生物質(zhì)能供熱研究分析

陶元慶 董歲具

（1.鄭州熱力集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450015；2.鄭州市穎達(dá)熱力工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州450015）

0 引言

隨著我國(guó)居民生活水平的不斷提高，北方地區(qū)采暖供需矛盾日益突出，取暖成為重要的民生問(wèn)題。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的資料顯示，2019年我國(guó)集中供熱面積已達(dá)92.51億m2，近10年集中供熱面積年均增長(zhǎng)率超過(guò)7%，供熱燃料主要以煤炭、天然氣等化石燃料為主，2019 年因集中供熱消耗天然氣約146.76億m3、煤炭約3億t［1］，能源需求量巨大。

針對(duì)日益突出的氣候環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)承諾CO2排放將在2030 年達(dá)到峰值，2060 年努力實(shí)現(xiàn)碳中和?！半p碳”目標(biāo)的提出，將引領(lǐng)我國(guó)供熱行業(yè)朝著綠色低碳方向發(fā)展。因此，以生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮転橹鞯目稍偕茉丛诠犷I(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

1 生物質(zhì)能供熱狀況及存在問(wèn)題

生物質(zhì)能是一種可再生能源，以動(dòng)植物和微生物為載體來(lái)儲(chǔ)存能量，可轉(zhuǎn)化為固、液、氣態(tài)燃料。目前，我國(guó)在生物質(zhì)能源供熱技術(shù)上的研究還處于初期階段，主要以生物質(zhì)鍋爐或熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行集中供熱。城鄉(xiāng)地區(qū)可利用中小型生物質(zhì)沼氣或燃料鍋爐開(kāi)展分布式供熱，農(nóng)村分散戶可采用生物質(zhì)爐具進(jìn)行供熱等，生物質(zhì)能源的利用效率有待進(jìn)一步提升。

國(guó)外在很早之前就開(kāi)始使用生物質(zhì)能供熱，芬蘭、瑞典、丹麥等北歐國(guó)家一直在推廣使用生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源在芬蘭使用的可再生能源利用中占比接近90%，瑞典的生物質(zhì)供熱發(fā)電占全國(guó)能源消費(fèi)總量的16.5%、占供熱能源消費(fèi)總量的68.5%［2］。隨著全球能源的轉(zhuǎn)型升級(jí)，生物質(zhì)能源利用技術(shù)也將迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。

我國(guó)生物質(zhì)能供熱經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，雖有進(jìn)步，但仍存在以下4 個(gè)問(wèn)題。①生物質(zhì)能發(fā)展政策支持力度不足。缺乏相應(yīng)的制度、規(guī)范來(lái)保障供熱項(xiàng)目運(yùn)行，沒(méi)有形成統(tǒng)一規(guī)劃，存在發(fā)展資金不足等問(wèn)題。②生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)鍋爐等關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步完善。應(yīng)大力解決鍋爐結(jié)垢、結(jié)渣、腐蝕問(wèn)題，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本，提高熱值轉(zhuǎn)化能力。③未形成生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)鏈。從原料收、儲(chǔ)、運(yùn)、處理，到成型燃料生產(chǎn)、配送、應(yīng)用等，這些環(huán)節(jié)不成體系，材料價(jià)格波動(dòng)較大，與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)。④對(duì)生物質(zhì)能利用意識(shí)不足。生物質(zhì)電廠周邊缺乏配套設(shè)施管網(wǎng)，熱電聯(lián)產(chǎn)利用率低，生物質(zhì)供熱定價(jià)政策不完善。

2 生物質(zhì)能源形式

2.1 生物質(zhì)成型燃料

生物質(zhì)成型燃料以農(nóng)林物質(zhì)為原料制成，可根據(jù)需要加工成各種形狀和規(guī)格的塊體或顆粒供燃燒使用，成型燃料便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，燃燒性能優(yōu)越，污染物排放較少。我國(guó)大部分生物質(zhì)供熱項(xiàng)目采用生物質(zhì)成型燃料作為原料［3］。

生物質(zhì)成型燃料可在熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目、鍋爐或爐具中燃燒使用，能滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工廠企業(yè)區(qū)域用熱及分布式居民區(qū)或分散農(nóng)戶的用熱需求，2019年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料利用量已接近1 200萬(wàn)t［4］。

2.2 生物質(zhì)氣體燃料

生物質(zhì)氣體燃料是禽畜糞便、秸稈廢物等有機(jī)物經(jīng)發(fā)酵加工得到的生物質(zhì)沼氣。生物質(zhì)沼氣可用于居民生活供氣，也可利用專用鍋爐進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)或集中供熱。目前，生物質(zhì)沼氣工程主要以小型項(xiàng)目為主，大中型沼氣工程所占比例較小，城鄉(xiāng)地區(qū)較大規(guī)模的家禽畜養(yǎng)殖基地是沼氣生產(chǎn)的重要來(lái)源。雖然生物質(zhì)氣體的燃料資源量豐富，但規(guī)模化應(yīng)用水平較低。

2.3 生物質(zhì)液體燃料

生物質(zhì)液體燃料主要包括生物質(zhì)甲醇、乙醇和柴油等，可作為燃料進(jìn)行使用。甲醇可通過(guò)生物質(zhì)氣化合成，常溫下為液體，儲(chǔ)運(yùn)方便，安全環(huán)保，有較廣闊的應(yīng)用前景，但其生產(chǎn)成本較高。生物質(zhì)乙醇的生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，產(chǎn)量較高，原料多為糧食作物。燃料乙醇被廣泛用于交通能源領(lǐng)域，供熱領(lǐng)域應(yīng)用較少。生物質(zhì)柴油是以廢棄油脂為原料提煉得到的，我國(guó)生物質(zhì)柴油發(fā)展處于起步階段，2019 年的產(chǎn)量約為1 200 000 t［5］。目前，生物質(zhì)柴油的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)水平較低，沒(méi)有統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，流通具有一定的局限性，無(wú)法滿足大規(guī)模應(yīng)用要求。

3 生物質(zhì)能供熱方式

隨著清潔供暖的持續(xù)推進(jìn)，生物質(zhì)供熱項(xiàng)目和供熱面積逐年增多，到2019年末，我國(guó)生物質(zhì)能供熱項(xiàng)目已超1 100個(gè)，生物質(zhì)能供熱面積已達(dá)4.8億m2［6］。

3.1 生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱

生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)分為生物質(zhì)直燃、混燃、垃圾焚燒、垃圾填埋氣和沼氣等形式［7］。熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合城鄉(xiāng)資源的合理布局，能有效帶動(dòng)資源的高效利用，滿足區(qū)域的用電、供熱需求。受大氣污染攻堅(jiān)行動(dòng)影響，燃煤受到一定程度的限制，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)將成為重要的區(qū)域性清潔供熱方式。

3.2 生物質(zhì)鍋爐供熱

經(jīng)過(guò)對(duì)生物質(zhì)鍋爐的改良發(fā)展，熱值轉(zhuǎn)化效率不斷提高，生物質(zhì)鍋爐供熱各項(xiàng)技術(shù)已趨向成熟，較燃煤鍋爐有良好的環(huán)保性能。生物質(zhì)鍋爐供熱形式相對(duì)靈活、污染物排放少、運(yùn)行成本適中，可在非集中供暖或偏遠(yuǎn)地區(qū)開(kāi)展分布式供熱。

目前，我國(guó)大部分生物質(zhì)鍋爐主要采用成型燃料供熱或提供熱水。生物質(zhì)鍋爐還可利用生物質(zhì)甲醇、乙醇、柴油等液體燃料，或生物質(zhì)沼氣、天然氣等氣體燃料，但目前這些燃料的使用在制備技術(shù)、產(chǎn)能、成本等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3 生物質(zhì)爐具供熱

按照使用功能可將生物質(zhì)爐具分為炊事采暖爐、炊事烤火爐和炊事?tīng)t［8］。生物質(zhì)爐具安裝簡(jiǎn)單、使用方便，主要適合普通農(nóng)村及偏遠(yuǎn)山區(qū)家庭戶使用，通過(guò)爐具將水加熱，循環(huán)供應(yīng)來(lái)提高室溫。爐具成型燃料多為顆粒狀或壓塊狀，使用時(shí)，人工定時(shí)向料斗添加燃料或清灰，操作簡(jiǎn)便。

生物質(zhì)爐具在農(nóng)村地區(qū)的推廣使用，可促進(jìn)農(nóng)林廢棄物的循環(huán)利用，減少煤炭消耗量，改善鄉(xiāng)村環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)村清潔取暖。

4 生物質(zhì)能供熱經(jīng)濟(jì)性分析

采暖運(yùn)行費(fèi)用主要包括能源消耗費(fèi)用（燃煤、燃油、燃?xì)狻㈦姷龋?、設(shè)備維修費(fèi)用、人工費(fèi)和管理費(fèi)，其中，能源消耗費(fèi)用占絕大部分［9］。在對(duì)采暖運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析時(shí)，可用能源的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用作為主體進(jìn)行估算［10］。生物質(zhì)能供熱和其他采暖方式相同，都是通過(guò)消耗能源來(lái)提供熱能，單位有效能源的耗資是指采暖燃料提供單位兆焦熱能的成本單價(jià)，是由燃料的價(jià)格、熱值及該種熱能的利用效率計(jì)算出來(lái)的。通過(guò)對(duì)比生物質(zhì)成型燃料、煤炭、天然氣、電能這4 種能源的單位供熱成本，簡(jiǎn)要分析生物質(zhì)能供熱的經(jīng)濟(jì)性。不同熱源燃料單位供熱成本比較見(jiàn)表1。

表1 不同熱源燃料單位供熱成本

由表1 可知，當(dāng)前環(huán)境下燃煤供熱成本上漲過(guò)快，已和生物質(zhì)成型燃料供熱成本相當(dāng)，這是因?yàn)樵趪?guó)家環(huán)保政策及“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，煤炭的產(chǎn)能和使用受到限制，導(dǎo)致煤炭?jī)r(jià)格居高不下，造成供熱成本升高。天然氣供熱的單位成本為生物質(zhì)燃料供熱的1.5~2.0 倍，而直接用電能轉(zhuǎn)化為熱能供熱的成本為生物質(zhì)燃料供熱的3~4倍。

綜上所述，隨著對(duì)清潔供熱、低碳供熱需求的不斷增加，生物質(zhì)能作為可再生能源具有較好的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，不論是從生物質(zhì)的資源規(guī)模，還是節(jié)能環(huán)保等方面，利用生物質(zhì)能供熱都是可行的。

5 生物質(zhì)能供熱項(xiàng)目應(yīng)用分析

5.1 鍋爐供熱應(yīng)用

2008 年10 月，北京市第一臺(tái)生物質(zhì)供暖鍋爐在昌平區(qū)中國(guó)經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)社投入使用［11］。生物質(zhì)顆粒代替燃油作為燃料，為報(bào)社辦公樓和家屬樓1.6 萬(wàn)m2的建筑供暖。相比年采暖運(yùn)行費(fèi)約70 萬(wàn)元的燃油鍋爐，生物質(zhì)顆粒供暖鍋爐可節(jié)約一半的燃料運(yùn)行費(fèi)，減排二氧化碳400 t。

近年來(lái)，山東陽(yáng)信縣在推動(dòng)清潔取暖實(shí)踐中，大力推廣生物質(zhì)能利用，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，探索“生物質(zhì)成型燃料+鍋爐機(jī)組分布式取暖”模式，以行政村為單位，開(kāi)展管道及附屬設(shè)施建設(shè)，集中采用生物質(zhì)燃料鍋爐供暖，將熱水輸送到村民家中，提高鄉(xiāng)村冬季采暖水平。

5.2 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱應(yīng)用

2021 年黑龍江肇東市生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)示范項(xiàng)目一次性并網(wǎng)成功，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。項(xiàng)目總投資約7.5 億元，建設(shè)2×40 MW 高溫超高壓一次再熱生物質(zhì)電廠及其配套設(shè)施，包括循環(huán)流化床生物質(zhì)鍋爐和抽凝汽輪發(fā)電供熱機(jī)組，是國(guó)內(nèi)同類型總裝機(jī)容量最大的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。

生物質(zhì)燃料采用秸稈壓塊，在項(xiàng)目周邊配套建設(shè)22 座秸稈壓塊站，全面投產(chǎn)后，可充分利用肇東市周邊的農(nóng)林剩余物等資源，每年可消耗秸稈等生物質(zhì)燃料約61.8萬(wàn)t，提供綠色電力約4.8億kW·h，供熱面積超200 萬(wàn)m2，可減少煙塵排放832 t，減排二氧化碳46 萬(wàn)t、二氧化硫1 722 t、氮氧化物2 322 t，有效緩解環(huán)境污染問(wèn)題。

5.3 河南省生物質(zhì)能供熱應(yīng)用

河南省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)作物秸稈資源豐富，具備良好的生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用條件。2019年，河南省發(fā)改委發(fā)布了一季度河南省新能源項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度情況，全省共涉及51 個(gè)農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目，其中，25 個(gè)項(xiàng)目已建成運(yùn)營(yíng)，16 個(gè)項(xiàng)目正推進(jìn)建設(shè)，10個(gè)項(xiàng)目待開(kāi)工。

鶴壁市在清潔取暖工作中取得較好成效，在生物質(zhì)能利用方面，積極推進(jìn)智能化生物質(zhì)爐具取暖，并結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源結(jié)構(gòu)、能源利用情況，有針對(duì)性地在生物質(zhì)能豐富區(qū)域，布局建設(shè)以玉米秸稈、樹(shù)枝等農(nóng)林廢棄物為主的生物質(zhì)顆粒加工廠，就近供應(yīng)農(nóng)戶，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料從收集到成品供應(yīng)的循環(huán)利用。

2020 年12 月，河南省滑縣長(zhǎng)青生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目首次并網(wǎng)發(fā)電成功，滑縣第一個(gè)農(nóng)林生物質(zhì)直燃電廠通過(guò)收集購(gòu)進(jìn)秸稈，增加農(nóng)民收入。該項(xiàng)目占地面積11.2 hm2，總投資3.8 億元，建設(shè)規(guī)模為1×140 t/h 高效生物質(zhì)鍋爐和1×35 MW 抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組。該項(xiàng)目每年可消耗農(nóng)林廢棄物約35 萬(wàn)t，年發(fā)電量約2.8億kW·h，供熱面積約100萬(wàn)m2。

近年來(lái)，河南省批準(zhǔn)建設(shè)了一批生物質(zhì)電廠及熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)初期受政策支持收益可觀，但經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展后，面臨熱能利用率不高、供熱能力不足等問(wèn)題。同時(shí)，生物質(zhì)成型燃料在發(fā)展過(guò)程中，受季節(jié)和生產(chǎn)水平的影響，產(chǎn)業(yè)化水平較低，沒(méi)有形成統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 河南省生物質(zhì)能供熱分析

《河南省“十四五”現(xiàn)代能源體系和碳達(dá)峰碳中和規(guī)劃》指出，提升生物質(zhì)能利用水平，按照因地制宜、綜合利用、清潔高效的原則，建立健全資源收集、加工轉(zhuǎn)化、就近利用的生產(chǎn)消費(fèi)體系。結(jié)合規(guī)劃要求，在生物質(zhì)能供熱發(fā)展實(shí)踐中，應(yīng)充分考慮用能結(jié)構(gòu)和資源稟賦，因地制宜選用合適的生物質(zhì)能供熱方式，基本圍繞以下4個(gè)方面開(kāi)展。

一是推動(dòng)生物質(zhì)能源梯級(jí)利用?？h域范圍優(yōu)先結(jié)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目集中供熱，在配套管網(wǎng)建設(shè)方面提前謀劃，完善附屬設(shè)施建設(shè)，使生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱輻射縣域及大鄉(xiāng)鎮(zhèn)，滿足城鄉(xiāng)居民集中用熱需求，確保熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目供需平衡，發(fā)揮最大效益。鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展生物質(zhì)鍋爐供熱，農(nóng)村地區(qū)推廣生物質(zhì)爐具取暖，完善清潔分布式供熱體系。

二是加快建設(shè)生物質(zhì)燃料基地。出臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)成型燃料、非糧液體生物燃料發(fā)展，結(jié)合農(nóng)作物分布特點(diǎn)，合理布局大型生物質(zhì)成型燃料收儲(chǔ)加工基地，加快生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)化，出臺(tái)措施鼓勵(lì)秸稈及農(nóng)作物廢棄物回收利用，提高原材料供應(yīng)能力和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化力。在生物質(zhì)成型燃料推廣方面，完善定價(jià)機(jī)制和銷售渠道，保障產(chǎn)品供應(yīng)穩(wěn)定。

三是穩(wěn)步發(fā)展生物質(zhì)供氣供熱。在糧食生產(chǎn)核心區(qū)、農(nóng)作物秸稈豐富縣區(qū)、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖發(fā)達(dá)地區(qū)，布局建設(shè)大型秸稈沼氣、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣、生物質(zhì)氣化等工程，提高生物質(zhì)氣體燃料制備能力。建設(shè)配套供氣、供熱管網(wǎng)向鄰近城鎮(zhèn)、農(nóng)村等區(qū)域延伸覆蓋，為具備條件的村鎮(zhèn)提供集中供氣，促進(jìn)以生物質(zhì)沼氣為紐帶的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

四是加大生物質(zhì)能利用宣傳力度。以“雙碳”目標(biāo)為契機(jī)，加大生物質(zhì)能的宣傳利用，特別是縣域及農(nóng)村地區(qū)，要充分利用農(nóng)作物和林業(yè)廢棄物資源，發(fā)展生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高生物質(zhì)能利用意識(shí)，嚴(yán)格控制煤炭散燒，大力推動(dòng)清潔能源替代，使生物質(zhì)能源利用的意識(shí)深入人心。

6 建議

針對(duì)目前生物質(zhì)供熱存在供熱能力小、原料供應(yīng)不穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)化水平低等問(wèn)題，結(jié)合河南省生物質(zhì)能利用的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出以下3個(gè)建議。

①利用資源稟賦，因地制宜發(fā)展生物質(zhì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。河南省作為農(nóng)作物秸稈大省，農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，應(yīng)加大技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新力度，構(gòu)建以生物質(zhì)燃料為主的產(chǎn)業(yè)鏈，保證生物質(zhì)燃料供應(yīng)穩(wěn)定。

②結(jié)合各地區(qū)發(fā)展水平和資源情況，加強(qiáng)政策引導(dǎo)，推動(dòng)生物質(zhì)能利用。鄭州市主城區(qū)適宜發(fā)展生物制燃?xì)猓瑏?lái)替代一部分天然氣，生物質(zhì)聯(lián)合制取液體燃料供熱等項(xiàng)目，其他地市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)和規(guī)?；镔|(zhì)鍋爐項(xiàng)目，農(nóng)村地區(qū)建議推廣生物質(zhì)爐具，因地制宜，共同推動(dòng)河南省生物質(zhì)能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

③建立健全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，探索建立生物質(zhì)燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、生物質(zhì)供熱技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，完善政策法規(guī)，規(guī)范市場(chǎng)秩序，推動(dòng)生物質(zhì)能供熱規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展。

7 結(jié)論

以上研究表明，生物質(zhì)資源豐富的地區(qū)，供熱潛力巨大，生物質(zhì)能源利用已形成熱電聯(lián)產(chǎn)為主、分散式生物質(zhì)爐具供熱的模式。在碳達(dá)峰碳中和政策推動(dòng)下，生物質(zhì)供熱成本已接近燃煤供熱成本，在環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性方面逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)生物質(zhì)能供熱技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

①生物質(zhì)能的發(fā)展受制于收集和運(yùn)輸不便，應(yīng)優(yōu)先在鄉(xiāng)村地區(qū)消納，富余生物質(zhì)可加工為成型燃料或天然氣輸送到就近城鎮(zhèn)供熱。

②畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，宜發(fā)展秸稈和糞污混合發(fā)酵制氣用于供熱。

③應(yīng)充分利用垃圾電廠的余熱進(jìn)行集中供熱。