生物质炭科技与工程

第1章 绪论 气候变化是国际社会普遍关心的重大全球性问题，是当今人类面临的*严峻挑战之一，同时也是人类历史社会经济活动中大规模创造物质财富的直接结果。2020年3月，由世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)牵头，联合国粮食与农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)、国际货币基金组织(International Monetary Fund，IMF)、世界卫生组织(World Health Organization，WHO)等多个国际组织参与编制的《2019全球气候变化声明》中明确指出，2019年全球平均温度比1850～1900年的基准温度(可作为工业化前水平的近似值)高出约1.1±0.1℃，并明确指出大气中温室气体含量的不断增加是气候变化的主要驱动因素[1]。如果本世纪末实现《巴黎协定》中提出的将升温控制在2℃以下的目标，人类需要做出更有雄心的气候减缓努力：从政府、民间团体和商界领袖到普通公民，每一个人都要紧急采取行动，遏制气候变化的*恶劣影响。2020年中国气象局发布的《中国气候变化蓝皮书(2020)》指出，2019年全球平均温度较工业化前水平高出约1.1℃，是有完整气象观测记录以来的第二暖年份，2015～2019年是有完整气象观测记录以来*暖的五个年份；2019年亚洲陆地表面气温比常年均值(1981～2010年气候基准期)偏高0.87℃，是20世纪初以来的第二高值。中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区，1951～2019年，中国年平均气温每10年升高0.24℃，升温速率明显高于同期全球平均水平。特别是20世纪90年代中期以来，中国极端高温事件明显增多，2019年，云南元江(43.1℃)等64站日*高气温达到或突破历史极值。因此，在当前形势下，减缓全球气候变化不仅是科技界为迎接全球环境为主体的挑战而做出的科学行为，也是当代人类为维持自身生存和可持续发展而必须为之的任务。 引起全球气候变暖的关键因素是大气中温室气体增加所导致的温室效应加剧。温室气体(greenhouse gas，GHG)是指大气中那些让太阳短波辐射自由通过，同时强烈吸收地面和空气放出的长波辐射，对地表热量散溢有一种遮挡作用的气体。温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应，即太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的CO2等温室气体所吸收，从而产生近地大气层变暖的效应。自然条件下，温室效应能够有效保护地球上的生命体免受极端高、低气温的伤害。温室效应与全球变暖的含义曾经是等同的，当前两者的含义却有了很大的不同。温室效应是大气层中时刻存在的一种自然现象，而全球变暖则是指一种有可能避免的大气环境问题，对地球生态系统产生破坏。温室气体是形成地球温室效应的物质基础，是维持着地球温度变化始终处于适宜生命活动的关键要素。然而，受化石燃料和人类活动的过度影响，超量的温室气体被人为排放到大气中，破坏了自然状态下温室效应平衡，加剧了全球变暖，对人类活动和生态系统造成了不同程度的影响和破坏。《中国气候变化蓝皮书(2020)》显示，2018年造成气候变暖的主要温室气体二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的全球平均浓度均创下新高，其中CO2为(801.3±0.1)mg/m3、CH4为(1.22±0.01)mg/m3、N2O为(0.65±0.01)mg/m3，分别达到工业化前(1750年之前)水平的147%、259%和123%。作为全球大气本底站的青海省瓦里关大气监测站，2018年观测结果显示CO2、CH4和N2O的年平均浓度分别达到(804.3±0.5)mg/m3、(1.26±0.01)mg/m3和(0.65±0.01)mg/m3，与北半球中纬度地区平均浓度相当，均略高于2018年全球平均值。 非自然因素的气候变化会直接或间接造成一系列生态与社会问题。受气候变化影响，全球降水、蒸发、径流、土壤水库及地下水在时间和空间上将被重新分配，总体表现为低纬度海平面缓慢上升但气候干燥化加剧；高纬度降雨量上升，但极端灾害天气增多，特别是对水资源供给、需求平衡的影响将促使区域水资源短缺问题更加突出，进一步影响生态环境与社会经济的可持续发展。气候变化将导致我国极端干旱区和湿润区分布范围缩小，干旱区、半干旱区和半湿润区分布范围扩大。气候变化将影响植物平均分布和生物多样性，导致全球植被总覆盖度下降，加剧物种多样性、遗传多样性及功能多样性的衰减。受全球变暖的影响，地球冰冻圈各要素几乎都处于冰川持续损失的状态，格陵兰冰盖和南极冰盖两处的冰储量减少速度明显加快，已经分别达到每年215Gt和147Gt[2]。在气候变化背景下，气候变化对海洋生态系统及海岸带的影响受到强烈关注，尤其是因气候变暖所造成的海平面上升问题已经被全人类所热议。 除了对自然生态的影响，气候变化对人类社会的影响则有利有弊，但总体上弊大于利。首先，气候暖化能够增加农业活动的范围，提高作物的产量，但是引起气候变化而频发的极端天气则对农业生产产生了巨大的威胁[3]。特别是到21世纪末，海平面将在现有基础上升高1.5m，沿海的大部分农业生产活动将会被迫终止。气候变化对人群健康的*直接的影响是人体代谢功能的紊乱，会造成热致疾病增发、传染性疾病的增加及分布范围的扩大、人群对疾病易感性增强[4]。气候变化在发展中国家还会增加饥饿和营养不良的风险，导致儿童发育不良，成人活动减少，进一步制约社会经济发展[5]。世界自然基金会(World Wildlife Fund，WWF)等机构预计，到2050年以后，气温每上升1℃全球经济损失将达到2000亿美元。另外，气候变化已逐渐成为影响当今世界地缘政治格局演变*活跃的驱动因子之一，并使地缘政治争夺的目标和手段趋于多元化。受到气候变化政治博弈制约，以新能源为核心的低碳技术成为地缘政治影响力和权力转移的关键因素，谁能在新能源技术领域占据优势，谁就能在未来的气候变化谈判和地缘政治竞争中占据主导地位[6]。 大气中碳含量增加是引起全球气候变化的*主要因素。碳是地球上所有有机生命体得以存在的基础元素，占到单位生命体干重的45%以上。碳循环过程是组成生物地球化学循环的关键过程之一，促使了地球上物质与能量在无机到有机、个体与种群、区域到全球等不同生命空间之间的循环与流动。据统计，全球范围内碳总贮存量约为2.6×106GtC，大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈和深层化石燃料中，约占到总碳量的99.9%，其余部分被存储于大气圈(750GtC)、陆地生物圈(1750GtC)及海洋圈(3.84×104GtC)。这三个圈中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，容量小而活跃，起着交换库的作用。大气中的碳主要以CO2形式存在，同时伴有少量CO和CH4等其他含碳气体成分，占比不到全部碳的0.03%，却在碳循环过程中起到关键的纽带作用。自然条件下绿色植物、蓝藻通过光合作用从大气中吸收碳的速率，与通过动植物的呼吸和微生物的分解作用将碳释放到大气中的速率大体相等，因此，大气中CO2含量始终保持在某一恒定的水平，从而保证了地球表面温度不至于过高或者过低，为生物的生长发育和人类的生存提供了适宜的环境。然而，工业革命以来，人为大量开采化石燃料以及开采森林等非自然过程，导致了大气CO2浓度不断上升，逐渐打破了在地球自身演化过程中形成的物质平衡。越来越多的证据表明，人类燃烧化石燃料导致大气CO2含量的急剧增加，是引起全球气候变暖的一个重要因素[7]。因此，在不影响人类社会经济发展和生活水平提高的前提下，降低CO2等温室气体的排放源，增加当前大气中CO2的汇成为科学、政治和人类共同努力来减缓全球气候变化的主方向。其中，增加清洁能源利用的同时提高生态系统碳固存成为主要的选择之一。 生物质(biomass)资源是仅次于煤炭、石油、天然气之后能够被人类利用的第四大能源，且具有可再生、分布广泛、清洁低污染、总量丰富的优势。生物质是指一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质，包含除化石燃料外的植物、动物和微生物以及由这些生命体排泄与代谢所产生的有机物质等。生物质在产生过程中能够将太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，是人类赖以生存的重要能源之一[8]。生物质资源的合理开发利用越来越受到世界各国的重视，但与之相随的也产生了大量的废弃生物质，造成资源极大浪费的同时也对环境保护产生了巨大的压力。合理处理和利用废弃生物质已成为全人类社会应对环境污染和能源危机的重要任务之一[9]。 废弃生物质是指植物、动物和微生物在其生产、加工、贮藏和利用过程中产生的剩余残体、残留成分和排泄等代谢产生的废弃物，根据行业的不同也叫“生物质废物”、“废弃物生物质”、“废弃物类生物质”和“废弃生物质”等。处理这些干生物质的传统方法是将其掩埋或是焚烧，后来随着农业及环境技术的发展，通过堆肥或秸秆还田等措施可在一定程度上提高这些废弃生物质的资源化利用效率。然而，对于诸如畜禽粪便和餐余垃圾等富含不同类型微生物和抗体的废弃生物质资源，堆肥或掩埋等措施极有可能对土壤环境和水田健康产生严重影响，进而威胁人类生命安全。因此，针对不同生物质类型特点，探寻合适的技术措施并将其进行适当的处理后应用于农业、环保、医药等各个领域，不仅能够产生社会经济和环境生态效益，还能够有效地实现废弃生物质的资源化利用[10]。 生物质炭(biochar)是有机生物质材料在缺氧或绝氧环境中，经加热裂解后所产生的黑色固态产物。生物质炭具有高度芳香化、稳定性好、比表面积大和孔隙结构丰富等特点，是一种含碳丰富、吸附能力强、原料广泛的生物材料。通过炭化措施不仅能够实现废弃生物质资源的里无害化利用，而且能够将废弃生物质中固定的CO2经过人为的限氧热解过程，转化为更加稳定的生物质炭。将生物质炭化还田，不仅能够充分利用生物质能源，还能将生物质中50%左右的碳素固定于土壤中，具有良好的减排效益，切实锁定和降低大气CO2浓度。与此同时，生物质炭在土壤中其本身分解释放碳的过程缓慢，同时能抑制CH4、N2O等温室气体产生的释放，具有显著的碳封存效应，因此在农业固碳领域备受关注。Lehmann等[11]估计，生物质炭每年*多可吸收109t温室气体，超过2007年排放总量8.5×109t的10%。Woolf等[12]指出，在不危及粮食安全、生存环境及土壤保护的情况下，应用生物质炭每年减排温室气体可高达1.8Pg CO2当量，占人类温室气体排放总量的12%。另外，热解炭化所产生的生物质黑炭还可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及CO2封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等。 我国拥有丰富的废弃生物质炭化原材料。据农业农村部初步统计，我国每年秸秆产量约9亿t，副产物综合利用率不到40%；每年产生畜禽粪污湿重超过38亿t，综合利用率不到60%；我国抗生素菌渣产量年均超过了1000万t，餐厨垃圾量年均超过了1.5亿t，对大气、土壤、水环境等造成严重污染[8]。基于生物质炭的在结构和功能上的显著优势及其丰富的原材料，将不同类型废弃生物质进行炭化后实现资源的合理利用成为当前解决城市污染及农业资源高效利用的有效途径之一。2020年，农业农村部将“秸秆炭基肥利用增效技术”列为10大引领性技术之一，以支撑引领农业发展实现全产业链优质绿色增效，且符合优质安全、节本增效、绿色环保要求，对农业农村经济引领带动能力明显，具有可复制、可推广的综合化、全程性技术方案。生物质炭施入农田，可有效改善土壤理化性质，增加作物产量，促进农业可持续发展，同时有助于构建低碳高效经济，实现碳中和的发展战略目标，对保障国家环境、能源、粮食安全具有重大意义。 基于对生物质炭所具有的应对全球气候变化、污染防控的环境学意义，以及缓解人类能源资源紧缺