柳樹生物量的利用

    在推動碳中性資源——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上。北歐諸國從20世紀70年代開始針對超短伐期柳樹生物量的利用進行了品種改良、栽培及收獲技術等方面的研究，特別是瑞典，到90年代就已經(jīng)實現(xiàn)了實用化，積累了關于柳樹栽培利用方面的很多經(jīng)驗。
　　一、柳樹生物量生產(chǎn)概況
　　柳樹直接燃燒時的能效很高。在種植、收獲、運輸?shù)壬�物量生產(chǎn)過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)有技術而言，輸出功率和消耗的能量幾乎是等價的。因此，根據(jù)FSC等森林認證的標準，對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（1 000度電）13歐元，而現(xiàn)在的售價約為每兆瓦時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（無性系）等，種植密度為每公頃1.5萬株，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，木片價格為每噸9700日元（工廠價）。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度計算，要得到1000兆瓦時的能，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，同時盡可能合理地進行管理及收獲作業(yè)。為此，柳樹造林地，首先要選擇能夠進行整地和機械化作業(yè)的平原地帶，要具備機械中耕除草、噴灌及施肥管理等條件，進行與農(nóng)田一樣的管理。
　　作業(yè)體系為，第1年進行除草、整地等準備工作后開始植苗，選用的柳樹苗高為1.2～2.3m，種植時用拖拉機牽引的作業(yè)機械將苗切割成約18cm，按照2行一組種植（插條），行間距75cm，株距60cm，2行之間安裝噴水設備。每組之間留出1.5m距離。種植密度為每公頃15萬株。植苗作業(yè)需要2人，1人駕駛，1人植苗。一般為同時種植4行，平均每公頃植苗作業(yè)1小時完成。
　　到第2年，將長高的柳樹主梢在10cm處進行平茬，以促進分枝，提高產(chǎn)量。這個時期必須注意防止動物破壞。此后要反復進行施肥和機械除草，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量從最少2t到最大15t的巨大差距。無論從經(jīng)營者的風險管理，還是從對消費者的穩(wěn)定供應來看，這都是面臨的問題。因此，在瑞典的柳樹栽培資料中經(jīng)常強調(diào)：“在不能得到所希望的生產(chǎn)率時轉(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)合作社的集團企業(yè)Agroenergi公司生產(chǎn)，在歐洲各地都有銷售。因各國氣候及土壤條件不同，有很多符合不同條件的品種進行了登記。
　　三、收割作業(yè)
　　柳樹的收割期從落葉后地面凍結(jié)的11月開始到來年4月為止。冬季收割的理由是對燃料的需求量增加，加之落葉的營養(yǎng)成分可以保留在林地中，而且地面凍結(jié)后大型機械容易進入，可以減少因機械行走對地表的破壞等。但在積雪多的情況下進行收割，則柳樹木片的含水率較高，重量增加，運輸成本提高。
　　收割機械是Claas制造的Jaguar和被改造為用于生物量收割的HS-2附屬機械，在收割的同時加工成木片。機械主體重量為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種是在收割機旁邊連接搭載帶有集裝箱的拖拉機進行收割，收割機和拖拉機各需要1人操作；第2種是在收割機后面牽引集裝箱進行收割，可1人操作。一般采用第1種方法進行收割。從生產(chǎn)效率看，第1種方法1小時可收割0.5hm2，濕重34～36t（干重17～18t）。經(jīng)測算，這種方式的勞動生產(chǎn)率為每人每小時19m3。
　　一般情況下，作業(yè)成本比機械供應商提供的指標高15%左右，為300歐元/小時（包括折價費、燃料費、維修保養(yǎng)費和收割人員的工資），這是因為在零下20℃的嚴寒季節(jié)作業(yè)，對機械有損壞而增加維修的費用。機械故障的實際發(fā)生次數(shù)是夏季牧草收割作業(yè)的5倍。1臺機械在1個收割季的運轉(zhuǎn)時間約為600個小時。
　　收割后的柳樹木片被裝入容積為40m3的集裝箱，用大型拖拉機運往熱電廠。收割現(xiàn)場準備了一些集裝箱，以盡量縮短等待裝箱運輸?shù)臅r間。一般情況下，收獲后的柳樹木片迅速裝箱運出，但也有在場地上臨時堆積儲存的。
　　四、熱電設備
　　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%。關于利用柳樹木片等生物量的熱電設備，有報告介紹了瑞典中部Enkopin市經(jīng)營的ENAenergi設備發(fā)電案例，該設備總生產(chǎn)量為發(fā)電10萬兆瓦時（1兆瓦時=1000度電）、生產(chǎn)熱能22萬兆瓦時。
　　ENAenergi是可以生產(chǎn)電力20.5兆瓦時、熱能50兆瓦時的熱電設備，作為地區(qū)供暖系統(tǒng)可為Enkopin市（人口超過2萬）供暖，為大型工廠供應熱水，覆蓋全市熱需求總量的85%。該供暖系統(tǒng)通過使3000m3熱水在長約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。而且，生產(chǎn)的電還在斯堪的納維亞的公開市場銷售�，F(xiàn)在的平均售價為40歐元/兆瓦時。
　　ENA設備使用的燃料，在70年代石油危機后已經(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)設備滿負荷運轉(zhuǎn)，則平均每小時需要原料35t，相當于1臺大型卡車的裝載量，年間需要原料16.1萬t，相當于4600臺大型卡車的裝載量。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，所以不足部分從愛沙尼亞及拉脫維亞進口。生物燃料到廠價格約為20～30歐元/兆瓦時，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)設備排出的廢水作為柳樹肥料進行澆灌的系統(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
　　瑞典的速生柳樹栽培面積如今已擴大到1.5萬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)。
　　而在同期開展研究的芬蘭，柳樹的生物量利用被否定，并完全沒有實現(xiàn)實用化。芬蘭國土在北緯60°以北地區(qū)，也許不適合發(fā)展柳樹生物量利用。從這一點考慮，日本緯度低，可接收更多的太陽能，也許能夠更有效地利用柳樹生物量。