我国粮食秸秆生产生物炭固定碳量估算.docx
我国粮食秸秆生产生物炭固定碳量估算 0 农作物秸秆焚烧排放估算 作物作物是指在收获过程中产生的生物资源。中国秸秆资源丰富,约占世界秸秆总量的25%左右。有研究表明,2000-2003年中国秸秆的年产量均在6亿t左右。但是,长期以来秸秆作为一类资源没有得到充分合理的利用,大量的秸秆被丢弃、焚烧,这不仅造成了资源浪费,还污染了环境,引起了全社会的广泛关注。 近年来,研究人员发现生物质秸秆在限氧条件下(缺氧或是厌氧)热解碳化后,产生一类高度芳香化且富含碳的固态物质称为生物炭。生物炭具有高度稳定性,在土壤中的平均停留时间可达千年,是一种有效的碳汇途径。此外,生物质秸秆在转化生物炭过程中还会产生混合气及生物质油等生物能源产品,这产品可有效的减少化石原料的碳排放。因此,生物炭固碳技术可为温室气体减排工作及生物质秸秆的综合有效的利用开辟新的途径。 中国农作物秸秆焚烧污染物释放量的估算已有相关研究,但侧重农作物秸秆焚烧引起的碳排放的估算较少,特别是研究中国农作物秸秆转化生物炭固碳量的估算,至今未见相关报到。 为此,本文依据中国粮食作物的产量、草谷比、露天秸秆焚烧比例及秸秆焚烧污染物排放因子,估算了中国粮食作物秸秆焚烧排放CO2、CO和碳释放总量;同时,在实验室条件下,把中国粮食作物秸秆热解转化为生物炭,并根据生物炭产率及其碳含量,估算中国粮食作物秸秆转化生物炭固定碳量,展现了生物炭固碳技术的应用前景,为相关的科学研究及政策的制定提供科学依据。 1 材料和方法 1.1 粮食秸秆产量核算 本文根据2002-2011年《中国统计年鉴》相关资料,获得各省、自治区、直辖市的粮食总产量数据,然后根据草谷比计算出粮食作物秸秆产量。 1.2 收获的谷物和小麦的外部燃烧 本文采用曹国良等的研究方法来估计粮食作物秸秆露天焚烧量。根据全国各省、自治区、直辖市秸秆露天燃烧比例,确定粮食作物秸秆露天焚烧量 1.3 秸秆焚烧与co和气体排放的关系 CO和CO2气体排放量通过秸秆焚烧CO、CO2排放因子(CO排放因子102.2 g/kg,CO2排放因子1 390.4 g/kg)与秸秆焚烧量相乘获得,秸秆焚烧过程中碳释放只考虑CO和CO2气体排放,不考虑其他形式的碳释放。碳释放总量根据粮食作物秸秆露天焚烧释放CO和CO2的量中含碳量的比例来进行估算。 1.4 不锈钢反应器生物降解 水稻秸秆采自江苏常熟、小麦秸秆采自河南封丘、玉米秸秆和大豆秸秆采自安徽淮北。秸秆自然风干后,用粉碎机破碎,过2 mm筛,称取一定质量的秸秆(烘干基),装入自制的圆柱体不锈钢反应器中,通入高纯氮气使反应器内环境处于限氧状态(O2体积分数0.5%),将反应器置于马弗炉内,以20℃·min-1升温速率加热,达到500℃后维持4 h,关闭马弗炉,自然冷至室温,存留在反应器中固体物质即为生物炭。 1.5 生物炭的固碳率 生物炭产率计算公式: 式中,η生物炭产率,%;m反应装置内生物炭的烘干质量,g;M放入反应装置内生物质秸秆的烘干质量,g。 生物炭固碳率的计算公式: 式中,CS生物炭固碳率,%;cBC生物炭含碳量,%。 1.6 炭的含碳量和元素分析 生物炭的产率通过称质量法测定,生物炭的含碳量用C、N元素用元素分析仪测定(Vario EL III,Elementar,Germany)。 2 结果与分析 2.12 粮食秸秆分布 近10 a来,中国粮食作物秸秆产量从2001年的4.6×108t增加到2010年的5.8×108t,年平均产量约为5.1×108t(表1)。从2003年开始,玉米秸秆产量逐年增加,并超过稻谷秸秆产量。以2010年为例,玉米秸秆产量占到粮食作物秸秆产量的41.6%,主要分布于东北地区各省份及华北地区(如河北、内蒙古等)、华东地区(如山东)和中南(如河南)的部分省份;其次,是稻谷秸秆,约占总秸秆产量的32.5%,主要分布于中南(如湖南、湖北、广东和广西等)和华东地区(如江西、江苏、安徽和浙江等)及东北(如黑龙江)和西南(如四川)部分省份;小麦秸秆产量占粮食作物总产量的第3位,约占20.3%,主要分布于华东(如山东、安徽和江苏等)、中南(如河南)及华北(如河北)等地区;豆类秸秆产量约占粮食作物秸秆产量的5.6%。 2.22 农作物秸秆焚烧量 从表2可以看出,2001-2010年中国粮食作物每年秸秆露天焚烧量平均为1.13×108t,约占粮食作物秸秆总量的21.6%,其中稻谷秸秆0.41×108t,小麦秸秆0.22×108t,玉米秸秆0.42×108t,豆类秸秆0.08×108t,分别约占粮食作物秸秆每年平均焚烧量的36.2%、19.8%、36.9%和7.1%。 2.32 中国粮食秸秆焚烧排放co、co和总碳量 根据2001-2010年中国各省、自治区和直辖市秸秆露天焚烧量(表2),结合CO
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