秸稈捆燒清潔供暖技術評價

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，郝先榮，賈吉秀，趙亞男，劉 杰，楊武英

秸稈捆燒清潔供暖技術評價

霍麗麗1，趙立欣1，姚宗路1※，郝先榮1，賈吉秀1，趙亞男1，劉 杰2，楊武英3

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2. 黑龍江省農業科學院農村能源與環保研究所，哈爾濱 150060；3. 鐵嶺眾緣環保設備制造有限公司，鐵嶺 112611）

中國北方地區秸稈資源豐富，將秸稈打捆轉化為能源實現清潔取暖，既能解決秸稈過剩問題，又能有效替代煤炭，對改善大氣質量和人居環境具有重要意義。為探究秸稈捆燒清潔供暖技術的能源效率、經濟效益和溫室氣體排放，采用3E（Economic，Energy and Environment）評價模型，從作物種植收獲到秸稈捆燒供暖應用全過程開展系統評價。結果表明，秸稈捆燒供暖技術的能源和經濟效益較好、溫室氣體排放少，適于居住較集中的村鎮地區冬季供暖，也可用于農業、工業園區等區域供熱。供暖面積0.5×104～10×104m2范圍內，供暖面積越高，能源和經濟環境效益越好，秸稈捆燒供暖的凈能量10 512～10 774.8 MJ/t，能量產出投入比8.4～8.5，能源轉化率較高，溫室氣體CO2當量排放量為9.67～11.21 g/MJ；經濟成本391.1～560.5元/t（折合16.2～23.8元/m2），按基準收益率8%計算，供暖規模應不小于2×104m2，若不考慮折舊只考慮運行成本，則供暖面積應不小于1×104m2。與秸稈成型燃料和秸稈炭氣聯產供暖技術比較，均具有較好的經濟效益，秸稈捆燒供暖技術的能量效益最優，溫室氣體排放量最少。與煤炭供暖技術相比，3種秸稈供暖技術的凈能量產出不如煤炭，但溫室氣體排放僅為煤炭的1/10～1/7，秸稈清潔供暖技術的環境效益顯著。

溫室氣體；排放; 秸稈；打捆燃燒；供暖；技術評估；經濟效益

0 引 言

中國北方地區秸稈資源豐富，無法全部還田利用，據全國第二次污染源普查，2017年全國秸稈可收集資源量6.74億t，北方地區約占61.6%[1]。與此同時，北方村鎮地區供暖煤炭消耗量大，大氣污染防控壓力大，將秸稈打捆轉化為能源實現清潔取暖，既能解決秸稈過剩問題，又能有效替代煤炭，對改善大氣和人居環境具有重要意義。秸稈捆燒技術是將田間松散的秸稈撿拾打捆后使用專用鍋爐燃燒的技術[2]，國內外相關機構已研發出高效捆燒和煙氣凈化關鍵技術，捆燒供暖技術已基本成熟并得到較好應用。秸稈捆燒供暖成本低，經濟性較好，北方地區供暖期與秸稈收獲時間基本吻合，因此秸稈捆燒供暖能夠有效緩解中國北方村鎮地區秸稈過剩難處理、冬季供暖需求大等問題，具有廣闊的應用前景。

目前，現有研究重點在捆燒特性機理分析方面[3-4]，研發提升能源轉化率和控制污染排放等技術，以及開發不同類型捆燒鍋爐設備等方面，對秸稈捆燒供暖應用的系統評價較少，本團隊曾基于價值工程原理對秸稈捆燒、成型燃料、熱解炭氣聯產等秸稈清潔供暖技術開展經濟性比較評價[5]，但并未定量分析不同技術的經濟成本與效益。裴占江等[6]對東北地區秸稈打捆直燃供暖案例及效益進行分析，僅例舉了一些供暖案例，對成本和供暖效益的簡單估算，并沒有基于科學評價方法進行系統定量分析。

研究基于全生命周期原理，采用前期建立的3E（Economic，Energy and Environment）評價模型[7-8]，開展秸稈捆燒技術的能源轉化、經濟效益及溫室氣體排放等評價，范圍從作物種植收獲到秸稈捆燒供暖應用全過程，提出適宜的供暖規模，同時與成型燃料和熱解炭氣聯產等秸稈清潔能源供暖技術以及煤炭供暖技術比較分析，定量評價不同秸稈清潔供暖技術的能源、經濟和溫室氣體排放，為我國北方村鎮地區清潔取暖提供基礎應用支撐。

1 秸稈捆燒供暖技術評價方法

1.1 秸稈捆燒技術

秸稈捆分為圓捆和方捆。小方捆截面尺寸（高×寬）主要有31 cm×41 cm（12英寸×14英寸）、36 cm × 46 cm（14英寸×18英寸）和41 cm×46 cm（16英寸×18英寸）3類，長度30～130 cm，質量14～68 kg，密度160～300 kg/m3；大方捆的截面尺寸（高×寬）主要有80 cm×90 cm、120 cm×90 cm和130 cm×120 cm 3類，長度100～300 cm，質量820～910 kg，密度約240 kg/m3。大圓捆直徑100～180 cm，長度100～107cm，質量600～850 kg，密度110～250 kg/m3；小圓捆直徑80cm，長度50～70 cm，質量18～20 kg，密度115 kg/m3[9]。

秸稈捆燒技術按進料方式分為序批式和連續式2種。國內外現有序批式捆燒鍋爐中小型鍋爐功率一般為30～120 kW[4,10-13]、大型鍋爐功率130～700 kW[14-17]，熱效率>75%[4,10-13,14-18]，可根據自然村、社區和園區等不同規模選擇適宜的捆燒鍋爐供暖；連續式捆燒鍋爐功率一般>350 kW，熱效率>80%，多為區域集中規模化供暖[19-23]。目前，鍋爐煙氣排放應達到GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》要求[24]，未加脫氮脫硫煙氣凈化系統情況下，捆燒鍋爐尾氣中NOx和顆粒物排放量相對較高，后端應配套煙氣凈化除塵系統。SO2排放在標準限定值范圍內，不存在超標風險，無需配套煙氣脫硫系統。

1.2 評價系統

本文基于前期研究建立的3E評價模型[7]，提出秸稈捆燒供暖評價體系框架，明確各階段輸入輸出變量參數及數值，評價不同供暖規模應用的秸稈捆燒供暖技術的全生命周期階段資源需求與能源投入、經濟成本與經濟效益以及溫室氣體減排量。

評價范圍從作物種植到秸稈捆燒供暖利用全過程，系統分為作物種植收獲、秸稈打捆收儲運、秸稈捆燒供暖應用等3個階段，如圖1所示。分析假設作物生長過程吸收的碳與生命結束排放的碳是可循環的。本研究忽略作物種植和收儲運過程所用設備加工制造的能耗、秸稈捆燒供暖的廠房建設與設備加工制造的能耗、供暖管網和用戶采暖設施加工及安裝的能耗、以及用戶采暖建筑保溫損失的能量。供暖規模評價范圍0.5×104～10×104m2。

圖1 秸稈捆燒供暖技術評價范圍

秸稈捆燒供暖技術的能源轉化和溫室氣體排放評價指標包括凈能量、能量產出投入比、溫室氣體CO2當量排放，計算方法參考文獻[7-8]。

1）凈能量和能量產出投入比

凈能量為秸稈捆燒釋放的熱量與秸稈生長到供暖全過程消耗的總能量之差。能量產出投入比為秸稈捆燒釋放的熱量與秸稈生長到供暖全過程消耗的總能量之比。

式中NE為凈能量，MJ/t；BE為秸稈捆燒釋放的熱能，MJ/t；HE為秸稈生長到供暖全過程消耗的總能量，MJ/t；為能量產出投入比。

2）溫室氣體排放

溫室氣體包含CO2、CH4、N2O，3種溫室氣體的全球增溫潛力系數分別為1、23、296，CO2當量為3類溫室氣體量與增溫潛力系數的乘積之和。

3）經濟效益評價

秸稈捆燒供暖技術的經濟效益評價根據《建設項目經濟評價方法與參數》，采用動態分析法。成本包括秸稈原料成本，秸稈打捆收儲及供暖的燃料動力費、人工、固定資產折舊、維修，以及經營與銷售管理等其他營業費用。經濟性評價包括總利潤、銷售利潤率、投資利潤率、投資回收期、財務內部收益率等。

1.3 數據來源

1.3.1 種植階段

本文以中國東北地區玉米秸稈作為研究對象，數據來源于2020年遼寧省調研情況，玉米種植階段投入分別為種子45 kg/hm2（4.0元/kg）、氮肥180 kg/hm2（2.0 元/kg）、磷肥50 kg/hm2（3.0元/kg）、鉀肥30 kg/hm2（4.2元/kg），殺蟲劑20 kg/hm2（50 元/kg）、除草劑3 L/hm2（36元/L），柴油（翻耕機、播種機、收割機、脫粒機）估算值為150 L/hm2（5.2 元/L）。玉米產量6 130 kg/hm2（單位能量44.3 MJ/kg），玉米秸稈單位產量6 375.2 kg/hm2（單位能量14.6 MJ/kg）。種植階段，按照能量分配種植階段的投入，即每公頃產出的玉米秸稈能量占玉米種植總能量的26%。本階段的成本按照玉米和秸稈的市場售價比例折算，玉米市場價格2 250元/t，玉米秸稈市場價格260 元/t，以秸稈占10%計。

1.3.2 秸稈打捆與收儲運階段

該階段主要為打捆機、收集運輸車、裝卸車等油耗，參考前期研究數據，打捆設備動力36.8 kW，單位油耗27.2 L/hm2。秸稈運輸車輛采用中小型貨車（額定載質量3 t），油耗量為0.05 L/(t·km)，柴油的能量強度為38.72 MJ/L，遼寧省0號柴油市場價格為5.20元/L（2020年7月15日）。

運輸距離采用收集半徑模型按式（4）計算[25]，根據秸稈需求量，實際計算秸稈收集運輸距離。

2=/(π×0)（4）

式中為原料的收集半徑，m；為年秸稈收集量，kg；0為秸稈產量，kg/m2；為種植面積的比例，%；為秸稈可利用比例，%。

2018年遼寧省玉米秸稈單位面積產量6 375.2 kg/hm2，根據中國統計年鑒數據[26]，玉米種植面積占農用地的24%，即種植面積比例為24%；根據全國第二次污染源普查[1]，遼寧省秸稈可收集資源量1 684×104t，能源化利用636.6×104t，未利用秸稈128×104t，玉米秸稈可能源利用量占秸稈可收集資源量的34%，即秸稈可利用比例約34%。秸稈捆存儲過程的能量損失按15%計。

1.3.3 秸稈捆燒供暖階段

采用專門的秸稈捆燒鍋爐為用戶集中供暖。秸稈捆用量與供暖面積關系按公式（5）～（9）計算。采暖熱負荷計算方法基于前人研究的無因次綜合公式的計算方法，采暖起始室外溫度定為5 ℃，室內采暖計算溫度為 18 ℃，計算與室外溫度相對應的小時耗熱量，從而計算年熱負荷需求。該方法主要優點在于無需收集詳盡的當地氣象資料，已知該城市采暖期天數或小時數，采暖室外計算溫度和采暖期室外平均溫度即可。該方法優于傳統直接采用恒定的設計溫度測算熱負荷的方法。其供暖熱負荷時間按式（5）～（7）計算[27-28]。

式中t為折算供暖期設計熱負荷時間，h；t為日小時數，h，為24 h；為供暖期供暖時間，d；1為系數；為修正系數；in為供暖室內設計溫度，℃；θav為供暖期室外平均溫度，℃；θ為供暖期室外最低溫度，℃。以遼寧沈陽市冬季最寒冷一月份氣溫為基準，室外平均溫度和最低溫度取2014～2018年的平均值。in=18 ℃，θav=-11 ℃，θ= -18 ℃，遼寧省供暖期為150 d，按式（5）～（7）測算，供暖期設計熱負荷時間t=2 747 h。

年熱負荷需求按式（8）計算。

式中為年熱負荷需求，GJ；為采暖熱指標，W/m2；為總供暖面積，m2。根據城市熱力網設計規范CJJ34—2010[29]中采暖熱指標推薦值，住宅供暖（采取節能措施）為40～45 W/m2，本文取上限45 W/m2。

供暖年燃料用量按式（9）計算。

式中為燃料用量，kg或m3；Q為燃料低位發熱量，kJ/（kg或m3）；為鍋爐（爐具）熱效率，%。

不同供暖規模所需的鍋爐功率及燃料用量詳見表1。

本研究集中供暖的價格按20元/m2計，電費按0.50元/kW·h計。經濟效益分析按計算期15 a，其中建設期1 a，運營期14 a，分析總成本、總收入、利潤、銷售利潤率、投資利潤率、投資財務內部收益率以及投資回收期等指標，并分析經濟效益的敏感性和盈虧平衡等不確定性，評價秸稈捆燒供暖的經濟可行性。其中，折舊費工程設施按20 a折舊期計，設備按10 a折舊期計，維修費按總成本6%計，其他營業費按總成本的4%計。

1.3.4 溫室氣體排放

根據中國統計年鑒，煤、天然氣、石油、一次電力及其他能源比例分別為69.3%、7.2%、5.5%、14.0%和4.0%[26]。其中一次電力中，火電占總電力的72.4%，水電、核電及新能源等其他電力能源的溫室氣體排放忽略不計，各類型能源溫室氣體單位排放量參考文獻[8]。氮磷鉀肥工業用能煤、石油、天然氣占比分別為65.6%、22.6%和11.8%[8]，其他均按照中國統計年鑒的能源比例計算。

表1 不同供暖規模的鍋爐容量及燃料用量

2 結果與分析

2.1 能量投入產出

供暖面積在0.5×104～10×104m2范圍，如圖2所示，秸稈捆燒供暖全生命周期過程總能量投入1 246.9～1 278.1 MJ/t。隨著供暖面積增加，秸稈用量增加，收儲距離隨之增大，運行能耗隨之增多，但二者能量投入均不高，僅占總能量投入的6%～8%，因此供暖面積增加對能量投入產出影響不大。作物種植階段的能量投入占比最高，約占85%；其中氮肥和農機能量投入最高，占比分別為32%和24%。

秸稈捆燒供暖的凈能量10 512～10 774.8 MJ/t，能量產出投入比8.4～8.5，能量產出遠大于投入，秸稈捆燒供暖技術的能源轉化率較高，秸稈能量產出為0.65 MJ/MJ，即1 MJ秸稈自身能量能夠產出0.65 MJ的供暖能量。

圖2 秸稈捆燒清潔供暖技術的能量投入

2.2 經濟效益

噸秸稈利用的經濟成本隨著供暖面積的增加而降低，經濟利潤隨之增加，如圖3所示。供暖面積為0.5×104m2時，總成本560.5元/t秸稈（23.8元/m2），總收入471元/t秸稈（折合20元/ m2），利潤率為-19%。供暖面積10×104m2時，總成本391.1元/t秸稈（折合16.2元/m2），比供暖面積0.5×104m2時降低了30%，總收入482.8元/t秸稈（折合20元/ m2），銷售利潤率為19%。

各個階段的經濟成本如圖4所示。玉米種植階段的總成本為5 520元/hm2，按照玉米和秸稈的市場售價比例折算，秸稈在種植階段的成本折合86.6元/t秸稈；秸稈打捆成本為50.3元/t秸稈；收儲運階段成本為22.7～30.7元/t秸稈，隨著供暖面積增加，原料收集距離增大，成本隨之增加；捆燒供暖階段成本為87.1～219.3元/t秸稈，隨著供暖面積增加，成本顯著降低。折舊費、設備維修及其他營業費隨供暖面積增加而降低。經濟成本隨供暖面積增加而降低，其主要原因是單位人工成本顯著降低。

圖3 秸稈捆燒供暖技術經濟性分析

圖4 秸稈捆燒供暖成本

采用投資效益的動態分析法評價秸稈捆供暖技術的經濟效益，秸稈捆燒供暖技術的經濟效益按基準收益率≥8%計，分析供暖面積1×104～10×104m2的財務內部收益率和投資回收期，如圖5所示。供暖面積2×104m2時，財務內部收益率為8.18%，投資回收期為9.77 a；供暖面積10×104m2時，財務內部收益率為12.85%，投資回收期為7.61 a。供暖面積越高，經濟效益越好，供暖面積>2×104m2時，財務內部收益率大于基準收益率，秸稈捆燒供暖項目才有盈利。因此供暖面積小于2×104m2的區域，不建議集中供暖，應選用分散單戶采暖模式。分析秸稈捆燒供暖技術全生命周期的運行經濟性，不考慮折舊費，只考慮運行成本，經濟效益按利潤率≥8%計，則供暖面積不應小于1×104m2，因此，當初投資費用不計入運行期的經濟成本核算，可以考慮供暖面積1×104～2×104m2區域集中供暖。

圖5 秸稈捆燒供暖財務內部收益率和投資回收期

2.3 溫室氣體排放

供暖面積在0.5×104～10×104m2范圍，如圖6所示，秸稈捆燒供暖技術的全生命周期過程釋放的溫室氣體（CO2當量）為9.67～11.21 g/MJ，其中，CO2溫室氣體排放當量為4.74～5.49 g/MJ，NOx的溫室氣體排放當量為4.64～5.38 g/MJ，CO2和NOx的溫室氣體貢獻分別占49%和48%。作物種植階段釋放的溫室氣體最高，占64%～76%，其次為秸稈捆燒供暖階段，占9%～10%。種植階段主要為氮肥和農機（柴油）的溫室氣體排放，分別占全生命周期過程的20%和27%。因此，氮肥加工和施用的節能減排，及農機效率提升和能耗降低是減少溫室氣體排放的重點內容。

圖6 秸稈捆燒供暖的溫室氣體排放（供暖面積10×104 m2）

3 討 論

3.1 供暖負荷對供暖成本的影響

以供暖面積2×104m2為例，假設作物種植面積的比例和秸稈可利用比例保持不變的情況下，分析典型北方地區的供暖熱負荷需求，冬季最寒冷一月份氣溫為基準，室外平均溫度和最低溫度取2014—2018年的平均值，詳見表2。

表2 典型地區的供暖熱負荷需求（供暖面積2×104 m2）

如圖7所示，不同地區由于氣候不同，熱負荷需求差異明顯，隨著不同地區氣溫逐漸降低，熱負荷需求增加，單位面積的供暖成本隨之增加。對比典型地區，石家莊供暖總成本14.6元/m2、運行成本12.3元/m2；而哈爾濱供暖總成本21.6元/m2、運行成本17.3元/m2，是石家莊供暖成本的1.5倍。從利用秸稈的使用成本來看，單位秸稈的供暖成本隨著秸稈捆用量的增加而降低。對比典型地區，石家莊供暖總成本487.2元/t；哈爾濱供暖總成本385.9元/t，秸稈利用成本減少了20%。因此，供暖秸稈捆的用量越大，秸稈的利用成本越低。

圖7 不同地區供暖熱負荷與供暖成本（供暖面積2×104 m2）

3.2 經濟效益的不確定性分析

影響秸稈捆供暖技術經濟效益主要因素有供暖價格及秸稈捆價格、燃料動力費、建設投資等，采用敏感性分析和盈虧平衡分析技術的不確定性。各個影響因素的敏感性臨界點如圖8所示，隨著供暖面積增加，經濟敏感性降低。供暖價格的變化對經濟效益影響最顯著，其后依次為建設投資、燃料動力費和秸稈捆價格。經計算，供暖基準價格20元/m2，供暖面積2×104m2時，其供暖價格敏感性臨界值為19.84元/m2，供暖面積10×104m2時，其供暖價格敏感性臨界值為18.03元/m2。建設投資對經濟的敏感性影響較大，原因是供暖工程的建設投資較高，其折舊成本占總成本的20.1%～22.6%。

秸稈捆燒供暖盈虧平衡分析如圖9所示，盈虧平衡點隨著供暖面積增加而減小，從供暖面積1×104m2盈虧平衡點94.2%減小到10×104m2的盈虧平衡點64.89%，說明供暖規模越大，秸稈捆燒供暖工程的抗風險的能力越高，盈利能力越好。

圖8 秸稈捆燒供暖的敏感性臨界點

圖9 秸稈捆燒供暖的盈虧平衡點

3.3 幾種秸稈供暖技術比較

與秸稈成型燃料和秸稈炭氣聯產供暖技術對比，本文基于遼寧省基礎數據，以供暖面積10×104m2為例，對不同技術的各階段輸入數據更新計算，秸稈成型燃料加工選用已廣泛應用的環模式顆粒燃料成型技術、供暖采用已廣泛應用的生物質專用鍋爐（熱效率85%計）；秸稈熱解炭氣聯產選用已推廣應用的連續式熱解技術，高溫熱解燃氣直接進入供熱鍋爐，生物炭作為副產品還田應用。

供暖面積10×104m2，捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產3種供暖技術的秸稈用量分別為4 142.5、3 716.9和9 156.7 t，能量投入產出結果見表2。

捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產3種供暖技術單位秸稈的能量總投入分別為1 278.1、1 535.3和1 661.6 MJ/t，分別占秸稈本身所含能量的8.8%、10.5%、11.4%；能量產出分別為10 774.8、10 710.0、8 490.0 MJ/t，秸稈能量轉化率分別為73.8%、73.4%和58.2%；凈能量盈余分別為9 496.7、9 174.7、6 857.5 MJ/t，秸稈能量利用率分別為65.0%、62.8%和47.0%。3種技術比較，秸稈捆燒技術的能量效益最優，捆燒技術能源轉化鏈條最短，能量投入及能源轉化損失最少，能量投入產出比最大，能夠實現秸稈能量最大限度的有效利用，適于秸稈資源豐富、居住較集中的村鎮地區冬季采暖，也可用于農業、工業園區等區域供熱，為村鎮地區提供低成本清潔取暖能源具有重要的現實意義。

表2 不同秸稈供暖技術能量投入產出

捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產3種供暖技術的經濟性分析詳見表3。3種供暖技術的總成本分別為391.1、434.5和469.5元/t，總收入分別為482.8、538.1和578.4元/t，利潤分別為91.7、103.6和108.9元/t，3種秸稈供暖技術均具有一定的經濟效益，投資回收期7.5～7.9 a，財務內部收益率12.0%～12.9%，銷售利潤率18.8%～21.4%之間。與秸稈成型燃料供暖技術相比，捆燒技術減少了秸稈粉碎、成型等工序，顯著降低了燃料成本；但秸稈捆密度比成型燃料小，存儲占地面積是成型燃料的2～4倍；同時，燃燒鍋爐和進料設備尺寸大，初投資成本相對較高。捆燒、成型燃料均為單一產品收入，熱解炭氣聯產供暖技術除了供暖有副產品生物炭，其供暖收入占比38%，副產品生物炭的收入占62%（生物炭單價按1 200 元//t計），可見，熱解炭氣聯產供暖技術的副產品生物炭對經濟效益影響較大，可見保證生物炭產品質量、提升生物炭利用價值是提高熱解炭氣聯產供暖技術經濟效益的關鍵因素。

通過對全生命周期階段全部投入品的溫室氣體排放分析，詳見表4。秸稈捆燒供暖技術的溫室氣體排放最低，為11.21 g/MJ，秸稈成型燃料供暖技術CO2當量排放量為13.41 g/MJ。研究基于現有工程利用現狀，捆燒和成型燃料兩種供暖技術燃燒后的灰渣并未有效利用，目前只做填埋處理。秸稈通常含有3%～10%的灰分，灰分中含有一定的營養成分，如鉀、鎂、磷和鈣，可用作農業肥料，若將其還田利用，可增加碳元素在全生命周期階段的有效循環，進一步減緩溫室氣體排放。

表3 不同秸稈供暖技術經濟性

表4 幾種秸稈清潔供暖技術的溫室氣體排放

秸稈熱解炭氣聯產供暖技術全生命周期過程CO2當量排放量為15.74 g/MJ。熱解炭氣聯產中的副產品生物炭還田后可長期儲存在土壤中，按照秸稈轉化產出生物炭的碳減排潛力CO2當量為0.86～0.89 t/t秸稈計算[7,30]，折合57.7～60.1 g/MJ，CO2當量減排量約45 g/MJ。秸稈熱解炭氣聯產供暖技術既能為村鎮提供清潔能源，又能實現固碳減排，因此該技術的固碳減排效益最優。

3.4 與煤炭供暖技術比較

根據已有文獻，1 t煤需投入的總能量1 149.9 MJ，1 t煤產出能量20 908 MJ，凈能量為19 758.1 MJ/t，能量產出投入比為18.2，凈能量單位能量產出0.94 MJ/MJ[8,31]。捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產等3種秸稈供暖技術的單位能量產出分別為0.65、0.58和0.47 MJ/MJ。

煤炭溫室氣體（CO2當量）排放量為100.5 g/MJ[27]。以供暖面積10×104m2為例，煤炭的能量投入最少，凈能量產出最高，主要是由于煤炭開采、運輸和供暖的全過程鏈條最短，能量損失最少，如圖10所示。煤炭供暖釋放大量的溫室氣體，對環境影響較大，秸稈捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產3種供暖技術全過程中秸稈生長吸收的碳與供暖排放的碳形成循環，其全生命周期過程的溫室氣體排放遠小于煤炭，約為煤炭溫室氣體排放量（CO2當量）的1/10～1/7，因此，采用秸稈捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產供暖技術替代煤炭供暖的溫室氣體減排效益較大，對改善村鎮地區大氣和人居環境具有顯著效果。

圖10 幾種供暖技術比較

4 結 論

1）供暖面積0.5×104～10×104m2范圍，秸稈捆燒供暖全生命周期過程總能量投入1 246.9～1 278.1 MJ/t。秸稈捆燒供暖的凈能量10 512～10 774.8 MJ/t，能量產出投入比8.4～8.5，能量產出遠大于投入，秸稈捆燒供暖技術的能源轉化率較高。總成本391.1～560.5元/t（折合16.2～23.8元/m2），隨著供暖面積的增加，秸稈捆燒供暖技術經濟成本逐漸降低，經濟效益逐漸增加，按利潤率>8%計，則供暖面積應不小于2×104m2，若不考慮折舊只考慮運行成本，則供暖面積不應小于1×104m2。秸稈捆燒供暖技術的溫室氣體排放量（CO2當量）為9.67～11.21 g/MJ。秸稈捆燒供暖技術的能源和經濟效益較好、溫室氣體排放量較少，適于居住較集中的村鎮地區冬季供暖，也可用于農業、工業園區等區域供熱。

2）與秸稈成型燃料和秸稈炭氣聯產供暖技術比較，秸稈捆燒供暖技術的能量效益最優，溫室氣體排放量最少。3種技術均具有較好的經濟效益，銷售利潤率相差不大；秸稈捆燒和成型燃料供暖技術由于初投資較低，比秸稈炭氣聯產供暖技術的投資收益率高。與煤炭供暖技術相比，3種秸稈供暖技術的凈能量產出不如煤炭，但溫室氣體CO2當量排放量僅為煤炭的1/10～1/7，環境效益顯著。

3）建議結合人居環境提升，進一步完善村鎮清潔取暖基礎設施配套，加快推進秸稈捆燒、成型燃料和熱解炭氣聯產等秸稈清潔供暖技術在北方村鎮地區的應用，促進剩余秸稈有效利用，緩解露天焚燒壓力，替代煤炭提供清潔能源。

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Technical evaluation of baled stover burning for clean heating

Huo Lili1, Zhao Lixin1, Yao Zonglu1※,Hao Xianrong1, Jia Jixiu1, Zhao Yanan1,Liu Jie2, Yang Wuying3

(1.,,100081,; 2.,,150060;3.,112611,)

An abundant supply of stover in northern China remains after corn grain harvest. The collected stover resources are about 6.74×108t in 2017. Converting stover bales into renewable energy for clean heating is attracting much attention to save many stover resources, further possibly to replace coal, and thereby positively contribute to air quality, rural communities, and society at large. According to the whole life cycle in sustainable agriculture, in this study, a systematic evaluation was carried out to use a 3E (Economic, Energy and Environment) model, ranging from crop planting and harvesting to stover burning for heating, in order to explore the energy efficiency, economic benefits, and greenhouse gas emissions of baled stover burning boiler for clean heating. The results showed that the heating from baled stover burning has better energy and economic benefits, with less emissions of greenhouse gas. The clean heating can be expected suitable for the heating in winter in villages and towns with concentrated living, and for the urban district heating, such as agricultural and industrial parks. The heating area ranged from 5 000 to 100 000 m2, the net energy of baled stover for heating was 10 512-10 774.8 MJ/t, and the energy output-input ratio was 8.4-8.5, indicating that the energy conversion rate was relatively high. In addition, the greenhouse gas emissions (CO2eq.) were 9.67-11.21 g/MJ. The total cost of heating by burning stover bales was 391.1 yuan/t (equivalent to 16.2 yuan/m2) -560.5 yuan/t (equivalent to 23.8 yuan/m2). Calculating at an 8% rate of return, the heating scale can be more than 20 000 m2. If only considering operating costs without the depreciation, the heating area can be more than 10 000 m2. The baled stover burning for heating can achieve the best energy efficiency, while the least emissions of greenhouse gas, compared with stover densified biofuel, and stover carbon-gas co-generation. The net energy output of three stover heating can be less than that of coal heating, but the greenhouse gas emissions can be only from 1/10 to 1/7 of that of coal, indicating the environmental benefits are significant. Therefore, it is highly recommended to further improve the heating facilities in villages and towns of northern China, and thereby promote the application of clean heating, such as baled stover burning, densified biofuel, and pyrolysis carbon-gas cogeneration. Stover clean heating can be used to effectively alleviate air pollution and reduce emissions of greenhouse gas in a renewable energy source.

greenhouse gases; emission; stover; baled burning; heating; technology assessment; economic

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，等. 秸稈捆燒清潔供暖技術評價[J]. 農業工程學報，2020，36(24)：218-226.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.026 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Technical evaluation of baled stover burning for clean heating[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 218-226. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.026 http://www.tcsae.org

2020-08-21

2020-10-16

中國農業科學院科技創新工程；現代農業產業技術體系專項資金資助（CARS-02）

霍麗麗，高級工程師，博士，主要從事秸稈能源化利用研究。Email：huolili666@126.com

姚宗路，研究員，博士，主要從事農業廢棄物清潔利用技術研究。Email：yaozonglu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.026

X712，TK6

A

1002-6819(2020)-24-0218-09