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吳志莊1，2，夏恩龍3，王樹東1，鐘哲科1
（1、國家林業局竹子研究開發中心，杭州310012；2、北京林業大學生物科學與技術學院，北京100083；3、國際竹藤中心，北京100102）
摘要：目前世界面臨著能源短缺和環境保護的雙重壓力，大力開發生物質能源是實現經濟社會可持續發展的必然選擇。文中對竹類植物作為一種全新的可再生能源資源的開發現狀、利用途徑進行探討，分析了在我國發展竹類生物質能源具有資源豐富、土地充足、市場巨大、政策支持等優勢。同時針對竹類能源產業化所面臨的問題，提出竹類生物質能源發展的對策，并展望竹類能源產業的發展前景。
21世紀人類面臨著能源問題的嚴峻挑戰，全球能源政策正進行著決定性的轉折。生物質等可再生能源正在逐步替代礦物能源，不但能源短缺的國家如此，而且能源豐富的發達國家也在悄然調整能源政策，大力研究開發新型清潔能源，促進能源消費結構從單一化向多元化轉變，走多能互補、綜合利用的道路，人類正在開始步入可再生能源時代。我國是一個化石能源十分短缺，但生物資源十分豐富的國家。生物質能具有清潔、高效、安全、可持續等特點，因此，調整能源發展戰略，極積發展生物質能是保障我國能源安全、改善生態環境、增加農民收入“一舉三得”的重要戰略舉措。
中國是世界上竹類資源最豐富的國家，有竹類植物39屬500余種，被公認為“竹子王國”。與其他植物相比，竹類植物具有品種多、生長快、再生能力強、一次造林成功即可持續經營利用等特點，而且竹類植物的灰分含量較低、纖維素含量高，非常適合做生物質原料。另外，竹材生產加工中有60％為加工剩余物，如何充分有效地利用這些廢料，已成為竹材綜合利用的一個緊迫問題。以竹子為原料進行能源化利用，可為生物能源產業提供新的原料，也為竹業的發展開拓新的途徑和增長點，是當前值得探索的一個重要問題。本文對此相關問題進行探討，以期為我國竹類生物質能源產業的發展提供參考。
1我國竹類生物質能源開發利用概況
1.1竹類能源利用途徑
竹類植物是一種具有多種用途的可再生生物資源，如何充分利用豐富的竹種資源日益被人們所關注。目前，竹類生物資源的利用方式主要有以下2種，一種方法是以竹類為原料生產生物乙醇，另一種則是以竹類為原料進行發電。
利用竹類生產生物乙醇主要有2種方法。其一是利用一些特殊竹種，如酒竹（Oxytenanthera braunii）產酒，勃氏甜龍竹（Dendrocalamus brandisi）含糖率高可產糖產酒。據報道，酒竹的天然傷流液中含酒精和多種微量元素，在原產地每株傷流液達1kg/d，每棵竹子合計可產酒30kg，天然發酵后可形成酒精含量高達20％以上的液體，成為植物資源利用中最奇特的亮點。勃氏甜龍竹、馬來甜龍竹（Dendrocalamus asper）等熱帶叢生竹種其竹筍的總糖含量最高達24％以上，具有進一步轉化為生物乙醇的潛在利用價值，也是天然可資利用的優良竹種。利用竹子生產生物乙醇的另一種方法是將竹質纖維轉化為乙醇。
竹材主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，平均含量分別為50.38％，23.86％，25.45％，是一類高纖維的植物。其中，毛竹嫩材的纖維素含量高達75％，是生產生物乙醇的優質原料。
利用竹加工剩余物發電是竹類可再生能源利用的另一個重要途徑。竹類發電技術類似于用稻殼發電，即將竹子干燥后再熱解氣化，然后用產生的可燃氣體來發電。研究表明，竹材的平均燃燒熱值達到19331.26J/g。其中，毛竹（Phyllostachys heterocylacv.pubescens）熱值為18996.6J/g，稍低于木本植物，但高于多數草本植物和作物秸稈，是生產生物能源的優質原料。而且，以竹類為原料發電還具有對環境污染少、發電穩定、熱解后剩余的竹炭或竹灰具有較高的應用價值和經濟價值等優點。
1.2竹類能源研究開發現狀
長期以來，對竹類的研究利用涉及材用、筍用、造紙等方面。竹類生長快，適應性強，一次種植即可永續利用。另外，竹類生物量較高，如版納甜龍竹生物量達141598kg／hm2，可保證竹類能源產業所需原料的穩定供應。當前利用竹類生產酒精和發電，發展新能源的研究在國內外還處于探索階段，也少有報道。雖然有學者提出了一些具有能源開發潛力的竹種，但對于如何判斷這些竹種具有能源潛力則未討論，對竹種的能源特征也不清楚。國內僅林益民等對華安竹種園46個竹種的竹葉平均干重熱值、灰分含量等指標進行了測定，并與不同植被類型的干重熱值進行了比較（表1）。結果表明，竹類植物葉的平均干重熱值（17672.1J/g）高于巴拿馬的熱帶濕潤森林（15614.7J/g）和美國猶他州的荒漠植被（17070.7J/g），而低于其他植被類型葉的平均干重熱值。美國學者2000年對竹類的能源潛力進行了探討，認為竹材熱值高、灰分含量低，是一種潛在的能源植物。日本靜岡大學通過研究則將竹纖維素乙醇轉化率提高到75％，印度和巴西對竹類燃燒氣化發電的潛力和技術進行了研究。目前，印度作為世界上第2大產竹國，已在境內建立了第1家用竹類發電的發電廠。
當前我國纖維乙醇能源技術基本成熟，雖然還存在一定的技術缺陷，但已經進入了邊研究邊產業化的階段。竹類生物質資源的開發利用是新世紀可持續竹業發展的一個重大課題，我國在竹類資源的能源利用方面尚處于起步階段，尤其在對一些特殊竹種的生物質能源的系統研究上尚處于空白。國家林業局竹子研究開發中心近年來從國外引進了1種十分獨特的竹種———酒竹，目前已對酒竹進行了引種擴繁，并進行了生理生態等方面的研究，為該竹種的開發利用奠定了基礎。
2中國發展竹類生物能源的有利條件
2.1廣泛的分布、豐富的資源是竹類能源發展的物質基礎
中國地處世界竹類分布的中心，竹類植物資源十分豐富，其種類、面積、立竹量和采伐量均居亞太地區之首，世界前茅。根據我國第7次森林資源清查，現有竹林面積538萬hm2，占全世界竹林面積的30％，且每年以11.7萬hm2的速度在增長。竹類適應性強，適生于不同的自然地理條件，有適生于熱帶地區的合軸叢生型竹種，也有適于亞熱帶地區的單軸散生型竹種，以及高海拔區耐寒性強的復軸混生型竹種。我國竹類植物主要分布在南方13個省區的丘陵地區，竹林面積在1萬hm2以上的縣有130多個。福建、浙江、江西3個產竹大省竹林面積均已超過66.7萬hm2，已成為森林資源的主要組成部分。目前，我國竹林蓄積量約達1.4億t，每年可采伐毛竹6億根、雜竹300萬t。由于竹加工材的利用率較低，不足40％，形成了大量的加工廢棄物，是竹纖維乙醇的良好原料。因此，竹種的多樣性為竹類生物質能源的原料提供了多樣的選擇性，而豐富的資源則為竹類能源產業的發展提供了堅強的物質保證。
2.2廣闊的市場需求是竹類能源發展的內在動力
隨著世界各國對能源和環保問題的重視，大力開發和使用新能源已成為實現經濟社會可持續發展的必然選擇。中國是一個能源非常短缺的國家，目前中國能源的總儲量雖然占世界能源總儲量的3.9％，但如果按人均計算則遠低于世界平均水平，僅及世界平均水平的19.4％，人均煤炭、石油、天然氣資源量分別為世界平均水平的21％，10％和2.5％。據英國石油BP公司2003年世界能源統計報告，中國的石油、煤炭、天然氣儲采比分別為15年、82年、46.3年，能源短缺已經成為制約我國經濟發展的重要因素之一。2004年我國進口原油和成品油突破1億t（達到1.4億t），對外依存度超過40％。2010年我國石油消費總量已達4億t，而國內生產能力僅為1.6億～1.7億t。到2050年我國一次能源供給能力為30億～37億t標準煤（包括除水電外的可再生能源）；按屆時人口16億估算，國內人均能源供應量將達2t～2.3t標準煤，僅為2000年經濟合作發展組織（OECD）國家人均能源消費量的30％～35％。人均能源不足將長期制約我國走向繁榮富強，嚴重影響經濟發展和國家安全。從長遠來看，我們只有通過節約能源、開發新的可再生替代能源才能保障能源安全。因此，開發竹類生物能源具有廣闊的市場前景。
2.3廣大的山區和荒山荒地為竹類生物質能源發展提供了廣闊的發展空間
中國是一個人口大國，人均耕地不到0.1hm2。為維護國家糧食安全，必須保護基本農田。但是中國有廣大的山區和林地，據國家林業局統計，目前我國尚有宜林荒山荒地5400多萬hm2，邊際性土地近1億hm2，這些土地資源為竹類能源林的發展提供了廣闊的發展空間。另外還可利用山地及四旁地、荒山荒坡、溪谷河岸等不適宜糧食種植的土地種植能源竹，如果結合退耕還林工程、防護林工程建設大力發展竹類能源林，將有助于農村產業結構調整、增加農民收入、推進小康建設進程、保護環境、創建環境友好型社會，對我國生物質能源的全面開發利用具有重要的示范和推進作用。
2.4現有政策導向是竹類生物質能源發展的外在動力
為了全面促進我國生物質能源的開發和利用，2005年2月28日《中華人民共和國可再生能源法》通過并實施，以法律的形式明確了對生物能源發展的政策支持和法律保障。國務院有關領導和國家計委、發改委、經貿委、科技部等部委對生物質能源產業化高度支持，將發展生物質能源列入“十一五”發展綱要并制定了產業發展方向。2006年財政部、發改委、農業部、國家稅務局、林業局聯合發布了《關于發展生物能源與生物化工財稅扶持政策的實施意見》，進一步制定了具體的財稅扶持政策。2007年《可再生能源中長期發展規劃》中提出要重點發展生物質發電、沼氣、生物質固體成型燃料和生物液體燃料。
2007年國家林業局《林業發展“十一五”和中長期規劃》也提出要建設林木生物質能源林基地，開發林木生物質高效能的轉化技術。可見我國政府對生物質能的政策導向，為竹類生物質能源發展提供了強有力的政策支撐。
3發展竹類生物質能源產業存在的問題與對策
3.1存在的問題
竹類作為一種新的能源植物，具有重要的開發利用價值和潛力，但是發展相對滯后，存在許多限制因素，主要表現在：
1）原料收集困難，持續穩定的原料供應難以保證。雖然竹類資源總量很大，但多呈零星分布，竹類加工廢棄物較分散，集中困難，收集的效率低，需要專門組織勞動力去收集，而且林區的交通條件較差，運輸距離較遠，運輸成本較高，很難保證原料的持續穩定供應。
2）還沒有專門以竹類纖維為原料的生產工藝。竹類生物質資源的利用主要以竹纖維素為主要原料，雖然目前國內外對纖維素乙醇生產工藝研究很多，但是由于纖維素酶和木聚糖酶的生產成本過高以及戊糖的發酵轉化效率低，使纖維素乙醇還停留在技術研發階段。要使纖維素乙醇達到商業化的程度，需要進一步提高乙醇產率和固體廢物的利用率，進行竹類能源技術開發，完善生產加工工藝。當前尚未有專門以竹類纖維為原料的生產加工工藝，從而限制了竹類生物能源的開發利用。
3）認識不足，有關木質能源的優惠政策尚未制定。當前利用竹子生產酒精和發電，發展新能源的研究在國內外還處于探索階段，社會各界對竹能源的重要性和發展潛力認識不足，導致國家在實施農林生物質能源工程中存在重農業秸稈開發、輕竹木生物質利用的現象，也沒有社會資金注入竹能源的研究和開發。而在政策方面，雖然我國對可再生能源高度重視，制定了一系列關于生物質能源的優惠政策，但沒有針對林業生產經營特點而出臺相應的政策，政策作用發揮相對較小，使得林木生物質能源發展相對緩慢。
3.2發展對策
3.2.1采用定向栽培新技術，實行規模經營，發展原料生產基地
當前我國竹類生物能源的開發利用還處于起步階段，酒竹、馬來甜龍竹等雖可產酒、產糖，但分布面積小，資源總量少，還無法進行竹能源的產業化生產，而且竹類資源零星分布、收集困難，難以向生產企業提供穩定的原料。因此，應開展主要能源竹種良種培育、栽培技術和經營模式研究，采用定向栽培技術，實行規模經營，發展原料生產基地，為生產提供持續穩定優質的原料。
3.2.2加強科學研究，改進和完善生產工藝，進一步降低纖維素乙醇生產成本
目前還沒有開發出具有自主知識產權且成熟的竹纖維素乙醇生產工藝。要把竹類資源轉變成乙醇燃料，還必須研究改進和完善生產工藝，解決生產中預處理成本過高等關鍵問題。需要通過技術集成，降低每個單元操作的工藝成本和運行成本，完善纖維素乙醇的制備工藝，以全面實現纖維素乙醇生產的產業化。
3.2.3提高認識，制定相關的優惠政策，加速生物乙醇產業化的步伐
國外的成功實踐表明，生物乙醇產業的發展離不開政府強有力的支持。凡是生物能源產業取得發展的國家，都實施了相應的國家產業發展計劃，制定了相配套的產品質量標準，給予生產者、用戶或銷售商以可觀的經濟激勵政策，并由此帶來了可觀的能源、環境和經濟效益。為了促進我國林木生物質能源的發展，需制定針對林木生物質能發展的專門政策，加大資金補貼力度。鑒于竹類生物質能具有較高的生態效益和社會效益等特點，尤其是在環境問題上作用大于農業等其他行業，理應獲得更多的資金支持，以鼓勵竹類生物能源的生產、銷售和消費，從而促進其產業和市場的迅速拓展。
4我國竹類生物質能源開發利用前景展望
雖然當前發展竹類生物質能源還存在不少問題，但隨著世界能源危機的不斷加劇，不斷地開發可再生能源來替代有限的石化能源，已是當今人類社會面臨的一項重大而急迫的任務。我國從上世紀末開始發展生物燃料乙醇產業。“十五發展綱要”己明確提出發展各種石油替代品，并將發展生物液體燃料確定為新興產業發展方向。加快我國生物乙醇的研發和應用是新時期賦予我們的千載難逢的發展機遇。“十五”期間，在試點的4個省燃料乙醇年產量達到102萬t，與900萬t的普通汽油混合后的生物汽油占全國消費量的1／5以上。由于我國燃料乙醇的生產是以陳化糧為原料，生產成本難以降低，原料供應沒有保證，且依賴國家財政補貼。從長遠發展來看，我國原油依賴進口和糧食短缺問題會更加嚴重，發展以生物質為原料制備乙醇的產業已勢在必行。
根據國務院《可再生能源中國石油石化中長期發展規劃》，到2010年增加非糧原料燃料乙醇年利用量200萬t，到2020年生物燃料乙醇年利用量達到1000萬t。當前我國已成為世界第3大生物乙醇生產消費大國，而且國家還出臺了一系列政策，從重大意義技術產業化示范補助、生物燃料原料基地財政補助到免征生產企業消費稅等稅收優惠，扶持非糧乙醇有序快速發展。竹類具有生長快、生物量高以及品種多、資源豐富、分布廣泛等優點，可選用特用竹種進行能源開發和生產燃料乙醇，還有不爭糧、不占用耕地、保護環境等特點，體現了我國生物質能源的政策走向。目前國內外在纖維素乙醇生產工藝領域研究很多，但竹類纖維轉化成葡萄糖的轉化率一般只有2％。日本《每日新聞》報道，最近日本靜岡大學研發出將竹子研磨成50μm大小的超細粉末的新技術，并選擇分解效率高的微生物進行分解，使轉化率提高到75％。相信在不遠的將來會研發出低成本、高產量的纖維素乙醇生產工藝，從而推動纖維素乙醇的產業化進程。可以預言，化石能源總有一天會用盡，而太陽能和風能等其他能源生產及利用又難以控制，隨著世界能源需求持續走高，生物液體燃料產業的發展將進一步加速，竹類燃料乙醇產業必將成為竹業發展的又一個增長點，發展潛力巨大，應用前景廣闊。 |
