柳樹生物量的利用

    在推動(dòng)碳中性資源——木質(zhì)生物量的利用中，人們把目光集中在以柳樹等超短伐期生物量利用的技術(shù)上。北歐諸國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始針對(duì)超短伐期柳樹生物量的利用進(jìn)行了品種改良、栽培及收獲技術(shù)等方面的研究，特別是瑞典，到90年代就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，積累了關(guān)于柳樹栽培利用方面的很多經(jīng)驗(yàn)。
　　一、柳樹生物量生產(chǎn)概況
　　柳樹直接燃燒時(shí)的能效很高。在種植、收獲、運(yùn)輸?shù)壬�物量生產(chǎn)過(guò)程中所需要的能量和產(chǎn)生的能量相比，柳樹可得到20倍的效率，相反，如果利用草本類生物量生產(chǎn)生物乙醇，就現(xiàn)有技術(shù)而言，輸出功率和消耗的能量幾乎是等價(jià)的。因此，根據(jù)FSC等森林認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)柳樹生物量的利用給予了特別加分。
　　速生柳樹生物量的生產(chǎn)成本也比其他生物量低，2007年的數(shù)據(jù)顯示，發(fā)電成本為每兆瓦時(shí)（1 000度電）13歐元，而現(xiàn)在的售價(jià)約為每兆瓦時(shí)17歐元，因此平均每千度電有4歐元的收入。
　　瑞典柳樹生物量的生產(chǎn)采用改良柳樹Tora Torhilld（無(wú)性系）等，種植密度為每公頃1.5萬(wàn)株，伐期為3～4年，年產(chǎn)量為每公頃8t（干重），成本為每噸6700日元，木片價(jià)格為每噸9700日元（工廠價(jià)）。如果速生柳樹的年均產(chǎn)量為每公頃8t（干重），按照每噸可發(fā)電4100度計(jì)算，要得到1000兆瓦時(shí)的能，就必須擁有大約30hm2的柳樹能源林。
　　二、柳樹超短伐期作業(yè)
　　要實(shí)現(xiàn)柳樹的高能效轉(zhuǎn)化，就必須把柳樹的生產(chǎn)力全部發(fā)揮出來(lái)，同時(shí)盡可能合理地進(jìn)行管理及收獲作業(yè)。為此，柳樹造林地，首先要選擇能夠進(jìn)行整地和機(jī)械化作業(yè)的平原地帶，要具備機(jī)械中耕除草、噴灌及施肥管理等條件，進(jìn)行與農(nóng)田一樣的管理。
　　作業(yè)體系為，第1年進(jìn)行除草、整地等準(zhǔn)備工作后開(kāi)始植苗，選用的柳樹苗高為1.2～2.3m，種植時(shí)用拖拉機(jī)牽引的作業(yè)機(jī)械將苗切割成約18cm，按照2行一組種植（插條），行間距75cm，株距60cm，2行之間安裝噴水設(shè)備。每組之間留出1.5m距離。種植密度為每公頃15萬(wàn)株。植苗作業(yè)需要2人，1人駕駛，1人植苗。一般為同時(shí)種植4行，平均每公頃植苗作業(yè)1小時(shí)完成。
　　到第2年，將長(zhǎng)高的柳樹主梢在10cm處進(jìn)行平茬，以促進(jìn)分枝，提高產(chǎn)量。這個(gè)時(shí)期必須注意防止動(dòng)物破壞。此后要反復(fù)進(jìn)行施肥和機(jī)械除草，3～4年后就可以收割。收割后萌芽更新，3～4年循環(huán)收割，可持續(xù)20～25年左右。
　　一般情況下，與第1次相比，第2次收獲量增多，第3次收獲量最高，但因土壤及氣候條件等因素的影響，各別地方存在著每公頃生長(zhǎng)量從最少2t到最大15t的巨大差距。無(wú)論從經(jīng)營(yíng)者的風(fēng)險(xiǎn)管理，還是從對(duì)消費(fèi)者的穩(wěn)定供應(yīng)來(lái)看，這都是面臨的問(wèn)題。因此，在瑞典的柳樹栽培資料中經(jīng)常強(qiáng)調(diào)：“在不能得到所希望的生產(chǎn)率時(shí)轉(zhuǎn)向谷類等作物生產(chǎn)很容易”。柳樹苗主要由瑞典農(nóng)業(yè)合作社的集團(tuán)企業(yè)Agroenergi公司生產(chǎn)，在歐洲各地都有銷售。因各國(guó)氣候及土壤條件不同，有很多符合不同條件的品種進(jìn)行了登記。
　　三、收割作業(yè)
　　柳樹的收割期從落葉后地面凍結(jié)的11月開(kāi)始到來(lái)年4月為止。冬季收割的理由是對(duì)燃料的需求量增加，加之落葉的營(yíng)養(yǎng)成分可以保留在林地中，而且地面凍結(jié)后大型機(jī)械容易進(jìn)入，可以減少因機(jī)械行走對(duì)地表的破壞等。但在積雪多的情況下進(jìn)行收割，則柳樹木片的含水率較高，重量增加，運(yùn)輸成本提高。
　　收割機(jī)械是Claas制造的Jaguar和被改造為用于生物量收割的HS-2附屬機(jī)械，在收割的同時(shí)加工成木片。機(jī)械主體重量為11t，可收割的柳樹干直徑最大為70mm。收割作業(yè)有2種方法：第1種是在收割機(jī)旁邊連接搭載帶有集裝箱的拖拉機(jī)進(jìn)行收割，收割機(jī)和拖拉機(jī)各需要1人操作；第2種是在收割機(jī)后面牽引集裝箱進(jìn)行收割，可1人操作。一般采用第1種方法進(jìn)行收割。從生產(chǎn)效率看，第1種方法1小時(shí)可收割0.5hm2，濕重34～36t（干重17～18t）。經(jīng)測(cè)算，這種方式的勞動(dòng)生產(chǎn)率為每人每小時(shí)19m3。
　　一般情況下，作業(yè)成本比機(jī)械供應(yīng)商提供的指標(biāo)高15%左右，為300歐元/小時(shí)（包括折價(jià)費(fèi)、燃料費(fèi)、維修保養(yǎng)費(fèi)和收割人員的工資），這是因?yàn)樵诹阆?0℃的嚴(yán)寒季節(jié)作業(yè)，對(duì)機(jī)械有損壞而增加維修的費(fèi)用。機(jī)械故障的實(shí)際發(fā)生次數(shù)是夏季牧草收割作業(yè)的5倍。1臺(tái)機(jī)械在1個(gè)收割季的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約為600個(gè)小時(shí)。
　　收割后的柳樹木片被裝入容積為40m3的集裝箱，用大型拖拉機(jī)運(yùn)往熱電廠。收割現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了一些集裝箱，以盡量縮短等待裝箱運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間。一般情況下，收獲后的柳樹木片迅速裝箱運(yùn)出，但也有在場(chǎng)地上臨時(shí)堆積儲(chǔ)存的。
　　四、熱電設(shè)備
　　收割的柳樹木片和林地剩余材等其他生物量混合后直接投入鍋爐�；旌媳壤�約為10%～15%。關(guān)于利用柳樹木片等生物量的熱電設(shè)備，有報(bào)告介紹了瑞典中部Enkopin市經(jīng)營(yíng)的ENAenergi設(shè)備發(fā)電案例，該設(shè)備總生產(chǎn)量為發(fā)電10萬(wàn)兆瓦時(shí)（1兆瓦時(shí)=1000度電）、生產(chǎn)熱能22萬(wàn)兆瓦時(shí)。
　　ENAenergi是可以生產(chǎn)電力20.5兆瓦時(shí)、熱能50兆瓦時(shí)的熱電設(shè)備，作為地區(qū)供暖系統(tǒng)可為Enkopin市（人口超過(guò)2萬(wàn)）供暖，為大型工廠供應(yīng)熱水，覆蓋全市熱需求總量的85%。該供暖系統(tǒng)通過(guò)使3000m3熱水在長(zhǎng)約80km的地下管道循環(huán)，每年可向各家各戶供暖供熱15～20兆瓦時(shí)。而且，生產(chǎn)的電還在斯堪的納維亞的公開(kāi)市場(chǎng)銷售�，F(xiàn)在的平均售價(jià)為40歐元/兆瓦時(shí)。
　　ENA設(shè)備使用的燃料，在70年代石油危機(jī)后已經(jīng)從以石油為主的化石燃料轉(zhuǎn)向生物燃料，2009年約95%為生物燃料。生物燃料的原料包括，鋸材廠產(chǎn)生的廢材（木片、鋸屑和樹皮）占56%，林地剩余材占22%，建筑廢材和柳樹木片各占11%。如果生產(chǎn)設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，則平均每小時(shí)需要原料35t，相當(dāng)于1臺(tái)大型卡車的裝載量，年間需要原料16.1萬(wàn)t，相當(dāng)于4600臺(tái)大型卡車的裝載量。這些生物量的收集范圍是半徑70km內(nèi)，但Enkoping市及其周邊的森林資源較少，所以不足部分從愛(ài)沙尼亞及拉脫維亞進(jìn)口。生物燃料到廠價(jià)格約為20～30歐元/兆瓦時(shí)，其中柳樹木片占生產(chǎn)成本的比例非常低。
　　而且，在Enkoping市已經(jīng)采用了用熱電生產(chǎn)設(shè)備排出的廢水作為柳樹肥料進(jìn)行澆灌的系統(tǒng)。每年在5-8月柳樹培育期，要澆水100天左右，用水大約20萬(wàn)m3，其中10%是混入的廢水。用熱電生產(chǎn)排出的廢水澆灌柳樹栽培地，可將柳樹收獲周期從通常的5年縮短為3年。
　　五、結(jié)語(yǔ)
　　瑞典的速生柳樹栽培面積如今已擴(kuò)大到1.5萬(wàn)hm2。2009年已收獲2500hm2，用于生物量發(fā)電供熱鍋爐的燃料。從區(qū)域來(lái)看，栽培范圍全部限于北緯60°以南地區(qū)，其中3000hm2集中在最南部地區(qū)。
　　而在同期開(kāi)展研究的芬蘭，柳樹的生物量利用被否定，并完全沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。芬蘭國(guó)土在北緯60°以北地區(qū)，也許不適合發(fā)展柳樹生物量利用。從這一點(diǎn)考慮，日本緯度低，可接收更多的太陽(yáng)能，也許能夠更有效地利用柳樹生物量。