生物質熱解多聯產在北方農村清潔供暖中的適用性評價

叢宏斌，趙立欣，孟海波，姚宗路，霍麗麗，賈吉秀，吳雨濃

（農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

0 引 言

中央財經領導小組第十四次會議上，習近平總書記強調，推進北方地區冬季清潔取暖等6個問題，都是大事，關系廣大人民群眾生活，是重大的民生工程、民心工程。推進北方地區冬季清潔取暖，關系北方地區廣大群眾溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容[1]。

農村地區大量劣質散煤的利用導致污染物排放嚴重。2014年，中國農村能源消耗量為7.6億t標準煤，占全國能源消耗總量的17.8%，農村煤炭消耗量為3.14億t，在農村能源消費中的比重為41.4%[2]。受社會經濟條件制約，農村供暖中散煤使用普遍，尤其是中國北方供暖季，農村地區散煤使用總量大、時間集中、排放分散，不加裝任何脫硫除塵裝置，污染物排放嚴重[3-6]。

生物質熱解多聯產以生物質連續炭化技術為核心，通過固氣、氣液分離和燃氣凈化提質，生產熱解氣、生物炭、木焦油和木醋液等多種產品[7-10]。熱解氣清潔、環保、可再生，可作為農村地區重要的替代能源[11-12]。生物炭可用作吸附材料、土壤改良劑、肥料緩釋載體和二氧化碳封存劑等[13-14]，也可經成型加工機制炭作為高品質能源利用[15]。木焦油和木醋液作為生物質炭化副產物，可用作燃料或化工原料[16]。中國具有豐富的農林廢棄物資源，據統計，中國農作物秸稈和林業三剩物資源量分別達到10和3.5億t[17-19]。熱解多聯產是農林廢棄物綜合利用的重要途徑之一，符合生物質資源化、能源化綜合利用原則，能夠進一步提升農林廢棄物資源開發綜合效益，具有良好的推廣應用前景[7,9-10]。

本文旨在總結中國北方農村地區取暖現狀，闡釋農村地區清潔供暖的現實問題和基本需求，在此基礎上提出以生物質熱解多聯產技術為核心，適合中國北方農村地區清潔供暖的技術路徑與應用模式，并對模式的技術可行性、經濟可行性和環境影響進行分析，以期為破解北方地區農村清潔供暖提供新思路、新途徑。

1 北方農村地區清潔供暖需求分析

1.1 供暖現狀

中國北方地區大多數農村住宅布局分散，建筑多為單層單院式，不適合采用城市普遍使用的集中供暖方式[20-21]。目前，北方農村地區應用的分散采暖方式主要有火炕、火爐、土暖氣或散熱器等[22-23]。火炕或火爐供暖在東北、西北和華北部分地區的農村尤為普遍，黑龍江、吉林、遼寧和河北四省區的農村冬季取暖還有一定比例的農戶采用火墻，火墻多數與火炕配合使用。隨著農村經濟的發展和農民生活條件的改善，部分地區農村建筑結構及面積趨于城鎮化，傳統的供暖方式已不能滿足農民對取暖舒適性要求[24-25]。近年來，土暖氣對火炕的取代率很高[26]。

近年來，全社會對大氣質量持續高度關注，在政府補貼資金和激勵政策引導下，宜電則電，宜氣則氣，旨在治理冬季農村燃煤污染的行動在北方農村地區穩步推進[27-29]。“煤改電”、“煤改氣”、“煤改太陽能”、“煤改生物質”、“煤改地熱能”等工程大力推進，電暖氣、空調、空氣源熱泵、太陽能集熱器、地源熱泵和多能互補供熱系統等新型清潔取暖技術在農村地區的使用率逐年提高[30-31]。北方農村地區采暖使用的能源既有化石能源，也有可再生能源，如清潔或可再生能源包括電能、太陽能、生物質能、地熱能等[32]。

受經濟社會發展水平和自然地理條件等因素制約，北方農村采暖還存在供暖基礎設施落后、能源利用率低、污染排放嚴重等問題。農村人口分散化居住特征明顯，集中的農村能源和供暖市場難以形成，造成供暖基礎設施的建設、運營和管理成本較高。以火炕、火爐等傳統取暖方式能源利用率較低，小型的燃煤爐存在燃燒不充分、熱耗散大等問題，能源利用率一般僅40%～50%，在能源利用率方面還有很大的提升空間[33-34]。

1.2 供暖需求分析

隨著農民生活水平的持續提高和全社會對環境保護的日益關注，在清潔、便利、安全、節能等方面對北方農村取暖均提出了更高要求。與此同時，采暖費用大幅度提高，造成了農民生活成本增加。中國北方農村采暖需求主要表現為3方面的特征。

1）北方農村地區供暖需求體量大。截至2016年底，中國常住人口城鎮化率為57.35%，即中國人口的42.65%，相當于5.90億人口常年居住在農村，位于北方供暖區的15個省、自治區、直轄市的農村常住人口近3 億人[35]。2012年，農村總建筑面積為234億m2，北方供暖區15個省、自治區、直轄市建筑面積約為82億m2。隨著生活水平的提高，農村新建住宅越來越多，中國農村每年新增住房面積約為8億m2，農村建筑處于改舊換新的快速發展時期，以供暖為主的各類能源需求不斷增加。尤其在東北高寒地區，冬季的采暖期達5～6個月，農村住宅采暖能耗達到農村住宅總能耗的 52%，與城鎮供暖能源需求平均水平接近[26,33]。滿足體量巨大的北方農村冬季供暖需求成為時代新命題。

2）“散炭替代”是北方農村采暖的首要任務。冬季北方空氣污染加劇，農村采暖用煤是重要原因之一。農村采暖以燒散煤為主，中國每年民用散煤消耗量超過 3億t，總量較工業用煤少，但時間集中、低空分散，不加裝任何脫硫除塵裝置，對大氣污染嚴重[24-25]。據報道，燃燒1t散煤的大氣污染物排放量是一般電廠燃燒等量煤炭的10倍以上[32]。京津冀地區農村冬季供熱采暖能耗占全年能耗的 35%左右，散煤（很多是劣質煤）的使用量陡然加劇，是霧霾形成的重要原因之一。環境保護部華北督查中心專項督查數據顯示，京津冀地區農民生活和農業生產煤炭消費量總計為4 224萬t，占三地全社會總耗煤量的 11%。污染物的排放占到同期環境統計煙塵總排放量的23.2%，二氧化硫總排放量的15.2%，氮氧化物總排放量的 4.4%[5]。清潔采暖和“散煤替代”成為北方農村地區取暖新需求。

3）節能推廣在北方農村地區冬季采暖中亟需落實。開源與節流并舉，農村節能，尤其是北方采暖地區農村建筑節能、爐具節能技術推廣不容忽視。中國北方大部分住宅為坡頂或平頂單層住宅[36]，絕大多數的農村住宅沒有保溫措施，供暖方式設計、建造不合理，造成農宅舒適性普遍較差，冬季供暖耗能普遍較高。受社會經濟條件制約，農村供暖中散煤使用普遍，近 80%的居民使用低效爐具燃用劣質散煤，量大面廣，不僅燃燒排放高，而且能源效率低[30,32]。北方農村采暖節能中，一方面要做好建筑物自身的保暖改造，另一方面需做好節能技術與產品的推廣應用。

2 生物質熱解多聯產及其供暖模式分析

2.1 生物質炭化及其多聯產技術

生物質炭化技術又稱為生物質干餾技術，屬生物質熱化學轉化技術范疇，指生物質原料在絕氧或低氧環境中受熱升溫引起分子內部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝氣體產物的過程[7,9]。

生物質熱解工藝參數不同，固氣液三態產物產率存在較大差異。生物質炭化技術即指生物質慢速低溫熱解技術，此工藝條件下生物炭得率相對較高。與傳統氣化技術相比，炭化技術產物多樣，且熱解氣熱值一般可達到15 MJ/m3左右，明顯高于氣化氣熱值[7,9,37]。另外，生物炭和木焦油、木醋液的綜合開發，也使得這一技術具備了生物質能源化資源化綜合開發利用的潛質，具有良好的應用前景。

連續式生物質炭化技術具有生產效率高、產品性能穩定、過程控制方便等優點，已成為近年來生物質熱化學轉化技術領域的研究熱點之一，其技術研發和裝備制造水平已具備示范推廣應用條件[9]。生物質熱解炭氣油聯產工藝以創新發展傳統生物質炭化技術為核心，通過炭化技術工藝改進優化，以及熱解氣分離、凈化和提質等技術集成，生產高品質生物炭、生物質燃氣、木焦油和木醋液等多種產品[10]。該工藝是各類生物質熱解多聯產工藝模式的原型。

生物質連續熱解炭氣油聯產工藝路線如圖 1所示，主要包括原料預處理、連續炭化、除塵、多級冷凝、深度凈化等工序。多級冷凝和深度凈化用將焦油與醋液從高溫熱解氣中逐級分離，最終實現炭氣油（液）聯產。對于木質炭或果殼炭，可進一步活化處理，生產活性炭，用作吸附劑或鈍化劑等，深度凈化后的熱解氣如進一步脫碳處理，可以生成更高品質的燃氣。

2.2 多聯產技術衍生模式

以生物質熱解炭氣油聯產模式為基礎，融合能源梯級利用，多能互補與分布式能源等現代能源利用技術與理念，可實現炭、氣、油、汽、冷、熱、電等多種高品位產品多種形式的聯產，聯產模式與實現路徑如圖 2所示。生物質熱解多聯產技術具有資源利用率高、產品形式多樣、二次污染少等優點，可進一步提高生物質資源的開發利用綜合效益，符合中國生物質資源開發利用戰略需要，具有良好的推廣應用前景。下文分述 3種典型熱解多聯產模式。

圖2 生物質熱解多聯產技術發展路徑Fig.2 Technology development path of biomass pyrolysis poly-generation

生物質熱解炭氣聯產技術模式如圖 3所示。高溫熱解氣一般不進行冷凝分離直接進入蒸氣鍋爐燃燒生產高溫蒸汽，或將高溫熱解氣進一步增溫，進行催化裂解除焦并經除塵設備脫塵后，通入蒸汽鍋爐燃燒生產高溫蒸汽。高溫蒸汽可用于居民供暖或工業生產。該聯產模式與炭氣油聯產模式相比，具有工藝簡單，生產成本低等優點，適合在有蒸汽需求的工業園區或供暖需求的居民區推廣使用，若本技術模式只用于冬季供熱，設備的利用率將受到一定限制。

圖3 生物質熱解炭汽聯產技術模式Fig.3 Poly-generation mode of biochar and steam with biomass pyrolysis technology

生物質熱解炭氣電聯產技術模式如圖 4所示。高溫熱解氣經凈化分離后進入儲氣柜存儲，熱解氣通過管道入戶優先供應居民作為炊事、取暖等日常用能，多余的熱解氣用于內燃機發電。該模式具有機動、靈活的特點，幾乎不受地域和自然條件限制，具有廣泛的適用性。目前小型發電系統上網或建立微電網系統還比較困難，使得該模式應用中存在一定的局限性，

圖4 生物質熱解炭氣電聯產技術模式Fig.4 Poly-generation mode of biochar, gas and electricity with biomass pyrolysis technology

生物質熱解炭氣汽電聯產技術模式如圖 5所示。高溫熱解氣經凈化分離后進入儲氣柜存儲，熱解氣通過管道入戶優先供應居民作為炊事用能，多余的熱解氣用于內燃機發電或生產蒸汽。與炭氣電聯產模式相比，該模式具有更好的適用性，對于生產規模較大的項目，夏季供戶外的燃氣主要用于發電，冬季供戶外的燃氣主要用于生產蒸汽集中供暖，可實現全年生產平衡、供暖與發電互補。但與炭氣電聯產模式相比，此模式的項目投資會相應增加。

圖5 生物質熱解炭氣汽電聯產模式Fig.5 Poly-generation mode of biochar, gas, steam and electricity with biomass pyrolysis technology

2.3 多聯產供暖應用模式分析

考慮農村經濟社會與農業生產等發展條件，結合對生物質熱解多聯產技術現狀與應用模式的分析，以熱解炭氣油聯產和炭氣聯產技術為核心，提出了 2種適宜北方不同條件的農村地區清潔供暖應用模式。

圖6a是基于炭氣油聯產的清潔循環供暖模式（以下簡稱“模式一”），適用于以自然村為主體的農村清潔供暖。熱解氣經凈化分離后經管道入戶，通過燃氣壁掛爐對農戶分散供暖。生物質熱解后分離出的液相產物包括木焦油與木醋液。木焦油全部回用燃燒對炭化系統和干燥系統供熱，醋液農用作為殺蟲劑。生物炭包括秸稈炭與木質炭，其中秸稈炭經復混調質加工后生產炭基肥就地利用，木質炭粉碎成型后制作機制炭，通過專用的爐具供農戶冬季取暖。由于夏季和冬季用氣需求變化較大，設備可在不同的負載模式下運行。

圖6b是基于炭氣聯產的循環供暖模式（以下簡稱“模式二”），適用于以農村社區為主體的農村清潔供暖。高溫熱解氣直接進入燃氣鍋爐生產蒸汽，蒸汽經供暖管道對社區農戶集中供暖。生產的生物炭包括秸稈炭與木質炭，其中秸稈炭經復混調質加工后生產炭基肥就地利用，木質炭粉碎成型后制作機制炭，可作為燒烤炭出售。該模式技術路線簡單實用，但用氣量受季節性影響比模式一還要大。

以上2種模式的主要特點包括：1）生產清潔，通過熱解氣凈化處理，將熱解過程產生的焦油與醋液有效回收并妥善應用，使生產過程中無焦油等污染物排放；2）運行高效，通過焦油或部分熱解氣的燃燒回用，減少了生產過程中的輸入性能源消耗，可降低生產成本；3）循環生產，各類產品均實現了物質或能量的本地消納或循環，建立了以自然村或農村社區為單位的物質能量微循環系統，對發展循環農業有促進作用。

圖6 自然村和農村社區生物質熱解聯產清潔供暖模式Fig.6 Clean heating mode based on pyrolysis poly-generation in natural village and rural community

3 技術適用性評價

3.1 技術可行性分析

炭氣油聯產或炭氣聯產 2種技術應用模式涉及的核心技術均為生物質連續熱解炭化技術，國內相關科研機構與企業，經過多年攻關，在物料有序輸送、高效換熱、動態密封等關鍵技術方面取得重要進展。尤其是回轉連續熱解裝備已初步具備示范推廣的基礎條件。借鑒煤化工領域成熟的燃氣處理工藝方法，結合生物質熱解氣組分特征，開發的生物質熱解氣凈化分離技術可有效脫除熱解氣中的灰塵和液體產物，保障清潔生產，避免環境污染。

炭基肥能夠補充植物所需的碳元素，改善土壤團粒結構，提高土壤保水保肥能力和肥料利用率[15]。炭基肥分為炭基有機肥、炭基無機肥和炭基有機無機復合肥 3類。炭基肥產品種類開始向多樣化方向發展，炭基肥配方以及復混、成型等生產技術日趨成熟，已初步具備試點示范應用和商品化推廣的基本條件。機制炭成型設備、燃氣蒸汽鍋爐等配套技術完全成熟，配置市場上型號合適的設備即可滿足生產需要。

3.2 經濟可行性分析

以上2種模式分別以200戶規模的自然村和農村社區為例進行經濟性測算。供暖季每戶熱解氣消耗量為15～18 m3/d（其中炊事用氣為 1 m3/d，熱解氣熱值>15 MJ/m3）[38]，模式一需要原料處理能力為1 t/h的連續熱解設備1套，日產氣量為3 360 m3左右[39]。同等條件下蒸汽集中供熱熱效率更高，且不提供炊事用燃氣，模式二需要原料處理能力為0.8 t/h的連續熱解設備1套。供暖期按4個月計算，每個供暖季2種模式分別需要處理各類生物質原料量為2 880和2 304 t。因秸稈炭與木質炭用途不同，秸稈原料和木質原料比例按1∶1計算。

項目投資與產出情況如表1所示，2種模式的設備與土建投資均按目前技術比較成熟的回轉連續式炭化設備核算，可滿足相關部門安評、環評和能評等方面的要求。干秸稈和干樹枝（含水率不超過15%）到廠價分別為250、350元/t。通過熱解氣回用燃燒對系統加熱，只有在系統啟動時用柴油點火，燃料費用較低。項目運行需 3個人工，人均工資按3 000元/月計算。項目運行中的電力消耗主要用于原料粉碎，每粉碎1 t原料需要耗電32 kW·h，系統運行每小時耗電8 kW·h左右。秸稈炭作為炭基肥的原料，價格按1 200元/t測算，木質炭作為機制炭原料，價格按3 000元/t測算。燃氣價格為1元/m3，蒸汽供熱每個供暖季平均每戶按1 600元計算。設備折舊按8 a計算，經測算分析，該2種模式的毛利潤分別為101.4和79.7萬元，4～5 a可收回項目投資。

根據中國農村的現實情況和現有類似項目的運營經驗，此類項目也可以通過政府或村集體籌資建設，運營過程中，農民用原料換產品（比如秸稈換氣、秸稈換機制炭等），項目運行將表現出更好的經濟性。

表1 熱解多聯產供熱項目投入產出估算表Table 1 Input and output estimation of heating project base on poly-generation of biomass pyrolysis ×104 yuan

3.3 環境影響評價

生物質能溫室氣體減排CO2當量按40 g/MJ計算[40]，通過燃煤替代和炭基肥固碳減排，2個項目每年折合減排CO2分別為2 304和1 843 t。另外，通過燃氣燃燒供暖，可有效減少供暖季農村散煤利用產生的顆粒物與SO2排放。

2種模式采用的生產工藝科學合理，通過部分燃氣回用給系統加熱，其中模式 1分離出的熱解油通過油氣混燃實現清潔燃燒，生產過程清潔，無污染物排放。另外，生物炭無論制成機制炭作為能源利用，還是通過復混加工炭基肥作為肥料利用，在能源替代與化肥替代方面對環境均有重要影響。

4 結 論

1）北方農村取暖分布分散，與城市采暖存在明顯不同，北方農村采暖存在供暖基礎設施落后、能源利用率低、污染排放嚴重等突出問題。同時，在采暖需求方面主要表現為北方農村地區供暖需求體量大、“散炭替代”是北方農村采暖的首要任務、節能推廣在北方農村采暖中亟需落實。

2）連續式生物質炭化技術具有生產效率高、產品性能穩定、過程控制方便等優點，以連續式熱解炭氣油聯產模式為基礎，生物質熱解可衍生出多種聯產模式。以炭氣油和炭汽聯產技術為核心，提出了適宜自然村和農村社區應用的北方地區農村清潔供暖模式。

3）對2種清潔供暖模式可行性分析結果表明，生物質熱解多聯產適用于北方農村清潔供暖，尤其應優先示范推廣以自然村或新型農村社區為單位的小型集中或分散供暖。該技術方案可為破解北方地區農村清潔取暖問題提供新思路、新途徑。

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