史军义 刘锦超 周德群 马丽莎 姚 俊 李志伟

(1 中国林业科学研究院高原林业研究所 昆明 650224；2 四川大学原子与分子研究所 成都 610065；3 四川新能源产业促进会 成都 610065；4 昆明理工大学环境科学与工程学院 昆明 650500；5 都江堰市美岚竹业研究院 四川都江堰 611830)

能源是现代人类生存和发展所依赖的重要资源。目前，人类所利用的能源主要还是煤炭、石油、天然气等化石能源，由于其污染严重和不可再生性，导致了能源危机的不断加剧。人们的注意力已经越来越转向电能、光能、原子能、生物质能等清洁能源。生物质能是世界第4 大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。据估算，地球陆地每年可生产1 000 亿～1 250 亿t 生物质，海洋每年可生产500 亿t 生物质。生物质能源占据着全世界可再生能源的77%，其年生产量远远超过全世界能源的总需求量。中国可开发为能源的生物质资源2010 年即达到3 亿t。随着农林业的发展，特别是薪炭林和高产量生物的推广，生物质资源还将越来越丰富[1]。

竹质能源属于生物质能源的重要组成部分，具有低污染、分布广、储量大、可再生等特点，是一种发展潜力较大的生物质能源。中国是世界上竹类资源最丰富的国家，具有发展竹质能源的有利条件和良好环境。但由于种种因素的制约，目前中国对竹质能源的利用还处在较低水平，竹材利用率也不高，因而造成了大量竹质能源的浪费。实践证明，积极鼓励并有效推动竹质能源的发展，是一项利国利民的战略举措。

1 生物质能的概念与利用方式

1.1 生物质

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体。即一切有生命的、可以生长的有机物质通称为生物质。

狭义的生物质是指在农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树(竹) 等采伐和加工剩余物、废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。

广义的生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。也就是所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。

1.2 生物质能

生物质能是指太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是以生物质为载体的能量。所有的生物质能，都直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，也就是说，生物质能的原始能量，实际上都是来源于太阳。因此，生物质能是太阳能的另一种表现形式。

有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质，均属于生物质能。通常包括木(竹) 材、森林(竹林) 废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。生物质能的共同特点，是可以转化为常规的固态、液态和气态燃料。从理论上来说，生物质能取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。据统计，地球上每年经光合作用产生的物质大约有1 730亿t，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10～20 倍，但目前的利用率还不到3%[1]。

由于生物质能具有安全、可再生、低污染、分布广泛的优势，近年来世界上很多国家都在根据自身特点，积极探索和尝试以不同思路研究和开发利用各自生物质能的具体政策、途径和方法，使得这一新型能源得到了飞速发展。

1.3 生物质能源的利用方式

1.3.1 直接燃烧

直接燃烧是生物质能源古老、最原始、最传统的利用方式。在中国，烧柴(木、竹、草) 取暖、烧柴制陶，至少已有7 000～8 000 年以上的历史[2]。如今，世界上许多国家和地区，尤其是在交通不便、地处偏僻、经济技术比较落后的地区，仍然不得不采用这种古老原始的能源利用方式。

1.3.2 生物乙醇

自20 世纪70 年代中期以来，以巴西和美国为代表的国家即开始推行燃料乙醇技术发展计划。巴西是世界上采用甘蔗秆制乙醇的最大生产国和消费国，1997 年乙醇年产量即达137 亿L，并且有约400 万辆汽车使用乙醇作燃料，因而大大降低了石油的进口。美国生产燃料乙醇主要是采用玉米为原料，2000 年生产的玉米乙醇已经能够达到汽油消耗量的1%。欧洲则是采用大麦来生产乙醇，技术已经比较成熟。此外，阿根廷、南非、澳大利亚、英国、德国还开展了用高粱制作乙醇，结果证明乙醇转化率明显高于甘蔗和甜菜[3]。目前，中国已有企业尝试利用竹子替代部分粮食材料生产乙醇，并且取得了成功。

1.3.3 生物柴油

欧盟的生物柴油产量约占全球总产量的66.7%，居世界第1 位，其中以德国为最多，是最主要的生物柴油生产国，约占全球总产量的1/2。美国、法国、意大利、巴西的产量也在日益增加。美国主要是以大豆为原料生产生物柴油。目前，德国已拥有生物柴油加油站300 多家，意大利有9 家，法国有7 家[4]。

1.3.4 沼气

沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里有气泡冒出来，如果划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。根据自然界沼气发生的原理，人们将各种有机物质，在隔绝空气、创造适宜温度和湿度的条件下，经过微生物的发酵作用，就会产生的这种可燃烧的气体[5]。

用秸秆和人畜粪便发酵生产沼气是获取生物质能源的一种有效途径。世界各国都十分重视沼气的开发和应用。

1.3.5 发电

生物质发电包括直接燃烧发电、混合燃料发电、气化发电和垃圾发电等形式。直接燃烧发电，是将生物质在锅炉中直接燃烧，生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电；混合燃料发电，即将生物质与煤混合作为燃料发电；气化发电，是将生物质在气化炉中转化为气体燃料，经净化后直接进入燃气机中燃烧发电；垃圾发电，是用废弃的生物质垃圾进行焚烧发电[6]。

1.3.6 成型燃料

生物质成型燃料，是指以农林剩余物为主原料，经切片—粉碎—除杂—精粉—筛选—混合—软化—调质—挤压—烘干—冷却—质检—包装等一系列工艺，最后制做成型的热值高、易于充分燃烧的环保燃料。生物质成型燃料是一种清洁低碳的可再生能源，作为锅炉燃料其燃烧时间长，可使炉膛温度更高，而且经济实惠，对环境无污染，是替代常规化石能源的优质环保燃料。

1.3.7 生物质热解

生物质热解是生物质在完全缺氧条件下，产生液体、气体、固体3 种产物的生物质热降解过程，是将生物质转化成生物质能的有效途经。

发达国家在20 世纪70 年代就已经利用生物质热解技术做了大量研究工作，在生物质气化联合循环发电、生物质发电方面已经具备了0.4～6.3 万kW·h 的规模水平，发电效率最小可达到35%～40%。美国、德国、意大利及瑞典等国家在生物质气化技术方面居于领先水平。美国选用的生物质发电原料主要是城市固体废弃物、木材废弃物以及其他一些废弃物等，现有生物质发电站已达350 多座。到目前为止，生物质动力已成为美国的第2 大可再生能源，仅次于水电。

在生物质热解方面，中国也进行了大量的试验研究。浙江大学在热解油生产工艺、油品特性表征以及生物质提质改性等方面开展了一系列深入的研究，取得了丰硕的成果。沈阳农业大学从国外引进一套旋转锥快速热解实验装置，进行了液化油技术的开发尝试。中国科学院广州能源研究所设计并建立了一套适合热解液化的循环流化床装置，并进行了热解液化小试及中试。辽宁省能源研究所在1999 年采用原料废木及秸秆等建成了固定床生物质气化发电系统，2000 年又采用原料木屑或稻壳建成了流化床生物质气化发电系统，发电容量160 kW·h，同时建成了FGAS 固定床生物质气化供气系统，原料采用玉米秸秆等，在大连、本溪、铁岭等地区应用，为居民提供炊事及采暖用气[8]。

2 竹质能源及其特点

2.1 什么是竹质能源

竹物质是竹类植物利用其光合作用，将太阳能转化为生物能，储存于自身体内的有机能源物质。竹物质同其他生物质一样，可以用于热解材料，用于生产乙醇、沼气、成型燃料等。竹质能源是指对竹物质的能源利用，属于生物质能源的重要组成部分。因此，竹质能源几乎拥有其他生物质能源的所有特质。

2.2 竹质能源的特点

竹质能源与其他生物质能源相似，但也独具特色。

2.2.1 源于竹

竹全身绿色。竹子的秆、枝、叶均含大量叶绿素，与其他植物相比，竹子可进行光合作用的表面积更大、光合效率更高，因而在单位时间内可将更多的太阳能转化为生物能。

竹四季常青。竹子属于常绿植物，一年四季均可进行光合作用，因而与其他植物相比，具有更持久的光合作用时间。

竹生长速度快。竹子拥有独特的居间分生组织，在生长季节，每一节竹秆会同时生长，因而较其他木本植物生长速度更快，也就意味着在同样时间内，在接受同样阳光照射的情况下，其干物质的积累数量更大、生物量更大。

2.2.2 储量大

竹林是重要的森林资源之一。目前全世界竹类植物约有120 多属1 700 多种，竹林面积约3 200 万hm2。中国是世界上竹类资源最丰富的国家，竹林蓄积量、竹材产量均居世界之冠[2]，共有47 属770 种55 变种251 栽培品种，约占世界竹子种类的1/2；竹林总面积达641 万hm2，约占世界竹林面积的1/5。

2.2.3 可再生

由于竹质能源是通过竹类植物的光合作用获得，因而与其他生物质能源一样，具有可再生性，可以保证其永续利用。

2.2.4 污染低

含硫化合物焚烧氧化时会产生大量的SOx，而SOx 的大部分是SO2，其对大气质量危害较大；生物质垃圾在氧化过程中，则会造成NOx 的大量排放。SOx 和NOx 都是造成大气污染的有害物质。竹物质本身作为燃料时，由于它在生长期间吸收的CO2量与其燃烧排放的CO2量相当，因此对大气的CO2净排放量近似于零；再者，通过分级燃烧和喷氨或尿素等燃烧控制方法，或采用选择性催化还原法 (SCR)、选择性非催化还原法(SNCR) 以及氧化吸收法等多种处理燃烧尾气的方法，均可有效降低竹质能源在使用过程中的污染物排放问题。因此，竹质能源实际产生的SOX、NOX物质较少，无疑有利于减轻大气的温室效应[9]。

2.2.5 应用广

竹质能源技术主要有直接燃烧、热解、气化、生化转化和颗粒化[10]。

燃烧是利用生物质提供热能和电能的最常用且最成熟的技术，也是竹物质提供热能和电能最常用且最成熟的技术。

热解亦可用于竹物质。热解过程的产物为炭(固相)、可冷凝热解油(液相) 和不可冷凝气体(气相)。竹材在低升温速率、高停留时间和中等温度下，发生缓慢热解，主要产物为竹炭；在高升温速率、低停留时间和高温下，发生快速热解，主要产物为生物油。慢速热解技术因其工艺简单而被广泛应用。为提高竹炭能量密度，并具有低烟特性，通常将竹炭压缩为颗粒或者型煤，其中后者最受欢迎。型煤可以是圆柱形压缩块，也可以是各种尺寸的独立压制砖。如埃塞俄比亚和加纳实施的 “竹子作为非洲可持续生物能源”项目。

气化是生物有机物在高温、缺氧条件下发生的热化学转化过程。气化过程所产生的气体(合成气) 可被引至发电机发电。在非洲，该技术主要用于电力匮乏的离网地区供电。此外，生物化学转化也是能量转化的重要途径之一，是利用不同的微生物菌株对生物质中所含的糖或其他成分进行发酵，将其转化为乙醇、甲烷和其他燃料。

生物质颗粒是许多行业和欧洲市场首选的一种能源形式，用于区域供暖系统。生物质造粒过程包括从原料预处理、造粒，到后处理等步骤，其全套技术均可用于竹物质颗粒的制造。

2.2.6 热值高

竹子的热值较高，可达19.8 MJ/kg，竹炭的热值更高，可达26～29 MJ/kg。从环保角度来看，竹炭较木炭具有更低的烟雾排放量。目前，全球已有成功用竹子作为生物能源的案例，比如: 印度尼西亚离网地区有700 kW·h 的发电项目，印度有年产4.9 万t 乙醇项目，非洲马达加斯加有25 kW·h 的气化发电气项目等[10-12]。

2.2.7 价格低

市场调查发现，当前农作物秸秆主要用于加工成牲畜饲料，市场价格一般在500～600 元/t；在生物质燃料市场，花生壳加工的燃料市场占有率较高，通常加工成压块燃料，价格在400～500元/t，加工成颗粒燃料的价格在600 元/t 左右，二者价格差异主要是由生产成本不同所致。稻壳颗粒燃料比较常见，售价在600～700 元/t。木屑加工的燃料因热值高、灰分低，颇受市场欢迎，但价格相对较高，如杂木颗粒燃料的市场售价在700～900 元/t，松木颗粒燃料售价在800～1 000元/t，樟子松颗粒燃料售价在1 000～1 200 元/t[11]。

目前原竹的市场价格，以造纸厂的收购价格为例，约为500～600 元/t，与农作物秸秆的价格大体相当。如果持续、大规模收购，原竹价格还会降低。若大量收集和利用竹子加工剩余物，或采用合作共建基地的方式解决原材料供应问题，则竹质能源成本还将大幅度降低。所以，发展竹质能源具有较强的经济可行性。

3 中国发展竹质能源的重要意义

3.1 是对生物质能源创新的有益探索

将其他生物质能源开发的成熟技术与中国竹资源丰富的具体情况相结合，探索更具中国特色的生物质能源利用手段和利用模式，以便带动竹区群众脱贫致富，促进竹区的经济发展，这是一件功在当代、利在千秋的伟大事业，应当引起各级政府、相关企业及社会力量的高度重视。

3.2 是对竹产业创新发展的有益探索

中国竹产业一直引领着世界竹产业的发展，但传统竹产业也面临不少挑战，体现在以下方面。

一是资源浪费大。比如2006 年统计的中国竹人造板生产，除竹碎料板外，其他各类竹材人造板的竹材利用率都在50%以下，竹地板为20%～25%，竹胶合板为35%～40%，竹层积材为50%，竹席竹帘为45%～50%[13]。如今，虽然竹材的实际利用率已经有了大幅度提高，综合利用率可以达到70～80%，但是如果企业生产单一产品，仍然会产生20%～30%的加工剩余物，由此造成了竹材资源的极大浪费。

二是资源利用效率低。由于竹物质的积累受制于竹秆材的成熟度，以目前竹子加工业的技术水平，加工任何一种竹产品都只能选择适合年龄的竹子，因而只能采用人工集材，集材效率很低，仅此一项，就大大降低了竹林的利用效率；再加上其他生产环节对于人力资源的依赖，生产效率可想而知。

三是资源利用规模小。竹产业企业规模大都很小，产值超10 亿元的企业寥寥无几，其共同特点是科技研发能力弱，机械化程度低，更谈不上智能化和数字化，因而市场竞争力不强。

四是污染严重。尤其是造纸业，用竹量虽大，但集材成本高、污染严重，加上污染治理成本，竹物质的经济转化效率极不理想，这也是许多以竹子为原料的纸厂难以为继的重要原因。

发展竹质能源，对竹物质近乎完全利用和无差别利用，可以探索进行机械化、规模化生产，从而最大限度地提高竹林资源的物质利用率和利用效率，最大限度地减少竹材的加工剩余物，最大限度地降低对竹林资源的物质浪费。同时，开发竹质能源，还是对竹区生产方式提质增效的有益探索，不仅为现存的大面积杂竹林利用找到新的出路，而且还可以为定向营造竹质能源基地提供新的启示。对于竹林培育方式、抚育方式、采集方式、加工方式、管理方式的改进和提升，提出了新的构想和新的要求，这无疑是当前广大竹产区结合自身特点和优势发展社会主义市场经济、改善人民生活的有益尝试。

3.3 是助力实现“双碳” 目标的有益探索

狭义的“双碳” 目标，是指在确定的年份实现二氧化碳的排放量与吸收量达到平衡的状态；广义的“双碳” 目标，是指在确定的年份实现所有温室气体的排放量与吸收量达到平衡的状态。实现“双碳” 目标的机理，就是通过调整能源结构和提高资源利用效率等方式，减少二氧化碳的排放，并通过碳的捕集、利用与封存、生物能源等技术以及造林/再造林等方式增加二氧化碳的吸收。

提出“双碳” 目标的意义，在于将使中国在绿色低碳发展方面具有主动性、系统性和引领性，可以带来环境质量优化和产业发展改善的多重效应。着眼于降低碳排放，有利于推动经济结构绿色转型，推动形成绿色简约的生活方式，加快形成节能、减污、降碳的绿色生产方式，从而降低物质产品的消耗和浪费，助推经济的高质量发展。

3.4 是推动竹林碳汇健康发展的有益探索

联合国政府间气候变化专门委员会在其评估报告中指出: 林业具有多种效益，兼具减缓和适应气候变化双重功能，是未来30 年到50 年增加碳汇、减少排放成本较低且经济可行的重要措施。据相关资料，林木每生长1 m3蓄积量，大约可以吸收1.83 t 二氧化碳，释放1.62 t 氧气[14]。若要实现中国政府提出的“双碳” 目标，就需要调动各种积极因素、采取各种有效办法、动员各种有效力量，一是减少二氧化碳排放，二是吸收空气中的二氧化碳。也就是要求在能源供给端，必须大力发展风、光、水能和可再生能源，增加绿色能源的供给，尽快减少煤炭和石油等化石能源的消耗；在能源需求端，必须广泛推广节能减排高效节能技术，调整国民经济产业结构，优化生产布局，降低单位GDP 能耗[15]。

竹林是陆生植物的有机组成部分。竹林碳汇是森林碳汇的有机组成部分。竹产业理应为实现国家的“双碳” 目标做出积极贡献。而发展竹质能源，成本低、速度快、效率高，可以大量利用荒山、陡坡、石漠、河滩等低品质土地，具有较强的可操作性和可持续性，能够有效兼顾减少二氧化碳排放和空气中二氧化碳的吸收，可谓一举两得。

3.5 是对低品质土地增值利用的有益探索

竹子属于浅根性植物，对土壤厚度、土壤结构要求相对较低，一般深度不超过50 cm，在黄壤、红壤、沙壤，甚至在石砾含量较多的砂砾土中都能生长，而且几乎不受坡度的限制。因此，许多原先经济价值产出不高的杂灌地、荒草地、河滩地、山区塌方地和泥石流区均可加以利用。竹子既可绿化大地、改善生态、固土保水、优化环境，还能充分利用那些原先容易被忽略、不被看好的低品质土地，生产出更具价值的竹质能源材料。

4 中国发展竹质能源的建议

4.1 制定竹质能源的产业扶持政策

国家及各级政府应出台关于发展竹质能源的系列政策，目的在于鼓励、培育、扶持和规范竹质能源产业的发展。

4.2 鼓励能源用竹的新品种研发

一是适地适竹，营造专门能源用竹基地；二是在现有竹资源中筛选优质能源用竹品系，并为后续工作奠定物质基础；三是通过各种人为干预措施，引种、驯化、培育能源用竹新品种；四是利用中国主导竹品种国际登录工作的便利条件，积极开展优质能源用竹新品种的国际登录工作；五是重视能源用竹的知识产权体系建设，着力打造能源用竹的核心竞争力。

4.3 开展能源用竹的定向培育

充分利用各种有利条件，选择最适宜的地点、最合适的企业开展能源用竹的定向培育，并探索配套的培育技术、培育工艺、培育程序和培育标准，以降低能源用竹的生产成本，提高能源用竹的生产效率。

4.4 进行竹质能源生产的试验示范

进行竹质能源生产的试验示范，首先是要科学规划，合理布局，并在全国范围内尽快建立一批能源用竹的试验示范基地；其次是要在现有条件下，集中有限的人力、财力、物力，探索能源用竹生产、加工、转化、管理的成套技术和经验；再次是将探索并积累的成熟技术和经验迅速推广到更加广阔的竹产区，从而带动项目实施地经济和社会的协调发展。

4.5 推动能源用竹的规模化生产

有规模才有效益。竹质能源产业的发展，依然应当遵循这条基本规律。因为规模化有利于机械化的操作、有利于标准化的实施、有利于智能化的介入、有利于数字化的加持，总之有利于现代化措施在竹产业领域的应用与推广。从理论上讲，在付出同样时间和资源的情况下，规模越大，意味着单位产出的成本越低，产品的市场竞争能力越强，企业的综合经济效益越好。