回到田里做肥料,喂牛羊,做饭取暖做燃料,种蘑菇做基料,造纸做原料。
稻草,是成熟作物的茎叶(穗)的总称。在古代,秸秆作为农村生活和农业生产的主要手段,几乎得到了100%的有效利用。
明末清初的初学者屈大均,在《广东新话》中论述了施用稻草灰增加水稻等作物产量的原因:“发生火灾时,稻草灰也如草,真气相通,所以秧苗容易生长。农民吃大米,交秸秆。”此外,《齐姚敏集杂说》还详细记载了古代农民将秸秆和牛粪发酵制成堆肥还田的方法。
现代社会,随着农业机械化的大规模应用和农民生活水平的提高,秸秆成为农业生产过程中衍生的大宗废弃物,丢弃在田间地头或就地焚烧。
然而,焚烧秸秆对空气、土地和人体都有很大的危害,而且随着全国各地秸秆禁烧管理机制的实施,大量秸秆的处理已经成为一个严重的社会问题。
2020年,中国承诺力争到2030年实现二氧化碳排放峰值,到2060年实现碳中和。这一背景赋予了秸秆资源新的历史使命。秸秆综合利用是促进节能减排的重要手段。农业农村减排固碳是实现二氧化碳排放峰值碳中和的重要举措,也是潜力所在。
“稻草”不能烧。我该拿它怎么办?
中科院沈阳应用生态研究所的报告指出,随着国家农村产业结构的调整和居民生活条件的改善,秸秆产量存在区域性、季节性和逃序性问题,导致秸秆大量堆放或集中在田间焚烧。
焚烧还田作为一种传统的秸秆处理方式,具有投资少、成本低、操作简单、见效快的优点,但也对自然环境造成了严重的危害。由于秸秆中含有氮、磷、钾、碳氢化合物和有机硫,不完全燃烧会产生大量的氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物和烟尘,在阳光的作用下,还可能产生臭氧等二次污染物,造成严重的空气污染。
此前,《中国环境报》曾刊文称,2021年10月北京四次严重雾霾事件中,C1-(氯离子)和K+(钠离子)明显升高,这两种离子元素是秸秆燃烧不完全的微量离子。结合我国北方秋季特殊的污染源排放特征,可以得出秸秆焚烧是造成北京雾霾的重要原因之一。
此外,秸秆焚烧还会对土壤造成破坏。秸秆焚烧时,耕层温度急剧上升,容易灼伤和烫伤土壤中的有益微生物,导致土壤板结加剧,影响作物对土壤养分的充分吸收,直接影响农田作物的产量和质量以及农业收入。
因此,秸秆作为农作物收获后剩余的重要生物质资源,如果不能合理利用,将阻碍我国环境治理乃至碳中和的推进。
据统计,我国是第一农业大国,秸秆资源巨大,年均产量约8.65亿吨。其资源利用率也提高到了81.68%。为了不断提高秸秆的利用率,2021年3月8日,国家发改委也发布了《大宗固体废物综合利用“十五”规划指导意见》,提出:“大力推进秸秆综合利用,推动秸秆综合利用产业提质增效”。
根据中科院发表的《从碳中和角度看秸秆处置方式对碳源和碳汇的贡献》一文,目前,我国秸秆的能源化利用主要包括热解气化、制沼气、秸秆炭化和固化成型四种方式。不同的能源利用方式在碳减排上有很大差异。其中秸秆资源主要用作肥料,利用率为53.93%。辅以饲料和燃料利用,利用率分别为23.42%和14.21%。
值得注意的是,在上述四种秸秆能源转化方式中,秸秆生产的固化燃料年均减碳量最大(3903万吨CO),占秸秆能源转化总减碳量的98%。
中国农业科学院草原研究所在其发表的文章《中国农作物秸秆产量及综合利用分析》中认为,秸秆生产作为固化燃料,即新型秸秆直燃锅炉,解决了秸秆燃烧转化率低、环境污染等问题,焚烧灰渣可促进循环农业生产,在乡镇具有较高的推广价值。
例如,在黑龙江省等高寒地区,秸秆往往被设备压制成高密度的固体成型燃料,体积减少80%,单位热值提高40% ~ 60%。是替代常规燃料的最佳选择。秸秆焚烧释放的CO量相当于农作物从大气中吸收的CO量,因此秸秆焚烧被认为是一种有效的“碳中和”方式。
然而,为什么作为最显著的减碳方式,秸秆固化燃料的普及率却不高?
秸秆资源利用仍存在困难。
秸秆固化燃料产业难以普及的原因是由多种因素构成的。首先,产业更容易受到地理条件的制约,在布局上呈现出“西低东高”的局面。
据统计,目前西北地区秸秆能源替代年碳减排量接近于零,主要是该地区可作为能源的农作物秸秆资源密度低,导致秸秆收集运输成本相对较高,不适合建立大型秸秆能源企业,特别是在以畜牧业为主的青藏高原和黄土高原地区,秸秆多用于动物饲料生产。
而东部沿海地区、北部沿海地区、长江中游地区和东北综合经济区,由于秸秆资源联系紧密,当地运输体系较好,秸秆固化碳减排量在全国较高,分别占27.5%、25.3%、22.8%和16.8%。
因此,秸秆固化燃料产业的发展应遵循地理环境的客观条件,对秸秆进行多元化处理,充分发挥其最大利用价值。同时,这一现象也说明秸秆转化为固化燃料并不适合在全国推广。西北和西南地区缺乏大规模机械化农业耕作模式和配套运输设施,秸秆处理模式应采用其他资源转化模式。
此外,限制秸秆减碳的关键问题是资源产品普遍低端,附加值低,导致产品价格低,利润低,整个产业链的参与者难以保障自身的经济利益。
以生物质发电为例,我国生物质发电从2015年的527亿千瓦时增长到2021年的1637亿千瓦时,年复合增长率为17.58%,占全社会用电量的2%。然而,生物质发电的比例仍然不高,其中一个很重要的问题是,这个行业存在一些问题,如项目建设成本高,运营成本高,导致生物质电厂难以实现有效利润。
具体来说,我国秸秆发电设备的研发起步较晚。为了避免秸秆中钾、氯含量高对秸秆锅炉受热面的腐蚀,通常会大量使用特殊的耐腐蚀钢材,直接导致发电设备成本高。同时,由于秸秆燃料比重小,原料供应分散,秸秆的运输和储存需要更多的运输成本和征地成本;在多重成本的压力下,我国秸秆发电项目的成本已经达到火力发电项目的两倍左右。
然而,在诸多问题的情况下,我国以秸秆为主的生物质发电产业每年都能快速发展,其背后靠的是国家政策而非市场的大力支持。
为鼓励企业参与建设,2010年,国家发改委决定新建农林生物质发电项目不招标确定投资者,统一执行基准上网电价每千瓦时0.75元;招标确定的投资者上网电价按中标确定的价格执行,但不得高于国家标杆农林生物质发电上网电价,该上网电价远高于燃煤机组上网电价。
也就是说,通过上述政策的强制性规定和国家对生物质发电的电价支持,可以保证秸秆等生物质电厂的有效运行和经济效益。但是,没有这样的国家政策保障和财政补贴,社会和企业投资生物质电厂的动力和积极性就会大大降低,严重限制了秸秆发电产业的发展。
因此,农业秸秆综合利用的突出问题是,现有利用模式成本高,产品附加值低,难以形成市场上有竞争力的产品,导致产业链参与的供应商、中间参与者和需求者积极性不高。如果没有国家政策支持,我国秸秆资源减碳利用工程将大打折扣。
学习西方模式,加大科技研发是解决困难的途径。
秸秆的资源化利用,特别是促进秸秆燃料产业的发展,是一项复杂的系统工程,需要全社会、各个层面的参与。借鉴西方发达国家的技术装备研发和政府投资支持政策,对于充分利用我国秸秆资源,调动相关产业的积极性,是有价值的。
以美国为例,美国大部分农场都建设了自己的燃料乙醇生产基地,玉米秸秆和玉米粒,在当地生产,转化为生物乙醇燃料,然后提供给国家能源部门,获得官方对玉米种植和生物乙醇燃料生产的补贴。
也正是基于各地建立的燃料乙醇生产基地,美国在资源危机面前有了更大的回旋余地。2020年,由于俄罗斯与乌克兰关系紧张引发石油危机,美国限制俄罗斯石油出口,美国成品油价格上涨。正是因为有了生物乙醇燃料,油价才会涨到天花板以上。这也说明美国生物乙醇燃料在燃料油中的作用很大。
此外,作为碳中和的前沿领域,北欧国家也对秸秆资源转化进行了政策调整。以丹麦为例,从上世纪末开始推广秸秆发电,政府主要做了两件事:一是“管”,确立秸秆等生物质替代煤炭的阶段性强制性目标,明确到2030年淘汰煤炭的使用,代之以木质废弃物和秸秆。
另一种是“补贴”,但丹麦政府在补贴过程中奉行“从多到少”的向下政策。秸秆发电前期市场接受度、规模、技术都不够成熟,需要政府补贴使用煤炭与其他发电方式的差价。随着技术的进步,市场规模的扩大,成本的逐步降低,补贴会逐步减少,直到电厂和农民能够以市场化的方式盈利。
可见,在推进秸秆资源减碳的道路上,中国并不是“第一个吃螃蟹的人”。借鉴西方发达国家对秸秆资源的处理方式,无疑会促进中国同样轨道的产业。
另外,秸秆资源的利用离不开科技的进步。南京工业大学科研部发布的《中国农业秸秆高值化利用现状与困境分析》一文表示,未来中国应继续加强植物学、生物质等领域的基础研究,寻求突破生物质降解壁垒的途径,为提高秸秆生物质资源利用效率奠定坚实的理论和实践基础,助力秸秆资源利用产业的全面发展。
在作物资源利用的下游环节,我国未来的重要研究方向将集中在利用现有的方法,按照国务院《关于创新体制机制促进农业绿色发展的意见》提出的“发展秸秆高值化和产业化利用”的要求,定位高端产品市场,开发附加值更高、市场竞争力更强的产业化秸秆产品,进而提高现有高端产品的产量和单产,以建设全新的微生物细胞工厂,生产未来的高附加值产品。
中国是一个农业大国,水稻、玉米、小麦等农作物种植面积居世界前列。农作物巨大的种植面积和产量养活了中国大量的人口,却堆积了大量的秸秆。
如今,虽然我国秸秆作为能源的利用率已经超过80%,但秸秆减碳的产业化发展还有很长的路要走。同时,在我国秸秆能源发展的背后,主要的驱动力仍然来自于政策扶持而不是依靠市场运作然后逐渐壮大。
所以“学习外国,学习先进经验”;加强科技实力,开发高附加值的秸秆工业产品,是中国秸秆能源产业进入资本市场的主要途径,真正成为中国碳中和发展的主要助推力。