本文以山西省芮城县为具体研究对象，通过文献调研和理论计算等方法统计得到该县每年的生物质资源总量约25.32万tce；基于卫星遥感影像识别的方法，进一步绘制了农作物秸秆资源分布图；同时利用文献和现场调研，梳理分析了该县生物质利用现状及存在的问题。结合乡村振兴、清洁取暖等国家相关政策，明确了该县生物质能规划的指导思想和基本原则，并针对不同生物质类型提出了具体可行的“光储直柔”型生物质颗粒燃料加工新模式和生物天然气技术路线，结合芮城实际发展情况和整体“双碳”时间表，明确了三阶段需要逐步完成的具体任务。
一、芮城县生物质利用现状及问题
在上节给出的生物质资源总量及分布情况的基础上，通过文献、现场调研等方式对芮城县的生物质利用现状及存在问题进行了总结分析，以便更好地确定全县生物质资源的发展目标及利用原则。
表1 芮城县主要农作物产量、秸秆资源量、还田比例等基本情况
1.1 利用现状
（1）农作物秸秆。从上述表1.2中可以看出，目前芮城县的农作物秸秆利用方式主要为还田，总比例约为83.7%，其中小麦和玉米的还田比例分别为87.6%和82.9%。当地政府按照40元/亩进行补贴，所采用的方式是利用联合收割机在对粮食进行收集的同时，将秸秆收割至剩茬高度≤6cm，同时将收割后的秸秆粉碎至长度≤6厘米，均匀抛撒于田中，然后再用拖拉机对土地进行旋耕，将秸秆埋到土里。
表2 芮城县主要园林水果种植情况
（2）果树剪枝。芮城县的果树在局部范围内分布相对集中，每年冬季，农户会对果树进行剪枝，这些剪枝除了其中一小部分被农户捡回家作为日常炊事或采暖的燃料之外，大部分还是直接废弃在果园周边任其腐烂。
（3）禽畜粪便。2018年11月，芮城县成功申请到山西省区域生态循环农业项目，投资3000多万元建设基于“猪—沼(肥)—粮(果菜)—猪”的生态循环农业项目，其中沼气用于发电，沼液和沼渣用于生产有机肥，该项目于2020年底投产，但所能消纳的粪便量有限。
1.2 存在问题
通过对芮城县农作物秸秆、果树剪枝、禽畜粪便和生活垃圾四大类主要生物质资源利用现状的分析，可以发现虽然芮城县的生物质资源利用产业具有一定的发展基础，但总体上还存在以下四个方面的问题：
（1）农作物秸秆消纳方式不合理。对于玉米、小麦等农作物秸秆采取直接还田的方式，在腐烂过程中会释放出一定量的CH4、N2O等强温室效应气体[6]，由于两者的全球增温潜势分别是CO2的28倍和265倍，会正向增加温室效应，而且秸秆还田还面临很多现实问题，如过高的秸秆还田量需要吸收土壤中原有的大量氮素、磷素和水分，会引起土壤的碳氮比失衡，影响土壤微生物的生长繁殖，进而影响还田秸秆的腐解、转化和作物生长发育；当秸秆过长、地温过低、松紧度不当时，不利于秸秆腐解，会影响出苗和作物生长，造成减产；秸秆还田还会使病原菌重新回到土壤中，长期积累会加重苗期病害和土传病害的发生。对于果树剪枝，小部分只是作为传统的薪柴燃烧使用，能源利用效率偏低，其他大部分还是处于自然废弃状态，风化腐烂过程中产生温室气体效应。
（2）生物质资源未实现价值最大化。目前芮城县对农作物秸秆和果树剪枝的利用方式简单原始，不仅没有将其实现商品化，而且政府还要投入大量的补贴资金进行处理，资金效率过低。虽然对一部分禽畜粪便进行了生态化处理，但是大量的分散型粪便资源尚未得到有效利用。
（3）原料收储运和终端应用市场尚未建立。县域内生物质原料的收储运体系尚未建立，不利于后续的能源化市场的建立，容易造成收集、运输和储存成本偏高，以及原料交易价格不可控、坐地涨价等现象的发生。
（4）支持政策有待逐步完善。生物质项目投资回报率较低，市场风险大，较难吸引社会资金进入。未来在对全县进行生物质资源化利用时，前期会出现产业发展缓慢，竞争力和抗风险能力差的情况，需要政府逐步完善相关支持政策，以便更好地发挥出产业应有的影响和作用。
二、生物质能发展及利用规划
为更好地助力芮城县2035年实现整体碳中和目标，确定了该县生物质能源的总体发展方向是分批次逐步实现果树剪枝和秸秆类资源、生活垃圾类资源、禽畜粪便类资源的100%商品化，具体路径包括：对于果树剪枝因为自身性能优良、品质高，建议采用加工成颗粒燃料销售给工业用户的方式来增加果树种植户收入，同时打造利用太阳能光伏直驱的“光储直柔”型生物质颗粒燃料加工新模式，如图2所示，以便更好地消纳本村的太阳能零碳电力，减少加工过程的外部电力消耗和碳排放。
图2 “光储直柔”型生物质颗粒燃料加工新模式
对于农作物秸秆，建议在2030年前采用加工成颗粒燃料的方式进行处理，可销售给大型工业锅炉或燃煤电厂进行混燃，这样不仅可以解决秸秆的就地消纳问题，而且能为农户增加种地收入，待2030年调峰型生物质热电厂建成后，再采用直燃的方式与生活垃圾一起共同作为调峰热电厂的燃料来源。
图3 生物天然气技术路线
对于禽畜粪便类制沼气，建议采用“分布化发酵、集中化提纯”生产生物天然气的技术路线，如图3所示，最终在全县范围内建设50处左右的分布式有机废物沼气发酵-微藻-有机肥生产集成站，建设2处每年可生产1000万立方米生物天然气的提纯站，每隔一定时间通过撬车将各发酵站点所产生的沼气运输到提纯站生产优质燃气，满足工业生产需要，同时分离出的二氧化碳还可以用于食品、工业生产等领域，形成碳汇资源，用来抵消部分化石能源造成的碳排放。
为此，应分三个阶段逐步完成以下主要任务：
第一阶段：至2025年底，在芮城县建成较为完善的生物质能产业化利用及支撑体系，在生物质成型燃料加工和利用方面实现100%生物质资源的商业化和规模化利用，在禽畜粪便方面实现50%以上的资源商品化利用，包括：
（1）2022年底前，在陌南镇或永乐镇等生物质资源较为丰富的乡镇，率先建设利用太阳能光伏直驱的年产2000t规模的果树剪枝和玉米秸秆颗粒燃料加工示范厂1处，建设太阳能光伏直驱的年产2000t规模的小麦秸秆压块加工示范厂1处。
（2）2025年底前，在全县建成太阳能光伏直驱的年产1~2万t规模的果树剪枝和玉米秸秆颗粒燃料加工厂共10~15处，以及年产2~3万t的小麦秸秆压块加工厂5~10处。
（3）2023年底前，建成覆盖2000头猪以上的“分布式有机废物沼气发酵-微藻-有机肥生产集成系统”示范项目1处，2025年底前建成该系统10~20处。完成生物天然气厂前期论证规划等工作。
第二阶段：至2030年底，在芮城县实现100%的生物质资源商品化利用，其中包括：
（1）建成太阳能光伏直驱的年产1~2万t规模的果树剪枝和玉米秸秆颗粒燃料加工厂共15处，以及年产2~3万t的小麦秸秆压块加工厂10处。
（2）在每个乡镇建成“分布式有机废物沼气发酵-微藻-有机肥生产集成系统”3~5处左右，合计50处左右，实现县域全覆盖。
（3）建成年产1000万方生物天然气提纯项目2处,所生产的生物天然气可用于工业生产等用途，剩余部分还可以作为商品燃料出售。
（4）2028年底前完成生物质电力调峰热电厂前期论证规划等工作。
第三阶段：至2035年底，在芮城县实现小麦和玉米秸秆类生物质资源的转型利用，其中包括：
（1）建成发电能力2×17.5万kW的生物质电力调峰热电厂1处，每年运行1500小时，发电5亿kWh，消耗生物质燃料17万tce，其中包括3.5万tce的生活垃圾和13.5万tce的农作物秸秆。
（2）培育一批技术创新能力强、规模较大的新型生物质能企业，形成国内外独具规模和特色的生物质能产业体系。
至2030年底，芮城县将实现100%的生物质资源商品化利用，新模式和重大装备技术能力显著提高，培育一批技术创新能力强的新型生物质能企业，形成国内外独具规模和特色的生物质能产业体系。芮城县通过销售木质颗粒、秸秆压块、生物天然气、秸秆原料以及生物质发电和供热收益等每年可以为该县创造上千个就业岗位，新增产值6.5亿元，实现CO2减排60万吨以上。
四、结语
本文对芮城县生物质资源总量及分布情况进行了核算，并结合目前存在的问题，明确了生物质能清洁高效利用总体规划的指导思想和基本原则，并根据不同生物质类型提出了“光储直柔”型生物质颗粒燃料加工新模式和生物天然气“分布化发酵、集中化提纯”技术路线，同时制定了三个阶段需要逐步完成的具体任务。山西芮城县生物质清洁高效利用项目目前正在稳步推进中，期望能够在不断的实践中得到进一步的优化完善，并实现良好的生态效益、社会效益以及经济效益。（作者：单明、刘彦青、孙涛、高峰、刘思远、杨旭东）
