生的CO2不計入溫室氣體排放中。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的溫室氣體源主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物能源轉(zhuǎn)化與利用過程所消耗外部能源的排放、抵扣化石能源減排、副產(chǎn)物土壤碳匯等3個部分。排放源主要考慮從農(nóng)業(yè)廢棄物原料收儲、加工轉(zhuǎn)化到能源產(chǎn)品終端應(yīng)用，以及副產(chǎn)物利用等全鏈條外部能源消耗的溫室氣體排放；替代化石能源主要考慮替代煤炭等化石能源的溫室氣體排放；副產(chǎn)物土壤碳匯主要是炭氣聯(lián)產(chǎn)、沼氣等技術(shù)的副產(chǎn)物（如生物炭、沼渣沼液）還田固碳能力。本研究未考慮副產(chǎn)物堆肥還田腐解過程N2O排放，IPCC指南將其納入土壤有機質(zhì)分解N2O排放范疇。

2.2 排放因子

替代化石能源采用抵扣煤炭（折合標準煤，下文涉及化石燃料單位均以標準煤當量表示）的熱量計算，基于原煤的CO2排放因子測算，單位熱值含碳量為26.37 g/MJ，碳氧化率為0.94?；凇?006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]，原煤的CO2排放系數(shù)為90.89 g/MJ，CH4和N2O排放量較小，忽略不計；1t標準煤單位熱量為29 307.6MJ，折合2.663 7 t/t（單位為標準CO2當量/標準煤當量）排放。

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)主要包括成型燃料、捆燒供暖、戶用沼氣、規(guī)?；託?生物天然氣、熱解氣化或炭化、生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇等。相關(guān)文獻已分析不同技術(shù)溫室氣體排放量，但由于核算邊界不統(tǒng)一、輸入排放參數(shù)不一致等，導(dǎo)致其能源轉(zhuǎn)化與利用過程的排放量差別較大。為統(tǒng)一核算數(shù)據(jù)，本研究基于全生命周期評價方法，采用前期研究建立的評價模型，評價不同農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用技術(shù)的溫室氣體排放量[8,14]。生物質(zhì)能源加工轉(zhuǎn)化與利用過程考慮了從農(nóng)業(yè)廢棄物的收儲運、能源加工轉(zhuǎn)化和利用，以及副產(chǎn)物堆肥還田全生命周期階段直接使用的能源（煤炭、石油、電力等）開采與生產(chǎn)過程的溫室氣體排放。研究未考慮土地利用變化，作物種植、畜禽養(yǎng)殖過程的能耗、能源轉(zhuǎn)化，利用的廠房建設(shè)與設(shè)備加工制造的能耗，供暖供氣管網(wǎng)和用戶用能設(shè)施加工及安裝的能耗，以及用戶使用損失的能量。基于2019年已有工程的應(yīng)用規(guī)模和技術(shù)水平測算，不同農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用技術(shù)的溫室氣體排放因子有差異，成型燃料、捆燒供暖、炭化燃料、生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇、沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的能源轉(zhuǎn)化與利用過程的溫室氣體排放量分別為6.19、2.86、8.52 、2.98、9.00、9.49和10.0 g/MJ。此外，由于規(guī)?；託?生物天然氣和熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)的副產(chǎn)物沼渣沼液、生物炭具有還田固碳能力，2項技術(shù)的溫室氣體減排潛力相比其他技術(shù)優(yōu)勢明顯。不同技術(shù)的溫室氣體排放因子詳見表 1[1.8-11,14-16]。

2.3 情景設(shè)定

情景一為基于現(xiàn)有政策及規(guī)劃情景?；谵r(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源現(xiàn)狀與潛力，以及2015—2019年生物質(zhì)能增速及有關(guān)政策及規(guī)劃，分析預(yù)測未來農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的規(guī)模潛力，生物質(zhì)能規(guī)模增加到農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用潛力的最大值，且后續(xù)保持規(guī)模穩(wěn)定。

情景二在情景一的基礎(chǔ)上，考慮了技術(shù)水平提升的情景。在2015—2019年生物質(zhì)能增速及有關(guān)政策和規(guī)劃基礎(chǔ)上，各類生物質(zhì)能技術(shù)水平也將提升。隨著生物質(zhì)能規(guī)?；茫尚腿剂?捆燒供暖的能源轉(zhuǎn)化效率將進一步提升[17-21]，沼氣/生物天然氣將從低濃度厭氧發(fā)酵向高濃度或干法發(fā)酵轉(zhuǎn)變[22-24]，生物質(zhì)發(fā)電將從直燃發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變[25]，熱解氣化將從傳統(tǒng)低值氣化向高值燃氣或炭氣聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變[26-28]，燃料乙醇將從淀粉糖類乙醇向纖維素乙醇轉(zhuǎn)變[29-32]。研究假設(shè)從原料收儲、能源加工轉(zhuǎn)化與應(yīng)用全鏈條的凈能量轉(zhuǎn)化率2025年提升3%～6%，2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。

情景三在情景二基礎(chǔ)上，考慮了能源需求結(jié)構(gòu)變化的情景?？紤]了生物質(zhì)能技術(shù)水平提升，同時基于不同生物質(zhì)能技術(shù)成熟度，考慮了在碳達峰碳中和目標下未來能源結(jié)構(gòu)的需求，生物質(zhì)能技術(shù)仍然呈現(xiàn)多元化發(fā)展，在非電領(lǐng)域應(yīng)用將進一步增強，將從傳統(tǒng)的固體燃料向清潔燃氣和液體燃料轉(zhuǎn)變。

表1 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)的溫室氣體排放因子

3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀與潛力

3.1 農(nóng)業(yè)廢棄物資源現(xiàn)狀與潛力

3.1.1 農(nóng)作物秸稈

農(nóng)作物秸稈資源統(tǒng)計范圍包含早稻、中稻和一季晚稻、雙季晚稻、小麥、玉米、馬鈴薯、甘薯、花生、油菜籽、大豆、棉花、木薯、甘蔗等13個種類。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門統(tǒng)計，2015—2019年，全國農(nóng)作物秸稈理論資源量約8.05×108～10.43×108t（風干，含水率為15%）。其中，能源化利用1.03×108～1.15×108t。據(jù)中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，中國耕地總面積基本穩(wěn)定在1.20×108hm2以上，糧食播種面積穩(wěn)定在1.1×108hm2以上，棉花、油料、糖料等播種面積約0.178×108hm2。根據(jù)中國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要，“十四五”期間，為保障糧食安全，糧食產(chǎn)量要實現(xiàn)穩(wěn)中有增，年產(chǎn)量穩(wěn)定在6 500×108kg以上。根據(jù)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)相關(guān)規(guī)劃和政策，未來中國秸稈資源總量也將基本保持穩(wěn)定，假設(shè)未來秸稈產(chǎn)生量按9.0×108t計?；谝延醒芯款A(yù)測的“五料化”利用量，秸稈能源化利用潛力約1.20×108t[33]。本研究基于此結(jié)論，假設(shè)未來秸稈能源化利用量1.20×108t，并保持穩(wěn)定不變。2015—2060年，全國秸稈能源化利用量變化如圖1所示。

2015—2019年，秸稈綜合利用率從2015年的80.1%增加到2019年的86.7%[34]，年均增速1.65%。“十四五”期間，國家將進一步加大對秸稈綜合利用的資金投入，持續(xù)提升秸稈綜合利用水平，預(yù)計秸稈綜合利用率將保持穩(wěn)定增加。2015—2019年以秸稈為原料的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的增速約為15%，根據(jù)該增速，到2028年可實現(xiàn)秸稈清潔能源化利用水平達到1.20×108t。

3.1.2 畜禽糞污

根據(jù)第二次全國污染普查獲得的產(chǎn)排污系數(shù)測算[35]，2015年中國主要畜禽的畜禽糞尿產(chǎn)生量約為17.1×108t，其中生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和羊的糞尿產(chǎn)生量分別為6.32×108、1.84×108、4.90×108、0.91×108、1.77×108和1.36×108t。

基于中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所與國際食物政策研究所（IFPRI）共同開發(fā)的中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)模型（China Agriculture Sector Model，CASM），預(yù)測畜禽農(nóng)產(chǎn)品增長率變化趨勢，中國畜產(chǎn)品總產(chǎn)量在2020—2060年呈增加趨勢。其中，豬肉年均產(chǎn)量增長0.9%，牛肉、羊肉和禽肉均為1.1%，禽蛋、奶和水產(chǎn)品分別為0.5%、1.5%和0.7%。據(jù)此預(yù)測，中國畜禽糞污資源量到2025年可達17.91×108t，2030年18.94×108t，2060年22.16×108t。

2015—2019年，畜禽糞污利用率從60%增加到75%，能源化利用量約4 000×104～5 000×104t。根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》（國辦發(fā)〔2020〕31號）發(fā)展目標，到2025年畜禽糞污利用率可超過80%?；谛笄蒺B(yǎng)殖規(guī)模、農(nóng)業(yè)面源污染防治、種養(yǎng)循環(huán)利用及生物天然氣發(fā)展等相關(guān)政策措施預(yù)測，到2025年，畜禽糞污能源化利用量約為1.1×108t，占總資源量約6.1%；到2030年畜禽糞污能源化利用量2.12×108t，占總資源量約11.2%；到2060年畜禽糞污能源化利用量為3.27×108t，占總資源量約15.3%。畜禽糞污能源化利用量變化如圖1所示。

3.2 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能清潔利用技術(shù)主要包括成型燃料、捆燒供暖、沼氣、熱解氣化、炭化、生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇等。以上各類技術(shù)利用現(xiàn)狀見表2，數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部秸稈資源數(shù)據(jù)和畜禽糞污產(chǎn)排污系數(shù)，以及中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所作物種植及畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)測。成型燃料、生物質(zhì)發(fā)電的產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅為以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，不含林業(yè)剩余物為原料規(guī)模；規(guī)?；託?生物天然氣按沼氣量計，1 m3生物天然氣折合1.69 m3沼氣；燃料乙醇包含以木薯、甜高粱等能源作物及秸稈纖維素為主要原料生產(chǎn)的燃料乙醇，不含陳化糧原料。成型燃料、捆燒供暖、規(guī)?；託?生物天然氣、炭化燃料數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門全國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計，生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇數(shù)據(jù)來源于國家能源部門公開報道數(shù)據(jù)。此外，中國農(nóng)村地區(qū)仍有大量的秸稈直接作為家庭生活能源使用，是傳統(tǒng)的農(nóng)村能源利用方式之一。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模現(xiàn)狀，如圖2所示。自2012年以來，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?？偭砍尸F(xiàn)先減少后逐漸增加趨勢，折合能源量從2012年的1 563×104t增加到2019年的1 780×104t，增加比例約14%。

表2 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀

與2012年比，2019年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)?？偭吭黾硬淮?，但能源結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，從農(nóng)村戶用向規(guī)?；瘧?yīng)用轉(zhuǎn)變，戶用規(guī)模顯著減少，規(guī)模化應(yīng)用逐漸增加。大型沼氣/生物天然氣、生物質(zhì)發(fā)電和成型燃料利用規(guī)模顯著增長，戶用沼氣、中小型沼氣工程，以及傳統(tǒng)熱解氣化工程逐漸減少。以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的規(guī)模化沼氣/生物天然氣使用量占農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源的比例，從2012年的4.6%增加到2019年的7.5%，生物質(zhì)成型燃料能源占比從6.7%增加到17.8%，生物質(zhì)發(fā)電占比從3.7%增加到10.2%。燃料乙醇、秸稈炭化等技術(shù)應(yīng)用規(guī)模略有增加，而戶用沼氣能源占比從43.6%降低到16.0%。

生物質(zhì)成型燃料技術(shù)在2007年建成了第一個自動化生產(chǎn)示范工程，隨后在各地逐步推開，近年來，成型燃料產(chǎn)量顯著增長，從2010年約300×104t提高到2019年的1 095×104t。截至2019年底，中國秸稈成型燃料加工點共2 360處，產(chǎn)品主要用于中小型鍋爐供熱、發(fā)電和村鎮(zhèn)炊事取暖用能等。

近年來秸稈捆燒直燃供暖技術(shù)應(yīng)用逐漸增加。截至2019年，遼寧、黑龍江、河北、山西、吉林等省建成秸稈捆燒供暖試點178處，供暖戶數(shù)7.89×104戶，供暖面積701.95×104m2，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)機關(guān)單位、農(nóng)村社區(qū)、學校、相關(guān)企業(yè)等實現(xiàn)了集中供暖。

沼氣技術(shù)不斷進步。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門統(tǒng)計，2019年，戶用沼氣池數(shù)量3 380.27×104戶；以農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料的沼氣工程10.265×104處，總池容2 197.81×104m3，供氣戶數(shù)917.21×104戶，裝機容量341 476.8 kW。其中，生物天然氣工程44處，池容104.67×104m3，年產(chǎn)生物天然氣19 649.44×104m3，進管網(wǎng)2 894.14×104m3，進加氣站5 755×104m3。沼氣工程消耗的原料以畜禽糞污和秸稈為主。其中，畜禽糞污原料使用量最高，約為1.74×108t；秸稈原料使用量約為779×104t；其他有機廢棄物使用量約為562×104t。

中國生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)始于20世紀80年代初期，近年來技術(shù)水平不斷提升并逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢，熱解氣熱值比傳統(tǒng)氣化燃氣高4～5倍，生物炭還可以還田固碳、改善土壤質(zhì)量。2019年，國內(nèi)熱解氣化集中供氣工程376處，運行數(shù)量196處，供氣戶數(shù)1.85×104戶；熱解炭化工程91處，年產(chǎn)生物炭34.28×104t。

生物質(zhì)發(fā)電以直燃發(fā)電為主，主要包括農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電，垃圾焚燒發(fā)電和沼氣發(fā)電。2019年，中國生物質(zhì)發(fā)電累計裝機2 408×104kW，其中農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電裝機容量為1 107×104kW，占發(fā)電裝機總?cè)萘康?6%，發(fā)電量約427.7×108kWh，約占生物質(zhì)發(fā)電總量的38.5%。農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電中以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的發(fā)電量約占一半。

燃料乙醇生產(chǎn)主要以淀粉、糖類轉(zhuǎn)化乙醇為主。2019年，中國燃料乙醇年產(chǎn)能270×104t，以玉米、小麥等陳化糧為主，少量以木薯、甜高粱等非糧作物為原料。以秸稈等纖維素類原料生產(chǎn)燃料乙醇尚處于示范推廣階段，示范規(guī)模年產(chǎn)約5×104t。目前，以木薯、甜高粱、秸稈等為原料生產(chǎn)燃料乙醇占比約為20%。

3.3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用潛力

為預(yù)測未來農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能利用潛力及溫室氣體減排貢獻，基于現(xiàn)有生物質(zhì)能增速與激勵政策、技術(shù)進步以及能源結(jié)構(gòu)變化等不同因素，分別分析了3種情景下的不同技術(shù)類型的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模。

情景一，基于2015—2019年生物質(zhì)能增速及現(xiàn)有政策或規(guī)劃進行預(yù)測。成型燃料、捆燒供暖，以及直燃發(fā)電技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，基于秸稈綜合利用及生物質(zhì)發(fā)電項目建設(shè)方案等現(xiàn)行相關(guān)激勵政策，按照到2028年秸稈清潔能源化利用水平達到1.20×108t的年均增速計算，預(yù)計到2025年成型燃料和捆燒供暖用量將達到1 501×104t，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)發(fā)電量將達到541.5×108kWh；基于秸稈資源量限制，到2030年成型燃料和捆燒供暖規(guī)模將達到1 810×104t左右，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)發(fā)電將達到600.0×108kWh左右。

沼氣技術(shù)正在逐步向生物天然氣、沼氣發(fā)電等特大型工程及大型沼氣工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變，戶用沼氣量逐步萎縮，年均減少18.2%。根據(jù)中國不同區(qū)域氣候特征、養(yǎng)殖習慣、戶用沼氣適宜性及使用壽命，西南地區(qū)戶用沼氣仍有一定存量，其他地區(qū)戶用沼氣量將進一步下降，預(yù)計到2025年戶用沼氣產(chǎn)量將減少到17×108m3，到2030年將減少到6×108m3。根據(jù)《關(guān)于促進生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2019〕1895號）規(guī)劃，到2025年生物天然氣產(chǎn)量將達到100×108m3，到2030年將達到200×108m3。基于沼氣發(fā)電上網(wǎng)相關(guān)激勵政策下，沼氣發(fā)電年均增長速度為72.6%，近日國家發(fā)展改革委等三部門聯(lián)合發(fā)布《2021年生物質(zhì)發(fā)電項目建設(shè)工作方案》，安排農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電及沼氣發(fā)電競爭配置項目補貼資金3億元，預(yù)計沼氣發(fā)電規(guī)模將持續(xù)增長?；诂F(xiàn)有增長速度測算，到2025年用于發(fā)電的沼氣量將達到143×108m3，到2030年將達到286×108m3。中國沼氣生產(chǎn)主要以畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈為主要原料，極少部分采用其他有機廢棄物為原料。因此，本研究未考慮其他有機廢棄物為原料的沼氣規(guī)模。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)模預(yù)測，基于秸稈和畜禽糞污的可利用資源量，測算未來規(guī)模化沼氣/生物天然氣工程年均增長比例約5%。預(yù)計到2025年沼氣量將達到332×108m3，到2030年將達到650×108m3。

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)逐漸從單項產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)向炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提升。2018年相關(guān)部門出臺了《關(guān)于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設(shè)的指導(dǎo)意見》，一定程度上激勵產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大。2019年熱解氣化工程產(chǎn)氣量約15×104m3，比2015年增加約15%，年均增速約6.1%。根據(jù)該增長速度測算，預(yù)計到2025年熱解氣產(chǎn)量將達到22×104m3，到2030年將達到30×104m3。

燃料乙醇目前主要以陳化糧為原料，少部分采用木薯、甜高粱等原料。2017年多部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》指出，到2025年，力爭纖維素乙醇實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，先進生物液體燃料技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)整體達到國際領(lǐng)先水平，形成更加完善的市場化運行機制。近年來，中國燃料乙醇產(chǎn)量逐步增加，年均增速為7.1%。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)模和增速測算，預(yù)計到2025年產(chǎn)量將達到419×104t，到2030年將達到591×104t。若以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物和木薯、甜高粱為原料的非糧燃料乙醇占比20%，且假設(shè)燃料乙醇增量均以秸稈為原料，到2025年和2030年燃料乙醇產(chǎn)量分別達到83.8×104t和118.2×104t。

2060年規(guī)模預(yù)測，基于根據(jù)農(nóng)業(yè)廢棄物可利用資源情況，假設(shè)2060年農(nóng)業(yè)廢棄物資源基本實現(xiàn)全量利用，基于2030年規(guī)模按線性比例增加，直至農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用達到預(yù)測量。以秸稈為原料的生物質(zhì)能利用量將保持在約1.20×108t，以畜禽糞污為原料生物質(zhì)能原料利用的增長率約54%，畜禽糞污能源化利用量從2030年的2.12×108t增加到2060年的3.27×108t。2060年，成型燃料/捆燒供暖規(guī)模約1 800×104t，沼氣/生物天然氣規(guī)模將增加到1 000×108m3，熱解氣化/炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)達35×104m3，生物質(zhì)發(fā)電690×108kWh，燃料乙醇136×104t。

情景一，替代化石能源潛力預(yù)測，2025年為4 055×104t，2030年為6 490×104t，2060年為9 073×104t；比2015年分別增加2 575×104、5 010×104和7 594×104t。

情景二，基于情景一的技術(shù)水平提升情景下，通過秸稈、糞污等原料的存儲質(zhì)量與效率提升、收儲過程能耗減少、能源加工轉(zhuǎn)化及利用效率提高等途徑，生物質(zhì)能的凈能量轉(zhuǎn)化率將不斷增加，基于現(xiàn)有技術(shù)水平及前沿技術(shù)進展，設(shè)定了不同技術(shù)在不同階段的凈能量轉(zhuǎn)化率增量，詳見表3。情景二替代化石能源潛力預(yù)測，2025、2030和2060年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源替代化石能源潛力分別為4 097×104、6 895×104和10 551×104t；比2015年分別增加2 617×104、5 415×104和9 071×104t。

情景三，能源結(jié)構(gòu)變化情景下，結(jié)合“雙碳”目標，預(yù)測生物質(zhì)能將逐步向氣體燃料、液體燃料轉(zhuǎn)化應(yīng)用。情景三替代化石能源潛力預(yù)測，2025、2030和2060年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源替代化石能源潛力分別為4 240×104、7 664×104和10 763×104t；比2015年分別增加2 760×104、6 184×104、9 284×104t。

3種情景下替代標煤量如圖3所示。3種情景下的各類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模詳見表4。2019年，全國能源消費總量為48.7×108t36]，預(yù)計2030年將達到60×108t[37]。2019年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能約占全國能源消費總量的0.36%，預(yù)計到2030年占比將達到1.1%～1.3%。

表3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)凈能量轉(zhuǎn)化率增量[8,14,16-30]

圖3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源潛力

2019年，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能中固體類燃料用于熱能或電力的比例約為44%、氣體燃料為53%、液體燃料為3%。未來基于情景一預(yù)測，2030年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能中固體類燃料用于熱能或電力約占24%、氣體燃料占74%、液體燃料占2%。到2060年，固體類燃料用于熱能或電力約占19%、氣體燃料占80%、液體燃料占1%?；谇榫叭A(yù)測，2030年生物質(zhì)能源結(jié)構(gòu)規(guī)模分別為固體類燃料用于熱能或電力約占19%、氣體燃料占79%、液體燃料占2%。到2060年，固體燃料占比將顯著降低，能源結(jié)構(gòu)比例固體類燃料轉(zhuǎn)化熱能或電力約11%、氣體燃料占87%、液體燃料占2%。如圖4所示。

表4 不同情景下農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模預(yù)測

未來生物質(zhì)能中沼氣/生物天然氣、熱解氣等清潔燃氣類產(chǎn)品將占主導(dǎo)地位?；谇榫叭A(yù)測2025年、2030年、2060年清潔燃氣分別為2 634×104、5 826×104、8 968×104t，分別是2015年的2.5、5.6、8.6倍。生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模顯著增加，2025年、2030年、2060年分別為685.5×104、774.3×104、932.8×104t，分別是2015年的4.2、4.7、5.7倍。燃料乙醇規(guī)模顯著增加，2025年、2030年、2060年分別為82×104、152×104、171×104t，分別是2015年的2.1、3.8、4.3倍。固體類燃料呈先增后減的趨勢，2025年、2030年、2060年分別為695.6×104、692×104、287×104t，分別是2015年的3.0、3.0、1.2倍。

4 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排貢獻

如圖5所示，情景一替代化石能源減排溫室氣體潛力預(yù)測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.19×108、1.96×108和2.79×108t，比2015年減排量增加1 470×104、8 105×104和14 885×104t。情景二替代化石能源減排溫室氣體潛力預(yù)測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.20×108、2.09×108和3.25×108t，比2015年減排量增加1 577×104、9 348×104和19 489×104t。情景三替代化石能源減排溫室氣體潛力預(yù)測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.25×108、2.34×108和3.35×108t。比2015年減排量增加2 034×104、11 660×104和20 551×104t。

基于情景三農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模，到2030年生物質(zhì)能溫室氣體減排總量2.34×108t。其中，沼氣/生物天然氣、熱解氣等生物質(zhì)類燃氣溫室氣體減排量為1.93×108t，生物質(zhì)發(fā)電溫室氣體減排量為0.20×108t，成型燃料/捆燒供暖的溫室氣體減排量為0.18×108t，燃料乙醇溫室氣體減排量為0.03×108t。到2060年生物質(zhì)能溫室氣體減排量為3.35×108t，其中，沼氣/生物天然氣、熱解氣等生物質(zhì)類燃氣的溫室氣體減排量為3.0×108t，生物質(zhì)發(fā)電溫室氣體減排量為0.24×108t，成型燃料/捆燒供暖的溫室氣體減排量為0.07×108t，燃料乙醇溫室氣體減排量為0.04×108t。

三種情景比較可知，情景三的溫室氣體減排量2025、2030、2060年分別比情景一增加4.7%、19.2%和20.3%，比情景二增加3.5%、11.2%和2.0%，可見，技術(shù)水平提升對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源及溫室氣體減排具有重要作用。預(yù)測2030年農(nóng)作物秸稈能源化利用的資源潛力為1.2×108t，約占秸稈資源總量的13.3%。

國內(nèi)外相關(guān)研究多為單項技術(shù)應(yīng)用的減排潛力研究[1,6,8,10]，本研究綜合評價了不同農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)規(guī)模和減排固碳潛力，較為科學保守的預(yù)測了農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿?，可為中國可再生能源發(fā)展提供一定的支撐依據(jù)。

2019年中國CO2排放總量為98.26×108t[38]，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源可減排約0.5%的CO2當量。預(yù)計到2030年中國溫室氣體排放總量為160×108～180×108tCO2e[39-40]，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源可減排約1.8%～2.0%的CO2當量。

5 結(jié) 論

1）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能既能作為清潔可再生能源替代化石燃料推動能源碳強度下降，又能通過副產(chǎn)物還田利用形成土壤碳匯實現(xiàn)負碳排放，減排固碳潛力巨大。對8種不同的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能技術(shù)的溫室氣體排放因子進行測算得出，熱解炭氣聯(lián)產(chǎn)、沼氣生物天然氣的溫室氣體減排貢獻最大，其次是成型燃料、捆燒供暖、生物質(zhì)發(fā)電、炭化及燃料乙醇等技術(shù)，最后是戶用沼氣技術(shù)。沼氣/生物天然氣和熱解氣化技術(shù)的溫室氣體減排量分別為3.47和3.20 t/t。成型燃料、捆燒供暖、生物質(zhì)發(fā)電、燃料乙醇技術(shù)的溫室氣體減排量分別為2.57、2.63、2.58、2.48、2.42 t/t。戶用沼氣的溫室氣體減排量為1.95 t/t。

2）通過設(shè)定的3種不同情景下，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能對減排溫室氣體貢獻潛力較大，2030年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能替代化石能源的潛力為6 490×104～7 664×104t，溫室氣體減排貢獻為1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源的潛力為9 073×104～10 763×104t，溫室氣體減排貢獻為2.79×108～3.36×108t。

3）研究基于農(nóng)業(yè)廢棄物農(nóng)用優(yōu)先原則，較為保守地預(yù)測了農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用潛力。預(yù)測2030年農(nóng)作物秸稈能源化利用的資源潛力為1.2×108t，約占秸稈資源總量的13.3%；畜禽糞污能源化利用的資源潛力為2.12×108t，約占畜禽糞污資源總量的11.2%；到2060年，農(nóng)作物秸稈資源能源化利用潛力將穩(wěn)定不變，畜禽糞污能源化利用量增加到3.27×108t，約占畜禽糞污資源總量的15.3%。

4）研究不足之處在于，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能的原料范疇僅考慮了13類農(nóng)作物的秸稈資源量和主要畜禽品種的糞污資源量，未考慮雜糧、麻類、糖料、煙葉以及香蕉等其他秸稈，未考慮蔬菜尾菜、果樹剪枝，以及稻殼、花生殼、玉米芯等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與加工過程的剩余物資源量；同時，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能規(guī)模未考慮邊際土地能源作物的生產(chǎn)潛力。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物資源仍有較大的生物質(zhì)能利用空間，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能蘊含巨大的替代化石能源潛力以及溫室氣體減排潛力。另外，下一步仍需對潛力評價結(jié)果的不確定性進一步分析。

【致謝】感謝中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所張玉梅研究員在作物種植及畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)測方面給予的支持；感謝農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門在秸稈資源與利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、以及畜禽糞污產(chǎn)排污系數(shù)等方面給予的支持。

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Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction

Huo Lili1,2, Zhao Lixin1,2※, Yao Zonglu1,2, Luo Juan1,2, Zhang Peizhen1,2, Xie Teng1,2, Jia Jixiu1,2, Deng Yun1,2, Wei Xinyu3

(1.100081,100081,100125,

Agricultural wastes are cost-effective, renewable, and abundant in China, such as crop straw and livestock manure. Biomass energy technologies can be widely utilized for the effective disposal of agricultural waste resources. The environmental pollution of agricultural wastes can be reduced by the emission of greenhouse gas (GHG), due to the traditiopnal incineration or disorderly stacking. It is also likely to replace fossil energy for much fewer CO2emissions during soil carbon sequestration in the future. In this study, a systematic evaluation was made for the potential reduction in the GHG from the agriculture biomass energy, according to the “2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories” and the Life Cycle Assessment (LCA). The GHG emission factors were also calculated in the eight biomass energy technologies from the three scenarios, including the energy consumption emissions during the conversion and utilization of agricultural biomass energy, the deduction of fossil energy emissions reduction, and the carbon sinks of by-products to the soil. The potential of agricultural biomass energy to replace fossil energy and the contribution of GHG emission reduction were then predicted under three scenarios using the resource endowment and energy utilization of straw and livestock manure. The results showed that the largest contributions of GHG reduction were achieved by the pyrolysis of carbon gas for cogeneration, and large-scale biogas/biogas, followed by the molding fuels, bundle heating, biomass power generation, carbonization, and fuel ethanol. There was only a relatively small contribution of household biogas to the emissions reduction. The contributions of GHG emission reduction were 3.47, 3.20, 2.57, 2.63, 2.58, 2.48, and 2.42 t/t for the eight technologies of biomass energy, respectively. The potential of agricultural biomass energy to the reduction of GHG emissions was evaluated under three scenarios, including the existing policies and planning, technological improvement, as well as the energy demand structure. It was found that the potential to replace fossil energy in 2030 and 2060 were 6 490×104-7 664×104t and 9 073×104-10 763×104t, respectively, where the contributions of GHG emission reduction were 1.97×108-2.34×108t and 2.79×108-3.35×108t, respectively. Based on the principle of agricultural waste priority, the energy utilization potential of agricultural waste was predicted conservatively. It is predicted that the energy utilization potential of crop straw in 2030 will be 1.2×108t, accounting for 13.3% of the total straw resources. The resource potential of energy utilization of livestock manure was 2.12×108t, accounting for 11.2% of the total resources of livestock manure. By 2060, the energy utilization potential of crop straw resources will remain stable, and the energy utilization amount of livestock manure will increase to 3.27×108t, accounting for about 15.3% of the total livestock manure. Agricultural biomass energy can not only replace fossil fuels as a clean and renewable energy, promote the reduction of energy carbon intensity, but also through the return of by-products to the field, improve soil carbon sink, achieve negative carbon emissions, GHG emission reduction potential is huge. The research provides data support for achieving the goals of carbon peak and carbon neutral in agriculture and rural areas.

biomass; GHG; emission reduction potential; agricultural waste; straw; livestock manure

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，等. 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能溫室氣體減排潛力 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(22)：179-187.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 179-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

2021-08-30

2021-10-01

中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程；財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助（CARS-02）

霍麗麗，博士，高級工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用。 Email：huolili666@126.com

趙立欣，研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)廢棄物清潔利用技術(shù)。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020

X712，TK6

A

1002-6819(2021)-22-0179-09