生物質(zhì)供熱的應(yīng)用前景

曾智勇 董華佳

摘要：指出了“十一五”期間，煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)占比67.7%，而新能源、可再生資源占比不到7%，高度依賴傳統(tǒng)化石能源的形勢依然十分嚴重。隨著我國能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整和日益嚴格的環(huán)保要求，小規(guī)模燃煤鍋爐正逐步被淘汰，以天然氣、生物質(zhì)燃料為代表的清潔能源鍋爐迎來了高速發(fā)展的機遇。我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，具有巨大的能源化利用空間。目前，生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)天然氣、炭氣聯(lián)產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)已經(jīng)起步，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。生物質(zhì)能在集中供熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在我國已基本實現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)?；瘧?yīng)用，正成為國家“煤改清潔能源”的重要力量。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);能源結(jié)構(gòu);集中供熱

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0198-03

1引言

進入21世紀，伴隨全球化的發(fā)展，能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國共同關(guān)注的重大問題。改革開放40多年來，我國經(jīng)濟發(fā)展取得了舉世矚目的成就，目前已經(jīng)成為世界第二的能源消費大國。為了保障能源安全，以及堅持可持續(xù)發(fā)展道路，開發(fā)和利用新能源、可再生能源作為能源戰(zhàn)略寫進了我國的規(guī)劃發(fā)展報告。盡管近十年來，我國致力于新能源開發(fā)利用，煤炭、石油等化石能源主導著我國能源消費格局在長期不會發(fā)生改變?nèi)允强陀^事實。據(jù)資料顯示，“十一五”期間，煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)占比67.7%，石油占比22.7%，天然氣占比2.6%，而新能源、可再生資源占比不到7%（圖1）。

我國能源消費結(jié)構(gòu)嚴重依賴煤炭資源，單一能源的高度依賴對我國能源戰(zhàn)略安全構(gòu)成潛在的巨大威脅。此外，煤炭在燃燒過程中會產(chǎn)生溫室氣體CO2以及SO2、粉塵等，是形成大氣污染的重要原因之一。2013年，國家《大氣污染防治行動計劃的通知》中指出：加強工業(yè)企業(yè)大氣污染綜合治理，全面整治燃煤小鍋爐，加快推進清潔能源集中供熱工程建設(shè);到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐;其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。天然氣是一種高品質(zhì)的清潔能源，近年來我國天然氣消費不斷增長。提高天然氣在我國能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，是我國建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系的重要組成部分。但是，我國天然氣資源相對匱乏，而且產(chǎn)業(yè)發(fā)展與歐美國家相比尚不成熟，在國內(nèi)無法滿足需求的情況下，天然氣進口加劇，對外依存度不斷提高。2016～2018年，在北方推行“煤改氣”清潔采暖的背景下，我國的天然氣消費呈現(xiàn)劇增的趨勢，導致了供暖季期間出現(xiàn)嚴重的“氣荒”，影響了企業(yè)正常生產(chǎn)，給人們敲響了警鐘。實踐證明，發(fā)展多元化的新能源、可再生能源是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的不由之路。

2生物質(zhì)能發(fā)展的概況

“十一五”之后，我國工業(yè)化進程已經(jīng)由中期階段邁進了后期的發(fā)展，能源供需矛盾突出。為了解決能源結(jié)構(gòu)單一的問題，國家開始高度重視新能源和可再生能源的發(fā)展。加快清潔能源、可再生能源的開發(fā)利用，有助于推動能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，促進我國能源可持續(xù)發(fā)展。

除了煤炭、石油、天然氣之外，生物質(zhì)能是全球的第四大能源。在西方歐美等國家，將傳統(tǒng)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代能源利用主要以建設(shè)大型的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化工程為主。這種方式具有多采用前期投資大、產(chǎn)出高的特點。目前，在美國，生物質(zhì)能已經(jīng)成為的第二大可再生能源，僅次于水電;在歐盟國家中，開發(fā)利用的所有新能源和可再生能源（包括水電在內(nèi)）中生物質(zhì)能源已占總和的50%以上。

生物質(zhì)能主要來源是農(nóng)林生產(chǎn)中的廢棄物和禽畜糞便。我國地域遼闊，南北氣候差異明顯。因而，農(nóng)作物的種植具有比較明顯的地域特性。我國可利用的農(nóng)作物生物質(zhì)燃料主要包括水稻秸稈、稻殼、大豆秸稈、玉米秸稈、花生秸稈、小麥秸稈、甘蔗秸稈、薯藤等。作為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)大國，我國的生物質(zhì)資源相當豐富，能源化利用潛力大。據(jù)統(tǒng)計，全國可利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和生活垃圾與有機廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億t標準煤。截至2015年，我國生物質(zhì)能利用量不到3500萬t標準煤，其中商業(yè)化的生物質(zhì)能利用量僅約1800萬t標準煤，商業(yè)化利用率低于4%。在人類發(fā)展的歷程里，利用生物質(zhì)能已有幾千年的歷史，但是利用效率極低。近年來，隨著生活水平的提高，在我國一些新城鎮(zhèn)、新農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)民開始大量使用天然氣、電力等優(yōu)質(zhì)高效燃料，用于炊事、取暖，而將農(nóng)作物秸稈直接放在農(nóng)田焚燒，不僅浪費了能源，也污染了環(huán)境。

生物質(zhì)資源結(jié)構(gòu)比較疏松，單位體積能量密度低，且不易貯運。但是，生物質(zhì)也有許多獨特的優(yōu)點：①產(chǎn)量大而且穩(wěn)定，價格低廉，屬于可再生資源;②硫、氮含量低，燃燒后S02和NOx排放量低;③由于生物質(zhì)能夠通過光合作用中會吸收C02，在整個生命周期基本可以實現(xiàn)零碳排放;④生物質(zhì)灰分少，煙塵排放少。由此可見，生物質(zhì)資源是清潔能源，為大氣治污、減少煤炭消費提供了一個新的選擇。高效利用生物質(zhì)資源，不僅可以滿足高速發(fā)展的國民經(jīng)濟對能源的需要，而且減少了礦物燃料的污染，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

我國《中華人民共和國可再生能源法》中明確了對于生物質(zhì)能源發(fā)展的大力支持。2014年，國家環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合發(fā)文“關(guān)于開展生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項目建設(shè)”的通知（國能新能[2014]295號），擬在全國范圍內(nèi)特別是京津冀、長三角、珠三角等大氣治污形勢嚴峻的地區(qū)，建設(shè)生物質(zhì)成型燃料鍋爐示范項目。相比發(fā)達國家，我國生物質(zhì)能的商業(yè)化應(yīng)用雖然起步較晚，但是生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)天然氣、炭氣聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)鍋爐供熱等產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始形成一定的規(guī)模，而且呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。

3生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)

目前，生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，基本可以劃分為三大類途徑：①直接燃燒;②物化轉(zhuǎn)化;③生化轉(zhuǎn)化。

3.1直接燃燒

直接燃燒的方式是將生物質(zhì)直接作為爐灶、工業(yè)鍋爐等的燃料。在我國落后的農(nóng)村地區(qū)，爐灶燃燒是常見的用能方式，具有效率低、污染嚴重的特點。隨著我國全面小康社會的建設(shè)，爐灶燃燒已經(jīng)逐漸被淘汰。生物質(zhì)工業(yè)鍋爐是先將生物質(zhì)壓縮成密度大的性能接近煤的成型燃料，再將其燃燒轉(zhuǎn)換為熱能。生物質(zhì)鍋爐排放的污染尾氣比燃煤鍋爐要低，發(fā)展前景良好。

3.2物化轉(zhuǎn)化

物化轉(zhuǎn)化主要包括熱裂解、生物質(zhì)氣化及干餾技術(shù)等。物化轉(zhuǎn)化是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成熱值較高的可燃氣以及附屬產(chǎn)品生物質(zhì)碳、木焦油、木醋液等物質(zhì)。可燃氣可以作為生活燃氣或者工業(yè)用氣，組成成分包括甲烷、乙烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等;生物質(zhì)碳可替代天然碳和工業(yè)用碳;木焦油可應(yīng)用于防水涂料、防腐漆和抗凝劑量的生產(chǎn)制作，是國際緊俏的產(chǎn)品;木醋液可形成多種化工產(chǎn)品，具有殺菌、治蟲、抗病的功效，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生業(yè)等。生物質(zhì)物化轉(zhuǎn)化過程比較復(fù)雜，干餾技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)及熱裂解技術(shù)的反應(yīng)條件和工藝也不盡相同，但基本都包括了生物質(zhì)的干燥、氧化和還原反應(yīng)過程。

3.3生化轉(zhuǎn)化

厭氧消化和酶分解是實現(xiàn)生化轉(zhuǎn)化的主要技術(shù)。厭氧消化是利用厭氧微生物在缺氧的情況下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4、CO等可燃氣體，厭氧發(fā)酵殘留物是作農(nóng)田的肥料的來源之一。酶技術(shù)是利用微生物體內(nèi)的酶分解生物質(zhì)，生產(chǎn)液體燃料，如乙醇、甲醇等。

通過不同途徑轉(zhuǎn)化，生物質(zhì)能廣泛應(yīng)用于發(fā)電、鍋爐成型燃料、沼氣、液體燃料等行業(yè)（表1）。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，2016～2020年生物質(zhì)重點產(chǎn)業(yè)將實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，成為帶動新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)。

4我國集中供熱的現(xiàn)狀

集中供熱可以分為建筑采暖和工業(yè)生產(chǎn)供熱。我國城市集中供熱始于20世紀50年代，起步階段集中供熱負荷以工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽為主，建筑采暖負荷很小。20世紀70年代，在改革開放的強大推動下，我國的城市建筑采暖迎來了重要的發(fā)展，以熱電聯(lián)產(chǎn)為主的城市集中供熱行業(yè)不斷興旺壯大。20世紀90年代以來，區(qū)域鍋爐房開始作為集中供熱的新興力量進入快速發(fā)展階段。其中，區(qū)域鍋爐房集中供熱根據(jù)設(shè)備和燃料的不同，又可以分為電鍋爐、燃煤鍋爐、天然氣鍋爐和生物質(zhì)鍋爐。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加速，改革開放以來我國城市集中供熱面積和供熱量實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定增長。截至2017年底，我國城鄉(xiāng)建筑采暖總面積232億m²，其中城鎮(zhèn)供熱面積159億m²，農(nóng)村供熱面積73億m²，年增量約5億m²。但是，集中供熱面積只有不到80億m²，占比34.5%（圖2）。

集中供熱與分戶供熱相比，具有節(jié)約燃料、污染小、噪音低、節(jié)省用地、自動化程度高、設(shè)備故障率低等優(yōu)勢。目前，集中供熱行業(yè)正處于體制改革、設(shè)備更新、技術(shù)進步階段。隨著市政公用行業(yè)的逐步市場化，外資、民營等不同經(jīng)濟成分開始在供熱市場活躍起來。供熱市場準人、特許經(jīng)營、用熱商品化、熱計量收費等政策正在改革深化。此外，技術(shù)發(fā)展日新月異，節(jié)能高效、多熱源、聯(lián)片集中供熱、地源供熱、科學運行等新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，不斷推進行業(yè)深入發(fā)展。

5應(yīng)用前景

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷提高完善，我國對集中供熱有著巨大的潛在需求。區(qū)域燃煤鍋爐供熱污染排放嚴重，大氣治污面臨著巨大壓力，小型燃煤鍋爐已經(jīng)列入了逐步淘汰的時間進程表。作為煤炭替代能源之一的天然氣，其價格昂貴、供應(yīng)不穩(wěn)定的問題在短期很難得到有效的解決。生物質(zhì)是一種清潔、低成本的綠色能源，而且在供熱領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，將成為我國集中供熱市場的重要補充，具有廣闊的發(fā)展前景。