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瑞典超短伐柳树生物量利用

2013-09-22来源:中国林业网

日本《木材情报》2010年3月发表了瑞典柳树能源林发展现状的报告。该报告是日本新能源产业技术综合开发机构实施的“非木材和粮食生产地区生物量资源生产技术开发”调研项目的组成部分。生物量开发,也存在着风险。瑞典农业科技大学的专家提醒道,日本在开始大规模栽培速生柳树时,要参考瑞典的问题。

在推动碳中性资源——木质生物量的利用中,人们把目光集中在以柳树等超短伐期生物量利用的技术上。北欧诸国从20世纪70年代开始针对超短伐期柳树生物量的利用进行了品种改良、栽培及收获技术等方面的研究,特别是瑞典,到90年代就已经实现了实用化,积累了关于柳树栽培利用方面的很多经验。

一、柳树生物量生产概况

柳树直接燃烧时的能效很高。在种植、收获、运输等生物量生产过程中所需要的能量和产生的能量相比,柳树可得到20倍的效率,相反,如果利用草本类生物量生产生物乙醇,就现有技术而言,输出功率和消耗的能量几乎是等价的。因此,根据FSC等森林认证的标准,对柳树生物量的利用给予了特别加分。

速生柳树生物量的生产成本也比其他生物量低,2007年的数据显示,发电成本为每兆瓦时(1000度电)13欧元,而现在的售价约为每兆瓦时17欧元,因此平均每千度电有4欧元的收入。

瑞典柳树生物量的生产采用改良柳树Tora Torhilld(无性系)等,种植密度为每公顷1.5万株,伐期为3~4年,年产量为每公顷8t(干重),成本为每吨6700日元,木片价格为每吨9700日元(工厂价)。如果速生柳树的年均产量为每公顷8t(干重),按照每吨可发电4100度计算,要得到1000兆瓦时的能,就必须拥有大约30hm2的柳树能源林。

二、柳树超短伐期作业

要实现柳树的高能效转化,就必须把柳树的生产力全部发挥出来,同时尽可能合理地进行管理及收获作业。为此,柳树造林地,首先要选择能够进行整地和机械化作业的平原地带,要具备机械中耕除草、喷灌及施肥管理等条件,进行与农田一样的管理。

作业体系为,第1年进行除草、整地等准备工作后开始植苗,选用的柳树苗高为1.2~2.3m,种植时用拖拉机牵引的作业机械将苗切割成约18cm,按照2行一组种植(插条),行间距75cm,株距60cm,2行之间安装喷水设备。每组之间留出1.5m距离。种植密度为每公顷15万株。植苗作业需要2人,1人驾驶,1人植苗。一般为同时种植4行,平均每公顷植苗作业1小时完成。

到第2年,将长高的柳树主梢在10cm处进行平茬,以促进分枝,提高产量。这个时期必须注意防止动物破坏。此后要反复进行施肥和机械除草,3~4年后就可以收割。收割后萌芽更新,3~4年循环收割,可持续20~25年左右。

一般情况下,与第1次相比,第2次收获量增多,第3次收获量最高,但因土壤及气候条件等因素的影响,各别地方存在着每公顷生长量从最少2t到最大15t的巨大差距。无论从经营者的风险管理,还是从对消费者的稳定供应来看,这都是面临的问题。因此,在瑞典的柳树栽培资料中经常强调:“在不能得到所希望的生产率时转向谷类等作物生产很容易”。柳树苗主要由瑞典农业合作社的集团企业Agroenergi公司生产,在欧洲各地都有销售。因各国气候及土壤条件不同,有很多符合不同条件的品种进行了登记。

三、收割作业

柳树的收割期从落叶后地面冻结的11月开始到来年4月为止。冬季收割的理由是对燃料的需求量增加,加之落叶的营养成分可以保留在林地中,而且地面冻结后大型机械容易进入,可以减少因机械行走对地表的破坏等。但在积雪多的情况下进行收割,则柳树木片的含水率较高,重量增加,运输成本提高。

收割机械是Claas制造的Jaguar和被改造为用于生物量收割的HS-2附属机械,在收割的同时加工成木片。机械主体重量为11t,可收割的柳树干直径最大为70mm。收割作业有2种方法:第1种是在收割机旁边连接搭载带有集装箱的拖拉机进行收割,收割机和拖拉机各需要1人操作;第2种是在收割机后面牵引集装箱进行收割,可1人操作。一般采用第1种方法进行收割。从生产效率看,第1种方法1小时可收割0.5hm2,湿重34~36t(干重17~18t)。经测算,这种方式的劳动生产率为每人每小时19m3。

一般情况下,作业成本比机械供应商提供的指标高15%左右,为300欧元/小时(包括折价费、燃料费、维修保养费和收割人员的工资),这是因为在零下20℃的严寒季节作业,对机械有损坏而增加维修的费用。机械故障的实际发生次数是夏季牧草收割作业的5倍。1台机械在1个收割季的运转时间约为600个小时。

收割后的柳树木片被装入容积为40m3的集装箱,用大型拖拉机运往热电厂。收割现场准备了一些集装箱,以尽量缩短等待装箱运输的时间。一般情况下,收获后的柳树木片迅速装箱运出,但也有在场地上临时堆积储存的。

四、热电设备

收割的柳树木片和林地剩余材等其他生物量混合后直接投入锅炉。混合比例约为10%~15%。关于利用柳树木片等生物量的热电设备,有报告介绍了瑞典中部Enkopin市经营的ENAenergi设备发电案例,该设备总生产量为发电10万兆瓦时(1兆瓦时=1000度电)、生产热能22万兆瓦时。

ENAenergi是可以生产电力20.5兆瓦时、热能50兆瓦时的热电设备,作为地区供暖系统可为Enkopin市(人口超过2万)供暖,为大型工厂供应热水,覆盖全市热需求总量的85%。该供暖系统通过使3000m3热水在长约80km的地下管道循环,每年可向各家各户供暖供热15~20兆瓦时。而且,生产的电还在斯堪的纳维亚的公开市场销售。现在的平均售价为40欧元/兆瓦时。

ENA设备使用的燃料,在70年代石油危机后已经从以石油为主的化石燃料转向生物燃料,2009年约95%为生物燃料。生物燃料的原料包括,锯材厂产生的废材(木片、锯屑和树皮)占56%,林地剩余材占22%,建筑废材和柳树木片各占11%。如果生产设备满负荷运转,则平均每小时需要原料35t,相当于1台大型卡车的装载量,年间需要原料16.1万t,相当于4600台大型卡车的装载量。这些生物量的收集范围是半径70km内,但Enkoping市及其周边的森林资源较少,所以不足部分从爱沙尼亚及拉脱维亚进口。生物燃料到厂价格约为20~30欧元/兆瓦时,其中柳树木片占生产成本的比例非常低。

而且,在Enkoping市已经采用了用热电生产设备排出的废水作为柳树肥料进行浇灌的系统。每年在5-8月柳树培育期,要浇水100天左右,用水大约20万m3,其中10%是混入的废水。用热电生产排出的废水浇灌柳树栽培地,可将柳树收获周期从通常的5年缩短为3年。

五、结语

瑞典的速生柳树栽培面积如今已扩大到1.5万hm2。2009年已收获2500hm2,用于生物量发电供热锅炉的燃料。从区域来看,栽培范围全部限于北纬60°以南地区,其中3000hm2集中在最南部地区。

而在同期开展研究的芬兰,柳树的生物量利用被否定,并完全没有实现实用化。芬兰国土在北纬60°以北地区,也许不适合发展柳树生物量利用。从这一点考虑,日本纬度低,可接收更多的太阳能,也许能够更有效地利用柳树生物量。

瑞典速生柳树的栽培面积,以前呈增加的趋势,但1997年加入EU并取消了一部分补助金后增减变化不大,近几年则出现减少的趋势。其主要原因除了传统栽培作物价格上升之外,还有以下2点:

(1)对生产力评价过高。20世纪70年代的研究结果预测,柳树生物量的年产量为20t/hm2,但实际上即使条件好的情况下,生产量也只有8t左右。造成这个差距的原因是,研究性的小面积栽培和大规模种植的条件不同。在研究阶段,对土地的选择、浇水和施肥管理及除草等都是非常精细的,但大规模栽培从开始到结束不能期待这种精细的管理,而且大型机械造成土壤物理性破坏及空地的损失也是不可避免的。

(2)补助金问题。对生物量作物的栽培制定了补助金制度,人们以获得补助金为目标,在距离热电厂较远的空地及贫瘠的土地上种了很多速生柳树。现在,瑞典全国有很多这种无法获取收益的栽培地。