基于秸稈露天焚燒量的北方農(nóng)村地區(qū)秸稈成型燃料替代采暖散煤節(jié)能減排研究

張雙奇，鄧夢(mèng)思，單 明，周 闖，劉 偉，徐曉秋，楊旭東*

基于秸稈露天焚燒量的北方農(nóng)村地區(qū)秸稈成型燃料替代采暖散煤節(jié)能減排研究

張雙奇1，鄧夢(mèng)思1，單 明1，周 闖2，劉 偉2，徐曉秋2，楊旭東1*

（1.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，北京 100084；2.黑龍江能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027）

基于農(nóng)村采暖散煤消耗量及秸稈露天焚燒比例的實(shí)地調(diào)研結(jié)果，從資源數(shù)量的角度驗(yàn)證了將露天焚燒的秸稈加工為秸稈成型燃料并用于替代北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤使用的可行性，同時(shí)定量計(jì)算了替代后產(chǎn)生的能源環(huán)境影響，給出了散煤消耗的減少量和污染物減排量清單。結(jié)果表明，北方大部分省份能夠通過(guò)將露天焚燒的秸稈加工為成型燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村采暖散煤的替代。替代后北方各省總計(jì)能夠減少散煤使用量8 603.6萬(wàn)t，分別減少SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量32.3萬(wàn)、27.47萬(wàn)、613.76萬(wàn)、63.30萬(wàn)、25 195.29萬(wàn)t，其中黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧節(jié)能減排效果最顯著。研究顯示，秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的能源環(huán)境影響顯著，對(duì)我國(guó)能源短缺、農(nóng)村廢物處理、大氣環(huán)境污染等問(wèn)題能起到很好的改善作用，建議加強(qiáng)成型燃料在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用和研究。

農(nóng)村；問(wèn)卷調(diào)研；采暖散煤；減煤量；排放清單；成型燃料；散煤替代

我國(guó)擁有豐富的秸稈資源，國(guó)家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于編制“十三五”秸稈綜合利用實(shí)施方案的指導(dǎo)意見(jiàn)》所提供的數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)秸稈產(chǎn)量理論值為10.4億t。但由于秸稈露天焚燒和廢棄，大量秸稈資源被浪費(fèi)，并且造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，秸稈資源的合理利用對(duì)環(huán)境治理和能源生產(chǎn)有著重要意義。與化石能源相比，秸稈能源密度小、儲(chǔ)存和運(yùn)輸效率低，這是影響秸稈資源能源化利用的主要障礙。秸稈固化成型技術(shù)通過(guò)改善秸稈的特性有效解決了上述問(wèn)題[1]，是我國(guó)最有可能在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)技術(shù)[2]。目前，國(guó)內(nèi)外已有較多生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)應(yīng)用的相關(guān)研究，但大部分是研究生物質(zhì)成型燃料在燃煤電廠鍋爐或中小型鍋爐中的燃燒特性[3]，以及替代燃煤電廠或中小型燃煤鍋爐的燃煤所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源效益[4-12]；雖然也有少部分是研究生物質(zhì)成型燃料在農(nóng)村家庭使用的污染物排放情況[13-14]，但從區(qū)域尺度分析生物質(zhì)成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤使用的節(jié)能減排研究還鮮有報(bào)道。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)采暖散煤消耗量大，且與電廠燃煤鍋爐或城鎮(zhèn)集中采暖鍋爐相比，農(nóng)村散煤采暖的燃燒效率低下，污染物排放量高，造成的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題不容小視。

基于以上原因，本研究以2014年相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用模型，基于農(nóng)村采暖散煤及秸稈焚燒比例的調(diào)研數(shù)據(jù)，從資源數(shù)量角度分析秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的可行性；計(jì)算秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤前后耗煤量和污染物排放量的差異，定量計(jì)算秸稈成型燃料替代我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤使用的能源和環(huán)境影響，據(jù)此提出相應(yīng)建議和意見(jiàn)。

1 材料與方法

秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤從以下五個(gè)方面對(duì)能耗和污染物排放產(chǎn)生影響：農(nóng)村采暖的散煤使用量、秸稈成型燃料使用量、散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的能耗和排放、秸稈露天焚燒量。下面分別介紹各部分的計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.1 能耗計(jì)算方法

1.1.1 北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤量

北方15個(gè)省份農(nóng)村地區(qū)采暖散煤消耗量通過(guò)調(diào)研得到。清華大學(xué)建筑節(jié)能中心分別于2006—2007年和2015年組織了兩次全國(guó)大規(guī)模農(nóng)村家庭能源消費(fèi)調(diào)研[15-17]，由經(jīng)過(guò)統(tǒng)一培訓(xùn)的師生入戶對(duì)選取的農(nóng)戶進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)研。2006—2007年調(diào)研采用省、縣、村三級(jí)抽樣的方法，覆蓋全國(guó)24個(gè)省份，150個(gè)縣級(jí)行政區(qū)；2015年調(diào)研則主要以回訪為主，覆蓋全國(guó)21個(gè)省份，得到2120個(gè)樣本，其中北方11省樣本991個(gè)。本研究主要采用2015年調(diào)研得到的991個(gè)有效樣本數(shù)據(jù)，對(duì)于2015年調(diào)研未涉及的省份（山西、吉林、河南、新疆）則沿用2006—2007年的調(diào)研數(shù)據(jù)。兩次調(diào)研均涉及的北方11省農(nóng)村家庭用煤總量相差僅6.0%，因此可以認(rèn)為北方地區(qū)農(nóng)村家庭散煤消耗量變化不大，2006—2007年的調(diào)研數(shù)據(jù)能夠反映山西、吉林、河南、新疆4省的近況。各省農(nóng)村地區(qū)采暖散煤消耗總量由調(diào)研得到的戶均消費(fèi)量乘以該省農(nóng)戶總數(shù)得到，詳見(jiàn)表1。

表1 2014年北方15省農(nóng)村地區(qū)采暖散煤消耗量Table 1 Consumption of heating coal in rural areas for 15 provinces of northern China

1.1.2 用于加工成型燃料的秸稈資源量

目前，我國(guó)秸稈資源利用的方式主要包括能源化、肥料化、飼料化、基料化、原料化等[18]，為了不影響各地區(qū)原有的秸稈使用模式，充分保證秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)散煤使用的可行性，本研究考慮將各省原本露天焚燒的秸稈用于加工成型燃料。各省秸稈露天焚燒的比例部分來(lái)自于2015年的問(wèn)卷調(diào)研，調(diào)研未涉及的省份則采用其他研究的調(diào)研結(jié)果。部分省份露天焚燒的秸稈量比較大，在完全替代農(nóng)村采暖散煤之后仍有富余，這部分富余的秸稈則仍視為露天焚燒，不算入替代散煤的秸稈。此外，由于秸稈在收儲(chǔ)運(yùn)及成型燃料加工過(guò)程中損耗量不大，故本研究不考慮這部分損耗。各省2014年秸稈露天焚燒量通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：i為省份；j為作物種類(lèi)，本研究j取水稻、小麥、玉米、大豆、花生、棉花；Yi，j為 i省作物 j的產(chǎn)量[19]，104t；Rj為作物 j的草谷比[20]，取值見(jiàn)表 2；Pi為 i省秸稈露天焚燒的比例，取值見(jiàn)表3。

1.1.3 成型燃料替代采暖散煤量

本研究在計(jì)算秸稈成型燃料對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的替代時(shí)，考慮了兩種燃料的熱值及其在農(nóng)村地區(qū)使用的燃燒效率，計(jì)算方法如式（2）、（3）所示。

式中：Mi，s和 Mi，c分別為 i省用于替代農(nóng)村采暖散煤的成型燃料量及其所替代的采暖散煤量，104t；hi為單位質(zhì)量的秸稈成型燃料所能替代的采暖散煤量，kg·kg-1；rs和rc分別為秸稈成型燃料和散煤的折標(biāo)煤系數(shù)，分別取 0.5 kgce·kg-1和 0.71 kgce·kg-1[22]；ηc和ηs分別為散煤和秸稈成型燃料用于農(nóng)村地區(qū)采暖時(shí)的燃燒效率，根據(jù)本課題組對(duì)自主研發(fā)的成型燃料采暖設(shè)備以及農(nóng)村主流散煤采暖設(shè)備的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，ηc和 ηs分別取 80%和 32.7%[16，23]。

1.1.4 散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程的耗煤量

散煤和秸稈成型燃料從生產(chǎn)到最終使用，需要經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，這些過(guò)程也將產(chǎn)生能耗。散煤和秸稈成型燃料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中的能耗可以通過(guò)使用燃料的量乘以單位質(zhì)量能源在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中的能耗系數(shù)得到。根據(jù)Wang等[4]的研究成果，1 t燃煤在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中消耗的能源折合燃煤量為0.197 t；根據(jù)課題組實(shí)地調(diào)研結(jié)果，1 t秸稈成型燃料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中消耗的能源折合燃煤量為0.087 4 t。

表2 各類(lèi)作物草谷比Table 2 Residue to product ratio

表3 各省秸稈露天焚燒量及比例Table 3 Percentage and quantity of open burning of straw

1.2 排放量計(jì)算

1.2.1 秸稈露天焚燒的排放量

秸稈用于加工成型燃料后，避免了秸稈露天焚燒，能減少污染物的排放。這部分污染物排放量可以基于排放因子法計(jì)算，如式（4）所示。

式中：k 為污染物種類(lèi)，本研究取 SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2；EBi，k為 i省秸稈露天焚燒的污染物 k減排量，104t；ri，j為 i省秸稈 j的量占秸稈總量的比例；M′i，s為i省農(nóng)村地區(qū)采暖秸稈成型燃料的使用量，104t，本研究重在對(duì)比替代前后產(chǎn)生的能耗和排放差異，農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)有秸稈成型燃料使用量不會(huì)對(duì)本研究的結(jié)果產(chǎn)生影響，因此成型燃料替代散煤取暖前M′i，s取0，替代后 M′i，s則根據(jù)前文的方法計(jì)算得到；Ej，k為作物j秸稈露天焚燒的污染物k排放因子，g·kg-1，取值見(jiàn)表4。

1.2.2 農(nóng)村采暖用能的排放量

北方農(nóng)村地區(qū)采暖用能的污染物排放量通過(guò)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：EHi，k為 i省采暖用能的污染物 k 排放量，104t；Ec，k和Es，k分別為農(nóng)村地區(qū)使用散煤和秸稈成型燃料進(jìn)行采暖時(shí)的污染物k排放因子，g·kg-1，取值來(lái)源于本課題組在農(nóng)村地區(qū)的實(shí)地測(cè)試結(jié)果（表 5）；M′i，c為i省農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的使用量，104t。

1.2.3 散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程的排放量

表4 秸稈露天焚燒排放因子Table 4 Emission factors for open burning of straw

散煤和秸稈成型燃料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中的排放量可以通過(guò)排放因子法計(jì)算得到，即排放量通過(guò)使用燃料的量乘以單位質(zhì)量能源在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中的排放因子得到，取值見(jiàn)表6。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的可行性分析

基于前文的計(jì)算方法，可以從資源數(shù)量的角度對(duì)秸稈成型燃料替代北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的可行性進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表7所示。吉林、黑龍江、山東、河南、甘肅、寧夏、新疆7省，可以通過(guò)將露天焚燒的秸稈加工為成型燃料，從而完全替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的使用；遼寧、陜西的替代率也非常高，分別達(dá)到了85.90%和90.35%；河北、天津、內(nèi)蒙古3省的替代率能達(dá)到一半左右；山西由于是產(chǎn)煤大省，農(nóng)村地區(qū)使用采暖散煤的量非常大，因此其替代率較低，為28.77%；北京、青海兩省的替代率僅為2%左右，主要是因?yàn)槠浣斩捹Y源總量小、焚燒比例低，且采暖用煤量相對(duì)較大。從北方15省采暖散煤的替代總體情況來(lái)看，露天焚燒的秸稈加工為成型燃料后，能夠替代68.01%的采暖散煤。綜上所述，從資源數(shù)量角度來(lái)看，秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤在我國(guó)北方大部分省份是可行的。

表5 農(nóng)村地區(qū)采暖用能排放因子Table 5 Emission factors for heating in rural areas

表6 散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的排放因子Table 6 Emission factors for the production and transportation of coal and molded straw fuels

2.2 秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的能源影響

秸稈作為可再生資源，加工為成型燃料后能夠替代散煤的使用，緩解我國(guó)化石能源緊缺的壓力，本研究重在考慮替代前后化石能源即散煤的用量變化，故暫不考慮秸稈成型燃料的消耗。表7中，散煤總計(jì)減少量的計(jì)算方法為：替代前后的農(nóng)村采暖散煤消耗量之差，加上替代后散煤生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程減少的煤耗，再減去成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中消耗的煤量。從表7可見(jiàn)，秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤能夠減少各省煤炭消耗量5.9萬(wàn)～1 667.3萬(wàn)t不等，北方15省總計(jì)減少散煤消耗量8 603.6萬(wàn)t，其中黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧等秸稈資源量大且采暖用煤量大的省份減煤效果最為顯著。各省用于替代散煤的秸稈成型燃料在生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中的耗煤量為0.3萬(wàn)～47.3萬(wàn)t，總計(jì)380.8萬(wàn)t，與替代后所產(chǎn)生的煤炭減少量8 603.6萬(wàn)t相比，僅占4.4%。替代后北方地區(qū)農(nóng)村采暖散煤量總計(jì)減少7 505.7萬(wàn)t，替代后散煤生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程減少的煤耗量為1 478.6萬(wàn)t，二者對(duì)煤耗減少總量的貢獻(xiàn)率分別為87.2%和17.2%。

表7 秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的能源影響清單Table 7 The inventory of energy impacts after substituting straw molding fuel for heating coal in rural areas

秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤所能產(chǎn)生的耗煤減少量與秸稈焚燒比例、農(nóng)村散煤消耗量、農(nóng)村采暖散煤燃燒效率、成型燃料燃燒效率以及散煤和成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的能耗系數(shù)有關(guān)。本研究分別將各個(gè)影響因素在±20%范圍內(nèi)變動(dòng)，同時(shí)保持其他影響因素不變，以此進(jìn)行各個(gè)影響因素的敏感性分析，結(jié)果如圖1所示。替代前的采暖散煤消耗量對(duì)煤炭減少量計(jì)算結(jié)果影響最大，其變化范圍為7 424.1萬(wàn)～9 419.7萬(wàn)t；其次是秸稈成型燃料燃燒效率、采暖散煤的燃燒效率和秸稈露天焚燒比例。散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的能耗系數(shù)對(duì)煤炭減少量的計(jì)算結(jié)果影響則較小。

2.3 秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的環(huán)境影響

圖1 減煤量敏感性分析Figure 1 Sensitivity analysis for the reduction of coal consumption

秸稈成型燃料替代農(nóng)村散煤后，污染物排放量從三方面得以減少：一是農(nóng)村采暖散煤的使用排放減少，二是替代后散煤生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程的排放減少，三是秸稈露天焚燒量減少；同時(shí)，污染物排放量也從兩方面增大：一是秸稈成型燃料用于農(nóng)村采暖帶來(lái)的排放，二是生產(chǎn)運(yùn)輸秸稈成型燃料過(guò)程中的排放。各省替代前后的環(huán)境影響清單如表8所示。秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤后，北方農(nóng)村地區(qū)SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量分別下降 32.3 萬(wàn)、27.47 萬(wàn)、613.76萬(wàn)、63.30萬(wàn)、25 195.29萬(wàn)t，減排量靠前的省份為黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧。這6個(gè)省份也是替代量排名靠前的省份，可見(jiàn)秸稈成型燃料替代農(nóng)村散煤的污染物減排作用顯著。

圖2為不同環(huán)節(jié)對(duì)減排量的相對(duì)貢獻(xiàn)。替代后CO2和NOx的減排量主要是來(lái)自于農(nóng)村采暖散煤量的減少；PM2.5和CO減排量主要來(lái)自于農(nóng)村采暖散煤量的減少和秸稈露天焚燒的減少；而SO2的減排量主要來(lái)自于替代后散煤生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程排放的減少，其次則是來(lái)自于農(nóng)村采暖散煤的減少。秸稈成型燃料排放的 NOx、CO、PM2.5、CO2主要產(chǎn)生于燃燒利用過(guò)程，而SO2則主要產(chǎn)生于生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程。

3 討論

我國(guó)2014年煤炭消費(fèi)總量達(dá)41.2億t，占全年能源消費(fèi)總量的66.0%[27]，這一比例遠(yuǎn)高于世界平均水平。隨著生活水平的提高，我國(guó)用能需求量還將繼續(xù)增大，化石能源短缺的問(wèn)題將更加緊迫?？稍偕茉刺娲剂系氖褂檬菧p緩氣候變化和保證能源安全的重要途徑，因而可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用受到了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。在我國(guó)，生物質(zhì)能是繼水電和風(fēng)能之后的第三大可再生能源[28]，生物質(zhì)能的利用顯得尤為重要。目前，我國(guó)生物質(zhì)能利用的主要途徑之一是利用農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物進(jìn)行發(fā)電和采暖。由本研究結(jié)果可以看出，2014年我國(guó)北方15個(gè)省份農(nóng)村地區(qū)采暖耗煤量為11 036萬(wàn)t，約占2014年非工業(yè)煤炭消費(fèi)總量的37.1%。將露天焚燒的秸稈用于加工成型燃料來(lái)替代采暖散煤后，北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤消耗量將下降到3 530.3萬(wàn)t，采暖散煤直接使用量下降了7 505.7萬(wàn)t，將生產(chǎn)運(yùn)輸能耗算入之后，散煤總計(jì)減少量則將達(dá)到8 603.6萬(wàn)t。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)露天焚燒的秸稈加工為成型燃料能很好地替代我國(guó)北方大部分省份農(nóng)村地區(qū)的采暖散煤，秸稈成型燃料對(duì)我國(guó)農(nóng)村用能有著巨大的影響潛力。由此可見(jiàn)，秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤對(duì)我國(guó)尤其我國(guó)農(nóng)村地區(qū)用能問(wèn)題有著重要的作用，建議政府相關(guān)部門(mén)在制定秸稈利用相關(guān)政策時(shí)充分考慮秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的巨大節(jié)能減煤潛力，尤其在黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧等減煤潛力較大的省份，應(yīng)更加重視秸稈成型燃料對(duì)采暖散煤的替代。

表8 秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤的環(huán)境影響清單Table 8 An inventory of environmental impacts from substituting molded straw fuels for heating coal in rural areas

圖2 不同環(huán)節(jié)對(duì)污染物減排量的相對(duì)貢獻(xiàn)Figure 2 The contribution ratio of different pollutants to total emissions reduction

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有豐富的秸稈資源，但受農(nóng)業(yè)集約化程度、資金等因素制約，秸稈資源綜合利用水平仍然較低[29]，還存在大量的焚燒秸稈的現(xiàn)象[30-32]。焚燒秸稈不僅造成資源浪費(fèi)，而且造成嚴(yán)重的大氣污染，降低土壤肥力，破壞土壤墑情，減少土壤微生物數(shù)量和多樣性[33-35]。相關(guān)研究表明，農(nóng)民焚燒秸稈的主要原因是農(nóng)村勞動(dòng)力減少，勞動(dòng)力機(jī)會(huì)成本越來(lái)越高導(dǎo)致其他秸稈處置方法成本過(guò)高，焚燒秸稈才成為不得已的選擇[36-37]。因此，解決秸稈露天焚燒問(wèn)題的關(guān)鍵是要找到合理的利用方式[38]。秸稈成型燃料替代散煤后，農(nóng)戶采暖熱效率能從32.7%提高至80%，按前文的計(jì)算方法算得1 kg秸稈成型燃料能夠替代1.72 kg散煤。若按農(nóng)戶一年采暖用煤量2.5 t，煤價(jià)700元（RMB）·t-1，秸稈成型燃料 250 元（RMB）·t-1[39][市場(chǎng)售價(jià) 400元（RMB）·t-1，除去原料成本 150元（RMB）·t-1]計(jì)算，則秸稈成型燃料采暖只需1.45 t·a-1，采暖費(fèi)用從 1750元（RMB）·a-1下降到 363元（RMB）·a-1。若考慮成型燃料采暖設(shè)備單價(jià)為3000元（RMB），則兩年左右就能收回設(shè)備成本。由此可見(jiàn)，秸稈成型燃料作為農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的替代品，可將秸稈與農(nóng)戶采暖用能及家庭開(kāi)支等切身利益緊密聯(lián)系在一起，使秸稈變廢為寶，農(nóng)村秸稈露天焚燒的問(wèn)題也將得到有效解決。因此，建議政府在落實(shí)秸稈禁燒政策時(shí)，注重“疏堵結(jié)合”，一方面禁止秸稈露天焚燒，一方面也提供合理的秸稈消納方式。與飼料化、基料化、肥料化、原料化等秸稈消納途徑不同，采暖是北方地區(qū)農(nóng)戶的共同需求，秸稈成型燃料替代采暖散煤為秸稈的合理消納提供了很好的解決途徑，應(yīng)得到相關(guān)部門(mén)更多的關(guān)注。

秸稈成型燃料替代北方農(nóng)村采暖散煤，能夠減少散煤消耗量 8 603.6 萬(wàn) t，分別減少 SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量 32.3 萬(wàn)、27.47 萬(wàn)、613.76 萬(wàn)、63.30萬(wàn)、25 195.29萬(wàn)t，節(jié)能減排效果顯著。之所以能夠產(chǎn)生巨大的減排量，其主要原因是我國(guó)農(nóng)村采暖設(shè)備簡(jiǎn)陋、燃燒效率低、污染物排放因子大，存在較大的減排空間。按照同樣的計(jì)算方法，可以計(jì)算秸稈成型燃料用于替代工業(yè)鍋爐燃煤使用的節(jié)能減排效果。工業(yè)鍋爐的排放因子如表9所示。散煤和秸稈成型燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)維持不變，用于替代的秸稈成型燃料量與之前相等，仍為4 356.5萬(wàn)t，并考慮工業(yè)鍋爐散煤燃燒和秸稈成型燃料燃燒的效率均為80%。計(jì)算得到，替代后散煤消耗量減少3 291.59萬(wàn)t，僅為前者煤耗減少量的 38.3%；SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量分別減少31.37萬(wàn)、19.87萬(wàn)、269.66萬(wàn)、33.13萬(wàn)和7 689.34萬(wàn)t，分別占前者減排量的97%、72%、44%、52%和31%。由此可見(jiàn)，秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤與替代工業(yè)鍋爐用煤相比節(jié)能減排效果更為顯著。目前，對(duì)秸稈成型燃料的研究多以工業(yè)鍋爐和中小型集中采暖鍋爐為對(duì)象，建議加強(qiáng)秸稈成型燃料在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用研究。此外，政府部門(mén)對(duì)秸稈成型燃料使用的補(bǔ)貼政策也多面向工業(yè)用能單位，建議政府相關(guān)部門(mén)充分考慮到秸稈成型燃料替代農(nóng)村燃煤使用的合理性和優(yōu)越性，加強(qiáng)在農(nóng)村地區(qū)使用秸稈成型燃料補(bǔ)貼政策方面的研究，以促進(jìn)秸稈成型燃料的合理利用，發(fā)揮其最大的作用。

表9 工業(yè)鍋爐排放因子Table 9 Emissions factors for industrial boilers

目前，我國(guó)成型燃料生產(chǎn)量和使用量比較有限，并且主要用于工業(yè)。影響成型燃料推廣使用的主要原因之一是秸稈資源比較分散，導(dǎo)致原材料收集成本高、供應(yīng)不足。將秸稈資源用于農(nóng)村地區(qū)的采暖，能很好地實(shí)現(xiàn)分散資源的分布式利用，能夠有效避免原材料供應(yīng)不足的問(wèn)題。Shan等[41]對(duì)秸稈成型燃料在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用推廣模式進(jìn)行了分析研究，提出建立村級(jí)加工廠的推廣模式，并通過(guò)四川、黑龍江、吉林的示范案例對(duì)該模式推廣的可行性進(jìn)行了論證。雖然我國(guó)目前秸稈成型燃料使用量還比較少，僅有的成型燃料還不足以完全作為替代散煤的能源，但本研究給出了秸稈成型燃料替代農(nóng)村散煤采暖的節(jié)能減排清單，驗(yàn)證了這種替代方式的可持續(xù)性和優(yōu)越性，可為秸稈資源能源化利用提供參考和理論支持。進(jìn)一步的研究則應(yīng)當(dāng)對(duì)秸稈成型燃料替代農(nóng)村散煤與其他秸稈消納途徑進(jìn)行節(jié)能減排效果進(jìn)行對(duì)比，如將露天焚燒的秸稈用作飼料或肥料等，以進(jìn)一步完善本研究結(jié)果。

4 結(jié)論

目前，我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)采暖散煤使用量為11 036萬(wàn)t。我國(guó)北方大部分省份能夠通過(guò)秸稈成型燃料的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的替代。替代后，北方各省總計(jì)能夠減少散煤使用量8 603.6萬(wàn)t，分別減少 SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量 32.3 萬(wàn)、27.47 萬(wàn)、613.76 萬(wàn)、63.30 萬(wàn)、25 195.29 萬(wàn) t，其中黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧煤耗量和排放量減少最多。秸稈成型燃料替代農(nóng)村采暖散煤有較好的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，且與替代工業(yè)用煤相比，節(jié)能減排效果更為顯著。目前關(guān)于秸稈成型燃料在農(nóng)村應(yīng)用的研究尚不多，建議加強(qiáng)秸稈成型燃料在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用和研究。由于秸稈成型燃料的研究、應(yīng)用和補(bǔ)貼政策主要集中于替代工業(yè)用煤方面，建議政府及相關(guān)部門(mén)充分考慮秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)采暖散煤的節(jié)能減排潛力，加強(qiáng)秸稈成型燃料替代農(nóng)村地區(qū)用能的研究、應(yīng)用和補(bǔ)貼力度，從而促進(jìn)秸稈成型燃料更加合理地利用，最大限度地發(fā)揮秸稈成型燃料的節(jié)能減排作用。

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Study on the energy and environmental impacts of substituting molded straw fuels for heating coal in rural areas of northern China based on the amount of straw open burning

ZHANG Shuang-qi1,DENG Meng-si1,SHAN Ming1,ZHOU Chuang2,LIU Wei2,XU Xiao-qiu2,YANG Xu-dong1*
（1.Department of Architectural Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Energy&Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150027,China）

Based on the results of a field survey on scattered coal consumption for rural heating and the proportion of straw burned in open fields,this study assesses the feasibility of using densified solid fuels（DSFs）produced from field straw as an alternative for space heating purposes in rural areas of northern China.A quantitative analysis from the perspective of resource use was performed to evaluate the energy and environmental impacts of this alternative on reducing coal consumption as well as the emission of air pollutants.The results show that a majority of provinces in northern China may be able to realize a reduction in coal consumption and emissions by replacing coal with DSF produced from field straw for rural heating.Overall,this could yield a total reduction in coal consumption of 8.60×107t.In addition,a total emissions reduction of 3.23×105,2.75×105,6.14×106,6.33×105,2.52×108t may be accomplished for SO2,NOx,CO,PM2.5,and CO2,respectively.In particular,provinces such as Heilongjiang,Henan,Xinjiang,Shandong,Hebei,and Liaoning could achieve the most significant energy savings and emissions reductions.The potential energy and environmental impacts of coal-to-DSF substitution are demonstrated to be substantial.The application of DSF will help to address energy shortages,rural waste disposal,and air pollution.It is recommended that further research into the application of DSF in rural areas of northern China is needed.

rural areas;questionnaire;heating coal;reduction of coal consumption;emission inventory;straw densified solid fuel;substitution of coal

2017－06－02 錄用日期：2017-08-14

張雙奇（1991—），男，重慶江津人，博士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)村能源環(huán)境。E-mail：645307394@qq.com

*通信作者：楊旭東 E-mail：xyang@tsinghua.edu.cn

X712

A

1672-2043（2017）12-2506-09

10.11654/jaes.2017-0782

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