生物質供熱的應用前景

曾智勇 董華佳

摘要：指出了“十一五”期間，煤炭資源在我國能源結構占比67.7%，而新能源、可再生資源占比不到7%，高度依賴傳統化石能源的形勢依然十分嚴重。隨著我國能源結構戰略調整和日益嚴格的環保要求，小規模燃煤鍋爐正逐步被淘汰，以天然氣、生物質燃料為代表的清潔能源鍋爐迎來了高速發展的機遇。我國是傳統的農業大國，生物質資源十分豐富，具有巨大的能源化利用空間。目前，生物質成型燃料、生物質天然氣、炭氣聯產等產業已經起步，呈現出良好的發展勢頭。生物質能在集中供熱領域具有廣闊的應用前景，在我國已基本實現商業化和規模化應用，正成為國家“煤改清潔能源”的重要力量。

關鍵詞：生物質;能源結構;集中供熱

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0198-03

1引言

進入21世紀，伴隨全球化的發展，能源和環境可持續發展已經成為世界各國共同關注的重大問題。改革開放40多年來，我國經濟發展取得了舉世矚目的成就，目前已經成為世界第二的能源消費大國。為了保障能源安全，以及堅持可持續發展道路，開發和利用新能源、可再生能源作為能源戰略寫進了我國的規劃發展報告。盡管近十年來，我國致力于新能源開發利用，煤炭、石油等化石能源主導著我國能源消費格局在長期不會發生改變仍是客觀事實。據資料顯示，“十一五”期間，煤炭資源在我國能源結構占比67.7%，石油占比22.7%，天然氣占比2.6%，而新能源、可再生資源占比不到7%（圖1）。

我國能源消費結構嚴重依賴煤炭資源，單一能源的高度依賴對我國能源戰略安全構成潛在的巨大威脅。此外，煤炭在燃燒過程中會產生溫室氣體CO2以及SO2、粉塵等，是形成大氣污染的重要原因之一。2013年，國家《大氣污染防治行動計劃的通知》中指出：加強工業企業大氣污染綜合治理，全面整治燃煤小鍋爐，加快推進清潔能源集中供熱工程建設;到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐;其他地區原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。天然氣是一種高品質的清潔能源，近年來我國天然氣消費不斷增長。提高天然氣在我國能源消費結構中的比重，是我國建設清潔低碳、安全高效的能源體系的重要組成部分。但是，我國天然氣資源相對匱乏，而且產業發展與歐美國家相比尚不成熟，在國內無法滿足需求的情況下，天然氣進口加劇，對外依存度不斷提高。2016～2018年，在北方推行“煤改氣”清潔采暖的背景下，我國的天然氣消費呈現劇增的趨勢，導致了供暖季期間出現嚴重的“氣荒”，影響了企業正常生產，給人們敲響了警鐘。實踐證明，發展多元化的新能源、可再生能源是我國實現可持續發展的不由之路。

2生物質能發展的概況

“十一五”之后，我國工業化進程已經由中期階段邁進了后期的發展，能源供需矛盾突出。為了解決能源結構單一的問題，國家開始高度重視新能源和可再生能源的發展。加快清潔能源、可再生能源的開發利用，有助于推動能源結構綠色轉型，促進我國能源可持續發展。

除了煤炭、石油、天然氣之外，生物質能是全球的第四大能源。在西方歐美等國家，將傳統的生物質能轉化為現代能源利用主要以建設大型的生物質能轉化工程為主。這種方式具有多采用前期投資大、產出高的特點。目前，在美國，生物質能已經成為的第二大可再生能源，僅次于水電;在歐盟國家中，開發利用的所有新能源和可再生能源（包括水電在內）中生物質能源已占總和的50%以上。

生物質能主要來源是農林生產中的廢棄物和禽畜糞便。我國地域遼闊，南北氣候差異明顯。因而，農作物的種植具有比較明顯的地域特性。我國可利用的農作物生物質燃料主要包括水稻秸稈、稻殼、大豆秸稈、玉米秸稈、花生秸稈、小麥秸稈、甘蔗秸稈、薯藤等。作為農林業生產大國，我國的生物質資源相當豐富，能源化利用潛力大。據統計，全國可利用的農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和生活垃圾與有機廢棄物等生物質資源總量每年約4.6億t標準煤。截至2015年，我國生物質能利用量不到3500萬t標準煤，其中商業化的生物質能利用量僅約1800萬t標準煤，商業化利用率低于4%。在人類發展的歷程里，利用生物質能已有幾千年的歷史，但是利用效率極低。近年來，隨著生活水平的提高，在我國一些新城鎮、新農村地區，農民開始大量使用天然氣、電力等優質高效燃料，用于炊事、取暖，而將農作物秸稈直接放在農田焚燒，不僅浪費了能源，也污染了環境。

生物質資源結構比較疏松，單位體積能量密度低，且不易貯運。但是，生物質也有許多獨特的優點：①產量大而且穩定，價格低廉，屬于可再生資源;②硫、氮含量低，燃燒后S02和NOx排放量低;③由于生物質能夠通過光合作用中會吸收C02，在整個生命周期基本可以實現零碳排放;④生物質灰分少，煙塵排放少。由此可見，生物質資源是清潔能源，為大氣治污、減少煤炭消費提供了一個新的選擇。高效利用生物質資源，不僅可以滿足高速發展的國民經濟對能源的需要，而且減少了礦物燃料的污染，可以產生巨大的經濟效益和環境效益。

我國《中華人民共和國可再生能源法》中明確了對于生物質能源發展的大力支持。2014年，國家環保部、國家能源局聯合發文“關于開展生物質成型燃料鍋爐供熱示范項目建設”的通知（國能新能[2014]295號），擬在全國范圍內特別是京津冀、長三角、珠三角等大氣治污形勢嚴峻的地區，建設生物質成型燃料鍋爐示范項目。相比發達國家，我國生物質能的商業化應用雖然起步較晚，但是生物質成型燃料、生物質天然氣、炭氣聯產、生物質鍋爐供熱等產業已經開始形成一定的規模，而且呈現出良好的發展勢頭。

3生物質應用技術

目前，生物質應用技術已經發展得比較成熟，基本可以劃分為三大類途徑：①直接燃燒;②物化轉化;③生化轉化。

3.1直接燃燒

直接燃燒的方式是將生物質直接作為爐灶、工業鍋爐等的燃料。在我國落后的農村地區，爐灶燃燒是常見的用能方式，具有效率低、污染嚴重的特點。隨著我國全面小康社會的建設，爐灶燃燒已經逐漸被淘汰。生物質工業鍋爐是先將生物質壓縮成密度大的性能接近煤的成型燃料，再將其燃燒轉換為熱能。生物質鍋爐排放的污染尾氣比燃煤鍋爐要低，發展前景良好。

3.2物化轉化

物化轉化主要包括熱裂解、生物質氣化及干餾技術等。物化轉化是把生物質轉變成熱值較高的可燃氣以及附屬產品生物質碳、木焦油、木醋液等物質。可燃氣可以作為生活燃氣或者工業用氣，組成成分包括甲烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等;生物質碳可替代天然碳和工業用碳;木焦油可應用于防水涂料、防腐漆和抗凝劑量的生產制作，是國際緊俏的產品;木醋液可形成多種化工產品，具有殺菌、治蟲、抗病的功效，廣泛應用于農林業、畜牧業和醫藥衛生業等。生物質物化轉化過程比較復雜，干餾技術、生物質氣化技術及熱裂解技術的反應條件和工藝也不盡相同，但基本都包括了生物質的干燥、氧化和還原反應過程。

3.3生化轉化

厭氧消化和酶分解是實現生化轉化的主要技術。厭氧消化是利用厭氧微生物在缺氧的情況下將生物質轉化為CH4、CO等可燃氣體，厭氧發酵殘留物是作農田的肥料的來源之一。酶技術是利用微生物體內的酶分解生物質，生產液體燃料，如乙醇、甲醇等。

通過不同途徑轉化，生物質能廣泛應用于發電、鍋爐成型燃料、沼氣、液體燃料等行業（表1）。根據“十三五”規劃，2016～2020年生物質重點產業將實現規模化發展，成為帶動新型城鎮化建設、農村經濟發展的新型產業。

4我國集中供熱的現狀

集中供熱可以分為建筑采暖和工業生產供熱。我國城市集中供熱始于20世紀50年代，起步階段集中供熱負荷以工業生產用蒸汽為主，建筑采暖負荷很小。20世紀70年代，在改革開放的強大推動下，我國的城市建筑采暖迎來了重要的發展，以熱電聯產為主的城市集中供熱行業不斷興旺壯大。20世紀90年代以來，區域鍋爐房開始作為集中供熱的新興力量進入快速發展階段。其中，區域鍋爐房集中供熱根據設備和燃料的不同，又可以分為電鍋爐、燃煤鍋爐、天然氣鍋爐和生物質鍋爐。

隨著我國城鎮化進程加速，改革開放以來我國城市集中供熱面積和供熱量實現了連續穩定增長。截至2017年底，我國城鄉建筑采暖總面積232億m²，其中城鎮供熱面積159億m²，農村供熱面積73億m²，年增量約5億m²。但是，集中供熱面積只有不到80億m²，占比34.5%（圖2）。

集中供熱與分戶供熱相比，具有節約燃料、污染小、噪音低、節省用地、自動化程度高、設備故障率低等優勢。目前，集中供熱行業正處于體制改革、設備更新、技術進步階段。隨著市政公用行業的逐步市場化，外資、民營等不同經濟成分開始在供熱市場活躍起來。供熱市場準人、特許經營、用熱商品化、熱計量收費等政策正在改革深化。此外，技術發展日新月異，節能高效、多熱源、聯片集中供熱、地源供熱、科學運行等新興技術不斷涌現，不斷推進行業深入發展。

5應用前景

隨著城鎮化建設的不斷提高完善，我國對集中供熱有著巨大的潛在需求。區域燃煤鍋爐供熱污染排放嚴重，大氣治污面臨著巨大壓力，小型燃煤鍋爐已經列入了逐步淘汰的時間進程表。作為煤炭替代能源之一的天然氣，其價格昂貴、供應不穩定的問題在短期很難得到有效的解決。生物質是一種清潔、低成本的綠色能源，而且在供熱領域相關應用技術已經成熟，將成為我國集中供熱市場的重要補充，具有廣闊的發展前景。