基于秸稈露天焚燒量的北方農村地區秸稈成型燃料替代采暖散煤節能減排研究

張雙奇，鄧夢思，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村地區秸稈成型燃料替代采暖散煤節能減排研究

張雙奇1，鄧夢思1，單 明1，周 闖2，劉 偉2，徐曉秋2，楊旭東1*

（1.清華大學建筑技術科學系，北京 100084；2.黑龍江能源環境研究院，哈爾濱 150027）

基于農村采暖散煤消耗量及秸稈露天焚燒比例的實地調研結果，從資源數量的角度驗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村地區采暖散煤使用的可行性，同時定量計算了替代后產生的能源環境影響，給出了散煤消耗的減少量和污染物減排量清單。結果表明，北方大部分省份能夠通過將露天焚燒的秸稈加工為成型燃料來實現對農村采暖散煤的替代。替代后北方各省總計能夠減少散煤使用量8 603.6萬t，分別減少SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量32.3萬、27.47萬、613.76萬、63.30萬、25 195.29萬t，其中黑龍江、河南、新疆、山東、河北、遼寧節能減排效果最顯著。研究顯示，秸稈成型燃料替代農村地區采暖散煤的能源環境影響顯著，對我國能源短缺、農村廢物處理、大氣環境污染等問題能起到很好的改善作用，建議加強成型燃料在農村地區的應用和研究。

農村；問卷調研；采暖散煤；減煤量；排放清單；成型燃料；散煤替代

我國擁有豐富的秸稈資源，國家發改委、農業部辦公廳聯合印發《關于編制“十三五”秸稈綜合利用實施方案的指導意見》所提供的數據顯示，2015年全國秸稈產量理論值為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，并且造成了嚴重的環境問題，秸稈資源的合理利用對環境治理和能源生產有著重要意義。與化石能源相比，秸稈能源密度小、儲存和運輸效率低，這是影響秸稈資源能源化利用的主要障礙。秸稈固化成型技術通過改善秸稈的特性有效解決了上述問題[1]，是我國最有可能在近期內實現的規模化產業技術[2]。目前，國內外已有較多生物質成型燃料生產應用的相關研究，但大部分是研究生物質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的經濟、環境、能源效益[4-12]；雖然也有少部分是研究生物質成型燃料在農村家庭使用的污染物排放情況[13-14]，但從區域尺度分析生物質成型燃料替代農村地區采暖散煤使用的節能減排研究還鮮有報道。我國農村地區采暖散煤消耗量大，且與電廠燃煤鍋爐或城鎮集中采暖鍋爐相比，農村散煤采暖的燃燒效率低下，污染物排放量高，造成的能源浪費和環境污染問題不容小視。

基于以上原因，本研究以2014年相關數據為依據，利用模型，基于農村采暖散煤及秸稈焚燒比例的調研數據，從資源數量角度分析秸稈成型燃料替代農村采暖散煤的可行性；計算秸稈成型燃料替代農村采暖散煤前后耗煤量和污染物排放量的差異，定量計算秸稈成型燃料替代我國北方農村地區采暖散煤使用的能源和環境影響，據此提出相應建議和意見。

1 材料與方法

秸稈成型燃料替代農村采暖散煤從以下五個方面對能耗和污染物排放產生影響：農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運輸過程中產生的能耗和排放、秸稈露天焚燒量。下面分別介紹各部分的計算方法和數據來源。

1.1 能耗計算方法

1.1.1 北方農村地區采暖散煤量

北方15個省份農村地區采暖散煤消耗量通過調研得到。清華大學建筑節能中心分別于2006—2007年和2015年組織了兩次全國大規模農村家庭能源消費調研[15-17]，由經過統一培訓的師生入戶對選取的農戶進行問卷調研。2006—2007年調研采用省、縣、村三級抽樣的方法，覆蓋全國24個省份，150個縣級行政區；2015年調研則主要以回訪為主，覆蓋全國21個省份，得到2120個樣本，其中北方11省樣本991個。本研究主要采用2015年調研得到的991個有效樣本數據，對于2015年調研未涉及的省份（山西、吉林、河南、新疆）則沿用2006—2007年的調研數據。兩次調研均涉及的北方11省農村家庭用煤總量相差僅6.0%，因此可以認為北方地區農村家庭散煤消耗量變化不大，2006—2007年的調研數據能夠反映山西、吉林、河南、新疆4省的近況。各省農村地區采暖散煤消耗總量由調研得到的戶均消費量乘以該省農戶總數得到，詳見表1。

表1 2014年北方15省農村地區采暖散煤消耗量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]，為了不影響各地區原有的秸稈使用模式，充分保證秸稈成型燃料替代農村地區散煤使用的可行性，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自于2015年的問卷調研，調研未涉及的省份則采用其他研究的調研結果。部分省份露天焚燒的秸稈量比較大，在完全替代農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，由于秸稈在收儲運及成型燃料加工過程中損耗量不大，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式（1）進行計算。

式中：i為省份；j為作物種類，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的產量[19]，104t；Rj為作物 j的草谷比[20]，取值見表 2；Pi為 i省秸稈露天焚燒的比例，取值見表3。

1.1.3 成型燃料替代采暖散煤量

本研究在計算秸稈成型燃料對北方農村地區采暖散煤的替代時，考慮了兩種燃料的熱值及其在農村地區使用的燃燒效率，計算方法如式（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煤系數，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村地區采暖時的燃燒效率，根據本課題組對自主研發的成型燃料采暖設備以及農村主流散煤采暖設備的實際測試結果，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、運輸過程的耗煤量

散煤和秸稈成型燃料從生產到最終使用，需要經過生產、運輸等過程，這些過程也將產生能耗。散煤和秸稈成型燃料在生產和運輸過程中的能耗可以通過使用燃料的量乘以單位質量能源在生產和運輸過程中的能耗系數得到。根據Wang等[4]的研究成果，1 t燃煤在生產和運輸過程中消耗的能源折合燃煤量為0.197 t；根據課題組實地調研結果，1 t秸稈成型燃料在生產和運輸過程中消耗的能源折合燃煤量為0.087 4 t。

表2 各類作物草谷比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算，如式（4）所示。

式中：k 為污染物種類，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省農村地區采暖秸稈成型燃料的使用量，104t，本研究重在對比替代前后產生的能耗和排放差異，農村地區現有秸稈成型燃料使用量不會對本研究的結果產生影響，因此成型燃料替代散煤取暖前M′i，s取0，替代后 M′i，s則根據前文的方法計算得到；Ej，k為作物j秸稈露天焚燒的污染物k排放因子，g·kg-1，取值見表4。

1.2.2 農村采暖用能的排放量

北方農村地區采暖用能的污染物排放量通過式（5）進行計算。

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分別為農村地區使用散煤和秸稈成型燃料進行采暖時的污染物k排放因子，g·kg-1，取值來源于本課題組在農村地區的實地測試結果（表 5）；M′i，c為i省農村地區采暖散煤的使用量，104t。

1.2.3 散煤和秸稈成型燃料生產、運輸過程的排放量

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和運輸過程中的排放量可以通過排放因子法計算得到，即排放量通過使用燃料的量乘以單位質量能源在生產和運輸過程中的排放因子得到，取值見表6。

2 結果與分析

2.1 秸稈成型燃料替代農村采暖散煤的可行性分析

基于前文的計算方法，可以從資源數量的角度對秸稈成型燃料替代北方農村地區采暖散煤的可行性進行定量分析，結果如表7所示。吉林、黑龍江、山東、河南、甘肅、寧夏、新疆7省，可以通過將露天焚燒的秸稈加工為成型燃料，從而完全替代農村地區采暖散煤的使用；遼寧、陜西的替代率也非常高，分別達到了85.90%和90.35%；河北、天津、內蒙古3省的替代率能達到一半左右；山西由于是產煤大省，農村地區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，主要是因為其秸稈資源總量小、焚燒比例低，且采暖用煤量相對較大。從北方15省采暖散煤的替代總體情況來看，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，從資源數量角度來看，秸稈成型燃料替代農村地區采暖散煤在我國北方大部分省份是可行的。

表5 農村地區采暖用能排放因子Table 5 Emission factors for heating in rural areas

表6 散煤和秸稈成型燃料生產運輸過程的排放因子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，散煤總計減少量的計算方法為：替代前后的農村采暖散煤消耗量之差，加上替代后散煤生產運輸過程減少的煤耗，再減去成型燃料生產運輸過程中消耗的煤量。從表7可見，秸稈成型燃料替代農村采暖散煤能夠減少各省煤炭消耗量5.9萬～1 667.3萬t不等，北方15省總計減少散煤消耗量8 603.6萬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運輸過程中的耗煤量為0.3萬～47.3萬t，總計380.8萬t，與替代后所產生的煤炭減少量8 603.6萬t相比，僅占4.4%。替代后北方地區農村采暖散煤量總計減少7 505.7萬t，替代后散煤生產運輸過程減少的煤耗量為1 478.6萬t，二者對煤耗減少總量的貢獻率分別為87.2%和17.2%。

表7 秸稈成型燃料替代農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村采暖散煤所能產生的耗煤減少量與秸稈焚燒比例、農村散煤消耗量、農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運輸過程的能耗系數有關。本研究分別將各個影響因素在±20%范圍內變動，同時保持其他影響因素不變，以此進行各個影響因素的敏感性分析，結果如圖1所示。替代前的采暖散煤消耗量對煤炭減少量計算結果影響最大，其變化范圍為7 424.1萬～9 419.7萬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運輸過程的能耗系數對煤炭減少量的計算結果影響則較小。

2.3 秸稈成型燃料替代農村采暖散煤的環境影響

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村散煤后，污染物排放量從三方面得以減少：一是農村采暖散煤的使用排放減少，二是替代后散煤生產運輸過程的排放減少，三是秸稈露天焚燒量減少；同時，污染物排放量也從兩方面增大：一是秸稈成型燃料用于農村采暖帶來的排放，二是生產運輸秸稈成型燃料過程中的排放。各省替代前后的環境影響清單如表8所示。秸稈成型燃料替代農村地區采暖散煤后，北方農村地區SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量分別下降 32.3 萬、27.47 萬、613.76萬、63.30萬、25 195.29萬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個省份也是替代量排名靠前的省份，可見秸稈成型燃料替代農村散煤的污染物減排作用顯著。

圖2為不同環節對減排量的相對貢獻。替代后CO2和NOx的減排量主要是來自于農村采暖散煤量的減少；PM2.5和CO減排量主要來自于農村采暖散煤量的減少和秸稈露天焚燒的減少；而SO2的減排量主要來自于替代后散煤生產運輸過程排放的減少，其次則是來自于農村采暖散煤的減少。秸稈成型燃料排放的 NOx、CO、PM2.5、CO2主要產生于燃燒利用過程，而SO2則主要產生于生產和運輸過程。

3 討論

我國2014年煤炭消費總量達41.2億t，占全年能源消費總量的66.0%[27]，這一比例遠高于世界平均水平。隨著生活水平的提高，我國用能需求量還將繼續增大，化石能源短缺的問題將更加緊迫。可再生能源替代化石燃料的使用是減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發和利用受到了越來越多的關注和重視。在我國，生物質能是繼水電和風能之后的第三大可再生能源[28]，生物質能的利用顯得尤為重要。目前，我國生物質能利用的主要途徑之一是利用農業和林業廢棄物進行發電和采暖。由本研究結果可以看出，2014年我國北方15個省份農村地區采暖耗煤量為11 036萬t，約占2014年非工業煤炭消費總量的37.1%。將露天焚燒的秸稈用于加工成型燃料來替代采暖散煤后，北方農村地區采暖散煤消耗量將下降到3 530.3萬t，采暖散煤直接使用量下降了7 505.7萬t，將生產運輸能耗算入之后，散煤總計減少量則將達到8 603.6萬t。研究結果還發現露天焚燒的秸稈加工為成型燃料能很好地替代我國北方大部分省份農村地區的采暖散煤，秸稈成型燃料對我國農村用能有著巨大的影響潛力。由此可見，秸稈成型燃料替代農村采暖散煤對我國尤其我國農村地區用能問題有著重要的作用，建議政府相關部門在制定秸稈利用相關政策時充分考慮秸稈成型燃料替代農村采暖散煤的巨大節能減煤潛力，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，應更加重視秸稈成型燃料對采暖散煤的替代。

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

圖2 不同環節對污染物減排量的相對貢獻Figure 2 The contribution ratio of different pollutants to total emissions reduction

我國是農業大國，擁有豐富的秸稈資源，但受農業集約化程度、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象[30-32]。焚燒秸稈不僅造成資源浪費，而且造成嚴重的大氣污染，降低土壤肥力，破壞土壤墑情，減少土壤微生物數量和多樣性[33-35]。相關研究表明，農民焚燒秸稈的主要原因是農村勞動力減少，勞動力機會成本越來越高導致其他秸稈處置方法成本過高，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題的關鍵是要找到合理的利用方式[38]。秸稈成型燃料替代散煤后，農戶采暖熱效率能從32.7%提高至80%，按前文的計算方法算得1 kg秸稈成型燃料能夠替代1.72 kg散煤。若按農戶一年采暖用煤量2.5 t，煤價700元（RMB）·t-1，秸稈成型燃料 250 元（RMB）·t-1[39][市場售價 400元（RMB）·t-1，除去原料成本 150元（RMB）·t-1]計算，則秸稈成型燃料采暖只需1.45 t·a-1，采暖費用從 1750元（RMB）·a-1下降到 363元（RMB）·a-1。若考慮成型燃料采暖設備單價為3000元（RMB），則兩年左右就能收回設備成本。由此可見，秸稈成型燃料作為農村地區采暖散煤的替代品，可將秸稈與農戶采暖用能及家庭開支等切身利益緊密聯系在一起，使秸稈變廢為寶，農村秸稈露天焚燒的問題也將得到有效解決。因此，建議政府在落實秸稈禁燒政策時，注重“疏堵結合”，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，采暖是北方地區農戶的共同需求，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，應得到相關部門更多的關注。

秸稈成型燃料替代北方農村采暖散煤，能夠減少散煤消耗量 8 603.6 萬 t，分別減少 SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量 32.3 萬、27.47 萬、613.76 萬、63.30萬、25 195.29萬t，節能減排效果顯著。之所以能夠產生巨大的減排量，其主要原因是我國農村采暖設備簡陋、燃燒效率低、污染物排放因子大，存在較大的減排空間。按照同樣的計算方法，可以計算秸稈成型燃料用于替代工業鍋爐燃煤使用的節能減排效果。工業鍋爐的排放因子如表9所示。散煤和秸稈成型燃料生產運輸過程中的相關參數維持不變，用于替代的秸稈成型燃料量與之前相等，仍為4 356.5萬t，并考慮工業鍋爐散煤燃燒和秸稈成型燃料燃燒的效率均為80%。計算得到，替代后散煤消耗量減少3 291.59萬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、19.87萬、269.66萬、33.13萬和7 689.34萬t，分別占前者減排量的97%、72%、44%、52%和31%。由此可見，秸稈成型燃料替代農村地區采暖散煤與替代工業鍋爐用煤相比節能減排效果更為顯著。目前，對秸稈成型燃料的研究多以工業鍋爐和中小型集中采暖鍋爐為對象，建議加強秸稈成型燃料在農村地區的應用研究。此外，政府部門對秸稈成型燃料使用的補貼政策也多面向工業用能單位，建議政府相關部門充分考慮到秸稈成型燃料替代農村燃煤使用的合理性和優越性，加強在農村地區使用秸稈成型燃料補貼政策方面的研究，以促進秸稈成型燃料的合理利用，發揮其最大的作用。

表9 工業鍋爐排放因子Table 9 Emissions factors for industrial boilers

目前，我國成型燃料生產量和使用量比較有限，并且主要用于工業。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，導致原材料收集成本高、供應不足。將秸稈資源用于農村地區的采暖，能很好地實現分散資源的分布式利用，能夠有效避免原材料供應不足的問題。Shan等[41]對秸稈成型燃料在農村地區的應用推廣模式進行了分析研究，提出建立村級加工廠的推廣模式，并通過四川、黑龍江、吉林的示范案例對該模式推廣的可行性進行了論證。雖然我國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村散煤采暖的節能減排清單，驗證了這種替代方式的可持續性和優越性，可為秸稈資源能源化利用提供參考和理論支持。進一步的研究則應當對秸稈成型燃料替代農村散煤與其他秸稈消納途徑進行節能減排效果進行對比，如將露天焚燒的秸稈用作飼料或肥料等，以進一步完善本研究結果。

4 結論

目前，我國北方農村地區采暖散煤使用量為11 036萬t。我國北方大部分省份能夠通過秸稈成型燃料的使用來實現對農村地區采暖散煤的替代。替代后，北方各省總計能夠減少散煤使用量8 603.6萬t，分別減少 SO2、NOx、CO、PM2.5、CO2排放量 32.3 萬、27.47 萬、613.76 萬、63.30 萬、25 195.29 萬 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村采暖散煤有較好的經濟性和可持續性，且與替代工業用煤相比，節能減排效果更為顯著。目前關于秸稈成型燃料在農村應用的研究尚不多，建議加強秸稈成型燃料在農村地區的應用和研究。由于秸稈成型燃料的研究、應用和補貼政策主要集中于替代工業用煤方面，建議政府及相關部門充分考慮秸稈成型燃料替代農村地區采暖散煤的節能減排潛力，加強秸稈成型燃料替代農村地區用能的研究、應用和補貼力度，從而促進秸稈成型燃料更加合理地利用，最大限度地發揮秸稈成型燃料的節能減排作用。

[1]田宜水.生物質固體成型燃料產業發展現狀與展望[J].農業工程技術：新能源產業,2009（3）：20-26.

TIAN Yi-shui.Present situation and prospect of biomass solid form fuel industry[J].Agricultural Engineering Technology：New Energy Industry,2009（3）：20-26.

[2]姜秋玥,鞠 菲,周立岱.秸稈固化成型燃料技術研究進展與展望[J].遼寧化工,2014,43（7）：872-874.

JIANG Qiu-yue,JU Fei,ZHOU Li-dai.Research progress and prospect of straw densification briquetting fuel[J].Liaoning Chemical Industry,2014,43（7）：872-874.

[3]Myll?ri F,Karjalainen P,Taipale R,et al.Physical and chemical characteristics of flue-gas particles in a large pulverized fuel-fired power plant boiler during co-combustion of coal and wood pellets[J].Combustion&Flame,2017,176：554-566.

[4]Wang C,Chang Y,Zhang L,et al.A life-cycle comparison of the energy,environmental and economic impacts of coal versus wood pellets for generating heat in China[J].Energy,2017,120：374-384.

[5]Xian H,Colson G,Mei B,et al.Co-firing coal with wood pellets for U.S.electricity generation：A real options analysis[J].Energy Policy,2015,81：106-116.

[6]Judl J,Koskela S,Korpela T,et al.Net environmental impacts of lowshare wood pellet co-combustion in an existing coal-fired CHP（combined heat and power）production in Helsinki,Finland[J].Energy,2014,77：844-851.

[7]Zhang Y M,Mckechnie J,Cormier D,et al.Life cycle emissions and cost of producing electricity from coal,natural gas,and wood pellets in Ontario,Canada[J].Environmental Science&Technology,2010,44（1）：538-544.

[8]肖宏儒,鐘成義,宋衛東,等.秸稈成型燃料加工裝備與摻燒發電研究[J].能源研究與利用,2008（2）：31-33.

XIAO Hong-ru,ZHONG Cheng-yi,SONG Wei-dong,et al.Study on straw molding fuel processing equipment and blending power generation[J].Energy Research&Utilization,2008（2）：31-33.

[9]林成先,楊尚寶,陳景文,等.煤與秸稈成型燃料的復合生命周期對比評價[J].環境科學學報,2009,29（11）：2451-2457.

LIN Xian-cheng,YANG Shang-bao,CHEN Jing-wen,et al.Hybrid life cycle analysis for coal versus straw briquettes[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2009,29（11）：2451-2457.

[10]李英麗,王 建,程曉天.生物質成型燃料及其發電技術[J].農機化研究,2013（6）：226-229.

LI Ying-li,WANG Jian,CHENG Xiao-tian.Biomass briquetting fuel and its applications in power generation technology[J].Journal of A－gricultural Mechanization Research,2013（6）：226-229.

[11]馬孝琴,李 剛.小型燃煤鍋爐改造成秸稈成型燃料鍋爐的前景分析[J].可再生能源,2001（5）：20-22.

MA Xiao-qin,LI Gang.Prospect analysis of small coal-fired boiler transformed into straw-forming fuel boiler[J].Renewable Energy Resources,2001（5）：20-22.

[12]朱金陵,王志偉,師新廣,等.玉米秸稈成型燃料生命周期評價[J].農業工程學報,2010,26（6）：262-266.

ZHU Jin-ling,WANG Zhi-wei,SHI Xin-guang,et al.Life cycle assessment of corn straw pellet fuel[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2010,26（6）：262-266.

[13]Isobe Y,Yamada K,Wang Q,et al.Measurement of indoor sulfur dioxide emission from coal-biomass briquettes[J].Water,Air,&Soil Pollution,2005,163（1/2/3/4）：341-353.

[14]Yamada K,Sorimachi A,Wang Q,et al.Abatement of indoor air pollution achieved with coal-biomass household briquettes[J].Atmospheric Environment,2008,42：7924-7930.

[15]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2012[M].北京：中國建筑工業出版社,2012.

Building Energy Conservation Research Center,Tsinghua University.China building energy conservation annual development research report 2012[M].Beijing：China Construction Industry Press,2012.

[16]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2016[M].北京：中國建筑工業出版社,2016.

Building Energy Conservation Research Center,Tsinghua University.China building energy conservation annual development research report 2016[M].Beijing：China Construction Industry Press,2016.

[17]Shan M,Wang P,Li J,et al.Energy and environment in Chinese rural buildings：Situations,challenges,and intervention strategies[J].Building&Environment,2015,91：271-282.

[18]彭春艷,羅懷良,孔 靜.中國作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進展[J].中國農業資源與區劃,2014,35（3）：14-20.

PENG Chun-yan,LUO Huai-liang,KONG Jing.Advance in estimation and utilization of crop residues resources in China[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Reginal Planning,2014,35（3）：14-20.

[19]國家統計局農村社會經濟調查司.2015中國農村統計年鑒[M].北京：中國統計出版社,2015.

Rural Social and Economic Research Bureau of National Bureau of Statistics.2015 China rural statistical yearbook[M].Beijing：China Statistics Press,2015.

[20]畢于運.秸稈資源評價與利用研究[D].北京：中國農業科學院,2010.

BI Yu-yun.Study on straw resources evaluation and utilization in China[D].Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences,2010.

[21]彭立群,張 強,賀克斌.基于調查的中國秸稈露天焚燒污染物排放清單[J].環境科學研究,2016,29（8）：1109-1118.

PENG Li-qun,ZHANG Qiang,HE Ke-bin.Emission inventory of atmospheric pollutants from open burning of crop residues in China based on a national questionnaire[J].Research of Environmental Sciences,2016,29（8）：1109-1118.

[22]國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2015[M].北京：中國統計出版社,2015.

National Bureau of Statistics Energy Statistics Division.China energy statistics yearbook 2015[M].Beijing：China Statistics Press,2015.

[23]Shan M,Carter E,Baumgartner J,et al.A user-centered,iterative engineering approach for advanced biomass cookstove design and development[J].Submitted to Environmental Research Letters（Accepted）.

[24]何 敏,王幸銳,韓 麗,等.四川省秸稈露天焚燒污染物排放清單及時空分布特征[J].環境科學,2015,36（4）：1208-1216.

HE Min,WANG Xing-rui,HAN Li,et al.Emission inventory of crop residues field burning and its temporal and spatial distribution in SichuanProvinces[J].EnvironmentalScience,2015,36（4）：1208-1216.

[25]曹國良,張小曳,王亞強,等.中國區域農田秸稈露天焚燒排放量的估算[J].科學通報,2007,52（15）：1826-1831.

CAO Guo-liang,ZHANG Xiao-ye,WANG Ya-qiang,et al.Estimation of the emission from farmland straw open burning in China[J].Chinese Science Bulletin,2007,52（15）：1826-1831.

[26]李建峰,宋 宇,李蒙蒙,等.江漢平原秸稈焚燒污染物排放的估算[J].北京大學學報（自然科學版）,2015,51（4）：647-656.

LI Jian-feng,SONG Yu,LI Meng-meng,et al.Estimating air pollutants Emissions from open burning of crop residues in Jianghan Plain[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2015,51（4）：647-656.

[27]國家統計局.中國統計年鑒2015[M].北京：中國統計出版社,2015.

National Bureau of Statistics.China statistical yearbook 2015[M].Beijing：China Statistics Press,2015.

[28]王仲穎,任東明,高 虎.中國可再生能源產業發展報告（2009）[M].北京：化學工業出版社,2010.

WANG Zhong-ying,REN Dong-ming,GAO Hu.The renewable energy industrial development report（2009）[M].Beijing：Chemical Industry Press,2010.

[29]韓魯佳,閆巧娟,劉向陽,等.中國農作物秸稈資源及其利用現狀[J].農業工程學報,2002,18（3）：87-91.

HAN Lu-jia,YAN Qiao-juan,LIU Xiang-yang,et al.Straw resources and their utilization in China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2002,18（3）：87-91.

[30]王如芳,張吉旺,董樹亭,等.我國玉米主產區秸稈資源利用現狀及其效果[J].應用生態學報,2011,22（6）：1504-1510.

WANG Ru-fang,ZHANG Ji-wang,DONG Shu-ting,et al.Present sit－uation of maize straw resource utilization and its effect in main maize production regions of China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22（6）：1504-1510.

[31]包建財,郁繼華,馮 致,等.西部七省區作物秸稈資源分布及利用現狀[J].應用生態學報,2014,25（1）：181-187.

BAO Jian-cai,YU Ji-hua,FENG Zhi,et al.Situation of distribution and utilization of crop straw resources in seven western provinces,China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25（1）：181-187.

[32]蘇 瑜,黃連光,王秀敏.秸稈焚燒現狀與對策探討[J].寧夏農林科技,2012,53（3）：113-114.

SU Yu,HUANG Lian-guang,WANG Xiu-min.Analysis on present condition and countermeasures of straw burning[J].Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology,2012,53（3）：113-114.

[33]宗 義,朱萌頔,馬 龍,等.秸稈就地焚燒對大氣環境影響及其對策建議[J].科技傳播,2014（6）：113-116.

ZONG Yi,ZHU Meng-di,MA Long,et al.Effects of straw open burning on atmospheric environment and its countermeasures[J].Public Communication of Science&Technology,2014（6）：113-116.

[34]畢于運,王亞靜,高春雨.我國秸稈焚燒的現狀危害與禁燒管理對策[J].安徽農業科學,2009,37（27）：13181-13184.

BI Yu-yun,WANG Ya-jing,GAO Chun-yu.Problems of burning straw and its management countermeasures in China[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2009,37（27）：13181-13184.

[35]葉仁宏,易福華.焚燒秸稈的危害[J].農業裝備技術,2006,32（5）：55-56.

YE Ren-hong,YI Fu-hua.The harm of straw open burning[J].Agricultural Equipment&Technology,2006,32（5）：55-56.

[36]梅付春.秸稈焚燒污染問題的成本-效益分析——以河南省信陽市為例[J].環境科學與管理,2008,33（1）：30-32.

MEI Fu-chun.Cost-benefit analysis of straw-burning in China[J].Environmental Science and Management,2008,33（1）：30-32.

[37]張 琳,尹少華.焚燒秸桿：外部性及政府管制分析[J].華商,2007（Z2）：91-93.

ZHANG Lin,YIN Shao-hua.Open burning of straw：Analysis of externalitiesandgovernmentregulation[J].ChineseBusinessman,2007（Z2）：91-93.

[38]鄔 莉,陳 靜,朱曉東,等.農村秸稈焚燒的原因及對策研究[J].中國人口·資源與環境,2001,11（增刊1）:111-113.

WU Li,CHEN Jing,ZHU Xiao-dong,et al.Straw-burning in rural areas of China：Causes and controlling strategy[J].China Population Resources and Environment,2001,11（Suppl 1）:111-113.

[39]Hu J J,Lei T Z,Wang Z W,et al.Economic,environmental and social assessment of briquette fuel from agricultural residues in China:A study on flat die briquetting using corn stalk[J].Energy,2014,64（1）：557-566.

[40]譚福太.秸稈建材燃燒特性及生命周期研究[D].廣州：華南理工大學,2013.

TAN Fu-tai.Study on combustion characteristic and life cycle assessment of straw building material[D].Guangzhou：South China University of Technology,2013.

[41]Shan M,Li D K,Jiang Y,et al.Re-thinking China′s densified biomass fuel policies：Large or small scale?[J].Energy Policy,2016,93：119-126.

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，主要研究方向為農村能源環境。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

張雙奇，鄧夢思，單 明，等.基于秸稈露天焚燒量的北方農村地區秸稈成型燃料替代采暖散煤節能減排研究[J].農業環境科學學報,2017,36（12）：2506-2514.

ZHANG Shuang-qi,DENG Meng-si,SHAN Ming,et al.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[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）：2506-2514.