淺析農(nóng)業(yè)發(fā)展中的低碳經(jīng)濟(jì)模式
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作為一個負(fù)責(zé)任的大國，在降低CO2排放強(qiáng)度的同時，千方百計地減少CO2的排放總量，有助于降低資源環(huán)境的約束。另外中國還面臨糧食安全和18億畝耕地紅線以及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的土地需求，能源安全、結(jié)構(gòu)和效率，城鄉(xiāng)收入差距加大和以工哺農(nóng)體系不完善的三農(nóng)問題，節(jié)能降耗與環(huán)境保護(hù)等諸多問題。
1從源頭避免高碳排放
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中絕大多數(shù)產(chǎn)品的原料都有多種來源，同時也對應(yīng)著多種不同的匹配性工藝過程。不同的原料和工藝過程對應(yīng)不同的CO2排放，針對具體的應(yīng)用對象開發(fā)和選擇適宜的原料和工藝，能夠從源頭上避免產(chǎn)生不必要的CO2排放。這是目前CO2減排最有效的途徑，主要通過國家政策和稅收、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級，以及合理的能源定價機(jī)制和能源產(chǎn)品價格來引導(dǎo)實現(xiàn)。以燃煤發(fā)電為例，選擇低灰精煤和合理的過?？諝庀禂?shù)就能有效降低煙氣量，減少無效熱量外排，從而提高煤的利用率、減少CO2的排放。同樣采用循環(huán)流化床燃燒發(fā)電、RGCC和多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、超臨界發(fā)電等均能達(dá)到上述目的。以合成甲烷工藝為例，選擇褐煤和長焰煤采用燃?xì)庑偷聂斊鏍t氣化和循環(huán)流化床分級熱解氣化要比合成型的氣流床氣化生產(chǎn)的合成氣甲烷含量高（約10％左右）、氧耗低；合成甲烷時產(chǎn)生較難利用的低溫?zé)嵩礈p少10％以上。從整個合成甲烷工藝核算，前者煤的利用率高、能耗和氧耗低，同樣規(guī)模的合成甲烷，自然就減少了CO2的排放。對于循環(huán)流化床分級熱解氣化，固態(tài)排渣相對換熱容易，水封用水量較低，加之循環(huán)流化床分級熱解氣化相對魯奇爐氣化合成氣不含煤焦油，不會產(chǎn)生含酚廢水，因此循環(huán)流化床分級熱解氣化合成甲烷的工藝過程能耗更低，更有利于避免高碳排放。另外煤化工發(fā)展含氧化合物燃料和多聯(lián)產(chǎn)工藝、民用燃料采用天然氣、大力發(fā)展核能、水電、風(fēng)能和生物能、化工行業(yè)大力實施循環(huán)經(jīng)濟(jì)、發(fā)展純電動汽車等均能實現(xiàn)從源頭避免高碳排放。
2過程減少碳排放
在經(jīng)濟(jì)活動過程中，開采、生產(chǎn)、使用和終端產(chǎn)品消費等各個階段都需要能耗，都存在能源使用效率。我國目前萬元GDP能耗水平與發(fā)達(dá)國家有較大差距，物理能耗水平約比國際先進(jìn)水平高20％～30％左右。例如2007年，我國每千瓦時供電耗煤比國際先進(jìn)水平高44g標(biāo)煤，每噸鋼能耗水平比國際先進(jìn)水平高58kg標(biāo)煤，每噸水泥綜合能耗水平比國際先進(jìn)水平高31kg標(biāo)煤，分別高出14％、10％和24％。另外生產(chǎn)的產(chǎn)品利用率偏低，又變相地增加了能耗。通過優(yōu)化設(shè)計，使用高效節(jié)能的工藝設(shè)備、高效適宜的催化劑和合理使用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品均能實現(xiàn)節(jié)約能耗，減少終端產(chǎn)品的使用量。減少終端產(chǎn)品的使用量就是相應(yīng)減少了產(chǎn)品生產(chǎn)量，避免生產(chǎn)這部分產(chǎn)品產(chǎn)生的能耗。節(jié)能降耗自然就減少了CO2的排放，這是目前CO2減排最容易實現(xiàn)、成本最低并且具有較大收益的途徑，在國家政策強(qiáng)制下均能通過企業(yè)自身調(diào)整和改造來實現(xiàn)。對于現(xiàn)代煤化工的龍頭———大型煤氣化來說，空分是投資和能耗均占?xì)饣に?0％左右的必不可少的過程，其產(chǎn)品主要是液氧，副產(chǎn)的液氮只需使用部分產(chǎn)量，其余的均被低效利用或排放。如果采用深冷分離為主的梯級分離工藝，大部分氮氣組成在低壓端就作為產(chǎn)品氣外送，無需經(jīng)過空氣壓縮機(jī)高能耗加壓，最終產(chǎn)品主要是液氧和部分液氮，工藝所需的高壓氧氣通過泵液體低能耗加壓即可滿足。這樣大大降低了空氣壓縮機(jī)的處理量和能耗，從而達(dá)到降低氣化工藝投資和能耗的目的。利用化石能源花費巨大的能耗和成本生產(chǎn)的氮肥，由于我國化肥產(chǎn)品落后、使用工藝不當(dāng)和不合理施肥，利用率僅有30％左右，不到發(fā)達(dá)國家的一半，不僅造成了浪費，而且造成了嚴(yán)重的面源污染。如將現(xiàn)有的化肥改造為緩控增效肥料，并采用相應(yīng)的耕作模式，就可提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及化肥使用效率，從而減少了肥料的消費量和生產(chǎn)這部分肥料的所產(chǎn)生CO2排放?；ば袠I(yè)合理選擇高效催化劑以及分離、反應(yīng)、換熱和泵送高效節(jié)能設(shè)備，采用調(diào)頻技術(shù)等可以大幅度降低能耗。蒸餾是化學(xué)加工工業(yè)中首選的均相體系分離技術(shù)，也是目前總能耗最大的化工分離過程。如將梯形垂直長條帽罩與規(guī)整填料有機(jī)結(jié)合的NS傾斜長條立體復(fù)合并流塔板用于改造F1浮閥塔板，閥孔動能因子高達(dá)34，開孔率高達(dá)40％以上（國內(nèi)外目前塔板最大開孔率僅為20％左右），提高處理能力2倍以上（目前國內(nèi)外最高提高70％）、降液管通過能力3倍以上，降低板壓降30％以上，同時提高板效率30％以上，操作彈性為4倍，解決了塔器大型化塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)和安裝難題，這在國內(nèi)外尚屬首例。各行各業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)和產(chǎn)品枚不勝舉，這是目前我國實現(xiàn)CO2減排的最有效途徑，僅需要相關(guān)部門和協(xié)會優(yōu)化集成，加大推廣力度。
3終端的固定與儲存
經(jīng)濟(jì)活動只要消耗資源和能源，必然會產(chǎn)生碳排放，沒有絕對的零碳排放過程。由于化石能源使用量劇增，自然界碳循環(huán)每年出現(xiàn)約257億tCO2的過剩，逐年累計引發(fā)了日益變化無常的全球氣候問題。目前國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和學(xué)者為了應(yīng)對全球氣候變化，普遍關(guān)注、研發(fā)和實施CO2的捕集與封存，這是迫不得已和最終解決CO2減排的方法，也是實施起來成本過高，并且技術(shù)不成熟，存在諸多的風(fēng)險和次生災(zāi)害。
實際上，解決人為排放的CO2過剩，除了被動地減少CO2產(chǎn)生量，更為積極的措施是加快碳利用，增加CO2消耗量，主動減少CO2的過剩，從而在碳循環(huán)中實現(xiàn)碳平衡。這是突破碳減排對經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，實現(xiàn)工農(nóng)業(yè)同時快速發(fā)展的積極有效途徑。這既是個技術(shù)問題，也需要建立國內(nèi)碳市場，通過合理的碳交易，對企業(yè)間、行業(yè)間和地區(qū)間CO2排放的不平衡，找到一個較好的解決辦法。目前盡管中國GDP已超過日本成為第二，但人均很低，仍處于發(fā)展中，經(jīng)濟(jì)還不完善，生活還不富裕，然而中國已成為世界第一大CO2排放國，并逐年遞增。發(fā)展經(jīng)濟(jì)與減排成為我國兩難的選擇，加之存在國家能源安全、糧食安全、耕地與城鎮(zhèn)化和工業(yè)化、以工哺農(nóng)、三農(nóng)問題和環(huán)境保護(hù)等戰(zhàn)略性難題，被動采取減少CO2產(chǎn)生量的捕集與封存措施，將會對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和上述諸多難題的解決帶來限制和障礙。
針對我國的國情和發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合國際碳減排的機(jī)制，不同CO2濃度的工業(yè)排放可采用不同的減排與固碳措施?，F(xiàn)階段，對于工礦企業(yè)主要排放源的低濃度CO2，可以采取低成本的異地生物固碳減排措施，加快碳循環(huán)和碳固定。這樣不僅可以實現(xiàn)CO2實際排放量的減排，同時可以改良土壤增加有效耕地面積，大量增加糧食和生物質(zhì)能，從而在逐步提高人民生活水平的前提下，低成本大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，同時兼顧解決國家能源安全、糧食安全、耕地與城鎮(zhèn)化、以工哺農(nóng)、三農(nóng)問題、淡水資源不足和環(huán)境保護(hù)等戰(zhàn)略性難題，滿足我國今后較長時間的減排要求，提高我國應(yīng)對全球氣候變化的實際能力和國際地位。
對于如煤化工和石灰等行業(yè)排放的高濃度CO2（90％以上），采用捕集技術(shù)回收，通過制造干冰、用作合成尿素、水楊酸、環(huán)碳酸酯和聚碳酸酯等的原料以及CO2驅(qū)采油、農(nóng)業(yè)大棚CO2氣肥等，都是成本和能耗較低、減排和經(jīng)濟(jì)效益較好的方法。對于數(shù)量多、分布廣的如發(fā)電和中小鍋爐等排放的低濃度CO2（小于16％），工礦企業(yè)現(xiàn)階段無需采用集中固碳處理，可以利用國內(nèi)碳交易實現(xiàn)異地化低成本固碳。根據(jù)我國目前的土地分布、土壤組成、農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀和生物能源地發(fā)展，以及工農(nóng)業(yè)發(fā)展不平衡和剪刀差等具體情況，對于低濃度CO2煙氣，工礦企業(yè)可按照CO2排放量，將用于集中固碳處理的投資和操作費用，拿出來反哺農(nóng)林業(yè)。政府或相關(guān)機(jī)構(gòu)把這部分資金集中起來，用于改造中低產(chǎn)田，提高糧食單產(chǎn)、品質(zhì)和生物質(zhì)產(chǎn)量；改良非耕地、鹽堿灘涂、沙漠化和重金屬污染等退化土壤，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)種植適宜的速生能源植物和農(nóng)作物，發(fā)展碳匯林和牧草或改造退化草原，充分利用太陽能，加快碳循環(huán)，增加CO2消耗量，主動減少CO2的過剩，從而實現(xiàn)循環(huán)平衡。同時又大幅度提高有效耕地面積和生物質(zhì)能源產(chǎn)量，熱解生產(chǎn)生物原油，增加了農(nóng)民的收入，降低了企業(yè)CO2減排的成本，從而實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、政府和社會的多贏。這個方法可以簡單概括為一條工藝路線：企業(yè)出資形成碳匯基金———投資農(nóng)林業(yè)———改良土壤、增強(qiáng)碳匯能力———增加糧食和生物質(zhì)產(chǎn)量———通過工業(yè)熱解生產(chǎn)生物質(zhì)原油———多方受益。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源燃料時，無需考慮生物質(zhì)作為食品時所需顧及的轉(zhuǎn)基因和有毒有害微量物質(zhì)問題，轉(zhuǎn)基因物種在產(chǎn)量提高、種植地域和污染土壤修復(fù)中均能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會效益。生物質(zhì)快速熱解液化技術(shù)是最好的碳利用出路和產(chǎn)品，從而加快了碳循環(huán)，實現(xiàn)了碳循環(huán)平衡。
另外，利用生物質(zhì)不到7d的快速腐化生產(chǎn)腐植酸，作為有機(jī)肥提高土壤的腐殖質(zhì)，有利于提高土壤肥力和保肥保水性，進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。將我國絕大多數(shù)土壤腐殖質(zhì)含量不足1％提到2％左右，這也將是一個千億噸級的土壤安全儲碳方式。
4結(jié)語
（1）針對具體的應(yīng)用對象和原料提出了開發(fā)和選擇適宜的原料和工藝，從源頭上避免產(chǎn)生CO2排放的措施，是目前CO2減排最有效的途徑。
（2）提出在能源開采、生產(chǎn)、使用和終端產(chǎn)品消費全過程中節(jié)能降耗，從過程減少CO2排放的措施，是目前CO2減排最容易實現(xiàn)、成本最低并且具有較大收益的途徑。
（3）針對不同濃度CO2廢氣采用不同的適宜捕集、利用和固定措施，提出了我國現(xiàn)階段工礦企業(yè)通過國內(nèi)碳交易，利用異地生物固碳的低成本減排措施，在確保經(jīng)濟(jì)增長、逐步提高人民生活水平的前提下，工農(nóng)業(yè)合作，合理利用CO2，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，兼顧解決國家能源安全、糧食安全、保護(hù)耕地與城鎮(zhèn)化、以工哺農(nóng)、三農(nóng)問題、淡水資源不足和環(huán)境保護(hù)等戰(zhàn)略性難題，實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、政府和社會的多贏，能夠滿足我國今后較長時間的減排任務(wù)，從而提高我國應(yīng)對全球氣候變化的國際地位。
作者：田原宇 喬英云 單位：中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室 山東省高校低碳能源化工重點實驗室