分布式能源在農(nóng)村的應(yīng)用

文 | 洪博文 李瓊慧 王偉

洪博文、李瓊慧供職于國(guó)網(wǎng)能源研究院 ；王偉供職于中農(nóng)綠能科技集團(tuán)有限公司

農(nóng)村人口眾多、能源資源開(kāi)發(fā)潛力巨大，農(nóng)村能源已成為能源發(fā)展變革中的重大課題。僅秸稈一項(xiàng)，我國(guó)每年產(chǎn)量達(dá)到7.2億噸，占世界秸稈資源的30%，充分利用將帶來(lái)巨大的能源資源財(cái)富。

合理建設(shè)和優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)組合和配置，形成可復(fù)制、可推廣的農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)典型應(yīng)用模式，不僅能獲得較好的商業(yè)價(jià)值，還能有效提高綜合能效，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的最大化。

但同時(shí)，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)也面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。首先，我國(guó)農(nóng)村地理分布廣、人口密度低，村與村之間人口、資源、基礎(chǔ)設(shè)施等差異性較大，統(tǒng)籌建設(shè)難度大，難以采取統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)模式。其次，由于農(nóng)村能源資源利用同時(shí)涉及能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)部門(mén)，需要解決資源收集、土地性質(zhì)、技術(shù)融合、企業(yè)融資等多個(gè)難題。如何因地制宜開(kāi)展農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)成為一項(xiàng)重要課題。

一般而言，分布式能源系統(tǒng)包含源-網(wǎng)-儲(chǔ)等環(huán)節(jié)和冷、熱、電、氣等形式，其組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，典型的分布式能源系統(tǒng)包括分布式光伏發(fā)電、天然氣分布式供能、鍋爐、電儲(chǔ)能、蓄熱裝置等，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)中包含大量生物質(zhì)能，其生產(chǎn)和利用模式更加豐富，如生物質(zhì)熱電聯(lián)供、生物制氫、生物天然氣制取等。此外，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)還與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有密切的關(guān)聯(lián)，有時(shí)甚至是一個(gè)不可分割的整體。

分布式能源系統(tǒng)的能量流動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，以一個(gè)簡(jiǎn)單分布式能源系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中包含風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能、熱電聯(lián)供機(jī)組和燃?xì)忮仩t等設(shè)備。熱電聯(lián)供機(jī)組在發(fā)電的同時(shí)，還輸出熱量供給熱負(fù)荷，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量不足時(shí)，剩余熱量由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。而電網(wǎng)、氣網(wǎng)等管網(wǎng)則起到調(diào)劑余缺的作用，是支持分布式能源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

農(nóng)村的分布式能源系統(tǒng)的三種典型應(yīng)用模式，本文以下分別論述。

生物天然氣+有機(jī)肥模式

生物天然氣是以畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢棄物等為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵和凈化提純后與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環(huán)保可再生燃?xì)狻Ｉ锾烊粴?有機(jī)肥的發(fā)展模式，其定位是以農(nóng)業(yè)為主、能源為輔，需要解決秸稈收集、沼渣還原、沼氣利用等關(guān)鍵問(wèn)題。

沼氣發(fā)酵方式是直燃發(fā)電（供熱）、露天焚燒、生物制氫等諸多生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種，與直接填埋、露天堆置等農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式相比，兼具能源和農(nóng)業(yè)利用價(jià)值。沼氣發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)是廢棄物排放少，產(chǎn)氣率高，通常達(dá)到1.5倍容積率；氮、磷等元素基本保留在沼渣之中。缺點(diǎn)是單純利用秸稈發(fā)酵的技術(shù)難度較大,國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展起步較晚，很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備對(duì)進(jìn)口依賴性較高。

綜合比較，目前受到推崇的秸稈還田方式由于未經(jīng)過(guò)發(fā)酵工藝處理，存在細(xì)菌和作物病害的潛在問(wèn)題，加大了農(nóng)藥的用量；直燃發(fā)電（供熱）的方式則僅利用了秸稈的能源價(jià)值，造成農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi)。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的角度，生產(chǎn)生物天然氣的沼氣發(fā)酵技術(shù)只有17%的碳轉(zhuǎn)化率，氮和磷基本保留在剩余物制作的有機(jī)肥中，能更好的實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用。

在有機(jī)肥利用方面，該模式的有機(jī)肥利用方式與禽畜糞便直接澆灌和施用化肥等方式相比，在生態(tài)環(huán)境和食品安全方面的優(yōu)勢(shì)也較為明顯。有機(jī)肥的優(yōu)點(diǎn)是不改變當(dāng)?shù)赝寥澜Y(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期對(duì)保持當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)平衡極為有利；有機(jī)肥制作過(guò)程中經(jīng)過(guò)發(fā)酵和堆埋，溫度可達(dá)到70度以上，可實(shí)現(xiàn)較好的消毒殺菌效果；能夠獲得農(nóng)業(yè)部門(mén)的政府性補(bǔ)貼。缺點(diǎn)是見(jiàn)效慢，一般3年才能看到成效，3年后減少化肥使用量30%。綜合比較，有機(jī)肥雖然不能立竿見(jiàn)影，但對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)保的長(zhǎng)期價(jià)值顯著。

世界部分國(guó)家城市垃圾填埋比例

城鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理模式

目前，國(guó)內(nèi)外垃圾處理的主要方式包括填埋、焚燒和綜合處理（多級(jí)分揀、氣化）3種。美國(guó)以填埋為主，日本焚燒為主（占世界焚燒76%），德國(guó)焚燒為輔綜合處理為主。

我國(guó)垃圾處理的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，以大城市周邊為例，垃圾填埋能力已趨于飽和，已成為制約城市發(fā)展的主要問(wèn)題之一。直接焚燒的方式問(wèn)題可能更為嚴(yán)重，其對(duì)環(huán)境污染一直存在廣泛爭(zhēng)議，實(shí)施監(jiān)管的難度也很大，混合垃圾焚燒則危害更為嚴(yán)重。盡管一些專家提出噴活性炭的方式吸收二惡英，但后期處理也缺乏監(jiān)管，此外焚燒還會(huì)產(chǎn)生大量飛灰和重金屬。

垃圾氣化的技術(shù)源于煤炭氣化處理，可采用四種不同工藝：①固定床氣化，如太原重機(jī)，主要采用上吸式或下吸式進(jìn)行高溫裂解，其中，下吸式占地面積小，上吸式需要進(jìn)行焦油處理，綜合效率較低；②粉煤氣化，如航天萬(wàn)源和天津RDCC，氣化率高；③水煤漿氣化；④循環(huán)流化床氣化，國(guó)外主要采用加壓循環(huán)流化床氣化。

綜合來(lái)看，以垃圾氣化為主的方式可以將城鎮(zhèn)生活垃圾完全資源化利用，并實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，最終達(dá)到“資源化、減量化、無(wú)害化”的三化處理效果。相比垃圾焚燒發(fā)電處理模式上億元的投資，垃圾填埋占用大量土地且污染環(huán)境，生活垃圾分選及綜合利用處理模式的投資額僅為同等焚燒項(xiàng)目的一半，且可采取PPP合作模式和BOT運(yùn)作模式，能夠顯著降低當(dāng)?shù)刎?cái)政支出并節(jié)約用地。

生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)模式

利用生物質(zhì)能源方面的科技優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)成型燃料，開(kāi)發(fā)和利用電廠余熱、熱電聯(lián)產(chǎn)以及多種技術(shù)、多種形式熱源，為城鎮(zhèn)居民采暖及工業(yè)企業(yè)供熱提供綜合能源服務(wù)。與單一的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)相比，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)通過(guò)能源梯級(jí)利用，具有更高的能源效率，是我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)型的方向，是未來(lái)發(fā)展的主流。

農(nóng)村生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)選以樹(shù)皮等林業(yè)廢棄物為原料，與焚燒秸稈進(jìn)行生物質(zhì)熱電聯(lián)供的方式相比，能夠更好的兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。一方面，利用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林廢棄物，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，與農(nóng)作物秸稈不同，一些農(nóng)林資源無(wú)法還田還林，和熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合能更好的發(fā)揮其剩余價(jià)值。

三大模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本文選取中農(nóng)綠能科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中農(nóng)綠能”）的項(xiàng)目為例，分析農(nóng)村三大模式的應(yīng)用場(chǎng)景特征和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

中農(nóng)綠能定位于中國(guó)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)者和城鎮(zhèn)化清潔能源綜合供應(yīng)商，其核心業(yè)務(wù)涵蓋了農(nóng)村三大典型應(yīng)用模式。中農(nóng)綠能的三類典型項(xiàng)目均以生物質(zhì)為原料，通過(guò)“資源化、減量化、無(wú)害化”的三化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物制氣和有機(jī)肥生產(chǎn)等，充分發(fā)揮生物質(zhì)資源的綜合價(jià)值。

（1）生物天然氣+有機(jī)肥

該模式的項(xiàng)目采用中農(nóng)綠能公司與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的“纖維素水解+ CSTR厭氧發(fā)酵+沼氣凈化提純利用+沼渣有機(jī)肥綜合利用”技術(shù)為本項(xiàng)目的主體工藝，總投資1.2億元，占地面積60余畝，建設(shè)內(nèi)容包括原料預(yù)處理及進(jìn)料系統(tǒng)、CSTR厭氧發(fā)酵罐以及配套的固液分離系統(tǒng)、沼氣凈化提純系統(tǒng)和沼氣利用系統(tǒng)等一整套生物天然氣生產(chǎn)設(shè)備，并同期建設(shè)一座生物有機(jī)肥車間和一套育秧盤(pán)生產(chǎn)線。該工程完工后日產(chǎn)沼氣3.6萬(wàn)方，生物天然氣2萬(wàn)方，年消耗秸稈2萬(wàn)噸，年產(chǎn)天然氣700萬(wàn)方。

項(xiàng)目建成后極大改變了當(dāng)?shù)氐哪茉蠢矛F(xiàn)狀，使農(nóng)業(yè)廢棄物得以回收利用，降低秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)能有效減少當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥化肥的使用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。為我國(guó)將農(nóng)村養(yǎng)殖、種植廢棄物處理轉(zhuǎn)化成分布式能源清潔能源提供了一個(gè)清潔樣本。

（2）城鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理

中農(nóng)綠能的該模式項(xiàng)目主要采取下吸式固定床氣化方式處理垃圾，適合縣域及以下推廣應(yīng)用。所采取的“村收集、鎮(zhèn)、縣分別處理”的兩級(jí)模式（鎮(zhèn)處理、縣填埋），與我國(guó)目前大力推廣的“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”三級(jí)處理模式相比，可進(jìn)一步降低運(yùn)輸?shù)哪芎暮臀廴荆绕涫菍?duì)西藏、寧夏、甘肅等一些地廣人稀的地區(qū)，成本和環(huán)境優(yōu)勢(shì)更為明顯。以50萬(wàn)以上人口、日產(chǎn)350噸生活垃圾的縣域?yàn)槔械纳罾甓仁者\(yùn)（垃圾中轉(zhuǎn)站和運(yùn)輸）和填埋費(fèi)用在5000萬(wàn)至1億元之間，實(shí)行兩級(jí)處理模式后，可節(jié)省近一半的收運(yùn)和填埋費(fèi)用。

中農(nóng)的垃圾綜合處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集裝箱化，包含兩種規(guī)格的產(chǎn)品。①日處理50噸垃圾的系統(tǒng)，適用于人口5萬(wàn)左右的普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)；②日處理150噸垃圾的系統(tǒng)，適用于人口10萬(wàn)左右的普通縣城。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)系統(tǒng)每日運(yùn)行10小時(shí)，每小時(shí)處理垃圾1.5噸、制氣3000方，通過(guò)氣膜存儲(chǔ)。系統(tǒng)本身由有機(jī)物質(zhì)制成的可燃?xì)怏w可發(fā)電自用，也可提供給外部使用。如采用150kW內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，或單獨(dú)鋪設(shè)管道運(yùn)輸，地方環(huán)保部門(mén)會(huì)提供部分財(cái)政支持。一套鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)系統(tǒng)占地5畝，成本約600萬(wàn)元，主要盈利點(diǎn)是每噸八十至一百元的垃圾處理費(fèi)，由政府承擔(dān)。目前，中農(nóng)已在內(nèi)蒙古、遼寧等多地落地項(xiàng)目，從運(yùn)行效果看，該工藝具有運(yùn)行費(fèi)用低、分析效果好、分散與集中處理相結(jié)合，具有很好的推廣價(jià)值。

（3）生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目

中農(nóng)在山東高密建設(shè)了生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，通過(guò)燃燒樹(shù)皮進(jìn)行發(fā)電、供熱，電廠和供熱管網(wǎng)均為自建，占地面積10萬(wàn)平方米，項(xiàng)目一期建設(shè)規(guī)模為1×130t/h水冷振動(dòng)爐排生物質(zhì)鍋爐，配1×30MW抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組，在2018年年底投產(chǎn)，建成后將向高密裝飾材料產(chǎn)業(yè)園供工業(yè)熱負(fù)荷約124萬(wàn)吉焦，向周邊民用采暖供熱負(fù)荷約5萬(wàn)吉焦，年發(fā)電量約1.944億千瓦時(shí)，其供暖期年平均熱電比達(dá)到185%，工業(yè)用氣年平均熱電比達(dá)178%，完全符合熱電聯(lián)產(chǎn)年平均熱電比不小于100%的要求；項(xiàng)目一期投資約2.9億元，投產(chǎn)后預(yù)計(jì)上繳利稅約4700萬(wàn)元。

結(jié)論

本文分析了農(nóng)村三種典型分布式能源商業(yè)應(yīng)用模式，總結(jié)了三大模式的特征，對(duì)不同模式的特征及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

1、在秸稈等生物質(zhì)資源豐富地區(qū)，優(yōu)先采用生物質(zhì)天然氣利用方式，與有機(jī)肥等相結(jié)合，可以提高農(nóng)村生物質(zhì)資源的綜合利用效率，避免燃燒發(fā)電等對(duì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于促進(jìn)農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；

2、在林業(yè)資源豐富地區(qū)，優(yōu)先采用熱電聯(lián)供方式利用樹(shù)皮等生物質(zhì)資源，在發(fā)電同時(shí)解決當(dāng)?shù)鼐用竦墓┡瘑?wèn)題，相比散燒煤供暖污染降低，同時(shí)與鋪設(shè)綜合熱力管網(wǎng)更為經(jīng)濟(jì)；

3、與城鎮(zhèn)生活垃圾處理相結(jié)合的能源資源利用方式，既可實(shí)現(xiàn)廢物利用，又能有效降低焚燒的污染，在農(nóng)村地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。