农业生物质炭固碳潜力及经济效益分析——以山西省为例
朱宇恩1, 孟繁健1, 王云2, 李丽芬1, 李华1,*, 谢文翔1
1. 山西大学环境与资源学院,太原 030006
2. 山西省社会科学院能源经济研究所,太原 030006

第一作者简介:朱宇恩(1976- ),男,山西平遥人,讲师,博士,研究方向为温室气体排放核算与控制研究。E-mail:zhuyuen@sxu.edu.cn

*通信作者简介:李华(1971- ),女,北京人,教授,博士,研究方向为环境生态修复与土壤污染治理。E-mail:lihua@sxu.edu.cn

摘要

随着温室气体减排和低碳发展的要求,生物质炭作为农业固碳的新型技术引起人们的关注。固碳潜力评价和经济效益分析是生物质炭规模化开发利用的基础。论文利用“生物质资源—固碳潜力—经济效益”集成评估方法,以山西省为研究区域,估算了农业生物质的固碳潜力和经济效益。结果显示:山西省3种生物质资源(农作物秸秆、禽畜粪便和作物加工副产品)的固碳总潜力为1 228.10×104 t CO2当量,约占2014年山西省全年碳排放总量的2.5%。在2014年碳均价和碳高价情形下,农作物秸秆和作物加工副产品实现了正效益,每t原料综合效益分别为8.09和21.79元。全年3种生物质炭固碳综合效益为0.44×108~2.80×108元,证实了山西省生物质固碳技术的经济可行性。

关键词: 生物质炭; 固碳减排; 经济效益分析; 山西省
中图分类号:X712 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2017)12-2115-10
Carbon Sequestration Potential and Economic Analysis of Agricultural Biochar—A Case Study in Shanxi Province
ZHU Yu-en1, MENG Fan-jian1, WANG Yun2, LI Li-fen1, LI Hua1, XIE Wen-xiang1
1. School of Environment and Resources, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
2. Institute for Energy Economics, Shanxi Academy of Social Science, Taiyuan 030006, China
Abstract

Under the pressure of emission reduction of greenhouse gas (GHG) and low-carbon development, biochar has attracted wide attention as a new agricultural carbon-sequestration technology. This paper reports a case study about the carbon sequestration potential and economics of biomass pyrolysis products which are the basis of large-scale development and utilization of biomass resources. The study examines whether biochar can be applied for carbon abatement in Shanxi and to what extent it brings economic benefits using an evaluation method integrating biomass resources, carbon abatement potential and economic benefits. The results show that the three main feed stocks offset about 12.28 million tons of equivalent CO2, which approximately accounts for 2.5% of total carbon emissions in Shanxi in 2014. Biomass resources have positive economic profitability. For example, crop straw and agricultural byproducts are around 8.09 RMB yuan and 21.79 RMB yuan per ton of raw material in terms of average and the highest GHG price in 2014, respectively. The total economic value of the three types of biochar ranges from 43.69 million RMB yuan to 280.10 million RMB yuan, showing the economic feasibility of biochar technique in Shanxi. Further study should focus on characteristic parameters estimation, default value screening, cost fluctuation effects and different utilization approaches to improve the applicability and accuracy of the method.

Keyword: biochar; carbon sequestration; benefit analysis; Shanxi Province

生物质炭是采用热裂解技术将生物质在绝氧和相对低温(< 700 ℃)条件下热裂解产生的一种富炭多孔物质, 致密的微孔结构、巨大的比表面积与蕴含植物所需的中微量元素特性, 使其在环境污染净化与辅助肥料方面有广泛应用[1]。在土壤中, 生物质炭能抑制CH4、N2O等温室气体产生, 且分解为CO2的速度缓慢, 可稳定存在数百年[2], 具有显著的碳封存效应[3], 因此在农业固碳领域备受关注。中国是农业生产大国, 据测算, 全国每年生物质资源理论产量为70× 108 t左右[4], 其中农业生物质接近40× 108 t且呈不断增长态势[5], 具有良好的生物质固碳物质基础。

生物质炭技术的固碳可行性不仅取决于生物质资源的丰富程度, 也取决于生物质炭固碳潜力与经济可行性。目前, 生物质资源量估算研究众多, 方法已经基本成熟[6, 7]。固碳减排潜力估算方面已有开展, 张阿凤等[8]采用了生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)初步估算了秸秆生物质炭生产和施用过程中的净碳汇为0.25~0.40 t CO2e/t(CO2e为二氧化碳当量)。Chihchun等[9]测算速生杨在快速和慢速热解下的净碳汇分别为1.40、1.57 t CO2e/t。此类研究为生物质炭固碳能力提供了计量学方法借鉴。而在经济效益方面, 国外研究多注重生物质热解产气的发电效益[10, 11], 固碳效益研究较少; 国内研究虽关注固碳效益[12], 但计算中参数多直接引自国外研究文献, 评价参数的区域适配性有待改进, 且目前缺乏成熟的经济效益评价体系方法[8]。因此, 建立适用、成熟、标准化的“ 生物质资源— 固碳潜力— 经济效益” 评估体系显得尤为急迫[13]

山西省是中国重要的能源重化工基地, 碳排放量位居全国前列, 减排压力巨大, 迫切需求新的减排途径[14]。目前山西省固碳研究以碳排放效率、碳排放特征等排放规律研究居多, 固碳技术研究集中在工业燃烧过程中的碳捕集和封存(CCUS)、农林业生产中的农艺调控及富炭农业方面。生物质炭固碳应用却多停留在文献证实阶段[15, 16], 经济可行性验证与技术推广成为该技术进入规模应用的制约。因此, 本文将以山西省为例, 从农业生物质资源开发潜力和固碳潜力估算出发, 对生物质炭固碳经济效益进行评估, 以明确技术可行性。并尝试形成集成评价体系, 为其他区域的生物质固碳潜力及经济效益分析提供参考。

1 研究方法与数据来源
1.1 研究方法

本研究分为生物质资源潜力估算、生物质炭固碳潜力生命周期评价与生产要素经济效益估算三部分, 尝试建立体系化的经济效益评价系统。

1.1.1 生物质资源潜力估算方法

农业生物质资源主要包括农作物秸秆、作物加工副产品和禽畜粪便等。其资源量主要采用公式法估算[17, 18, 19]。某种生物质资源总量由该种生物质原料产量乘以生产系数(如草谷比系数、作物加工副产品系数、排泄系数等)。但考虑到可收集性及热解过程原料干物质的特性, 本文在资源总量的基础上乘以收集系数和干物质含量等参数计算得到生物质资源的可利用总量。

1)秸秆资源

农作物秸秆是农作物籽实收获后遗留的植物根茎等农业剩余物。由于秸秆产量未列入国家有关部门统计范围, 其产量通常依据农作物的产量计算得到[4]。计算公式为

Q1=PiRiα1ici(1)

式中:Q1为某农作物秸秆资源可利用量(t); Pi为某农作物的年产量(t); Ri为某农作物秸秆的草谷比; α 1i为某农作物秸秆的收集系数; ci为干物质含量。

2)作物加工副产品资源

作物加工副产品指农作物收获粗加工过程留下的剩余物。计算公式为

Q2=Piβiα2ici(2)

式中:Q2为某作物加工副产品资源可利用量(t); β i为副产品系数(作物初加工获得的副产物占作物产量的比值); α 2i为某作物副产品收集系数。

3)禽畜粪便资源

禽畜粪便的主要来源是规模化养殖厂和农村家庭个体圈养[18]。计算公式为

Q3=Qdidimiα3ici(3)

式中:Q3为某禽畜粪便资源可利用量(t); Qdi为某禽畜的年末存栏量(头); di为某禽畜饲养期内的排泄系数 [t/(a∙ 头)]; mi为某种畜禽的出栏饲养周期(a); α 3i为某禽畜粪便的收集系数。

1.1.2 生物质炭固碳潜力估算方法

1)生物质炭及热解产物产率

生物质热解系统是包含炭化、冷凝、水洗、干燥、集液、检测及储气装置的炭、油、气联产设备。由于不同生物质热解过程中受裂解温度、裂解装置、裂解时间、生物质种类等条件影响, 生物质炭产率有显著差异。研究表明, 慢、中速裂解生物质炭产率较高, 而高温条件热解产率低于中低温条件[1, 20]。为保证产率的统一性, 本文在文献与调研数据基础上选取3种生物质热解产物的典型产率平均值作为计算参数(表1)。

表1 不同生物质原料热解参数 Table 1 Pyrolysis parameters of different biomass feedstock

2)固碳潜力估算

生命周期评价法是一种对生物质固碳潜力估算的有效方法, 能够从生物质炭全周期角度估算温室气体排放平衡[10]。方法评估范围涵盖从原料收集、生物质炭生产直至田间施用全过程, 原料与生物质炭运输等中间环节也被纳入评估[25]。评估的基本单元为每t生物质原料, 不同过程排放的CO2、CH4和N2O等温室气体都将通过系数转化为CO2当量, N2O和CH4当量转化系数选定为298和25[8]

根据LCA目标和评估范围, 采用生物质热解系统温室气体评价模型如下[13]

NCO2e=RiCO2e-EiCO2e(4)

RCO2e=(RBC+Re+Rf+RN2O+RCH4)(5)

ECO2e=(Ec+Et+Ep+Ea)(6)

式中: NCO2e为整个生物质热解系统生命周期过程的净碳汇量; RCO2eECO2e分别为系统中温室气体减排量和排放量; RBC为生物质炭的碳封存量; Re为可再生能源抵消化石能源使用减排量; Rf为减少施用化肥温室气体减排量; RN2O为抑制土壤N2O产生减排量; RCH4为禽畜粪便处理过程中CH4的减排量; EcEtEpEa分别为原料收集、原料和生物质炭运输、生物质热解厂构建生产以及生物质炭田间施用过程中的温室气体排放量。

式(4)是生物质热解系统温室气体平衡LCA模型; 式(5)是整个生命周期过程中温室气体减排量; 式(6)是整个生命周期过程中的温室气体排放量。

1.1.3 生物质炭经济效益评估方法

按照生产要素估算法, 评价的边界为从收集原材料开始, 包括运输及仓储、热解生产等中间环节, 至产物运至施用地结束。为便于核算, 结合调研数据, 生物质热解厂设定典型规模以年处理农业生物质8× 104 t为处理单元, 运行周期为10 a。

生物质热解的成本和收益计算公式如下:

B=Ri-Ci(7)

C=(Cp+Cm+Cf+Co)(8)

R=(RCO2+Rgas+Roil+RBC)(9)

式中:B为系统总效益; C为系统的总成本, 包括热解厂的构建成本Cp、热解设备购置Cm、原料成本Cf、热解厂的运营成本Co; R为系统的总收益, 包括固碳减排价值 RCO2、生物燃气价值Rgas、生物油(木焦油和木醋液)价值Roil、生物质炭(肥料基质用途)价值RBC

1.2 数据来源及参数确定

山西省主要作物和禽畜种类选自《山西省统计年鉴》, 农作物产量和禽畜年末存栏量等基础数据来自于《山西省统计年鉴2015》[26]和《中国统计年鉴2015》[27]等。草谷比、秸秆收集系数等来源于文献中山西省的实测数据和实地调研结果(详见表2表6)。生物质资源潜力估算参数见表2表4; 生物质炭固碳潜力计算参数见表5; 生物质炭经济效益计算参数见表6

表2 农作物草谷比、收集系数和干物质含量 Table 2 The ratio of residue to grain, collection coefficient and dry matter content of different crops
表3 作物加工副产品系数、收集系数和干物质含量 Table 3 The process residue factor, collection coefficient and dry matter content of different crops
表4 禽畜排泄系数、出栏饲养周期、收集系数和干物质含量 Table 4 The animal excreta parameter, raise period, collection coefficient and dry matter content of different animals
表5 生物质炭固碳潜力计算参数 Table 5 Parameters for biochar sequestration potential(kg CO2e∙ t-1
表6 生物质炭经济效益计算参数 Table 6 Parameters for biochar economic analysis
2 实证分析
2.1 研究区域

山西省生物质资源丰富, 农作物秸秆、畜禽粪便等主要类型生物质可利用资源量即达1.1× 108 t[39]。近年来, 山西省围绕秸秆气化、生物质发电、生物燃料技术在生物质能利用领域取得了较大进展, 但生物质资源开发利用程度总体上看仍处在初级阶段, 而一些新型技术如生物质热解开发更处在起步阶段[40]。山西省提出“ 十三五” 要将山西打造为低碳创新基地, 推动高碳资源低碳发展[41]。这是山西省碳排放居于全国前列与以煤为基的高碳产业结构难以短期扭转的形势所迫, 而新型技术的经济可行能成为技术应用推广的重要推动力量。

2.2 实证分析

2.2.1 2000— 2014年山西省农业生物质资源潜力估算

为了解山西省农业生物质资源潜力随时间的变化, 分别选取了2000— 2014年中2000、2005、2010、2014年估算了农业生物质资源总量和可利用 潜力, 结果见表7。2000— 2014年, 山西省农业生物质资源总量和可利用总量均呈先升高后降低再升高的趋势, 2014年分别达到3 605.40× 104 t和1 861.14× 104 t。从可利用量占资源总量比例看, 从2000年的36.52%上升到2014年的51.62%, 上升趋势显著, 这也表明随着秸秆打包压实技术的发展, 虽然可利用量会随着生物质资源总量发生变化, 但可利用率的上升, 使农业生物质资源开发利用的基础条件得到优化。

表7 2000— 2014年山西省农业生物质资源总量和可利用总量 Table 7 Total and available resource of agricultural biomass in Shanxi Province during 2000-2014

2000— 2014年, 山西省可利用生物质资源总量在1 519.25× 104~1 861.14× 104t间变化, 最大变异系数为9.71%, 变异性较小, 说明山西省可利用生物质资源量较为稳定。因此, 本文选用2014年数据进行生物质炭固碳潜力评价和经济效益分析。

2.2.2 2014年山西省农业生物质固碳减排潜力估算

根据生物质炭固碳潜力计算参数表(表5)中给出的温室气体排放和固碳减排的相关参数, 利用式(4)至(6)得到不同生物质原料的固碳潜力。结果表明, 生物质炭化后可产生碳汇效应, 农业废弃物和禽畜粪便固碳减排潜力分别为711.66和519.98 kgCO2e/t。

2014年山西省应用生物质热解系统固碳减排潜力见表8。农作物秸秆、禽畜粪便和作物加工副产品资源CO2e封存减排潜力分别为876.64× 104、261.49× 104和89.98× 104 t, 分别占到总量的71.38%、21.29%和7.33%, 总计可减排1 228.10× 104 t CO2e, 约占2014年山西省全年碳排放总量的2.5%[41]。由此可见, 利用农作物秸秆、作物加工副产品和禽畜粪便发展生物质炭技术在改善能源结构的同时, 对于减少山西省温室气体排放具有明显作用。本文仅考虑了有限的农业生物质部分, 而对其他原料如城市有机废弃物、林业生物质等未考虑在内, 因此增加这些生物质的热解炭化, 将进一步缓解山西省温室气体减排压力并提升固碳潜力。

表8 2014年山西省应用生物质热解系统固碳减排潜力 Table 8 Potential of carbon sequestration and abatement by using biochar systems in Shanxi Province in 2014

Ibarrola等探究了10种不同生物质材料慢速热解条件下的碳汇, 结果表明, 每t原料固碳潜力变化范围为0.07~1.25 t CO2e[11]。Roberts等[10]计算得到每t玉米秸秆和庭院废弃物的固碳潜力分别为0.86 t和0.89 t CO2e。陈威等[38]采用生命周期法对水稻秸秆热解生物炭固碳潜力计算得出, 每t水稻秸秆可固定1.34 t CO2e。上述研究与本文的0.71 t CO2e与0.52 t CO2e存在差异, 对比计算过程发现, 差异在于生命周期评价方法中生物质原料种类、热解温度等参数及评估范围不同所致, 由此带来了一定的不确定性, 也反映了固碳潜力测算中估算区域的特征参数和默认值筛选工作尤为重要, 需做进一步的研究。

2.2.3 2014年山西省农业生物质炭经济效益评估

生物质炭收益包括热解产品(生物燃气、生物油和生物质炭)价值与施于农田的固碳价值两部分, 热解产品价值见表6; 固碳价值在明确生物质单位原料CO2e减排潜力(表8)和碳市场交易价格(表6)后, 通过二者相乘可得, 计算结果为:农业废弃物在碳市场交易均价和高价情形下的减排价值分别为30.00和43.70元/t, 禽畜粪便分别为21.92和31.93元/t。

经济效益(净收益)通过收益扣除成本得到。本研究中将成本-收益参数(表6)代入成本-收益计算公式(7)至(9)得到净收益值, 结果显示农业废弃物实现正效益(表9)。在2014年碳均价情形下, 农业废弃物和禽畜粪便的价值分别为8.09和-13.16元/t。在碳高价情形下, 农业废弃物和禽畜粪便的价值分别为21.79和-3.15元/t。

表9 2014年山西省应用生物质炭经济效益评估 Table 9 Economic analysis for carbon sequestration of biochar systems in Shanxi Province in 2014

减排技术的开发需要考虑环境效应, 同时也必须考虑经济效益。21世纪初是我国风电发展的分水岭, 随着风电技术的成熟, 风力发电成本降至0.354元/kWh, 低于火力发电[42], 风电发展强劲。数据显示, 中国2000— 2007年累计风电装机容量年均增长率高达50.5%[43]。太阳能作为重要的可再生能源, 随着光伏产业的发展和成熟, 太阳能板材价 格下跌, 也迎来了中国的“ 种太阳” 高潮。到2012年底, 中国光伏发电容量已经达到了7 982.68 MW, 超越美国占据世界第三[44], 也验证了经济效益对低碳技术推广的决定性作用。中国具有丰富的生物质资源, 生物质炭固碳技术及产业已具有一定基础, 经济可行性成为生物质炭固碳产业发展的重要推动因素。由表9可知2014年山西省农业生物质炭综合实现了正效益, 在碳均价情形下达到0.44× 108元, 碳高价情形下将达到2.80× 108元。从经济角度表明了生物质固碳技术具有可行性, 而显著的环境效应也将成为生物质固碳技术发展的重要推动力量。

3 结论与建议

1)2000— 2014年, 山西省农业生物质资源可利用比例从2000年的36.52%上升到2014年的51.62%, 年际变异小, 可利用率上升, 生物质资源开发条件进一步优化。

2)山西省农作物秸秆、禽畜粪便和作物加工副产品资源CO2e封存减排潜力分别为876.64× 104、261.49× 104和89.98× 104t CO2e, 总计可减排1 228.10× 104t CO2e, 减排量约占2014年山西省全年碳排放总量的2.5%。

3)根据生物质炭生产的经济效益分析, 山西省农业生物质炭综合达到正效益。在2014年碳市场交易均价情形下, 每t农业废弃物和禽畜粪便原料收益分别为8.09和-13.16元, 碳高价情形下分别为21.79和-3.15元。结合2014年山西省生物质资源可利用量, 将产生0.44× 108~2.80× 108元的经济价值。

4)研究认为, “ 生物质资源— 固碳减排— 效益评估集成方法” 可用于区域生物质炭固碳减排技术前期可行性论证。但本研究中, 依然存在调研参数代表性有限、区域性成本效益的差异与波动体现不够、生物质能源化利用方式多样化对效益的竞争性影响分析欠缺等研究不足。因此, 山西估算参数特征值与默认值的筛选、成本效益波动与利用方式影响应开展进一步研究, 以提高方法的适用性和准确性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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