碳減排與生物質(zhì)資源利用

周明燦 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

劉 偉 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240

所謂碳減排就是減少CO2排放。隨著全球氣候變暖，碳排放必須減少，以緩解人類面臨的氣候危機(jī)，維持人類賴以生存的自然環(huán)境。合理開發(fā)利用生物質(zhì)資源是人類可持續(xù)發(fā)展的碳減排方式[1-4]。

1 CO2 的性質(zhì)以及在自然界中的循環(huán)

CO2是大氣成分之一，占大氣總體積的0.03%～0.04%。CO2具有吸熱和隔熱功能，使太陽輻射到地球表面的熱量無法有效向外擴(kuò)散，是造成大氣層溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w。CO2的化學(xué)性質(zhì)不活潑，熱穩(wěn)定性高，難以光照分解。CO2在自然界中的去向或循環(huán)方式有：無機(jī)循環(huán)和有機(jī)循環(huán)兩種。

（1）CO2無機(jī)循環(huán)是指CO2以無機(jī)形態(tài)轉(zhuǎn)化的循環(huán)方式，如環(huán)境溫度降低或大氣CO2濃度升高時，大氣中CO2溶解于環(huán)境水體（主要是海水）形成碳酸；環(huán)境溫度升高或大氣CO2濃度降低時，碳酸又分解釋放出CO2回到大氣中，自然界中碳酸鹽的形成與分解也是CO2的一種無機(jī)循環(huán)形式。CO2溶于水，可以促進(jìn)水生植物如藻類的光合作用，但其進(jìn)入水體形成碳酸，會導(dǎo)致環(huán)境水體酸度升高。

（2）CO2有機(jī)循環(huán)是指CO2被植物光合作用吸收利用，形成以碳元素為基本構(gòu)架的有機(jī)物，光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物被動植物和微生物利用、或被空氣氧化分解、或被燒毀，有機(jī)物中的碳元素最終以CO2形式回到大氣中，形成循環(huán)。光合作用不但將無機(jī)物CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，還實(shí)現(xiàn)了將太陽能進(jìn)行生物質(zhì)能（化學(xué)能）的轉(zhuǎn)化，為動植物、微生物及人類生存提供了營養(yǎng)及能量，實(shí)現(xiàn)了CO2在地球上可持續(xù)的有生命的循環(huán)。地球因CO2的有機(jī)循環(huán)即植物光合作用而生生不息。

人類除了利用植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物作為食物以獲得營養(yǎng)及能量外，還使用植物光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)能作為能源。工業(yè)革命之前，人類主要靠燃燒生物質(zhì)（如柴薪）作為能源的主要來源，滿足生產(chǎn)、生活的需要。人類長期以來對生物質(zhì)的合理利用作為自然界碳循環(huán)中的組成部分，一定程度上加快了大自然碳循環(huán)的速度，但沒有破壞大自然碳循環(huán)的平衡，故在工業(yè)革命前，大氣中的CO2含量長期保持了相對穩(wěn)定，產(chǎn)生了適度的溫室效應(yīng)，為地球生物生存提供了適宜的氣候環(huán)境。據(jù)科學(xué)家估計，如果不存在溫室效應(yīng)，地表平均溫度可能是零下20℃，而不是現(xiàn)在的實(shí)際年平均15℃（且變化不大）。

2 化石能源的利用以及導(dǎo)致的環(huán)境問題

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源和物質(zhì)的需求持續(xù)增長，并不斷創(chuàng)新能源和物質(zhì)利用方式。工業(yè)革命以來，煤炭、石油、天然氣等化石能源被大量開采利用，且保持了逐年上升的趨勢，支持了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。人類對化石能源的利用方式大致可以分為兩類：一是作為能源使用，如燃煤燃?xì)獍l(fā)電、燃煤燃?xì)夤幔òI(yè)供熱和生活供熱）、發(fā)動機(jī)用汽油柴油等；二是作為原料使用，用于生產(chǎn)各種化學(xué)品、塑料、聚酯等。

煤炭、石油、天然氣主要含碳元素和氫元素，其它還包含氧、氮、硫等（煤炭中還含有硅、鈣、錳、鋁、鐵、鈉等），與生物質(zhì)相近，兩者存在相互替代性。由于化石能源具有能量密度高、組成相對固定、礦藏相對集中分布等特點(diǎn)，其開采、使用和加工易于規(guī)?；杆俸徒^對性地取代了生物質(zhì)在能源領(lǐng)域和材料領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，成為工業(yè)革命之后推動人類社會快速發(fā)展的主要因素之一[5-8]。

根據(jù)BP 世界能源統(tǒng)計年鑒（2021|第70 版），2020 年全球能源消費(fèi)總量合計556.63 艾焦，其中石油173.73 艾焦、天然氣137.62 艾焦、煤炭151.42 艾焦，合計占比83.14%，化石能源支撐了現(xiàn)代社會的能源體系。在物質(zhì)材料生產(chǎn)領(lǐng)域，化石能源的利用更是大大豐富了材料種類和物質(zhì)總量，不管是與日常生活相關(guān)的紡織服裝、家具家私、醫(yī)藥日化、辦公日雜，還是與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的建筑材料、交通工具、涂料染料、化肥農(nóng)藥、電子通訊等，以化石能源為原料生產(chǎn)的物質(zhì)材料均占有非常高的比重，且長期以來呈逐漸上升的趨勢。

現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)大發(fā)展取得的成就，是以大量開采和利用化石能源為基礎(chǔ)。如果沒有化石能源的大量使用，第一次工業(yè)革命的代表產(chǎn)品蒸汽機(jī)、第二次工業(yè)革命的代表產(chǎn)品電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)就無法在世界范圍內(nèi)大規(guī)模轉(zhuǎn)動起來?？梢哉f工業(yè)革命至今的時代也是化石能源的時代。

化石能源的大量使用加速了人類社會的發(fā)展，但也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題：一是加工過程的三廢排放，以及產(chǎn)品進(jìn)入環(huán)境產(chǎn)生的污染；二是碳排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣候問題。

化石能源大量含碳，特別是煤炭的碳元素含量高。化石能源的開采利用使其中的碳元素從地質(zhì)埋藏轉(zhuǎn)移到了地球表面，最終形成CO2排放，主要有兩種形式：一是作為能源燃燒后產(chǎn)生大量CO2排放至環(huán)境大氣，如燃煤電廠煙氣、鍋爐尾氣、汽車尾氣等；二是化石能源生產(chǎn)的物質(zhì)，使用后產(chǎn)生的垃圾進(jìn)行焚燒或丟棄被氧化分解形成的CO2排放。無論是作為燃料還是原料，化石能源一經(jīng)開采使用，其碳元素最終要么形成垃圾、要么形成CO2排放，均增加了地球或大氣的負(fù)擔(dān)。根據(jù)BP 世界能源統(tǒng)計年鑒（2019|第68 版），2018 年全球化石能源消費(fèi)總量合計117.43 億噸（折合油當(dāng)量，下同），其中石油46.62 億噸、天然氣33.09 億噸、煤炭37.72億噸，共計形成CO2排放338.91 億噸?；茉词褂卯a(chǎn)生的CO2排放是大氣CO2循環(huán)的增量，破壞了原始平衡，導(dǎo)致大氣CO2含量上升，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，已對人類產(chǎn)生了負(fù)面影響，如氣候及海水變暖、冰川消融、海平面上升、極端天氣增多等，且趨勢逐漸向惡，未來不容樂觀。

化石能源利用所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)不如環(huán)境污染帶來的感觀直接，但已引起了全社會的關(guān)注。從1997 年的《京都議定書》到2009 年的哥本哈根氣候變化大會，再到2015 的巴黎氣候大會，以及2020 年的七十五屆聯(lián)合國大會，碳減排已經(jīng)由最初的倡議演進(jìn)到制定可執(zhí)行計劃并得到實(shí)質(zhì)性推進(jìn)。

降低大氣CO2增量最有效、最直接的方式是減少甚至停止使用化石能源，掐斷進(jìn)入大氣CO2循環(huán)圈的增量。但人類的生產(chǎn)生活伴隨著無時無處的能源和物質(zhì)消耗，無法做到為了保護(hù)地球而犧牲自己，但需要做到為了保護(hù)賴以生存的自然環(huán)境而創(chuàng)新資源、能源的利用方式，逐漸減少甚至停止化石能源開采及使用，開發(fā)可再生資源能源，減少并停止CO2循環(huán)的增量，實(shí)現(xiàn)大氣中CO2的總量平衡，最大限度地避免人為導(dǎo)致的溫室效應(yīng)。目前，部分歐洲國家已大幅降低對化石能源的依賴度，取而代之的是大力開發(fā)利用包括生物質(zhì)在內(nèi)的可再生資源。

3 生物質(zhì)資源及利用

根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的定義，生物質(zhì)（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機(jī)體，包括所有的動植物和微生物。它是伴隨生命過程而產(chǎn)生的可循環(huán)、可再生的有機(jī)物質(zhì)，是人類廣泛運(yùn)用且無法脫離的物質(zhì)。生物質(zhì)存在形式豐富多樣，人體也是生物質(zhì)。生物質(zhì)能來源于太陽能，形成于光合作用，是儲存于生物質(zhì)中的化學(xué)能，是人類賴以生存的重要能源之一，屬于可再生能源。生物質(zhì)和生物質(zhì)能是生物存在的形式，也是人類存在的基礎(chǔ)。人類飲食攝入生物質(zhì)，人體能量來源于生物質(zhì)能。本文討論的生物質(zhì)主要指農(nóng)林作物等植物資源，討論的生物質(zhì)能主要指農(nóng)林作物及剩余物、有機(jī)廢棄物中的生物質(zhì)能[9-12]。

生物質(zhì)資源豐富多樣，其利用方式也不勝枚舉，但大致可以分成三大類：一是作為材料使用，二是作為能源使用，三是作為原料使用。

（1）生物質(zhì)資源作為材料使用的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古人類，比如利用木棒作為武器狩獵。社會發(fā)展至現(xiàn)代文明，人類仍然在大量使用生物質(zhì)材料，比如利用木材建造房屋、利用竹子制作家具、利用棉麻進(jìn)行紡織等等。隨著人類文明的積淀和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生物材料的利用方式還在不斷創(chuàng)新，但生物質(zhì)材料存在改性困難、規(guī)?；a(chǎn)加工性不強(qiáng)、原料供給不易人為控制等缺點(diǎn)，難以滿足人類日益增長的物質(zhì)需求，已被金屬材料、化工材料及礦物材料等部分取代。

（2）生物質(zhì)資源作為能源使用是隨著人類對火的認(rèn)識、使用和掌握而開始的，在人類文明發(fā)展史上有著極其重要的意義。生物質(zhì)能是人類最早可控性使用的能源，最常見的方式就是燃燒薪柴煮食取暖，此外還用于照明、燒制陶器、冶煉銅器等。目前，生物質(zhì)能源依然是人類重要的能源形式，在廣大農(nóng)村及部分城鎮(zhèn)，仍舊在燃燒薪柴烹飪?nèi)∨?。隨著科技進(jìn)步，生物質(zhì)能的利用方式不斷拓展，如生物質(zhì)燃燒發(fā)電，利用有機(jī)垃圾、秸稈、人畜糞便產(chǎn)生甲烷，以及利用生物質(zhì)制取生物柴油、燃料乙醇等。但生物質(zhì)能存在能量密度不高，供應(yīng)分散，規(guī)模化存儲運(yùn)輸困難等缺陷，難以滿足工業(yè)化對能源的高強(qiáng)度需求，隨著化石能源的大量開采使用，目前生物質(zhì)能在整個人類能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化石能源的比重。

（3）生物質(zhì)資源作為原料使用是指利用生物質(zhì)生產(chǎn)其它產(chǎn)品，通常包含化學(xué)變化。其利用方式也多種多樣，比如利用糧食釀酒就是最常見的方式。在化石能源日漸枯竭以及化石能源利用帶來嚴(yán)峻環(huán)境及氣候問題的當(dāng)今，以生物質(zhì)為原料大力發(fā)展生物質(zhì)化工日益受到全世界重視，生物質(zhì)化工也將逐漸形成相對獨(dú)立且具有支撐和帶動作用的工業(yè)門類。

4 利用生物質(zhì)資源的必要性和可行性

如前第2 節(jié)所述，化石能源的大量使用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化問題，長此以往，將與人類追求幸福生活的目標(biāo)背道而馳，甚至使人類的可持續(xù)發(fā)展受到威脅。尋找綠色低碳可持續(xù)的發(fā)展道路是當(dāng)今人類必須開始共同努力的課題，全球也因此提出了“碳減排”和“碳中和”的目標(biāo)。在“碳減排”“碳中和”的道路上，除了“增強(qiáng)全民節(jié)約意識，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳的生活方式” （2021年中央經(jīng)濟(jì)會議精神），“實(shí)施可再生能源替代行動，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿龋粩嗵岣叻腔茉聪M(fèi)比重”（《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，還應(yīng)拓展和創(chuàng)新生物質(zhì)資源作為材料、原料的其它利用方式，更大范圍和程度地替代化石能源。

如前第3 節(jié)所述，所有生物質(zhì)皆有生命周期，在生命周期結(jié)束后，生物質(zhì)即使不被人類利用，也會在環(huán)境中被氧化、被微生物分解、被山火燒毀，最終生物質(zhì)中的大部分碳元素又以CO2的形式回到大氣中，或在厭氧條件下形成甲烷氣體（也是一種溫室氣體）進(jìn)入大氣。合理利用生物質(zhì)資源，人為參與到CO2有機(jī)循環(huán)的過程中，加大生物質(zhì)的開發(fā)利用滿足人類適度的消費(fèi)需求，并不會造成大氣CO2含量的趨勢性升高。生物質(zhì)雖然不及化石能源集中度高、規(guī)格也千差萬別，但相對風(fēng)能、太陽能、潮汐能等其它可再生資源，其除了具有能源屬性外，還具有材料和原料屬性，而且更易于收集、儲存、運(yùn)輸，是最接近于化石能源的一種可再生資源，大力開發(fā)利用生物質(zhì)資源進(jìn)行碳減排具有高度可行性和獨(dú)特優(yōu)勢性。

生物質(zhì)資源豐富，據(jù)生物學(xué)家估算，地球陸地生產(chǎn)1000～1250 億t/a 生物質(zhì)，海洋生產(chǎn)500 億t/a生物質(zhì)，生物質(zhì)能源的年生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全世界總能源需求量，相當(dāng)于目前世界總能源消耗的10 倍[13]。目前，全球的生物質(zhì)資源并沒有得到合理利用，大部分放任其自生自滅形成資源浪費(fèi)。雖然如此，歐美發(fā)達(dá)國家已開始提前布局生物質(zhì)資源的開發(fā)利用。以瑞典為例，從2009 年開始，其生物質(zhì)能源消費(fèi)量就已超過了石油，成為第一大能源。目前，瑞典的生物質(zhì)能使用量超過了水電和核電的總和，約占能源消費(fèi)總量的34%[14]。美國也于2003 年出臺了《生物質(zhì)技術(shù)路線圖》，計劃2020 年使生物質(zhì)能源和生物基產(chǎn)品較2000 年增加20 倍，達(dá)到能源總消費(fèi)量的25%，2050 年達(dá)到50%[15]。

5 生物質(zhì)資源開發(fā)利用建議

大力開發(fā)、利用生物質(zhì)資源，既能滿足人類對資源能源的需求，還能解決碳排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)的問題。全社會應(yīng)就如何開發(fā)、利用生物質(zhì)資源問題進(jìn)行思考，以下建議供參考：

一是科學(xué)索取合理利用。生物質(zhì)資源雖然屬于可再生資源，但生物質(zhì)伴隨生命過程而形成，有其獨(dú)特的再生規(guī)律和再生周期。生物質(zhì)資源的開發(fā)利用必須科學(xué)、合理、可持續(xù)優(yōu)先，堅決杜絕“吃糧不留種”的掠奪性開發(fā)行為，應(yīng)按照“先種后收、邊產(chǎn)邊用”的原則控制性開發(fā)使用，使用存量資源的前提是確保再生補(bǔ)充。

二是因材制宜、材盡其用。生物質(zhì)資源種類豐富、規(guī)格多樣，其利用應(yīng)因材制宜、材盡其用，如大型喬木木材可以替代化工建材建造房屋、灌木木材可以替代塑料制品制造家具、棉麻絲毛可以替代聚酯纖維紡織制衣、農(nóng)林余物可以替代燃?xì)馀腼內(nèi)∨?、有機(jī)垃圾可以替代燃煤焚燒發(fā)電、人畜糞便可發(fā)酵制甲烷代替燃?xì)?、薯類作物可以生產(chǎn)乙醇代替燃油。

三是延長周期梯次利用。高品質(zhì)生物質(zhì)資源應(yīng)“梯次”利用，比如優(yōu)質(zhì)木材可以先作為建筑材料使用，使用后可作為家具用材，家具報廢后還可以作為生產(chǎn)生物質(zhì)碳的原料使用，生物質(zhì)碳作為吸附劑使用后還可以燃燒當(dāng)能源利用。延長生物質(zhì)資源的使用周期，不但可節(jié)省資源，還能拉長碳元素固定碳形態(tài)存續(xù)時間，從而實(shí)現(xiàn)對大氣的“負(fù)碳”功能。

四是開發(fā)技術(shù)拓展利用。主要包含大力發(fā)展生物質(zhì)化工和實(shí)施生物固碳的“負(fù)碳”工程。生物質(zhì)化工是以生物質(zhì)為原料，采用化學(xué)加工方法生產(chǎn)產(chǎn)品。大力發(fā)展生物質(zhì)化工，建立和完善適應(yīng)生物質(zhì)原料特點(diǎn)的化工技術(shù)及行業(yè)體系，進(jìn)行石油化工（含煤化工、天然氣化工）替代工程也是碳減排的重要有效手段。生物固碳的“負(fù)碳”工程可以通過如下方式進(jìn)行：利用植物光合作用吸收大氣中的CO2，將CO2轉(zhuǎn)化為固體形態(tài)的生物質(zhì)，生物質(zhì)經(jīng)過碳化處理變成生物質(zhì)碳。生物質(zhì)碳性質(zhì)穩(wěn)定，難以被空氣氧化和微生物分解。生物質(zhì)碳還田不但可以維持上千年不被氧化分解，其高比表面積和高孔容率還可以增加土壤透氣性，吸附鎖住土壤營養(yǎng)減少肥力流失，起到改良土壤提高土壤生物質(zhì)再生能力的作用。

五是跨界融合全面使用。充分認(rèn)識生物質(zhì)資源的生命屬性，融合生物基因技術(shù)、農(nóng)林種植技術(shù)、生物化工技術(shù)、生物能源技術(shù)，打開生物質(zhì)資源利用的新天地，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)對化石能源的全面替代，實(shí)現(xiàn)人類活動的CO2凈零排放，根治碳排放導(dǎo)致的氣候問題。目前自然界現(xiàn)有植物的光合作用效率較低，即將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的速度較慢，特別是寒冷地區(qū)，植物光合作用酶在低溫下活性差，效率低，植物生長緩慢。未來人類可依托現(xiàn)代生物基因技術(shù)，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)開發(fā)多種適合世界各地不同氣候及土壤特點(diǎn)的能夠快速生長又可控繁殖的轉(zhuǎn)基因植物。轉(zhuǎn)基因植物作為“CO2抓捕機(jī)”進(jìn)行高效光合作用消耗大氣中的CO2，像“生物質(zhì)機(jī)器”一樣快速地規(guī)?；禺a(chǎn)生生物質(zhì)資源，制造“生物碳礦”。在轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源規(guī)?；?yīng)的基礎(chǔ)上，生物質(zhì)資源全面替代化石能源便成了可能。配套研發(fā)生物質(zhì)材料、生物質(zhì)化工、生物質(zhì)能源加工技術(shù)，打通生物質(zhì)資源生產(chǎn)、加工、利用整個產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，將開啟人類生存發(fā)展的新天地。