碳中和目标下农村地区生物质清洁供暖碳减排及经济性分析
时间：2023-06-02 09:45:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
焦铭泽，闫 铭，薛春瑜，任彦波，王 雯，王 珏，刘广青
（1.北京化工大学 化学工程学院，北京 100029；
2.中国农村能源行业协会，北京 100125；
3.中交第三公路工程局有限公司，北京 100029）
自2007年以来，我国一直是世界上碳排放总量最大的国家。在第七十五届联合国大会一般性辩论和雄心峰会上，我国提出力争于2030年前二氧化碳排放到达峰值，努力争取在2060年前实现“碳中和”。中央农村工作会议上也强调了农业农村领域减排固碳的重要性。在可持续使用的前提下，生物质被认为是一种“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为代表的生物质资源在我国受到了广泛关注。
我国具有丰富的农林生物质资源，2017年农作物秸秆可收集资源为6.74亿t，未利用量为8 900万t，折合标准煤约2 960万t（按热值计算，大约3 t秸秆可折合1 t标准煤），其它林业废弃物约3.5亿t，折合标准煤约1.75亿t（按热值计算，大约2 t林业废弃物可折合1 t标准煤）[2]。近年来，“煤改气、煤改电”取得显著成效，但受限于农村经济发展水平、能源基础设施条件及居民消费承受能力等因素，短期内在很多农村地区大规模推广“煤改气、煤改电”仍有一定难度。利用农村地区丰富的农林生物质进行清洁采暖，既是符合当前国情的对部分农村地区进行清洁供暖的有效措施，也是实现低碳经济的重要途径。《关于促进生物质供热发展的指导意见》指出，生物质能供热是绿色低碳，2035年生物质成型燃料消费量将达到5 000万t。国家近期出台的《关于做好可再生能源发展“十四五”规划编制工作有关事项的通知》（国能综通新能〔2020〕29号）和国家能源局《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》（国能发新能〔2021〕3号）等文件，均大力鼓励与支持生物质清洁供热。
相比于燃煤，在农村地区使用生物质燃料进行冬季供暖能够有效降低主要常规污染物的排放[3]～[5]。发展生物质能，不仅有利于实现农业农村废弃物的高效利用，解决农村地区清洁能源供应的短板，还可提高农民生活质量，改善农村人居环境，既是全面推进乡村振兴与绿色低碳循环发展的一项重要工作，也是推动农业农村节能减排和低碳发展，实现农业农村领域“碳达峰、碳中和”的重要举措。本文通过对农村生物质供暖现状、减排效果和经济性的分析，为我国农村地区在碳中和目标下的生物质清洁供暖提出建议。
生物质燃烧供暖技术的研究始于欧洲及北美，从20世纪20年代开始，部分研究人员着眼于生物能源的再生优势，尝试采用生物质进行供热。从上世纪中叶至本世纪初，由于化石能源的短缺和过度开采造成的环境破坏问题越来越受到国际社会的广泛关注，生物质能源迎来了飞速发展，逐步通过开发生物质燃料及相关配套装置替代传统的燃煤锅炉。近年来，欧盟国家已经开始大规模进行生物质能源的产业化研究和生产，其生物质燃烧供暖技术已经相对成熟，具有自动化程度高、操作简单、相关配套系统齐全等优点。目前，全球生物质供热占总热能消耗的6.5%，而欧洲的生物质供热占欧洲总热能消耗的17%[6]。近年来，生物质燃烧过程中产生的污染排放和灰分结渣问题引起了全球学者的关注。文献[7]对生物质燃烧器的一二次配风进行了研究，并提出了多种用于辨识和优化二次风参数以减少颗粒物和其他有害污染物的实验和测试方法。文献[8]通过对燃烧过程的数值模拟建立了生物质燃烧过程的稳态模型，用以指导新型的生物质锅炉开发。为了解决燃料与锅炉燃烧适配性问题，文献[9]研究了燃料元素与排放、结渣的定性指标关系。
我国的生物质锅炉供暖技术起步于20世纪80年代，研究人员通过引进国外的生物质供暖锅炉，研发了符合我国国情的生物质供暖技术。进入21世纪以来，我国的生物质产业发展迅速，根据《北方地区清洁取暖规划（2017-2021）》中提出的目标，2021年我国的生物质供暖面积将达21亿m2。目前，我国的生物质锅炉主要存在运行不稳定、燃烧效率低、污染物排放难以智能化控制等问题。国内很多科研机构对生物质锅炉进行了大量研究，并与企业合作开发了符合我国生物质特点的生物质锅炉。哈尔滨工业大学通过欧拉二维模拟方法对生物质复杂的燃烧过程和污染物释放规律进行了较好的预测[10]。清华大学通过理论计算得到了生物质燃烧过程中燃料型NOx转化的化学动力模型，并成功开发了一台处理量为0.5 t/h的生物质热水链条炉，将其应用于大棚供暖[11]。北京化工大学建立了实际燃烧工况的影响因素与排放模型，结合我国实际情况对生物质锅炉进行了优化，并与企业合作开发了多款生物质锅炉[12]。虽然我国在生物质供暖技术上取得了一定的技术创新和突破，但目前研究的重点主要集中于理论模型和大型生物质锅炉燃烧发电领域，对于民用小型生物质供暖锅炉的研究还不够深入与系统。如表1所示，相比于国外先进的小型生物质锅炉，国内市场上推广的小型生物质供暖锅炉仍存在燃料适应性不强、燃烧效率与污染控制不稳定以及智能化程度低等问题。
表1 典型生物质供暖设备的优缺点对比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages of typical biomass heating equipment
从燃烧技术上看，空气分级燃烧仍然是当前生物质高效燃烧的主流技术。一次空气随着气流被引导至固定床，使燃料进行贫氧热解和燃烧，并构建碳还原区域用来减少氮氧化物的排放；
二次空气通过强制配风进入固定床上方，实现与挥发性气体的充分燃烧，从而减少一氧化碳、颗粒物以及其他未燃烧的挥发性有机化合物的排放。一般而言，小型生物质供暖锅炉的燃烧排放遵循以下规律：①对于操作类型：自然通风＞强制通风、手动加料＞自动进料；
②对于燃料种类：原木＞木片＞颗粒燃料；
③对于设备类型：原木锅炉＞颗粒炉具[6]。
基于以上国内外研究内容可知，近年来对于生物质燃烧技术的研究和应用较上个世纪已有了很大提升。在散煤替代以及碳中和的大背景下，生物质能源已在我国农村供暖领域得到了大力推广。从模式上，农村生物质取暖大致可分为生物质集中供暖和生物质分散供暖，其中生物质集中供暖又以生物质成型燃料燃烧和秸秆打捆直燃集中供暖为主（图1）。
图1 我国农村生物质清洁供暖技术路径Fig.1 Biomass clean heating methods in rural China
生物质成型燃料集中供暖就是将生物质原料加工成颗粒/压块状燃料，或将树枝制作成切片燃料，然后在专业的生物质锅炉中燃烧供暖。2019年，阳信程坞小学引进了国际先进的KWB生物质锅炉系统，用于全校师生冬季取暖，锅炉热效率高达94%，烟气排放明显低于《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271—2014）规定的新建燃煤锅炉的排放限制。
秸秆打捆直燃集中供暖就是将秸秆打捆直接适配在专用锅炉燃烧，为农村社区、学校、医院、乡镇政府，以及种养设施、农产品加工、工业生产等供暖供热。截至2020年底，已在辽宁、黑龙江、河北、山西、吉林等省建成259处秸秆打捆直燃集中供暖工程，供暖面积达1 100多万m2。某工程环保监测报告显示，该供暖工程的排放指标低于《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271—2014），与燃煤相比，二氧化硫排放减少67.7%，二氧化碳实现了零排放。
生物质成型燃料+专用炉具分散炊事取暖就是把秸秆、林业废弃物等生物质加工成块状、棒状、颗粒状或者切片，在户用生物质炉具使用。在大气污染重点防治地区，主要用于“煤改电”“煤改气”难以覆盖的农户分散炊事取暖；
在其他地区，广泛应用于生产生活用能。阳信县项目环保监测报告显示，该项目的排放指标低于《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271—2014），与燃煤相比，二氧化硫排放减少了99%，二氧化碳实现了零排放。
建议在秸秆、林业废弃物资源丰富的地区，大力推广生物质成型燃料集中供暖供热。为解决已有供暖管网的燃煤锅炉替代，可重点推广秸秆打捆直燃集中供暖；
在不便于秸秆打捆运输的地区，若居民居住较为集中，应大力推广生物质成型燃料+专用锅炉；
在“煤改气”“煤改电”不能覆盖、分散居住的农户，应推广生物质成型燃料+专用炉具。
近年来，研究人员为了更加明确冬季采暖过程中固体燃料燃烧造成的污染物排放，对用户实际生活中的污染物排放水平进行了实地测试，结果见表2[4]，[5]。由表2可知，与传统民用燃煤炉具相比，生物质炉具燃烧更加稳定，污染物排放波动小，常规污染物CO和PM2.5的排放因子明显降低。
表2 民用燃料炉具CO，PM2.5排放因子对比Table 2 Comparison of emission factors of CO and PM2.5 from the fuel-stove combinations g/kg
一般来说，生物在生长过程中所需的碳均来源于大气中的CO2，因此，随着未来生物碳捕集和碳封存技术的不断发展，生物质能源利用会趋于碳中和或负碳排放趋势。相比于传统的化石能源，生物质燃料作为全球公认的碳中和燃料，具有显著的正向环境效益。本研究以2017年《关于促进生物质供热发展的指导意见》中提出的2035年生物质成型燃料消费总量（5 000万t）作为参考依据，以农村总供热面积（70亿m2）和农林废弃物资源总量（约10亿t）的20%作为边界条件，设定未来生物质燃料的年增长率。通过情景分析对未来生物质供暖燃料的发展进行了两个情景的预测计算。
基准情景：以2015-2020年的增长速率和《关于促进生物质供热发展的指导意见》中2035年消费目标为基准点，进行趋势延伸，同时不考虑未来相关标准及政策变化，设定2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增长率分别为5%，3%，1%，1%。
碳中和情景：受国家能源发展规划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 响，2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增长率相应提升，分别为10%，5%，3%，1%。
生物质燃烧时，CO2减排量E的计算式为[13]
式中：Ai为第i种燃料的质量，kg；
Fi为第i种燃料的标煤折算系数，kg/kg；
i为燃料类型；
I为燃料类型数。
由中国节能产业网的《碳排放量的计算方法及与电的换算公式》可知，节约1 t标准煤，可减排二氧化碳2.493 t[14]。根据《中国清洁供热产业发展报告2021》，本研究的农业废弃物（秸秆类）和林业废弃物（木质类）燃料种类的占比分别为70%和30%，其标煤折算系数分别为0.3，0.5 kg/kg[2]。
根据上述情景计算得到的生物质燃料利用量和CO2减排量如图2所示。从图2可以看出：在基准情景下，2060年的CO2减排量约为7 100万t，是2020年的2.5倍，生物质燃料利用量约为8 000万t；
在碳中和情景下，2060年的CO2减排量约为1.7亿t，是2020年的6倍，生物质燃料利用量约为1.9亿t。综上可知，大力发展生物质燃料对于二氧化碳减排和碳中和的实现具有重大贡献。
图2 不同情景下的生物质燃料利用量和CO2减排量Fig.2 Biomass fuel consumption and CO2 emission reduction under different scenarios
本文以全国农村生物质清洁取暖示范县山东省阳信县和黑龙江省海伦市为例，调研两种不同冬季清洁采暖方式（户用炉具和区域集中供热系统）的经济性。调研过程中我们对每个家庭的成本要素进行了评估，以分析提供清洁供暖服务所涉及的财务负担。
不同分散式清洁取暖技术路径的年化成本差距较大，这是因为生物质颗粒燃料替代散煤燃烧的基础设施建设费用为0，而天然气入户需增加管网建设，“煤改电”需进行电网改造升级，根据地区和使用年限的不同，其基础设施建设年化费用为350～1 000元[15]。本研究以山东省阳信县的生物质取暖现状为例，根据典型农村住宅的热负荷进行清洁取暖设备选型，将热源初始投资及年运行费用列于表3。由表3可知，空气源热泵热水机供暖的折算费用年值最高，为26.3元/m2，生物质颗粒炉具供暖的折算费用年值最低，为14.9元/m2。
表3 农村分散式清洁供暖方式的经济性对比Table 3 Economic comparison of different rural decentralized clean heating methods
对于农村集中式锅炉采暖方式，本研究以海伦市北海镇总供暖面积为23.5万m2的秸秆直燃锅炉为例。根据实地调研结果，将改造前后的秸秆直燃锅炉与燃煤锅炉进行经济性对比（表4）。由表4可知，秸秆打捆直燃锅炉的单位面积供暖成本远低于燃煤锅炉。
表4 不同农村集中供暖方式的经济性对比Table 4 Economic comparison of different rural central heating methods
①在全球碳中和大背景下，在农村地区推广生物质清洁供暖，减排预期十分显著，并且拥有很强的经济适应性，有助于推动农村地区的节能减排与碳中和目标的实现。
②对于农村地区的生物质供暖，应做到因地制宜，对于人口密集、已有供热管网的地区，优先实施生物质区域供暖；
对于“双替代”无法覆盖且用户分散的地区，优先推广“生物质成型燃料+专用炉具”采暖方式。
③对比其他清洁取暖方式，生物质供暖呈现了很强的经济性优势，可以在生物质资源丰富，且难以承受电供暖与燃气供暖费用的地区大规模推广。
④政府应在北方地区冬季清洁取暖资金安排中对“煤改生物质”给予重点支持。根据不同的生物质能利用技术，研究市场化发展的政策体系，分类制定补贴标准、扶持方式和支持环节。
⑤加强生物质燃料质量监控体系以及生物质清洁供暖项目的综合效益评估体系建设，保障生物质清洁供暖项目的效益最大化。
⑥积极支持生物质清洁供暖的技术创新，加强国际合作，促进产学研合作平台建设，推进技术革新与产业升级。
⑦我国应积极支持生物质碳交易，通过碳金融的手段，实现生物质碳减排的价值，为生物质供暖的可持续推广提供资金保障。
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