生物質能供熱研究分析

陶元慶 董歲具

（1.鄭州熱力集團有限公司，河南 鄭州 450015；2.鄭州市穎達熱力工程設計有限公司，河南 鄭州450015）

0 引言

隨著我國居民生活水平的不斷提高，北方地區采暖供需矛盾日益突出，取暖成為重要的民生問題。國家統計局公布的資料顯示，2019年我國集中供熱面積已達92.51億m2，近10年集中供熱面積年均增長率超過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。

針對日益突出的氣候環境問題，我國承諾CO2排放將在2030 年達到峰值，2060 年努力實現碳中和。“雙碳”目標的提出，將引領我國供熱行業朝著綠色低碳方向發展。因此，以生物質能、太陽能、地熱能為主的可再生能源在供熱領域將發揮重要作用。

1 生物質能供熱狀況及存在問題

生物質能是一種可再生能源，以動植物和微生物為載體來儲存能量，可轉化為固、液、氣態燃料。目前，我國在生物質能源供熱技術上的研究還處于初期階段，主要以生物質鍋爐或熱電聯產進行集中供熱。城鄉地區可利用中小型生物質沼氣或燃料鍋爐開展分布式供熱，農村分散戶可采用生物質爐具進行供熱等，生物質能源的利用效率有待進一步提升。

國外在很早之前就開始使用生物質能供熱，芬蘭、瑞典、丹麥等北歐國家一直在推廣使用生物質能源。生物質能源在芬蘭使用的可再生能源利用中占比接近90%，瑞典的生物質供熱發電占全國能源消費總量的16.5%、占供熱能源消費總量的68.5%［2］。隨著全球能源的轉型升級，生物質能源利用技術也將迎來新的發展契機。

我國生物質能供熱經過多年發展，雖有進步，但仍存在以下4 個問題。①生物質能發展政策支持力度不足。缺乏相應的制度、規范來保障供熱項目運行，沒有形成統一規劃，存在發展資金不足等問題。②生物質熱電聯產、生物質鍋爐等關鍵技術有待進一步完善。應大力解決鍋爐結垢、結渣、腐蝕問題，降低系統運行維護成本，提高熱值轉化能力。③未形成生物質成型燃料產業鏈。從原料收、儲、運、處理，到成型燃料生產、配送、應用等，這些環節不成體系，材料價格波動較大，與化石燃料競爭處于劣勢。④對生物質能利用意識不足。生物質電廠周邊缺乏配套設施管網，熱電聯產利用率低，生物質供熱定價政策不完善。

2 生物質能源形式

2.1 生物質成型燃料

生物質成型燃料以農林物質為原料制成，可根據需要加工成各種形狀和規格的塊體或顆粒供燃燒使用，成型燃料便于儲存運輸，燃燒性能優越，污染物排放較少。我國大部分生物質供熱項目采用生物質成型燃料作為原料［3］。

生物質成型燃料可在熱電聯產項目、鍋爐或爐具中燃燒使用，能滿足鄉鎮、工廠企業區域用熱及分布式居民區或分散農戶的用熱需求，2019年我國生物質成型燃料利用量已接近1 200萬t［4］。

2.2 生物質氣體燃料

生物質氣體燃料是禽畜糞便、秸稈廢物等有機物經發酵加工得到的生物質沼氣。生物質沼氣可用于居民生活供氣，也可利用專用鍋爐進行熱電聯產或集中供熱。目前，生物質沼氣工程主要以小型項目為主，大中型沼氣工程所占比例較小，城鄉地區較大規模的家禽畜養殖基地是沼氣生產的重要來源。雖然生物質氣體的燃料資源量豐富，但規模化應用水平較低。

2.3 生物質液體燃料

生物質液體燃料主要包括生物質甲醇、乙醇和柴油等，可作為燃料進行使用。甲醇可通過生物質氣化合成，常溫下為液體，儲運方便，安全環保，有較廣闊的應用前景，但其生產成本較高。生物質乙醇的生產技術較為成熟，產量較高，原料多為糧食作物。燃料乙醇被廣泛用于交通能源領域，供熱領域應用較少。生物質柴油是以廢棄油脂為原料提煉得到的，我國生物質柴油發展處于起步階段，2019 年的產量約為1 200 000 t［5］。目前，生物質柴油的生產規模和生產技術水平較低，沒有統一的質量標準，流通具有一定的局限性，無法滿足大規模應用要求。

3 生物質能供熱方式

隨著清潔供暖的持續推進，生物質供熱項目和供熱面積逐年增多，到2019年末，我國生物質能供熱項目已超1 100個，生物質能供熱面積已達4.8億m2［6］。

3.1 生物質熱電聯產供熱

生物質熱電聯產分為生物質直燃、混燃、垃圾焚燒、垃圾填埋氣和沼氣等形式［7］。熱電聯產結合城鄉資源的合理布局，能有效帶動資源的高效利用，滿足區域的用電、供熱需求。受大氣污染攻堅行動影響，燃煤受到一定程度的限制，生物質熱電聯產將成為重要的區域性清潔供熱方式。

3.2 生物質鍋爐供熱

經過對生物質鍋爐的改良發展，熱值轉化效率不斷提高，生物質鍋爐供熱各項技術已趨向成熟，較燃煤鍋爐有良好的環保性能。生物質鍋爐供熱形式相對靈活、污染物排放少、運行成本適中，可在非集中供暖或偏遠地區開展分布式供熱。

目前，我國大部分生物質鍋爐主要采用成型燃料供熱或提供熱水。生物質鍋爐還可利用生物質甲醇、乙醇、柴油等液體燃料，或生物質沼氣、天然氣等氣體燃料，但目前這些燃料的使用在制備技術、產能、成本等方面還有待進一步改進。

3.3 生物質爐具供熱

按照使用功能可將生物質爐具分為炊事采暖爐、炊事烤火爐和炊事爐［8］。生物質爐具安裝簡單、使用方便，主要適合普通農村及偏遠山區家庭戶使用，通過爐具將水加熱，循環供應來提高室溫。爐具成型燃料多為顆粒狀或壓塊狀，使用時，人工定時向料斗添加燃料或清灰，操作簡便。

生物質爐具在農村地區的推廣使用，可促進農林廢棄物的循環利用，減少煤炭消耗量，改善鄉村環境，推進農村清潔取暖。

4 生物質能供熱經濟性分析

采暖運行費用主要包括能源消耗費用（燃煤、燃油、燃氣、電等）、設備維修費用、人工費和管理費，其中，能源消耗費用占絕大部分［9］。在對采暖運行費用進行分析時，可用能源的購買費用作為主體進行估算［10］。生物質能供熱和其他采暖方式相同，都是通過消耗能源來提供熱能，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，是由燃料的價格、熱值及該種熱能的利用效率計算出來的。通過對比生物質成型燃料、煤炭、天然氣、電能這4 種能源的單位供熱成本，簡要分析生物質能供熱的經濟性。不同熱源燃料單位供熱成本比較見表1。

表1 不同熱源燃料單位供熱成本

由表1 可知，當前環境下燃煤供熱成本上漲過快，已和生物質成型燃料供熱成本相當，這是因為在國家環保政策及“雙碳”目標的驅動下，煤炭的產能和使用受到限制，導致煤炭價格居高不下，造成供熱成本升高。天然氣供熱的單位成本為生物質燃料供熱的1.5~2.0 倍，而直接用電能轉化為熱能供熱的成本為生物質燃料供熱的3~4倍。

綜上所述，隨著對清潔供熱、低碳供熱需求的不斷增加，生物質能作為可再生能源具有較好的發展優勢，不論是從生物質的資源規模，還是節能環保等方面，利用生物質能供熱都是可行的。

5 生物質能供熱項目應用分析

5.1 鍋爐供熱應用

2008 年10 月，北京市第一臺生物質供暖鍋爐在昌平區中國經濟時報社投入使用［11］。生物質顆粒代替燃油作為燃料，為報社辦公樓和家屬樓1.6 萬m2的建筑供暖。相比年采暖運行費約70 萬元的燃油鍋爐，生物質顆粒供暖鍋爐可節約一半的燃料運行費，減排二氧化碳400 t。

近年來，山東陽信縣在推動清潔取暖實踐中，大力推廣生物質能利用，結合當地實際，探索“生物質成型燃料+鍋爐機組分布式取暖”模式，以行政村為單位，開展管道及附屬設施建設，集中采用生物質燃料鍋爐供暖，將熱水輸送到村民家中，提高鄉村冬季采暖水平。

5.2 熱電聯產供熱應用

2021 年黑龍江肇東市生物質熱電聯產示范項目一次性并網成功，設備運行平穩，各項指標均達到技術規范要求。項目總投資約7.5 億元，建設2×40 MW 高溫超高壓一次再熱生物質電廠及其配套設施，包括循環流化床生物質鍋爐和抽凝汽輪發電供熱機組，是國內同類型總裝機容量最大的生物質熱電聯產項目。

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

5.3 河南省生物質能供熱應用

河南省是農業大省，農作物秸稈資源豐富，具備良好的生物質能開發利用條件。2019年，河南省發改委發布了一季度河南省新能源項目建設進度情況，全省共涉及51 個農林生物質發電項目，其中，25 個項目已建成運營，16 個項目正推進建設，10個項目待開工。

鶴壁市在清潔取暖工作中取得較好成效，在生物質能利用方面，積極推進智能化生物質爐具取暖，并結合當地資源結構、能源利用情況，有針對性地在生物質能豐富區域，布局建設以玉米秸稈、樹枝等農林廢棄物為主的生物質顆粒加工廠，就近供應農戶，實現生物質原料從收集到成品供應的循環利用。

2020 年12 月，河南省滑縣長青生物質熱電聯產項目首次并網發電成功，滑縣第一個農林生物質直燃電廠通過收集購進秸稈，增加農民收入。該項目占地面積11.2 hm2，總投資3.8 億元，建設規模為1×140 t/h 高效生物質鍋爐和1×35 MW 抽凝汽輪發電機組。該項目每年可消耗農林廢棄物約35 萬t，年發電量約2.8億kW·h，供熱面積約100萬m2。

近年來，河南省批準建設了一批生物質電廠及熱電聯產項目，項目在運營初期受政策支持收益可觀，但經長期發展后，面臨熱能利用率不高、供熱能力不足等問題。同時，生物質成型燃料在發展過程中，受季節和生產水平的影響，產業化水平較低，沒有形成統一的質量標準。

5.4 河南省生物質能供熱分析

《河南省“十四五”現代能源體系和碳達峰碳中和規劃》指出，提升生物質能利用水平，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、加工轉化、就近利用的生產消費體系。結合規劃要求，在生物質能供熱發展實踐中，應充分考慮用能結構和資源稟賦，因地制宜選用合適的生物質能供熱方式，基本圍繞以下4個方面開展。

一是推動生物質能源梯級利用。縣域范圍優先結合生物質熱電聯產項目集中供熱，在配套管網建設方面提前謀劃，完善附屬設施建設，使生物質熱電聯產供熱輻射縣域及大鄉鎮，滿足城鄉居民集中用熱需求，確保熱電聯產項目供需平衡，發揮最大效益。鄉鎮區域結合實際情況開展生物質鍋爐供熱，農村地區推廣生物質爐具取暖，完善清潔分布式供熱體系。

二是加快建設生物質燃料基地。出臺統一標準，推動成型燃料、非糧液體生物燃料發展，結合農作物分布特點，合理布局大型生物質成型燃料收儲加工基地，加快生物質成型燃料產業化，出臺措施鼓勵秸稈及農作物廢棄物回收利用，提高原材料供應能力和產品轉化力。在生物質成型燃料推廣方面，完善定價機制和銷售渠道，保障產品供應穩定。

三是穩步發展生物質供氣供熱。在糧食生產核心區、農作物秸稈豐富縣區、規模化畜禽養殖發達地區，布局建設大型秸稈沼氣、畜禽養殖場沼氣、生物質氣化等工程，提高生物質氣體燃料制備能力。建設配套供氣、供熱管網向鄰近城鎮、農村等區域延伸覆蓋，為具備條件的村鎮提供集中供氣，促進以生物質沼氣為紐帶的生態循環農業發展。

四是加大生物質能利用宣傳力度。以“雙碳”目標為契機，加大生物質能的宣傳利用，特別是縣域及農村地區，要充分利用農作物和林業廢棄物資源，發展生物質能循環經濟，提高生物質能利用意識，嚴格控制煤炭散燒，大力推動清潔能源替代，使生物質能源利用的意識深入人心。

6 建議

針對目前生物質供熱存在供熱能力小、原料供應不穩定、產業化水平低等問題，結合河南省生物質能利用的發展現狀進行分析，提出以下3個建議。

①利用資源稟賦，因地制宜發展生物質相關產業。河南省作為農作物秸稈大省，農林生物質資源豐富，應加大技術研發創新力度，構建以生物質燃料為主的產業鏈，保證生物質燃料供應穩定。

②結合各地區發展水平和資源情況，加強政策引導，推動生物質能利用。鄭州市主城區適宜發展生物制燃氣，來替代一部分天然氣，生物質聯合制取液體燃料供熱等項目，其他地市及鄉鎮適宜生物質熱電聯產和規模化生物質鍋爐項目，農村地區建議推廣生物質爐具，因地制宜，共同推動河南省生物質能利用產業的發展。

③建立健全相關標準體系，探索建立生物質燃料質量標準化、生物質供熱技術標準化體系，完善政策法規，規范市場秩序，推動生物質能供熱規范化、規模化發展。

7 結論

以上研究表明，生物質資源豐富的地區，供熱潛力巨大，生物質能源利用已形成熱電聯產為主、分散式生物質爐具供熱的模式。在碳達峰碳中和政策推動下，生物質供熱成本已接近燃煤供熱成本，在環保及經濟性方面逐漸占據優勢。通過對生物質能供熱技術與發展現狀進行研究，得到以下結論。

①生物質能的發展受制于收集和運輸不便，應優先在鄉村地區消納，富余生物質可加工為成型燃料或天然氣輸送到就近城鎮供熱。

②畜禽養殖業發達地區，宜發展秸稈和糞污混合發酵制氣用于供熱。

③應充分利用垃圾電廠的余熱進行集中供熱。