CN102469763A - 用于生物质燃料的柽柳树的培育 - Google Patents

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Abstract

一种使用直立型柽柳树生产生物质燃料的方法。在陆地区域中种植和/或培育直立型柽柳树。在直立型柽柳树的生物质生长后，收获生物质的至少一部分用于生物质燃料。种植可以大于6000棵直立型柽柳树每公顷的密度进行。

Description

用于生物质燃料的柽柳树的培育
背景
1.技术领域
本发明涉及用于生产生物质燃料的柽柳树的用途。
2.相关技术描述
全球变暖可能是世界面临的最严峻的生态问题。通过不断增加温室气体(GHG)例如二氧化碳的产生，人类可能在全球变暖中起了作用，温室气体在大气中积累并增加趋向于增加全球平均温度的温室效应。化石燃料的燃烧增加了大气中的二氧化碳。可论证地，化石燃料的燃烧是大气中的温室气体的主要来源。用可再生燃料或可再生能源代替化石燃料可能是减少温室气体排放并减缓全球变暖过程的最有效方法。
四种主要类型的可再生能包括水能、太阳能、风能及生物质。生物质是动物或植物来源的生物材料，比如木材、农作物和废物、脂肪和油及任何其它可燃烧的生物材料。生物质通常是可用于产生热的植物物质，热可用于产生电力。使用生物质的最常规方法是作为用于直接焚烧的固体燃料。最普通的生物质来源是森林树木及残余物、后院堆肥、城市废物和农业废物及能源作物。生物质燃料通常是“碳平衡”的，因为其在燃烧时所释放的碳的量等于(或小于)植物在其营养生长的过程中所吸收的量。而且，通过凭借作物的根系统增加土壤有机质/碳，使能源作物生长通过“陆地碳汇”产生了“碳阱”。此外，由于植物和树木随着它们生长而吸收并存储大气的碳，使生物质能源作物生长并使用生物质能源作物积极地降低了大气中二氧化碳的水平，降低的水平与与在同一陆地上之前存在的生物质的初始量相比所产生的生物质的量成正比。每年从化石燃料燃烧所释放的二氧化碳的一半以上是可通过在世界不同部分中的可利用边际地上种植高产量生物质作物而“隐退”。此外，能源作物通常含有非常低量的硫并具有显著地少的氮(NOX)，硫是酸雨的主要起因，氮(NOX)是烟雾的主要起因。能源作物通常具有非常低的灰分含量。为什么能源作物的培育不是世界的最为广泛使用的方法之一的原因有两部分。首先可利用的合法森林和农业生物质的量非常有限且其次在试图生产“超级树”的研究数十年后，在产量方面，结果是相当令人失望的且作为成本依然太高的直接结果。
生物质是其中其生产范围共同地取决于人类的决定和优先权的唯一类型的可再生能。例如，如果美国中西部中的农业区域被用于生产生物质，那么它们可生产足以替代美国所使用的所有煤(11亿吨每年)的生物质。然而，这种方法(如果被采用)可导致国际灾难，因为它可显著减少世界上可利用的基础食物的量。而且，由于在美国中西部的气候条件下生物质的产量低，从燃烧生物质产生的电力的成本与煤的成本相比可大于三倍。
正如已经商业上证明的，固体生物质燃料可替代燃煤发电装置中的煤的至少30％。世界范围的煤的总消耗量是约50亿吨每年，且因此仅在共燃烧部分，世界上固体生物质燃料的总潜在需求量是15亿吨。然而，由于生物质的热值比煤的热值低30％，所以实际潜在需求量是约20亿吨每年。
目前，在大多数情况下，由于生物质产量不够高，所以作为独立短期轮作作物(SRC)的生物质的生长并不是经济上可行的。盛行的方法是使短周期的生物质作物生长为“副产品”，“副产品”通常被定义为由另一种可销售的商品的生产所导致的任何材料或益处。目前，世界各地生长的大多数的(如果不是所有的)用于能量的短期轮作作物高度依赖于繁重补贴的可用性或以副产品的形式。所报高的最高生物质产量是约35公吨每公顷每年。即使是在高能源价格的条件下，35公吨每公顷每年的产量都不足以使这种作物在经济上可行。在生物质作物的商业培育下所取得的最高产量通常不超过22公吨每公顷每年。
在世界上，大约三分之一的大陆水是盐水。盐水(或微咸水)被定义为太咸而不能用作饮用水及用作大多数可利用作物的灌溉用水的陆地水。大部分世界陆地处于土壤质量和气候条件使得所有可利用的作物的培育实际上不可能的沙漠区域。
因此，存在对具有不需要粮食作物所需要的耕地和/或淡水的用于生物质生产的方法的需求且得到该方法将是有利的。该方法以足够高的产量生产生物质以便以负担得起的成本提供给使用者。
概述
根据本发明的一个方面，提供了使用直立型柽柳(Tamarix Erect)树生产生物质燃料的方法。在陆地区域中种植和/或培育直立型柽柳树。在直立型柽柳树的生物质生长后，收获生物质的至少一部分用于生物质燃料。种植可以大于2000棵直立型柽柳树每公顷的密度进行。种植可以大于6000棵直立型柽柳树每公顷的密度进行。种植的密度通常是在4000-7000棵每公顷之间。收获之后，可进行矮林平茬以产生直立型柽柳树的再生长。在多达5年期间，在收获之后，可从插条进行再种植。
在直立型柽柳树的生物质生长后，收获生物质的一部分。优选地，在种植后至少5年中，收获至少每两年进行一次。生物质的收获可在种植后在1至3年的时间期间中进行一次。生物质可在收获后没有再种植情况下再生长至少5年。第一年通常产生50-120公吨每公顷的生物质及之后的每年产生50-200公吨每公顷的生物质。生物质通常在收获后没有再种植情况下再生长至少5年。
种植可适合于降低陆地区域的地下水位。陆地区域可具有可以是碱性土、盐土、酸性土壤及渍水土壤的土型。直立型柽柳树还可从陆地区域中吸收含盐的或碱性的化合物。
直立型柽柳(TE)树可培育在其中温度在52℃至零下6℃的范围内的区域中。直立型柽柳(TE)树作为短期轮作作物培育用于生产生物质。培育包括用可以是盐水、碱性水、酸性水、雨水、污水、部分处理的污水、含硼水、微咸水和/或不可用于灌溉粮食作物的水的水灌溉。水的盐分具有3.0-12.0十分之一西门子每米(deci-Siemens per metre)(dS/m)的电导率。污水可仅通过粗过滤处理。培育还可包括来自浇水和施肥管理与控制系统的灌溉。
本发明的这些、另外和/或其它方面和/或优势在随后的详述中陈述；可能可从详述中推断；和/或可通过本发明的实践认识到。
附图简述
在此，仅作为实例，参照附图来描述本发明，附图中：
图1显示了三棵柽柳树的三张照片，照片被并排放置用于直立型柽柳树的比较和目视识别，代替目前不可得的科学分类。
图2显示了根据本发明的各方面的用于生物质生产的方法。
当与附图一起考虑时，从以下详述中前述方面和/或其它方面将变得明显。
详述
现在将详细参考本发明的各方面、在附图中所阐述的实例，其中在全文中相同的参考数字指的是相同的要素。下面描述各方面以通过参考图来解释本发明。
在详细解释本发明的实施方式之前，应理解，本发明不限于其在设计的细节上的应用及在以下描述中陈述的或在图中阐述的部件的布置。本发明能够是其它实施方式或能够以不同方式实践或进行。同时，应理解，本文所采用的用语和术语是出于描述的目的且不应该被认为是限制。
作为介绍，本发明的各方面涉及使用被称为直立型柽柳(TE)的柽柳属植物的生物质生产。尽管直立型柽柳(TE)在以色列已经被熟知了至少四十年，但其并没有被科学分类。在20世纪70年代，直立型柽柳被以色列林业公司作为防风树培育在西部内盖夫沙漠及阿拉瓦山谷(Aravavalley)中。在20世纪70年代即将结束之际，这个项目由于缺乏利益而被放弃。然而，TE的起源是未知的且没有在以色列国家边界以外的任何地方存在的迹象。TE通常不会在野外被发现，这是其不能在干燥条件下存活及其缺乏自然繁殖机制的强烈暗示。传闻TE是从塞浦路斯带入的，但是在塞浦路斯的消息是从以色列带到那里。无论如何，TE不再存在于塞浦路斯。
然而，直立型柽柳(TE)可容易地被即使是部分熟悉其它柽柳属物种的任何人识别，因为直立型柽柳在外观上非常不同于存在于以色列的所有其它15种左右的种类。来自Tel Aviv University的已故的Y.Waisel教授和A.Eshel教授将直立型柽柳作为沙漠林业的候选物进行研究。Y.Waisel教授试图找到直立型柽柳的来源及直立型柽柳在以色列国家边界外存在的地方，但未成功。
直立型柽柳植物需要温暖的气候及高的太阳辐射以便产生高产量的生物质，且直立型柽柳植物因此通常适合在纬度35°以内的赤道南边或北边区域培育。
直立型柽柳可大规模种植的2个重要国家是印度和埃及。在印度的一些州(例如拉贾斯坦邦(Rajasthan)、古吉拉特(Gujarat)及泰米尔纳德邦(TamilNadu))中，紧靠未使用的或使用非常不充分的农业用地旁边存在大量地下盐水。根据拉贾斯坦邦政府所公布的信息，在该州可用泵抽吸的盐水的量可足够培育约300,000公顷的直立型柽柳生物质种植园，该种植园可生产足以产生全年5,000兆瓦小时(MWh)的生物质。全年5,000MWh的产生大致是拉贾斯坦邦接下来的7年内所需要的额外电力的量。据估计，通过使用未使用的或使用非常不充分的土地资源和水资源，印度可生产的直立型柽柳生物质的总量可提供足以产生全年至少100,000MWh的生物质燃料。全年至少100,000MWh的产生大致等于目前世界上所生产的可再生能源(不包括水力)的总量。出于说明的目的，如果在拉贾斯坦邦的半干旱区域中的300,000公顷将种植直立型柽柳，仅在第一年，这将减少大气中多达15000万公吨的二氧化碳的量。
在世界范围内对用于专用的单独的生物质发电装置或新煤与生物质共燃烧的设备的生物质的潜在需求是难以计算的，但仅在印度，这个潜在需求可达到25000万公吨，因此对于整个世界来说50000公吨的数字似乎是可靠的估计。因此，对固体生物质燃料的潜在即时需求是约25亿每年。相比于从常规燃料产生的约1400MWh(2007年的数字)的平均实际电力，25亿公吨每年的生物质全年可产生约520MWh的电力。因此，生物质代替煤的焚化可产生至少35％的碳排放物的减少。减少35％的碳排放物可很好地将来自发电的碳排放物带至1990年的水平或甚至几年前。
直立型柽柳的生物质产量通常是80吨每年每公顷。平均灌溉用水消耗量是约6,000立方米(m3)每年每公顷。为了每年生产25亿吨直立型柽柳生物质，每年需要2000亿立方米(m3)的灌溉用水。这个灌溉用水量的一半可仅由印度西北部的四个州(古吉拉特、拉贾斯坦邦、旁遮普(Punjab)及哈里亚纳邦(Haryana))提供。在这些州中，总的耕地是约3000万公顷，这对于每年25亿公吨直立型柽柳生物质的生产来说是足够的。
以上包括作为实例的印度的数字说明了在相关的国家和区域中有足够的水资源和足够的土地资源来每年生产25亿吨或实际上更大的量的直立型柽柳生物质。
将燃煤发电装置转化成煤生物质共燃烧的装置的投资是约100,000美元每安装的MW容量。用约40.0B美元的相对适度投资，可将世界的全部电力燃煤生产力(capacity)转入煤生物质共燃烧的设备。
而且，预期大部分直立型柽柳生物质将产自发展中国家且至少50％的消耗量将是在发达国家。直立型柽柳可很好地提升发展中国家的经济(且尤其是他们的农业部分)并可引起财富从发达国家转移至发展中国家。专用的生物质发电装置或新的共燃烧设备(即生物质和/或煤)的成本与燃煤发电装置所需要的投资是大致相同的，因此在转变至生物质方面，总投资并没有增加。生物质与煤共燃烧是有效的且是经济允许的，因为生物质共燃烧不需要大量的投资。并且，大型的燃煤发电装置通常比小型至中型大小的生物质装置更有效。
定义：
在本文中，术语“盐分”和“盐的”被定义为过多的盐在水和/或陆地中的增加积累。水和/或陆地的盐分可通过水和/或土壤的电导率(EC)测量且以十分之一西门子每米(dS/m)计量。
本文所使用的术语“公顷”是指陆地面积，定义成10000平方米。
关于树的术语“短期轮作作物”在本文中是指在与例如收获为木材的树的生长相比的相对短的一段时间收获生物质的作物。
本文所用的术语“矮林平茬”是指很多树被砍倒后从树桩或根重新发芽的事实。在经矮林平茬的木质小树中，反复地将茎砍倒至接近地面的水平。在随后的生长年份中，将呈现出很多新枝。
现在参考附图，现在参考显示了三棵柽柳树的三张照片的图1，照片并排放置用于直立型柽柳树的比较和目视识别，代替目前不可得的科学分类。树10是无叶柽柳种类。在种植园中，树12是15年龄的直立型柽柳(TE)且树14是3年龄的直立型柽柳(TE)。比较树12与树10，树10在主干上具有(水平地)伸展宽得多的的分枝，而树12在主干上具有(水平地)伸展较少的分枝。尽管比树12小12年，树14在灌溉的种植园中是作为短期轮作作物且已经几乎与树12一样高了。
现在参考显示根据本发明的各方面的用于生物质生产的方法201的图2。在步骤203中，直立型柽柳(TE)植物以通常大于2000棵柽柳属植物每公顷或提供生物质收获的最大产量的数量密度被种植在陆地区域中。数量密度优选地是在4000至7000棵柽柳属植物每公顷的范围内。直立型柽柳(TE)的直立性质允许2000-8000棵柽柳属植物每公顷。陆地区域优选地是不适于粮食作物的种植的，是使用不充分的农业用地，该用地具有碱性的和/或渍水的土壤或沙质的土壤。陆地区域被定位于诸如以下的更适合直立型柽柳(TE)的区域：沙漠区域、温度从52℃-零下6℃范围的区域、纬度35°的世界南边区域或北边区域和半干旱区域。然而，超高产量只能在温度很少降到15℃以下的区域获得。步骤203中的种植之后的后续生长的间接利益可包括：在直立型柽柳(TE)植物起到土壤脱盐作用和化学吸收机制作用的地方产生水质量改善带，从含盐陆地除去盐或除去从盐水中引入的盐，从水和/或土壤中吸收并除去矿物部分及降低渍水陆地的地下水位。
直立型柽柳(TE)植物的灌溉(步骤205)优选地通过计算机控制的施肥与灌溉系统比如AutoAgronom(AutoAgronom Ltd.Ramat HaShofet，以色列)。直立型柽柳(TE)植物的灌溉可能是来自于诸如以下的水源：盐水(通常在EC 3.0至EC 12.0之间)、碱性水、酸性水、雨水、流出物、污水、部分处理的污水、含硼水、微咸水及不可使用的灌溉用水。灌溉步骤205还可以是通过直接降雨、来自地下水层的水、渍水地或附近的河。
收获步骤207通常涉及砍倒直立型柽柳(TE)以得到生物质。由于直立型柽柳(TE)的相对高的热值，生物质适合用作在发电装置中产生蒸汽的燃料，作为共燃烧的煤和生物质设备中的第二燃料。收获是在未再种植的至少5年中进行且生物质可每1-3年收获一次而不损失产量。根据天气条件、土壤条件及资源可用性，可决定继续收获或再种植(决定框208)。
更多的直立型柽柳(TE)的再种植(步骤209)可来自于插条。由于收获后留下的树桩，再种植步骤209还可能不是必要的，通常，被称为矮林平茬和再种植的再生长可能在至少5年中不需要发生。
现在参考表1A和表1B，表1A和表1B分别显示位于以色列的Yotvata的两个直立型柽柳(TE)小树林的基本数据和生物质结果。
基本数据
Figure BDA0000136101510000081
表1A
生物质测量结果
Figure BDA0000136101510000091
表1B
这两个小树林均位于以色列南部阿拉瓦山谷中的Kibbutz Yotvata的相同位置。在南部阿拉瓦山谷的区域中，气候极其炎热和干燥，且夏季温度经常在40℃以上。冬季温和且温度很少降至10℃以下。湿度通常是约20％。每年平均降水量是20mm且很少有阴天。全年辐射非常高。两个小树林都是用滴灌系统灌溉。然而，由于技术原因、可用性问题及管理困难，并未定期灌溉且未保留灌溉记录。
从表中可看出：
1.在两个小树林中，生物质的综合平均量(combined average amount)是约90吨每公顷每年。
2.在循环水小树林中生物质的平均量是106吨的生物质每公顷每年，然而，我们认为具有低生物质产量的两棵树由于滴灌器堵塞而遭受了水的缺乏。不计这两棵树，平均值上升至117吨每公顷。
3.在盐水小树林中，生物质的平均量是73吨每公顷。定期灌溉在TE培育中是极其重要的，因为作为沙漠植物的树非常快速地转化成“干涸模式”且停止营养生长。TE需要一些时间从“干涸模式”恢复并回到“生长模式”。在第三年，盐水小树林遭受了土壤中过多的盐和非常贫乏的灌溉。Yotvata农场的管理员(同时还负责TE项目)强调在第三年的过程中这个小树林实际上并没有生长且这解释了在这个小树林和另一个小树林之间的生物质的量的大的差额部分。由于在第三年过程中生长是最低的，如果在第二年后进行收获，每年的产量可更高。在第一个18个月之后，由于过度拥挤的条件及水灌溉不充足，TE的生长率下降。在良好的培育过程下，可获得更高的产量。
根据本发明的各方面，直立型柽柳作为单独的短期轮作作物在温暖且阳光充足的区域，在正常土、贫瘠土、碱性土或盐土上，使用淡水、盐水、碱性水、经过处理的或未经过处理的污水来培育，且仍得到大于50吨每公顷每年的生物质产量。
在以上的结果中，用于生产直立型柽柳生物质的方法201的结果产生了每界定面积相比于任何商购的生物质作物至少3倍的生物质。该产量通过使用盐水或不适合用于任何其它大规模作物的培育的任何其它质量差的水获得。而且，直立型柽柳(TE)生物质可培育在沙漠区域及在通常不可用于其它作物的盐地或碱地中。
本文使用定冠词“一(a)”、“一(an)”，比如“一棵树”具有“一棵或多棵”的意思，即“一棵或多棵树”。
提供各种特征/方面/组分/操作的实例以利于本发明的所公开的实施方式的理解。此外，已讨论各种偏好以利于本发明的所公开的实施方式的理解。应理解，本文所公开的所有实例和偏好意图是非限制性的。
尽管已经单独显示并描述了本发明的所选择的实施方式，但应理解，可以组合所描述的实施方式的至少各方面。并且尽管已经单独显示并描述了本发明的所选择的实施方式，但应理解，本发明并不限于所描述的实施方式。相反，应明白，可对这些实施方式进行改变而不偏离本发明的原则和精神，本发明的范围由权利要求及其等效物界定。

Claims (20)

1.一种使用直立型柽柳树生产生物质燃料的方法，所述方法包括：
在陆地区域中种植多棵直立型柽柳树；
培育所述直立型柽柳树；及
在所述直立型柽柳树的生物质生长后，收获所述生物质的至少一部分用于所述生物质燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述种植是以大于2000棵直立型柽柳树每公顷的数量密度进行。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述种植是以大于6000棵直立型柽柳树每公顷的密度进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述种植是以4000-7000棵每公顷之间的密度进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述收获之后，还包括，在所述收获之后：
矮林平茬从而产生所述直立型柽柳树的再生长。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述收获之后，再种植更多的直立型柽柳树，持续至少5年。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述再种植来自在所述收获之后取得的插条。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述收获在所述种植后至少5年期间中至少每两年进行一次。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述收获所述生物质在所述种植后1至3年的时间期间中进行1次。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质在所述收获后没有再种植情况下再生长至少5年。
11.如权利要求8所述的方法，其中在第一年产生50-120公吨每公顷的所述生物质且在之后的每年产生50-200公吨每公顷的所述生物质。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述直立型柽柳(TE)树作为短期轮作作物培育用于生产所述生物质。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述直立型柽柳(TE)树的培育在其中温度在52℃-零下6℃的范围内的区域中进行。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：
选择具有选自由碱性土、盐土、酸性土壤及渍水土壤组成的组的土型的所述陆地区域。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述种植适合于降低所述陆地区域的地下水位。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述直立型柽柳树从所述陆地区域的土壤吸取选自由盐和碱性化合物组成的组的化合物。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述培育包括用选自由盐水、碱性水、酸性水、雨水、污水、部分处理的污水、含硼水、微咸水及不可用于灌溉粮食作物的水组成的组的水灌溉。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述水的盐分具有3.0-12.0十分之一西门子每米(dS/m)的电导率。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述污水仅通过粗过滤处理。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述培育包括来自浇水和施肥管理与控制系统的灌溉。
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