碳中和目標下農村地區生物質清潔供暖碳減排及經濟性分析

焦銘澤，閆 銘，薛春瑜，任彥波，王 雯，王 玨，劉廣青

（1.北京化工大學 化學工程學院，北京 100029；2.中國農村能源行業協會，北京 100125；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 100029）

0 引言

自2007年以來，我國一直是世界上碳排放總量最大的國家。在第七十五屆聯合國大會一般性辯論和雄心峰會上，我國提出力爭于2030年前二氧化碳排放到達峰值，努力爭取在2060年前實現“碳中和”。中央農村工作會議上也強調了農業農村領域減排固碳的重要性。在可持續使用的前提下，生物質被認為是一種“零碳”能源[1]。在全球“碳中和”的大背景下，如何充分利用以能源作物為代表的生物質資源在我國受到了廣泛關注。

我國具有豐富的農林生物質資源，2017年農作物秸稈可收集資源為6.74億t，未利用量為8 900萬t，折合標準煤約2 960萬t（按熱值計算，大約3 t秸稈可折合1 t標準煤），其它林業廢棄物約3.5億t，折合標準煤約1.75億t（按熱值計算，大約2 t林業廢棄物可折合1 t標準煤）[2]。近年來，“煤改氣、煤改電”取得顯著成效，但受限于農村經濟發展水平、能源基礎設施條件及居民消費承受能力等因素，短期內在很多農村地區大規模推廣“煤改氣、煤改電”仍有一定難度。利用農村地區豐富的農林生物質進行清潔采暖，既是符合當前國情的對部分農村地區進行清潔供暖的有效措施，也是實現低碳經濟的重要途徑。《關于促進生物質供熱發展的指導意見》指出，生物質能供熱是綠色低碳，2035年生物質成型燃料消費量將達到5 000萬t。國家近期出臺的《關于做好可再生能源發展“十四五”規劃編制工作有關事項的通知》（國能綜通新能〔2020〕29號）和國家能源局《關于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》（國能發新能〔2021〕3號）等文件，均大力鼓勵與支持生物質清潔供熱。

相比于燃煤，在農村地區使用生物質燃料進行冬季供暖能夠有效降低主要常規污染物的排放[3]～[5]。發展生物質能，不僅有利于實現農業農村廢棄物的高效利用，解決農村地區清潔能源供應的短板，還可提高農民生活質量，改善農村人居環境，既是全面推進鄉村振興與綠色低碳循環發展的一項重要工作，也是推動農業農村節能減排和低碳發展，實現農業農村領域“碳達峰、碳中和”的重要舉措。本文通過對農村生物質供暖現狀、減排效果和經濟性的分析，為我國農村地區在碳中和目標下的生物質清潔供暖提出建議。

1 國內外生物質供暖技術研究現狀

生物質燃燒供暖技術的研究始于歐洲及北美，從20世紀20年代開始，部分研究人員著眼于生物能源的再生優勢，嘗試采用生物質進行供熱。從上世紀中葉至本世紀初，由于化石能源的短缺和過度開采造成的環境破壞問題越來越受到國際社會的廣泛關注，生物質能源迎來了飛速發展，逐步通過開發生物質燃料及相關配套裝置替代傳統的燃煤鍋爐。近年來，歐盟國家已經開始大規模進行生物質能源的產業化研究和生產，其生物質燃燒供暖技術已經相對成熟，具有自動化程度高、操作簡單、相關配套系統齊全等優點。目前，全球生物質供熱占總熱能消耗的6.5%，而歐洲的生物質供熱占歐洲總熱能消耗的17%[6]。近年來，生物質燃燒過程中產生的污染排放和灰分結渣問題引起了全球學者的關注。文獻[7]對生物質燃燒器的一二次配風進行了研究，并提出了多種用于辨識和優化二次風參數以減少顆粒物和其他有害污染物的實驗和測試方法。文獻[8]通過對燃燒過程的數值模擬建立了生物質燃燒過程的穩態模型，用以指導新型的生物質鍋爐開發。為了解決燃料與鍋爐燃燒適配性問題，文獻[9]研究了燃料元素與排放、結渣的定性指標關系。

我國的生物質鍋爐供暖技術起步于20世紀80年代，研究人員通過引進國外的生物質供暖鍋爐，研發了符合我國國情的生物質供暖技術。進入21世紀以來，我國的生物質產業發展迅速，根據《北方地區清潔取暖規劃（2017-2021）》中提出的目標，2021年我國的生物質供暖面積將達21億m2。目前，我國的生物質鍋爐主要存在運行不穩定、燃燒效率低、污染物排放難以智能化控制等問題。國內很多科研機構對生物質鍋爐進行了大量研究，并與企業合作開發了符合我國生物質特點的生物質鍋爐。哈爾濱工業大學通過歐拉二維模擬方法對生物質復雜的燃燒過程和污染物釋放規律進行了較好的預測[10]。清華大學通過理論計算得到了生物質燃燒過程中燃料型NOx轉化的化學動力模型，并成功開發了一臺處理量為0.5 t/h的生物質熱水鏈條爐，將其應用于大棚供暖[11]。北京化工大學建立了實際燃燒工況的影響因素與排放模型，結合我國實際情況對生物質鍋爐進行了優化，并與企業合作開發了多款生物質鍋爐[12]。雖然我國在生物質供暖技術上取得了一定的技術創新和突破，但目前研究的重點主要集中于理論模型和大型生物質鍋爐燃燒發電領域，對于民用小型生物質供暖鍋爐的研究還不夠深入與系統。如表1所示，相比于國外先進的小型生物質鍋爐，國內市場上推廣的小型生物質供暖鍋爐仍存在燃料適應性不強、燃燒效率與污染控制不穩定以及智能化程度低等問題。

表1 典型生物質供暖設備的優缺點對比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages of typical biomass heating equipment

從燃燒技術上看，空氣分級燃燒仍然是當前生物質高效燃燒的主流技術。一次空氣隨著氣流被引導至固定床，使燃料進行貧氧熱解和燃燒，并構建碳還原區域用來減少氮氧化物的排放；二次空氣通過強制配風進入固定床上方，實現與揮發性氣體的充分燃燒，從而減少一氧化碳、顆粒物以及其他未燃燒的揮發性有機化合物的排放。一般而言，小型生物質供暖鍋爐的燃燒排放遵循以下規律：①對于操作類型：自然通風＞強制通風、手動加料＞自動進料；②對于燃料種類：原木＞木片＞顆粒燃料；③對于設備類型：原木鍋爐＞顆粒爐具[6]。

2 農村生物質取暖技術路徑分析

基于以上國內外研究內容可知，近年來對于生物質燃燒技術的研究和應用較上個世紀已有了很大提升。在散煤替代以及碳中和的大背景下，生物質能源已在我國農村供暖領域得到了大力推廣。從模式上，農村生物質取暖大致可分為生物質集中供暖和生物質分散供暖，其中生物質集中供暖又以生物質成型燃料燃燒和秸稈打捆直燃集中供暖為主（圖1）。

圖1 我國農村生物質清潔供暖技術路徑Fig.1 Biomass clean heating methods in rural China

生物質成型燃料集中供暖就是將生物質原料加工成顆粒/壓塊狀燃料，或將樹枝制作成切片燃料，然后在專業的生物質鍋爐中燃燒供暖。2019年，陽信程塢小學引進了國際先進的KWB生物質鍋爐系統，用于全校師生冬季取暖，鍋爐熱效率高達94%，煙氣排放明顯低于《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）規定的新建燃煤鍋爐的排放限制。

秸稈打捆直燃集中供暖就是將秸稈打捆直接適配在專用鍋爐燃燒，為農村社區、學校、醫院、鄉鎮政府，以及種養設施、農產品加工、工業生產等供暖供熱。截至2020年底，已在遼寧、黑龍江、河北、山西、吉林等省建成259處秸稈打捆直燃集中供暖工程，供暖面積達1 100多萬m2。某工程環保監測報告顯示，該供暖工程的排放指標低于《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2014），與燃煤相比，二氧化硫排放減少67.7%，二氧化碳實現了零排放。

生物質成型燃料+專用爐具分散炊事取暖就是把秸稈、林業廢棄物等生物質加工成塊狀、棒狀、顆粒狀或者切片，在戶用生物質爐具使用。在大氣污染重點防治地區，主要用于“煤改電”“煤改氣”難以覆蓋的農戶分散炊事取暖；在其他地區，廣泛應用于生產生活用能。陽信縣項目環保監測報告顯示，該項目的排放指標低于《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271—2014），與燃煤相比，二氧化硫排放減少了99%，二氧化碳實現了零排放。

建議在秸稈、林業廢棄物資源豐富的地區，大力推廣生物質成型燃料集中供暖供熱。為解決已有供暖管網的燃煤鍋爐替代，可重點推廣秸稈打捆直燃集中供暖；在不便于秸稈打捆運輸的地區，若居民居住較為集中，應大力推廣生物質成型燃料+專用鍋爐；在“煤改氣”“煤改電”不能覆蓋、分散居住的農戶，應推廣生物質成型燃料+專用爐具。

3 農村生物質供暖的減排效果評估

近年來，研究人員為了更加明確冬季采暖過程中固體燃料燃燒造成的污染物排放，對用戶實際生活中的污染物排放水平進行了實地測試，結果見表2[4]，[5]。由表2可知，與傳統民用燃煤爐具相比，生物質爐具燃燒更加穩定，污染物排放波動小，常規污染物CO和PM2.5的排放因子明顯降低。

表2 民用燃料爐具CO，PM2.5排放因子對比Table 2 Comparison of emission factors of CO and PM2.5 from the fuel-stove combinations g/kg

一般來說，生物在生長過程中所需的碳均來源于大氣中的CO2，因此，隨著未來生物碳捕集和碳封存技術的不斷發展，生物質能源利用會趨于碳中和或負碳排放趨勢。相比于傳統的化石能源，生物質燃料作為全球公認的碳中和燃料，具有顯著的正向環境效益。本研究以2017年《關于促進生物質供熱發展的指導意見》中提出的2035年生物質成型燃料消費總量（5 000萬t）作為參考依據，以農村總供熱面積（70億m2）和農林廢棄物資源總量（約10億t）的20%作為邊界條件，設定未來生物質燃料的年增長率。通過情景分析對未來生物質供暖燃料的發展進行了兩個情景的預測計算。

基準情景：以2015-2020年的增長速率和《關于促進生物質供熱發展的指導意見》中2035年消費目標為基準點，進行趨勢延伸，同時不考慮未來相關標準及政策變化，設定2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增長率分別為5%，3%，1%，1%。

碳中和情景：受國家能源發展規劃及全球碳中和大背景下可再生能源在一次能源中的占比逐步 提 升 的 影 響，2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增長率相應提升，分別為10%，5%，3%，1%。

生物質燃燒時，CO2減排量E的計算式為[13]

式中：Ai為第i種燃料的質量，kg；Fi為第i種燃料的標煤折算系數，kg/kg；i為燃料類型；I為燃料類型數。

由中國節能產業網的《碳排放量的計算方法及與電的換算公式》可知，節約1 t標準煤，可減排二氧化碳2.493 t[14]。根據《中國清潔供熱產業發展報告2021》，本研究的農業廢棄物（秸稈類）和林業廢棄物（木質類）燃料種類的占比分別為70%和30%，其標煤折算系數分別為0.3，0.5 kg/kg[2]。

根據上述情景計算得到的生物質燃料利用量和CO2減排量如圖2所示。從圖2可以看出：在基準情景下，2060年的CO2減排量約為7 100萬t，是2020年的2.5倍，生物質燃料利用量約為8 000萬t；在碳中和情景下，2060年的CO2減排量約為1.7億t，是2020年的6倍，生物質燃料利用量約為1.9億t。綜上可知，大力發展生物質燃料對于二氧化碳減排和碳中和的實現具有重大貢獻。

圖2 不同情景下的生物質燃料利用量和CO2減排量Fig.2 Biomass fuel consumption and CO2 emission reduction under different scenarios

4 農村地區生物質供暖經濟性分析

本文以全國農村生物質清潔取暖示范縣山東省陽信縣和黑龍江省海倫市為例，調研兩種不同冬季清潔采暖方式（戶用爐具和區域集中供熱系統）的經濟性。調研過程中我們對每個家庭的成本要素進行了評估，以分析提供清潔供暖服務所涉及的財務負擔。

不同分散式清潔取暖技術路徑的年化成本差距較大，這是因為生物質顆粒燃料替代散煤燃燒的基礎設施建設費用為0，而天然氣入戶需增加管網建設，“煤改電”需進行電網改造升級，根據地區和使用年限的不同，其基礎設施建設年化費用為350～1 000元[15]。本研究以山東省陽信縣的生物質取暖現狀為例，根據典型農村住宅的熱負荷進行清潔取暖設備選型，將熱源初始投資及年運行費用列于表3。由表3可知，空氣源熱泵熱水機供暖的折算費用年值最高，為26.3元/m2，生物質顆粒爐具供暖的折算費用年值最低，為14.9元/m2。

表3 農村分散式清潔供暖方式的經濟性對比Table 3 Economic comparison of different rural decentralized clean heating methods

對于農村集中式鍋爐采暖方式，本研究以海倫市北海鎮總供暖面積為23.5萬m2的秸稈直燃鍋爐為例。根據實地調研結果，將改造前后的秸稈直燃鍋爐與燃煤鍋爐進行經濟性對比（表4）。由表4可知，秸稈打捆直燃鍋爐的單位面積供暖成本遠低于燃煤鍋爐。

表4 不同農村集中供暖方式的經濟性對比Table 4 Economic comparison of different rural central heating methods

5 結論與建議

①在全球碳中和大背景下，在農村地區推廣生物質清潔供暖，減排預期十分顯著，并且擁有很強的經濟適應性，有助于推動農村地區的節能減排與碳中和目標的實現。

②對于農村地區的生物質供暖，應做到因地制宜，對于人口密集、已有供熱管網的地區，優先實施生物質區域供暖；對于“雙替代”無法覆蓋且用戶分散的地區，優先推廣“生物質成型燃料+專用爐具”采暖方式。

③對比其他清潔取暖方式，生物質供暖呈現了很強的經濟性優勢，可以在生物質資源豐富，且難以承受電供暖與燃氣供暖費用的地區大規模推廣。

④政府應在北方地區冬季清潔取暖資金安排中對“煤改生物質”給予重點支持。根據不同的生物質能利用技術，研究市場化發展的政策體系，分類制定補貼標準、扶持方式和支持環節。

⑤加強生物質燃料質量監控體系以及生物質清潔供暖項目的綜合效益評估體系建設，保障生物質清潔供暖項目的效益最大化。

⑥積極支持生物質清潔供暖的技術創新，加強國際合作，促進產學研合作平臺建設，推進技術革新與產業升級。

⑦我國應積極支持生物質碳交易，通過碳金融的手段，實現生物質碳減排的價值，為生物質供暖的可持續推廣提供資金保障。