生物质热解多联产在北方农村清洁供暖中的适用性评价.doc

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1、生物质热解多联产在北方农村清洁供暖中的适用性评价摘要：推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少。该文在总结中国北方农村地区采暖现状的基础上，阐释了清洁采暖的现实问题和基本需求。归纳梳理了生物质热解多联产的技术特征和主要多联产模式。在此基础上，提出了以生物质热解多联产技术为核心，适合中国北方农村地区清洁供暖的技术路径与应用模式，对各模式技术可行性、经济可行性和环境影响等进行了分析。研究结果表明，现有经济技术条件下，生物质热解多联产适用于北方地区农村清洁供暖，尤其适合优先示范推广以自然村或新型农村社区为单位的小型集中或分散供暖，200户左右的自然村供暖项目初投资

2、一般不超过300万元，投资回收期为45a。该研究为破解北方地区农村清洁取暖问题提供了新思路、新途径。引言中央财经领导小组第十四次会议上，习近平总书记强调，推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题，都是大事，关系广大人民群众生活，是重大的民生工程、民心工程。推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容1。农村地区大量劣质散煤的利用导致污染物排放严重。2014年，中国农村能源消耗量为7.6亿t标准煤，占全国能源消耗总量的17.8%，农村煤炭消耗量为3.14亿t，在农村能源消费中的比重为41.4%2。受社会经济条件制约，农村

3、供暖中散煤使用普遍，尤其是中国北方供暖季，农村地区散煤使用总量大、时间集中、排放分散，不加装任何脱硫除尘装置，污染物排放严重3-6。生物质热解多联产以生物质连续炭化技术为核心，通过固气、气液分离和燃气净化提质，生产热解气、生物炭、木焦油和木醋液等多种产品7-10。热解气清洁、环保、可再生，可作为农村地区重要的替代能源11-12。生物炭可用作吸附材料、土壤改良剂、肥料缓释载体和二氧化碳封存剂等13-14，也可经成型加工机制炭作为高品质能源利用15。木焦油和木醋液作为生物质炭化副产物，可用作燃料或化工原料16。中国具有丰富的农林废弃物资源，据统计，中国农作物秸秆和林业三剩物资源量分别达到10和3.

4、5亿t17-19。热解多联产是农林废弃物综合利用的重要途径之一，符合生物质资源化、能源化综合利用原则，能够进一步提升农林废弃物资源开发综合效益，具有良好的推广应用前景7,9-10。本文旨在总结中国北方农村地区取暖现状，阐释农村地区清洁供暖的现实问题和基本需求，在此基础上提出以生物质热解多联产技术为核心，适合中国北方农村地区清洁供暖的技术路径与应用模式，并对模式的技术可行性、经济可行性和环境影响进行分析，以期为破解北方地区农村清洁供暖提供新思路、新途径。1北方农村地区清洁供暖需求分析1.1供暖现状中国北方地区大多数农村住宅布局分散，建筑多为单层单院式，不适合采用城市普遍使用的集中供暖方式20-2

5、1。目前，北方农村地区应用的分散采暖方式主要有火炕、火炉、土暖气或散热器等22-23。火炕或火炉供暖在东北、西北和华北部分地区的农村尤为普遍，黑龙江、吉林、辽宁和河北四省区的农村冬季取暖还有一定比例的农户采用火墙，火墙多数与火炕配合使用。随着农村经济的发展和农民生活条件的改善，部分地区农村建筑结构及面积趋于城镇化，传统的供暖方式已不能满足农民对取暖舒适性要求24-25。近年来，土暖气对火炕的取代率很高26。近年来，全社会对大气质量持续高度关注，在政府补贴资金和激励政策引导下，宜电则电，宜气则气，旨在治理冬季农村燃煤污染的行动在北方农村地区稳步推进27-29。“煤改电”、“煤改气”、“煤改太阳能

6、”、“煤改生物质”、“煤改地热能”等工程大力推进，电暖气、空调、空气源热泵、太阳能集热器、地源热泵和多能互补供热系统等新型清洁取暖技术在农村地区的使用率逐年提高30-31。北方农村地区采暖使用的能源既有化石能源，也有可再生能源，如清洁或可再生能源包括电能、太阳能、生物质能、地热能等32。受经济社会发展水平和自然地理条件等因素制约，北方农村采暖还存在供暖基础设施落后、能源利用率低、污染排放严重等问题。农村人口分散化居住特征明显，集中的农村能源和供暖市场难以形成，造成供暖基础设施的建设、运营和管理成本较高。以火炕、火炉等传统取暖方式能源利用率较低，小型的燃煤炉存在燃烧不充分、热耗散大等问题，能源利

7、用率一般仅40%50%，在能源利用率方面还有很大的提升空间33-34。1.2供暖需求分析随着农民生活水平的持续提高和全社会对环境保护的日益关注，在清洁、便利、安全、节能等方面对北方农村取暖均提出了更高要求。与此同时，采暖费用大幅度提高，造成了农民生活成本增加。中国北方农村采暖需求主要表现为3方面的特征。1）北方农村地区供暖需求体量大。截至2016年底，中国常住人口城镇化率为57.35%，即中国人口的42.65%，相当于5.90亿人口常年居住在农村，位于北方供暖区的15个省、自治区、直辖市的农村常住人口近3亿人35。2012年，农村总建筑面积为234亿m2，北方供暖区15个省、自治区、直辖市建筑

8、面积约为82亿m2。随着生活水平的提高，农村新建住宅越来越多，中国农村每年新增住房面积约为8亿m2，农村建筑处于改旧换新的快速发展时期，以供暖为主的各类能源需求不断增加。尤其在东北高寒地区，冬季的采暖期达56个月，农村住宅采暖能耗达到农村住宅总能耗的52%，与城镇供暖能源需求平均水平接近26,33。满足体量巨大的北方农村冬季供暖需求成为时代新命题。2）“散炭替代”是北方农村采暖的首要任务。冬季北方空气污染加剧，农村采暖用煤是重要原因之一。农村采暖以烧散煤为主，中国每年民用散煤消耗量超过3亿t，总量较工业用煤少，但时间集中、低空分散，不加装任何脱硫除尘装置，对大气污染严重24-25。据报道，燃烧

9、1t散煤的大气污染物排放量是一般电厂燃烧等量煤炭的10倍以上32。京津冀地区农村冬季供热采暖能耗占全年能耗的35%左右，散煤（很多是劣质煤）的使用量陡然加剧，是雾霾形成的重要原因之一。环境保护部华北督查中心专项督查数据显示，京津冀地区农民生活和农业生产煤炭消费量总计为4224万t，占三地全社会总耗煤量的11%。污染物的排放占到同期环境统计烟尘总排放量的23.2%，二氧化硫总排放量的15.2%，氮氧化物总排放量的4.4%5。清洁采暖和“散煤替代”成为北方农村地区取暖新需求。3）节能推广在北方农村地区冬季采暖中亟需落实。开源与节流并举，农村节能，尤其是北方采暖地区农村建筑节能、炉具节能技术推广不容

10、忽视。中国北方大部分住宅为坡顶或平顶单层住宅36，绝大多数的农村住宅没有保温措施，供暖方式设计、建造不合理，造成农宅舒适性普遍较差，冬季供暖耗能普遍较高。受社会经济条件制约，农村供暖中散煤使用普遍，近80%的居民使用低效炉具燃用劣质散煤，量大面广，不仅燃烧排放高，而且能源效率低30,32。北方农村采暖节能中，一方面要做好建筑物自身的保暖改造，另一方面需做好节能技术与产品的推广应用。2生物质热解多联产及其供暖模式分析2.1生物质炭化及其多联产技术生物质炭化技术又称为生物质干馏技术，属生物质热化学转化技术范畴，指生物质原料在绝氧或低氧环境中受热升温引起分子内部分解形成生物炭、生物油和不可冷凝气体产

11、物的过程7,9。生物质热解工艺参数不同，固气液三态产物产率存在较大差异。生物质炭化技术即指生物质慢速低温热解技术，此工艺条件下生物炭得率相对较高。与传统气化技术相比，炭化技术产物多样，且热解气热值一般可达到15MJ/m3左右，明显高于气化气热值7,9,37。另外，生物炭和木焦油、木醋液的综合开发，也使得这一技术具备了生物质能源化资源化综合开发利用的潜质，具有良好的应用前景。连续式生物质炭化技术具有生产效率高、产品性能稳定、过程控制方便等优点，已成为近年来生物质热化学转化技术领域的研究热点之一，其技术研发和装备制造水平已具备示范推广应用条件9。生物质热解炭气油联产工艺以创新发展传统生物质炭化技术

12、为核心，通过炭化技术工艺改进优化，以及热解气分离、净化和提质等技术集成，生产高品质生物炭、生物质燃气、木焦油和木醋液等多种产品10。该工艺是各类生物质热解多联产工艺模式的原型。生物质连续热解炭气油联产工艺路线如图1所示，主要包括原料预处理、连续炭化、除尘、多级冷凝、深度净化等工序。多级冷凝和深度净化用将焦油与醋液从高温热解气中逐级分离，最终实现炭气油（液）联产。对于木质炭或果壳炭，可进一步活化处理，生产活性炭，用作吸附剂或钝化剂等，深度净化后的热解气如进一步脱碳处理，可以生成更高品质的燃气。2.2多联产技术衍生模式以生物质热解炭气油联产模式为基础，融合能源梯级利用，多能互补与分布式能源等现代能

13、源利用技术与理念，可实现炭、气、油、汽、冷、热、电等多种高品位产品多种形式的联产，联产模式与实现路径如图2所示。生物质热解多联产技术具有资源利用率高、产品形式多样、二次污染少等优点，可进一步提高生物质资源的开发利用综合效益，符合中国生物质资源开发利用战略需要，具有良好的推广应用前景。下文分述3种典型热解多联产模式。生物质热解炭气联产技术模式如图3所示。高温热解气一般不进行冷凝分离直接进入蒸气锅炉燃烧生产高温蒸汽，或将高温热解气进一步增温，进行催化裂解除焦并经除尘设备脱尘后，通入蒸汽锅炉燃烧生产高温蒸汽。高温蒸汽可用于居民供暖或工业生产。该联产模式与炭气油联产模式相比，具有工艺简单，生产成本低等

14、优点，适合在有蒸汽需求的工业园区或供暖需求的居民区推广使用，若本技术模式只用于冬季供热，设备的利用率将受到一定限制。生物质热解炭气电联产技术模式如图4所示。高温热解气经净化分离后进入储气柜存储，热解气通过管道入户优先供应居民作为炊事、取暖等日常用能，多余的热解气用于内燃机发电。该模式具有机动、灵活的特点，几乎不受地域和自然条件限制，具有广泛的适用性。目前小型发电系统上网或建立微电网系统还比较困难，使得该模式应用中存在一定的局限性，生物质热解炭气汽电联产技术模式如图5所示。高温热解气经净化分离后进入储气柜存储，热解气通过管道入户优先供应居民作为炊事用能，多余的热解气用于内燃机发电或生产蒸汽。与炭

15、气电联产模式相比，该模式具有更好的适用性，对于生产规模较大的项目，夏季供户外的燃气主要用于发电，冬季供户外的燃气主要用于生产蒸汽集中供暖，可实现全年生产平衡、供暖与发电互补。但与炭气电联产模式相比，此模式的项目投资会相应增加。2.3多联产供暖应用模式分析考虑农村经济社会与农业生产等发展条件，结合对生物质热解多联产技术现状与应用模式的分析，以热解炭气油联产和炭气联产技术为核心，提出了2种适宜北方不同条件的农村地区清洁供暖应用模式。图6a是基于炭气油联产的清洁循环供暖模式（以下简称“模式一”），适用于以自然村为主体的农村清洁供暖。热解气经净化分离后经管道入户，通过燃气壁挂炉对农户分散供暖。生物质热

16、解后分离出的液相产物包括木焦油与木醋液。木焦油全部回用燃烧对炭化系统和干燥系统供热，醋液农用作为杀虫剂。生物炭包括秸秆炭与木质炭，其中秸秆炭经复混调质加工后生产炭基肥就地利用，木质炭粉碎成型后制作机制炭，通过专用的炉具供农户冬季取暖。由于夏季和冬季用气需求变化较大，设备可在不同的负载模式下运行。图6b是基于炭气联产的循环供暖模式（以下简称“模式二”），适用于以农村社区为主体的农村清洁供暖。高温热解气直接进入燃气锅炉生产蒸汽，蒸汽经供暖管道对社区农户集中供暖。生产的生物炭包括秸秆炭与木质炭，其中秸秆炭经复混调质加工后生产炭基肥就地利用，木质炭粉碎成型后制作机制炭，可作为烧烤炭出售。该模式技术路线简