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生物炭技术缓解温室气体排放的潜力评估

姜志翔  
【摘要】:生物炭(Biochar)是一种富含碳的产品,是生物质原料在无氧或缺氧的条件通过热转化过程(700°C)而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料。生物炭因其在土壤改良、缓解温室效益等方面具有的巨大潜力成为目前研究的热点问题,并取得了大量的研究成果。本文将对生物炭技术缓解我国温室气体排放的潜力进行评估,同时对生物炭生产和应用过程中的能源投入、产出情况进行分析,以考察该技术的应用对于缓解我国温室气体排放压力和改善能源结构方面的潜力。同时,经济因素是一项新兴技术被接受和广泛应用的基础因素,因此本文还对生物炭技术生产和应用过程的经济可行性进行了分析。最后,基于上述评估、分析的基础上,利用SWOT(是指Strength:优势、Weakness:弱点、Opportunity:机遇和Threat:挑战四个单词的首字母缩写)方法对我国发展和应用生物炭技术的前景进行系统、全面的分析。本文的研究结果期望能够为我国缓解温室气体排放、改善能源结构提供一条可行的途径,为废弃生物质资源的资源化利用提供一种有效的技术手段。同时,还期望能够为我国发展和应用生物炭技术提供科学的数据和理论支持。本文的主要研究结果如下: (1)通过对生物炭技术固碳、减排主要途径的探讨,可知固碳、减排途径主要包括以下几个方面:生物炭自身的碳封存潜力;可再生能源生产取代化石能源而获得的减排潜力;作物生物量增加而从大气中吸收更多的CO_2;抑制农业土壤中N2O的排放;减少化肥使用量而获得的减排潜力;减少土壤有机碳(SOC)分解而获得的减排潜力。 (2)通过建立生命周期(LCA,Life CycleAssessment)评估模型,对不同生物质原料的生物炭生产及应用的全生命周期过程的温室气体和能源平衡情况进行定量分析。研究结果表明:农业、林木、家畜粪便和城市有机废弃物的温室气体平衡(以CO_(2e)计,CO_(2e)为CO_2当量)依次为-829.30、-1105.83、-742.37、-1953.70kg t-1原料,都表现出积极的固碳、减排效果;从生命周期阶段来看,前三种原料的固碳、减排潜力最大的是生物炭的土壤封存和能源生产抵消化石能源使用获得的减排,生物炭在农业生产应用过程中获得的潜力相对较小,而城市有机废弃物最大减排量是避免原处理过程产生的CH4排放;四种原料的能源生产潜力依次为334.06、-512.80、466.12、544.47MJ t~(-1)原料,林木原料由于在收集阶段需要消耗大量的能源,因此使得整个过程的能量平衡表现出净负的结果;从生命周期阶段来看,能源投入的主要阶段为生物炭田间施用、原料收集和运输三个阶段(合计的能量投入超过了总能量投入的90%以上)。 (3)在对不同原料的生物炭温室气体和能源平衡的生命周期分析结果的基础上,结合对我国四种生物质资源的可持续利用总量的调查,计算了我国利用生物炭技术能够获得的缓解温室气体排放和能量生产潜力。研究结果表明:我国四种生物质资源总量为23.14×10~8t,可持续用于生物炭生产的总量为14.02×10~8t;在上述资源背景下,我国能够获得的缓解温室气体排放总潜力为12.70×10~8t,相当于我国2005年温室气体排放总量的17%;我国能够获得的可再生能源潜力为49.50×10~(10)MJ,相当于13.75×10~(10)kWh。可见,生物炭技术对于同时缓解我国温室气体排放和改善能源结构具有巨大的潜力。 (4)经济性是影响一项新兴技术被接受和广泛应用的重要基础,因此在本研究中还对生物炭技术应用的经济可行性进行了分析。研究结果表明:碳减排市场交易价格和生物炭施用周期是影响生物炭技术应用经济可行性的两个重要因素。在低碳减排价格下,大部分原料(除城市有机废弃物外)生物炭都具有正的生产成本,在此情景确定的生物炭价格,农民应用生物炭除了在长的施用周期(10年)外,其它施用周期时都表现出负的经济效益;而在高减排价格下,生物炭的生产成本都呈负的(除了林木生物炭),在此情景确定的生物炭价格下,农民应用生物炭在任何施用周期具有积极的经济效益产出;利用城市有机废弃物为原料,在评估的任何情景中都表现出较大的经济潜力。根据本次经济分析的结果可知,随着未来温室气体排放压力的不断增大,碳减排价格必将升高,从而生物炭技术应用的经济吸引力也将逐步提高。另外,通过加强长期试验研究,选择一个合适的生物炭施用周期,对于解决目前生物炭应用过程中存在的经济问题也具有重要意义。 (5)最后本研究利用SWOT(方法对我国发展和应用生物炭技术的前景进行了系统全面的分析。通过分析可知:生物炭技术在固碳、减排、农业生产、可更新能源生产、抑制农业源污染、潜在经济吸引力和我国拥有丰富的生物质资源等方面具有显著的优势,而在可依靠的技术基础和研发水平、资金投入渠道少、生物质资源时空分布的差异性和生物炭应用预期效益的不稳定等方面存在一定的弱势;同时外部环境还为该技术带来了多方面的机遇和挑战:机遇表现在对减少农业源温室气体排放、缓解农业源污染和土壤酸化、加强可更新能源、降低农业生产成本和提高农民收入等方面的需求,挑战表现生物炭应用的不可逆性、碳减排评估和认证机制的缺失、面临与生物质能源之间的竞争、相关政策研究和制定的落后等多方面挑战。总体的研究表明,生物炭技术在我国的发展具有广阔的前景。


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