英國(guó)生物質(zhì)分布式能源系統(tǒng)的研究以及對(duì)我國(guó)的啟示

周 玨，陳 群，張曉輝，Vida Sharifi，Jim Swithenbank，陳耀斌

(1．中國(guó)華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院，北京 100060;2．英國(guó)謝菲爾德大學(xué)，英國(guó) 謝菲爾德 S1 3JD;

3．清華大學(xué)，北京 100084;4．中國(guó)電力投資集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100007)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，英國(guó)政府制定了一系列政策鼓勵(lì)發(fā)展包括生物質(zhì)在內(nèi)的可再生能源，提高可再生能源在發(fā)電和供熱中所占的比例［1－4］。這為發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)提供了良好的契機(jī)。與傳統(tǒng)的大型火電廠相比，分布式能源系統(tǒng)可以將能源綜合利用效率從55%提高到85%，同時(shí)顯著地降低CO2的排放。將城市生物質(zhì)資源(如城市固廢)用于分布式能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，可以滿足城市近20%的能源需求。而且，比傳統(tǒng)的供能方式(即熱電分產(chǎn))降低至少76%的CO2排放量。同樣，將當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源(如木屑、秸稈)用于分布式能源系統(tǒng)也可以顯著降低碳排放。

在生物質(zhì)能的高效利用方面，我國(guó)從“十一五”開始，各地各級(jí)政府部門相繼制定了相關(guān)的促進(jìn)政策和措施［5－8］，也有很多學(xué)者對(duì)生物質(zhì)分布式能源開展了技術(shù)和政策層面的研究［9－11］。但總體上看，我國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展還處于起步階段。

本文對(duì)英格蘭北部城市Barnsley 采用生物質(zhì)替代化石燃料用于分布式供熱系統(tǒng)進(jìn)行了深入的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析其燃燒特性和污染物排放特性，比較生物質(zhì)燃料與化石燃料在污染物排放水平上的差異，并對(duì)現(xiàn)有的生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行提出了改進(jìn)建議。針對(duì)Barnsley 成功發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，本文分析了在我國(guó)農(nóng)村和小型城鎮(zhèn)大力發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的新型分布式供能方式的必要性和可行性，認(rèn)為采用生物質(zhì)資源的分布式能源系統(tǒng)是我國(guó)農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)供能可持續(xù)發(fā)展的一條可行之路。

1 歐洲以及英國(guó)分布式能源系統(tǒng)的概況

歐洲是最早發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)。在熱電聯(lián)產(chǎn)用于發(fā)電方面，丹麥和斯洛文尼亞分別有52．9%和37．7%的電力來(lái)自于熱電聯(lián)產(chǎn)。芬蘭、挪威、瑞典、冰島以及其他東歐國(guó)家也是類似的情況。在熱電聯(lián)產(chǎn)用于供熱方面，愛(ài)爾蘭有93.3%的供熱來(lái)自于分布式能源系統(tǒng)，用于滿足居民生活和公共服務(wù)部門的供熱需求。這一比例在歐洲位于最高。其他許多國(guó)家也有著較高的比例，比如俄羅斯(63%)、瑞典(55%)、立陶宛(50%)、芬蘭(49%)和波蘭(47%)［12］。

在歐洲，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠最常見(jiàn)的模式是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)，占到總數(shù)的52%。在熱電聯(lián)產(chǎn)的電廠中，有70%的電力來(lái)自于化石燃料的使用［13］。只有一小部分電力是來(lái)自于可再生能源，主要由焚燒廢木材、紙和垃圾產(chǎn)生。大型的分布式能源系統(tǒng)主要分布在德國(guó)、瑞典、芬蘭、丹麥、奧地利和東歐國(guó)家。盡管在英國(guó)也有一些較大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)分布式供熱系統(tǒng)(如在Sheffield、Nottingham、Leicester 地區(qū)建立的分布式能源系統(tǒng))，但是與其他歐洲國(guó)家相比，無(wú)論是在數(shù)量上還是規(guī)模上，都相形見(jiàn)絀。

相對(duì)于大型的熱電聯(lián)產(chǎn)，零散分布的以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的。這些小型的分布式能源系統(tǒng)還與傳統(tǒng)的電力和天然氣的供能系統(tǒng)相結(jié)合，來(lái)滿足當(dāng)?shù)鼐用裆鐓^(qū)的能源需求(主要為熱和電)。在整個(gè)歐洲，有超過(guò)3000 個(gè)城鎮(zhèn)擁有這樣的系統(tǒng)。與之相比較，英國(guó)在這方面的發(fā)展有些落后，目前只有一些相對(duì)較小的項(xiàng)目正在運(yùn)行。

近年來(lái)，隨著對(duì)分布式能源和可再生能源重視程度的提高，英國(guó)政府頒布了一系列推動(dòng)分布式能源發(fā)展的政策。例如，可再生熱能的激勵(lì)政策(Renewable Heat Incentive)為使用可再生能源供熱(包括分布式能源系統(tǒng))的能源供應(yīng)商和終端用戶提供財(cái)政支持，從而鼓勵(lì)用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源，產(chǎn)生居民和工業(yè)所需的熱能。該激勵(lì)政策針對(duì)不同規(guī)模的分布式能源系統(tǒng)以及不同的能源產(chǎn)生技術(shù)(如生物質(zhì)燃燒技術(shù))給予各種扶持［14］。

此外，英國(guó)政府提出的“熱能和能源節(jié)約策略(Heat and Energy Saving Strategy)”議案也將分布式能源系統(tǒng)在居民社區(qū)的應(yīng)用列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)［15］。提案的一個(gè)重點(diǎn)是確定在哪些地區(qū)發(fā)展分布式能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是切實(shí)可行的，即在哪些地區(qū)具有較高的熱能需求(＞3 000 kW/km2)。在這些地區(qū)，投資回報(bào)率預(yù)期可以超過(guò)6%的。如果分布式能源在這些地區(qū)得到充分應(yīng)用，將能擔(dān)負(fù)起550 萬(wàn)房屋的供熱和全英國(guó)20%的熱能需求。大型高效的燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)每年可減少980 萬(wàn)t CO2的排放。如果用可再生燃料(如垃圾和生物質(zhì))來(lái)替代天然氣，則可以進(jìn)一步減少CO2的排放達(dá)1 900萬(wàn)t/年［16］。

因此，利用可再生燃料的分布式能源系統(tǒng)在英國(guó)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。英格蘭北部城市Barnsley 是英國(guó)第一個(gè)推行使用生物質(zhì)燃料替代化石燃料用于分布式供熱系統(tǒng)的城市，所建立的生物質(zhì)供熱系統(tǒng)也是英國(guó)最大的利用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源來(lái)提供社區(qū)建筑供熱的系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的努力，Barnsley在2005 年就已經(jīng)達(dá)到了CO2減排40%的目標(biāo)。從2005 年至今，他們又成功安裝和運(yùn)行了20 多臺(tái)以生物質(zhì)為燃料的分布式供熱系統(tǒng)。

本文在英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)(Engineering and Physical Sciences Research Council，簡(jiǎn)稱EPSRC)SUPERGEN Biomass Consortium 項(xiàng)目的支持下，對(duì)Barnsley 所采用的生物質(zhì)供熱系統(tǒng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，監(jiān)測(cè)生物質(zhì)供熱系統(tǒng)污染物排放的情況，并評(píng)估此類供熱系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)。

2 以生物質(zhì)為燃料的社區(qū)供熱系統(tǒng)的研究與分析

在英國(guó)，大約有49%的能源最終是以熱能的形式被消耗掉的［17］，由此產(chǎn)生了47%的CO2排放。英國(guó)為了實(shí)現(xiàn)2050 年CO2排放降低60%的目標(biāo)，迫切需要減少由供熱產(chǎn)生的CO2排放。Barnsley 是英國(guó)第一個(gè)采用“生物質(zhì)燃料供熱政策”的地方政府。本文以Barnsley 兩個(gè)生物質(zhì)分布式能源系統(tǒng)的示范應(yīng)用為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的手段，分析污染物排放特性，評(píng)估其系統(tǒng)效率。

2．1 示范應(yīng)用1:當(dāng)?shù)匾凰W(xué)所采用的生物質(zhì)供熱系統(tǒng)

這所小學(xué)小型的供熱系統(tǒng)原有3 臺(tái)燃煤熱水鍋爐用于供暖。通過(guò)改造，其中一臺(tái)190 kW 的Beeston Robin Hood Senior 鍋爐被改為燃用木屑顆粒的生物質(zhì)鍋爐。在本研究中，對(duì)這臺(tái)改造后燃用生物質(zhì)的鍋爐和一臺(tái)146 kW Hartley－Sugden White Rose 燃煤鍋爐進(jìn)行了對(duì)比研究。對(duì)每臺(tái)鍋爐煙囪處的煙氣溫度和煙氣組分(CO、CO2、O2和NOx)，以及煙氣中PM10的質(zhì)量濃度分布進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

其中，煙氣的CO、CO2和O2的濃度通過(guò)MGA 3000 多氣體分析儀進(jìn)行測(cè)量，而NOx 的濃度則由Signal 4000 VM NOx 分析儀測(cè)量。顆粒物的質(zhì)量尺寸和濃度分布通過(guò)8 級(jí)Nonviable Andersen Impactor(由Thermo Electron Corporation 公司生產(chǎn)的20 －800 系列)測(cè)得。對(duì)于測(cè)量手段的詳細(xì)介紹，在陳群等人的論文［18］中有詳細(xì)的介紹。表1 列出了煙氣測(cè)量的部分結(jié)果。

表1 Barnsley 示范應(yīng)用的煙氣排放監(jiān)測(cè)結(jié)果［18］

為了更深入地了解木屑顆粒和煤的燃燒過(guò)程，以及它們的污染物排放特性，本文還采用了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的手段，對(duì)兩個(gè)鍋爐的爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。這里假定無(wú)論是木屑顆粒的燃燒還是煤塊的燃燒，都由床層內(nèi)部燃燒和床層外部燃燒兩部分組成。本文采用英國(guó)謝菲爾德大學(xué)SUWIC 中心(Sheffield University Waste Incineration Centre)開發(fā)的一套數(shù)值模擬軟件FLIC(Fluid Dynamic Incinerator Code)來(lái)預(yù)測(cè)床層內(nèi)的燃燒過(guò)程;同時(shí)，利用ANSYS FLUENT 軟件來(lái)模擬床層外部的氣相燃燒反應(yīng)。

在利用FLIC 模擬床層內(nèi)部燃燒過(guò)程時(shí)，假設(shè)燃料顆粒堆積形成的帶有孔隙的床層是一維的(垂直于爐排)，F(xiàn)LIC 可以預(yù)測(cè)床內(nèi)燃燒隨時(shí)間變化的過(guò)程。其中的子模型包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程、氣相和固相的化學(xué)組分守恒方程、以及水蒸氣蒸發(fā)、揮發(fā)分熱解和揮發(fā)分及焦炭的燃燒方程。具體子模型、控制方程以及數(shù)值算法的介紹在文獻(xiàn)［19 －20］中有詳細(xì)的描述。對(duì)于這兩個(gè)鍋爐，整個(gè)固定床的計(jì)算域在床層高度上被分為200 個(gè)網(wǎng)格。燃用木屑顆粒鍋爐的初始床層高度為212 mm，燃煤鍋爐為302 mm。這里，假定木屑顆粒的直徑為5 mm，而煤塊的直徑則假設(shè)為15 mm。

從FLIC 模擬的結(jié)果中我們可以獲得煙氣溫度、速度及其組份在床層上的分布。這些數(shù)據(jù)將作為FLUENT 模擬床層上部氣相燃燒的邊界條件，來(lái)預(yù)測(cè)床層上部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。表2 列出了通過(guò)FLIC 計(jì)算之后得到的FLUENT 模擬所需的邊界條件。

利用FLUENT 軟件分別對(duì)兩個(gè)鍋爐進(jìn)行了三維爐膛建模以及網(wǎng)格劃分。在FLIC 與FLUENT 模擬的交界面處(位于鍋爐底部)，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以獲得更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。在燃用木屑顆粒鍋爐的模擬中，總的網(wǎng)格數(shù)為20 萬(wàn);對(duì)于燃煤鍋爐，總的網(wǎng)格數(shù)為36 萬(wàn)。利用FLUENT 軟件求解質(zhì)量，動(dòng)量和能量的守恒方程以及各種氣相反應(yīng)的方程，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k－ε 模型求解湍流流動(dòng)，P1 模型求解輻射換熱，有限反應(yīng)速率/渦團(tuán)破碎模型求解化學(xué)反應(yīng)速率。因?yàn)镹Ox 是燃燒中產(chǎn)生的一種重要污染物，對(duì)于NOx 的模擬，假設(shè)揮發(fā)分N 和焦炭N 的比例等于燃料中揮發(fā)分與焦炭的比例。在FLUENT 的后處理過(guò)程中，根據(jù)De Soete 機(jī)理，以HCN 為中間產(chǎn)物，模擬NO 的形成。

表2 示范應(yīng)用1 中燃煤鍋爐和燃用木屑顆粒鍋爐的氣體和燃料入口的邊界條件

對(duì)比分析表明，數(shù)值模擬的結(jié)果與表1 中實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好［18］。兩者都表明污染物的排放濃度在英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BS EN 303 －5:1999 所列的排放標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。但是，燃煤鍋爐煙氣中污染物的濃度要高于燃用木屑顆粒鍋爐。對(duì)于CO 排放(如圖2所示)，后者排放的CO 濃度為500 ～1650 mg/m3(折算成10%的氧量水平)，低于燃煤鍋爐的排放值(2000 ～9000 mg/m3)。造成燃煤鍋爐CO 排放濃度較高主要有兩方面因素:一是燃煤鍋爐爐內(nèi)可燃?xì)怏w與空氣的混合不充分;二是煙氣在燃煤鍋爐爐膛內(nèi)的停留時(shí)間太短。對(duì)于NOx 排放(如圖3 所示)，燃用木屑顆粒時(shí)，NOx 的濃度為40 ～120 mg/m3(折算成10%的氧量水平)，也低于燃煤鍋爐的排放值(240 ～390 mg/m3)。這是由于煤中含有高的焦炭成分導(dǎo)致較高的爐膛溫度。如圖1(b)所示，燃煤鍋爐爐內(nèi)的最高溫度超過(guò)1500 K。與之相比較，如圖1(a)所示，木屑顆粒鍋爐的最高煙氣溫度只有1000 K 左右。較高的爐膛溫度進(jìn)一步造成了燃料型NO的生成。在PM10的排放上，木屑顆粒鍋爐和燃煤鍋爐PM10的平均質(zhì)量濃度分別為46 mg/m3(10%的氧量)和182 mg/m3(10%的氧量)。因此，對(duì)比結(jié)果表明，具有高揮發(fā)分含量的生物質(zhì)是小型固定床鍋爐的一種理想燃料。以生物質(zhì)為燃料的燃燒系統(tǒng)，具有較高的燃燒效率和較低的污染物排放水平。

圖1 示范應(yīng)用1 中兩臺(tái)鍋爐的爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布(x 軸(在圖1(a)中Y 和圖1(b)中的X)是爐排長(zhǎng)度方向的距離(m)，y 軸是離開燃燒床層的高度(m))

圖2 示范應(yīng)用1 中兩臺(tái)鍋爐的爐內(nèi)CO 濃度分布

圖3 示范應(yīng)用1 中兩臺(tái)鍋爐的爐內(nèi)NOx 濃度分布

2．2 示范應(yīng)用2:居民住宅樓中安裝的以木屑為燃料的供熱系統(tǒng)

為了提高能源利用效率并改善居住環(huán)境，Barnsley 的一棟居民樓經(jīng)過(guò)改造，安裝了一個(gè)小型的燃用生物質(zhì)的供熱系統(tǒng)。兩臺(tái)容量分別為320 kW 和150 kW 的弗洛林(Froling)燃用木屑鍋爐用來(lái)供暖和提供熱水。為了解該型式生物質(zhì)鍋爐的燃燒特性和污染物排放特性，我們對(duì)其中一臺(tái)320 kW鍋爐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。在65%的運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，在鍋爐的爐膛出口處，對(duì)CO、CO2、O2、NOx、SO2和顆粒物濃度進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)的研究手段和方法與示范應(yīng)用1 中所采用的完全一致。同樣，我們也利用FLIC 和FLUENT 軟件對(duì)木屑燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)模擬結(jié)果分析了整個(gè)系統(tǒng)的性能。模型的選擇和設(shè)置也與示范應(yīng)用1 中相同。表3 中列出了計(jì)算中所需的邊界條件。模擬結(jié)果的可靠性由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。在FLIC 床層模擬中，初始床層高度為183 mm，被劃分為60 個(gè)網(wǎng)格。假設(shè)木屑顆粒的平均直徑為15 mm。在FLUENT 模擬中，三維爐膛模型的網(wǎng)格數(shù)約為22 萬(wàn)。并在燃料和空氣入口處，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理;而在靠近出口處，采用了較為粗糙的網(wǎng)格以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。更多的數(shù)值模擬細(xì)節(jié)可以在張曉輝等人的論文［21］中找到。

表1 中列出了示范應(yīng)用2 的煙氣污染物的排放濃度。CO 的質(zhì)量濃度為550 ～1600 mg/m3(10%的氧量)。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果都表明，鍋爐排放的CO 濃度低于英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BS EN 303 －5:1999［22］中所列出的排放標(biāo)準(zhǔn)。木屑鍋爐排放的煙氣中NOx 的濃度在28 ～60 ppmv 之間。NO 的排放因子為113 mg/MJ，低于英國(guó)環(huán)境、食品及農(nóng)村事務(wù)部(Department of Environment，F(xiàn)ood ＆ Rural Affairs，簡(jiǎn)稱DEFRA)技術(shù)指導(dǎo)中的150 mg/MJ［23］。煙氣中PM10的質(zhì)量濃度大約為205 mg/m3(10%的氧量)，符合BS EN 303 － 5:1999 中 列 出 的200 mg/m3的 排 放 標(biāo)準(zhǔn)［22］。PM10的排放因子為126 mg/MJ，遠(yuǎn)低于240 mg/MJ 的排放標(biāo)準(zhǔn)［23］。

表3 示范應(yīng)用2 中燃用木屑鍋爐的燃料和空氣入口的邊界條件

FLIC 和FLUENT 模擬結(jié)果表明，由于爐內(nèi)煙氣溫度較高，最高達(dá)到1 200 K(圖2a)，大部分燃料都能在爐膛內(nèi)完全燃燒，僅有少量的CO 排放，這一發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相吻合。二次風(fēng)的噴入(圖4 中所示的小圓孔)讓高溫可燃煙氣與空氣充分混合，形成了有利的燃燒環(huán)境。從圖4(b)中可以看到，所加入的二次風(fēng)增強(qiáng)了這些區(qū)域的流動(dòng)混合，并在二次風(fēng)噴口上部形成了回流區(qū)，有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。這些強(qiáng)烈燃燒的區(qū)域造成了圖4(a)中所示的高溫區(qū)。煙氣溫度在煙氣向下游流動(dòng)的過(guò)程中逐漸降低，在爐膛出口處約為1 000 K。示范應(yīng)用2 的研究表明，使用生物質(zhì)(木屑)來(lái)供熱是一種低碳的供熱方案。與使用化石燃料的供熱系統(tǒng)相比，它產(chǎn)生非常低的CO2凈排放量。因此，這類生物質(zhì)燃料供熱系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排和可再生能源利用的目標(biāo)。

示范應(yīng)用2 在2006 年獲得英國(guó)可再生能源Ashden 獎(jiǎng)第一名。該改造項(xiàng)目總投資170 萬(wàn)英鎊(折合約1 700 萬(wàn)人民幣)，資金全部來(lái)源于各類基金和項(xiàng)目的支持。用燃用生物質(zhì)鍋爐取代燃煤鍋爐后，日常運(yùn)行和維護(hù)的成本降為過(guò)去的50%。集中供熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱能，除了供應(yīng)居民樓所需的暖氣和熱水之外，還可以通過(guò)供熱管網(wǎng)賣給當(dāng)?shù)卣a(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 示范應(yīng)用2 中鍋爐爐膛內(nèi)中心截面上的圖示

3 Barnsley 城市生物質(zhì)利用模式對(duì)我國(guó)的啟示

英國(guó)北部城市Barnsley 通過(guò)大力發(fā)展分布式能源技術(shù)，積極利用當(dāng)?shù)刎S富的生物質(zhì)資源進(jìn)行集中供熱，逐步實(shí)現(xiàn)清潔、綠色、高效的能源發(fā)展目標(biāo)。其主要手段為將生物質(zhì)制成成型燃料或直接利用木屑，單獨(dú)或混合燃燒集中供熱。即便對(duì)于某些無(wú)法使用集中供熱的分散建筑，Barnsley 市政府也盡可能利用可再生能源技術(shù)為此類用戶建立獨(dú)立的小型集中供熱系統(tǒng)。

Barnsley 成功發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)農(nóng)村和小型城鎮(zhèn)新型供能方式的建立和發(fā)展提供了有價(jià)值的參考。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)農(nóng)村能源消耗量已占全國(guó)總能源消耗的30%以上;用電量已達(dá)到全國(guó)用電總量的51%，并且保持10%以上的增長(zhǎng)速度［24］。特別隨著我國(guó)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，新型城鎮(zhèn)的能源消費(fèi)水平，將是過(guò)去的3 倍。如此巨大的能源需求，對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)村電網(wǎng)造成了難以承受的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，根據(jù)中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議(2013 年12 月)的精神，需要切實(shí)提高能源利用效率，降低能源消耗和二氧化碳排放強(qiáng)度，著力推進(jìn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效、清潔、智能的新型城鎮(zhèn)供能。因此，采用生物質(zhì)資源的分布式能源系統(tǒng)是解決我國(guó)農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)供能的一條可行之路。

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)分布著極為豐富的生物質(zhì)資源。根據(jù)2010 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源為7．813 4 億t，每年可利用的潛能為5．31 EJ，因此，有著巨大的開發(fā)利用潛力［25］。以分布式供能的方式充分利用生物質(zhì)資源，不僅可以使小型、分散、清潔的可再生資源得以利用，滿足農(nóng)村日益增長(zhǎng)的能源需求，而且使發(fā)展生物質(zhì)資源與農(nóng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系起來(lái)，增加了這些地區(qū)人民的收入并有效減少供能成本。

但是，目前我國(guó)在有效利用生物質(zhì)資源用于分布式供能上，還存在一定障礙。這主要是由生物質(zhì)資源本身的特點(diǎn)來(lái)決定的，如水分高、質(zhì)地松散、堆積密度小、使得不易收集和運(yùn)輸;同時(shí)，生物質(zhì)資源通常灰分含量高，灰熔點(diǎn)低，在燃燒過(guò)程中易出現(xiàn)結(jié)焦等問(wèn)題;此外，農(nóng)村的生物質(zhì)資源分散在數(shù)量眾多的農(nóng)戶手中，導(dǎo)致交易成本較高，資源的持續(xù)供給得不到保證。由于以上問(wèn)題的存在，導(dǎo)致我國(guó)出現(xiàn)一方面農(nóng)村能源短缺，另一方面優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源被大量閑置和浪費(fèi)的情況。解決這些問(wèn)題，不僅要在技術(shù)上攻關(guān)，解決生物質(zhì)存儲(chǔ)、運(yùn)輸及利用效率的問(wèn)題;而且要在國(guó)家政策層面上，對(duì)開發(fā)利用生物質(zhì)資源給予更多激勵(lì)與扶持。

4 結(jié)論

本文以英國(guó)城市Barnsley 兩個(gè)生物質(zhì)分布式供熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的手段來(lái)研究其燃燒特性和污染物排放特性。研究表明，使用當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)資源來(lái)為社區(qū)和小規(guī)模的分散區(qū)域提供能源，將會(huì)帶來(lái)明顯的收益。一方面，可以提供低成本的熱能和電力給當(dāng)?shù)氐木用?，另一方面也有利于保護(hù)周圍的生態(tài)環(huán)境。與傳統(tǒng)的利用煤產(chǎn)生能源相比，生物質(zhì)燃料的分布式供能系統(tǒng)，其污染物的排放量要小很多。而且，現(xiàn)有的小型燃煤供熱系統(tǒng)可以通過(guò)較為簡(jiǎn)單的改造，適用于生物質(zhì)燃料，從而降低系統(tǒng)的投資成本。

Barnsley 成功開發(fā)和運(yùn)行大量獨(dú)立的“迷你”型分布式供熱項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)的供能提供了一個(gè)很好的借鑒?？紤]到我國(guó)的國(guó)情和生物質(zhì)資源的特點(diǎn)，在規(guī)模化利用生物質(zhì)分布式能源系統(tǒng)上，還需要克服諸多技術(shù)以及非技術(shù)的壁壘。

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