生物質氣化/直燃供熱系統經濟性分析

丁億極，王恩宇，陳冠益

（1.河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401；2.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300350）

0 引言

農村地區(qū)的供熱需求持續(xù)增長，但距離市區(qū)較遠，交通運輸滯塞、信息傳遞緩慢等原因限制了農村供熱的發(fā)展。我國每年產生秸稈、谷物稻皮等生物質廢棄物達到7 億t[1]，而天津農村地區(qū)農作物副產品中，麥秸、玉米秸和玉米芯等生物質原料豐富。生物質供熱技術是生物質能源利用的重要方向之一，亦是解決農村供熱問題的有效途徑。目前農村地區(qū)大多采用直接燃燒煤或者秸稈廢棄物供熱。該方式雖然價格低廉，但是污染物排放量大。生物質氣化方式可以解決污染物排放量大的問題，但投資、運行成本較大。在生物質氣化方案經濟性的研究中，陳冠益等[1]、米鐵等[2]、周衛(wèi)紅等[3]、趙玉磊等[4]、葉菲等[5]大多利用估算法、技術經濟法、全生命周期法等對農村地區(qū)生物質氣化集中供熱/分戶供熱、發(fā)電、供氣等的經濟性進行了計算分析，得出了投資回收期、項目供熱費用等經濟數據。夏宗鵬等[6]對采用生物質氣化燃氣、燃煤采暖爐與戶用沼氣3種燃料的集中供熱和分戶供熱方案的經濟性進行了研究，研究表明：整體而言，生物質氣化燃氣分散供熱優(yōu)于戶用沼氣分散供熱經濟性。特別針對農村的管理水平落后，生物質氣化燃氣分散供熱的優(yōu)點更加突出。Pa等[7]使用生命周期分析方法對木屑氣化供熱進行研究。Meerman等[8]對技術改進和運行經驗增加這兩方面對綜合氣化設施的技術經濟性能的影響進行研究，研究表明：發(fā)現目前的電力或運輸燃料的生產成本仍然高于市場價格。然而，通過技術的不斷改進必將使生產成本大大降低，從而使氣化設備的經濟性顯著提高。對于生物質直燃方案經濟性的研究中張鐵柱等[9]、劉杰等[10]大多采用估算法對秸稈直燃的熱電聯供系統和純發(fā)電系統的經濟性進行了研究分析，研究表明：燃料成本和發(fā)電量是影響生物質發(fā)電直燃發(fā)電效益的重要因素。Nishiguchi 等[11]對木材直接燃燒和燃燒木屑2 個最佳解決方案進行敏感性分析，調查結果表明，直接燃燒和燃燒木屑的能量回收是首選方法。另外，以上研究中均未提出生物質氣化/直燃方案供熱方案的經濟結構與對比分析結論，且計算方法不一致導致的計算結果有差異，無法將彼此的研究結論進行相互對比。

目前針對生物質氣化/直燃技術供熱經濟性的研究較少，缺乏相應的數據進行后續(xù)的研究對比。本文在以往工作的基礎上用估算法和技術經濟法結合的數據采集方法，利用現值法對2種方案的全生命周期總成本、總收益、總運行成本進行處理計算。對成本進行初投資和運行成本劃分，將2種方案的資本結構進行分類對比，找出影響方案經濟性的主要因素。將2種方案的數據明細進行計算對比，得出較為準確的經濟性差距。同時得出一系列經濟結構的計算公式，方便讀者計算其他地區(qū)氣化/直燃供熱方案的經濟性，并更加簡便的得出經濟性評價結論。

1 系統簡介

本文選用估算法和技術經濟法，對生物質氣化和直燃2種技術的供熱方案進行成本、收益、投資回收期計算與分析與比較，最終獲取最優(yōu)方案。

本文以天津市某自然村為案例。該自然村約有300戶居民，農作物以小麥和玉米為主，忽略年產量占比1%以下的生物質廢物，麥秸、玉米秸和玉米芯3種主要生物質燃料的產量及特點如表1所示。

根據表1，該自然村生物質燃料年產量為3 800.35 t，平均熱值為17.13 MJ/kg。本文采用下吸式固定床氣化爐（根據農村所需設計，保證農村基本供熱需求），產氣量為2.53 m3/kg[12]，燃氣熱值為復合秸稈氣化氣的低位熱值5.02 MJ/m3。

表1 農村秸稈年產量目錄表Tab.1 Table of contents of annual yield of straw in rural areas

2 建筑全年耗熱量及供熱收入估算

本案例以區(qū)域集中供熱方式進行供熱，采用采暖面積熱指標法計算熱負荷（由于農村房屋密閉性較差，熱負荷相對較高，所以本文采暖熱指標值取64 W/m2）[3]，假定供熱面積為戶均90 m2，根據式（1）計算建筑的采暖設計熱負荷為1 728 kW。

本文按照天津市采暖收費管理辦法中的市區(qū)集中供熱收費標準計算項目收益數據。根據《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》和《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，天津市供熱季為120 d，根據建筑采暖設計熱負荷為1 728 kW，室內設計溫度為18 ℃，采暖期室外平均溫度為-0.2 ℃，采暖室外計算溫度為-9 ℃，根據式（2）計算總熱負荷全村年供熱量為12 076.65 GJ（合3 354 892.37 kW·h）。生物質氣化和直燃供熱方案的年供熱收入相同，根據《天津市供熱用熱條例》，天津供熱季為期4個月，按供熱計量收費，收費標準基本熱價為7.50 元/（m2·月）；計量熱價為0.13 元/（kW·h）（合36 元/GJ），根據式（3）計算得供熱收入為1 246 101.12元。

式中：Qh為采暖設計熱負荷，kW；q為建筑物供熱面積熱指標（見表2）W/m2；F為建筑物的建筑面積，m2。

式中：Mc為供熱季所收供熱費，元；Ma為收費標準基本熱價，元/（m2·月）；t為供熱時間，月；Mb為收費標準的計量熱價，元/（kW·h）；Qt為供熱季總供熱量，kW·h。

3 生物質氣化/直燃供熱方案的成分估算

3.1 管網、散熱器投資成本

本文采用2種技術方法對該村進行集中供熱，2種方法所對應系統的供熱管網與散熱器部分的投資成本相同，所使用的設備、耗電、人工、物料使用量、廠房建設等不同。

管網投資：300戶農村住宅的排布見圖1。供熱室內管網每戶為30 m，共計9 000 m，單價10元/m，總費用90 000元。供熱室外管網鋪設：每戶室外供水支管1.5 m，回水支管0.5 m，共計600 m。每列5組，每組4個熱用戶共用1對供回水縱管，供水縱管長235.8 m，回水縱管長234.2 m，全村共15對供回水縱管，共計7 050 m。供水干管長315 m，回水干管長315 m，供回水干管共計630 m。根據《建筑設計防火規(guī)范》[13]，鍋爐房墻面與最近住宅墻相距20 m，供水引管長15 m，回水引管長17 m，引管總長32 m。室外管網共計8 312 m，單價15元/m，總費用214 680 元，詳細見表2。

表2 集中供熱管網費用表Tab.2 Cost table of central heating network

圖1 集中供熱管網鋪設示意圖Fig.1 Schematic diagram of laying of central heating pipe network

散熱器投資：用戶末端形式為散熱器。采用50×25鋼二柱散熱器。為在住宅室內安裝方便，采用單片散熱功率為165 W 的散熱器，散熱器價格為34 元/片。依據供熱負荷，計算全村散熱器總費用為356 082元。

3.2 生物質氣化供熱方案初投資成本

生物質氣化供熱方案所需的主設備為下吸式固定床生物質氣化爐和生物質燃氣熱水鍋爐，本課題選用市場中常用爐型，氣化爐和燃燒爐的報價數據來源于多家公司的平均報價。由于建筑采暖設計熱負荷為1.7 MW，所以選取供熱功率為2.0 MW 的WNS2.0-0.7/95/70-Y（Q）生物質燃氣熱水鍋爐（以下簡稱為燃氣熱水鍋爐）1 臺，另購置1 臺備用；GX2600 生物質下吸式氣化爐1臺，另購置1臺備用；2套輔助設備。燃氣熱水鍋爐參數和下吸式生物質氣化爐參數見表4，表4 中的耗電功率包括主設備和輔機的循環(huán)水泵、補水泵、爐排、風機等用電設備的耗電功率。

生物質氣化供熱方案的項目初投資包括鍋爐房土建投資、倉庫建設費用、生物質氣化爐和生物質燃氣熱水鍋爐及輔助設備購置費用、管網鋪設費用以及散熱器費用。總結數據見表3。

表3 生物質氣化供熱方案初投資列表Tab.3 List of initial investment for gasification scheme

表4 生物質燃氣熱水鍋爐、下吸式氣化爐與生物質直燃熱水鍋爐參數Tab.4 Parameters of Biomass gas-fired hot water boiler,downdraft gasifier and biomass direct-fired hot water boiler

3.3 生物質直燃供熱方案初投資成本

生物質直燃供熱方案所需的主設備為生物質直燃熱水鍋爐，本課題選用市場中常用爐型，報價數據由調查結果獲得。由于建筑采暖設計熱負荷為1.7 MW，所以選取供熱功率為2.0 MW 的CDZL2.0-95-70-T 生物質直燃熱水鍋爐（以下簡稱為直燃熱水鍋爐）1 臺，另購置1 臺備用，2 套輔助設備，生物質直燃爐參數見表4。

生物質直燃供熱方案的項目初投資包括鍋爐房土建投資、倉庫建設費用、生物質直燃熱水鍋爐及輔助設備購置費用、管網鋪設費用以及散熱器費用，總結得項目初投資數據見表5。

表5 生物質直燃供熱方案初投資列表Tab.5 Initial investment list of biomass direct combustion heating system

3.4 生物質氣化/直燃供熱方案運行成本

本文所述生物質氣化/直燃供熱系統中的運行成本包括：人工成本、設備耗電費、維護保養(yǎng)費、設備折舊費和物料采購費。通過調研和估算法對項目的運行成本數據進行采集和計算分析。

3.4.1 人工成本

人工成本中長期工種工資發(fā)放標準采用統一工資標準，基本工資實行天津市最低工資標準2 050 元/（人·月）；個人所得稅率為工人的個人所得稅占人工成本的權重10.5%；社會保險稅率為工人的社會保險金占人工成本的權重20%。因此計算得長期工種人工成本2 949.64 元/（人·月）。人工成本中短期工種，根據需要實行一季（供熱季）一招政策，招收短期工種只在供熱季這4 個月工作，工資3 500 元/（人·月）；根據個人所得稅率和社會保險稅率求得短期工種人工成本5 035.97元/（人·月）。

生物質氣化供熱方案各工種共計4 人，其中1 人為長期工，3 人為短期工，供熱季共計4 個月；生物質直燃供熱方案各工種共計3 人，其中1 人為長期工，2人為短期工，詳情見表6。

表6 生物質氣化/直燃人工費表Tab.6 Labor cost of biomass gasification/directcombustion equipment

3.4.2 設備耗電費及維護保養(yǎng)費

本課題2 種生物質供熱方案的耗電成本為設備的循環(huán)水泵、補水泵、爐排、風機等用電設備的電費總和。表4 中的耗電功率即為對應用電設備的總功率，電費標準采用平谷峰電費計量法以天津電網銷售電價表為依據，實行工商業(yè)用電中的一般工商業(yè)用電收費辦法。詳見表7生物質氣化/直燃設備電費表。

表7 生物質氣化/直燃設備電費表Tab.7 Electricity bill of biomass gasification/direct combustion equipment

維護保養(yǎng)費為主設備的設備檢修保養(yǎng)造成的零配件費用、維修耗材費、工具損耗費等費用之和，按照每臺設備1 200元/年估算，故氣化項目的設備保養(yǎng)費為1 200×（2+2+2）=7 200 元，直燃項目的設備保養(yǎng)費為1 200×（2+2）=4 800元。

3.4.3 物料采購費

生物質氣化供熱方案物料成本計算流程如圖2所示，按上述流程計算結果見表8。生物質原料熱值為復合秸稈原料的低位熱值17.12 MJ/kg[12]，燃氣熱值為復合秸稈氣化氣的低位熱值5.02 MJ/m3。依據自然村實際情況，高溫氣化氣可不經過除焦過程，直接通入鍋爐中燃燒，焦油中所含能量約占氣化氣的10%，這部分能量可直接利用，根據式（3），可估算共需秸稈902.84 t全村燃料費[1]為334 954.89元。

圖2 生物質氣化供熱方案物料成本計算流程Fig.2 Flow chart of material cost calculation for biomass gasification heating scheme

式中：M為供熱季收購秸稈總價格，元；為建筑物全年供熱量，kJ；qg為氣化燃氣熱值，kJ/m3（見表4）；VG為氣化爐產氣量，m3/kg（見表4）；ηB1為鍋爐效率，%（見表4）；ηt為焦油對氣化氣的能量占比，%；m為收購秸稈原料單價，元/kg。

根據表1，農村秸稈年產量共計3 800.35 t，遠大于902.84 t，所以本地秸稈資源供應充足。

生物質直燃供熱方案的物料成本計算流程如圖3所示，直燃鍋爐效率為85%。物料成本計算結果見表8。

表8 生物質氣化/直燃供熱方案物料年成本計算結果Tab.8 Annual material cost of biomass gasification/biomass direct combustion heating scheme

圖3 生物質直燃供熱方案物料成本計算流程Fig.3 Material cost calculation flow of biomass direct combustion heating scheme

秸稈需求總量的公式見式（5）。

式中：m1為直燃鍋爐秸稈需求總量，kg；qb為生物質秸稈熱值，kJ/kg；m2為直燃鍋爐實際秸稈量，kg/s；ηB2為直燃鍋爐效率，%。

經計算可得秸稈年消耗量829.9 t，年物料費用為307 891.41 元。根據表1，農村秸稈年產量共計3 800.35 t，本地秸稈資源供應充足。

3.4.4 設備折舊費

根據折舊費平均年限法計算生物質氣化/直燃供熱方案的年設備折舊費。固定資產的預計凈殘值率常見為3%～5%，本文設備殘值率選5%，則根據公式（6）可計算設備年折舊費用：

式中：M1為固定資產年折舊額，元；M2為固定資產原值，元；ηc為設備殘值率，%；T為預計使用年限，年。

生物質氣化供熱項目設備投資中燃燒爐450 000 元，氣化爐600 000 元，輔助設備100 000 元，按使用壽命10 a計，年折舊費為109 250元。

生物質直燃供熱項目設備投資中主設備（熱水鍋爐）450 000元，輔助設備100 000元，按使用壽命10 a計，年折舊費為52 250元。

4 生物質氣化/直燃供熱方案總成本

初投資包含鍋爐房建造成本、倉庫建設成本、管網鋪設費用、設備購置費用和散熱器購置費用。人工費包括長期固定人員和臨時雇傭人員的人工成本。電費為主設備峰谷電價全年總費用。物料成本為全年消耗秸稈成本。維護保養(yǎng)費為設備檢修耗材等的費用。

用現值法按行業(yè)基準收益率5%[14]計算全生命周期人工費、電費、物料費、維護保養(yǎng)費和設備折舊費，總成本總結見表9。

根據表9，對生物質氣化/直燃供熱項目成本總結分析如下。

表9 生物質氣化/直燃供熱方案總成本占比表Tab.9 Proportion of total cost of biomass gasification/direct combustion heating scheme

1）生物質氣化供熱方案比生物質直燃供熱方案多購置2臺氣化爐，且倉庫和鍋爐房建設面積均高于后者。因此，生物質氣化供熱方案的項目初投資比生物質直燃供熱方案高78萬元。

2）由于生物質氣化供熱方案比生物質直燃供熱方案多雇傭1個短期工人，10 a全壽命人工成本高于后者約26.6萬元。

3）生物質氣化供熱方案在運行主設備包括1臺燃氣熱水鍋爐和1 臺生物質氣化爐，生物質直燃供熱方案在運行主設備只有1 臺直燃熱水鍋爐，且生物質氣化爐的耗電功率高于熱水鍋爐，因此，全生命周期設備耗電費用高于后者約111.05萬元。

4）生物質氣化供熱方案年物料消耗量高于生物質直燃供熱方案年耗物料，全壽命物料成本高于后者約35.74萬元。

5）由于生物質氣化供熱方案各項成本均高于生物質直燃供熱方案，前者10 a全生命周期總成本高于后者約329.84萬元。2種生物質供熱方案的物料成本均為其全壽命總成本的最大影響因素。初投資、設備耗電費用、設備折舊費對2種生物質供熱方案的全壽命總成本的影響依次減小。2種生物質供熱方案的維護保養(yǎng)費用對其全壽命總成本影響最小。

6）2種生物質供熱方案的物料成本絕對差距遠高于其他種類成本之間的絕對差距，但相對差距與兩者之間的全壽命總成本相對差距相比較小，而2種生物質供熱方案之間的初投資和設備耗電費用的相對差距較之兩者之間的全壽命總成本相對差距更為顯著。因此，生物質氣化供熱方案的物料成本占全生命周期總成本的權重較之生物質直燃供熱方案更低，前者的初投資和設備耗電費用占全生命周期總成本的權重較之后者更高。

5 生物質氣化/直燃供熱方案經濟性對比分析

項目的經濟性受投資回收期、利潤投資比、內部收益率等經濟指標限制。因此，對生物質氣化供熱方案與生物質直燃供熱方案計算了投資回收期、利潤投資比、內部收益率3個經濟指標。

5.1 投資回收期

投資回收期是指項目的投建之日起，用項目所得的凈收益償還原始投資所需的年限，其計算公式見式（7）。

式中：Y1為動態(tài)投資回收期，a；Y2為累計凈現金流量現值出現正值的年數，a；M3為上一年累計凈現金流量現值的絕對值，元；M4為出現正值年份凈現金流量的現值，元。

投資回收期的計算中，現金流量的計算需要考慮到設備報廢殘值的問題，為了便于計算，通常采用固定資產殘值率來做殘值的估算，本文選擇設備原值的5%來計算。

根據計算，生物質氣化供熱系統的投資回收期為3.18 a，生物質直燃供熱系統的投資回收期為1.5 a。

5.2 投資利潤率

投資利潤率又稱投資收益率，是指投資方案在達到設計一定生產能力后一個正常年份的年凈收益總額與方案初投資總額的比值。它是評價投資方案盈利能力的靜態(tài)指標，表明投資方案正常生產年份中，單位投資每年所創(chuàng)造的年凈收益額，計算公式見式（8）。

式中：Q1為投資利潤率，%；M5為年利潤值，元；M6為項目總投資，元。

投資利潤率的計算是不考慮時間價值的，而本文的年現金流量計算的是現值，所以本文計算投資利潤率使用的年利潤值M5即為第一年年收入與第一年年運行成本的差值。

根據計算，生物質氣化供熱系統的投資收益率為28%，生物質直燃供熱系統的投資收益率為62%。

5.3 內部收益率

內部收益率就是流入現值總額與資金流出現值總額相等、凈現值等于零時的折現率。內部收益率是一項投資渴望達到的報酬率，該指標越大越好。一般情況下，內部收益率大于等于基準收益率時，該項目是可行的。通常情況基準收益率以8%為基準。投資項目各年現金流量的折現率之和為項目的凈現值，凈現值為零時的折現率就是項目的內部收益率。

內部收益率是一個宏觀概念指標，最通俗的理解為項目投資收益能承受的貨幣貶值，通貨膨脹的能力。

內部收益率無法轉化為非方程表達式，只能對方程（11）直接進行求解，在50個根中唯一的實根即為所求。

式中：NCFm為第m年的現金流量；Pm為投資回收期；I0為項目初投資。

式中：NCFm為第m年的現金流量。

式中：n為項目設計運行年限；IRR為財務內部收益率。

根據計算，生物質氣化供熱系統的內部收益率為29.9%，生物質直燃供熱系統的內部收益率為66.55%。

將氣化/直燃供熱方案的初投資、全生命周期總成本、全生命周期利潤、投資回收期、投資收益率、內部收益率歸總到表10。

5.4 小結

1）由表10得，氣化供熱方案與直燃供熱方案投資相比投資高收入低，因此氣化供熱方案的經濟性不如直燃供熱方案。

表10 生物質氣化/直燃供熱方案經濟性對比表Tab.10 Economic comparison of biomass gasification/direct-fired heating schemes

2）由于項目運行年限為10 a，且氣化與直燃供熱系統的投資回收期均小于項目運行年限，因此2種方案都可以在要求的時間內實現收回投資。其中，兩者的收回投資期分別為3.18 a 和1.50 a，因此氣化供熱系統在投資資本回收的能力方面劣于直燃供熱系統。

3）對比2 種系統供熱方案的投資收益率，可知生物質氣化供熱系統不如直燃供熱系統。

4）2種系統的內部收益率均大于基準收益率，因此2種供熱系統項目均具有可行性。然而生物質直燃供熱項目在項目收益時所能承擔的通貨膨脹率更高，因此生物質直燃項目的經濟性要優(yōu)于生物質氣化項目。

6 生物質氣化/直燃供熱系統對比

從經濟層面分析，生物質直燃供熱系統比生物質氣化供熱系統節(jié)省一個氣化過程，因此氣化供熱系統比直燃供熱系統多購置一臺設備，所需廠房面積、廠房土建費用、人工費更高。因此在相同的收入標準下，氣化供熱系統的成本比直燃供熱系統的成本高。

從技術層面分析，直燃供熱系統比氣化系統更為簡便。但由于直燃供熱系統直接燃燒物料，而氣化供熱系統先將物料氣化獲取清潔可燃氣后進行燃燒，因此直燃供熱系統的尾氣排放高于氣化供熱系統，可能會增加廢氣處理成本，該成本對于整個系統的經濟性分析的影響需要進一步地研究。

7 結論

本文針對目前我國農村常用地生物質氣化/直燃2種技術供熱系統進行經濟性分析，以天津市某自然村為例提出了一種經濟性計算評價方法，并進行全面地分析計算。結果如下：

1）生物質燃料投入為項目最主要的投入，分別占2種技術全生命周期總成本的39.17%和50.86%，其次為初投資、設備耗電費、設備折舊費。2種生物質供熱方案的維護保養(yǎng)費用對其全壽命總成本影響最小；

2）采用本文推薦的鍋爐設備和采暖設備，生物質氣化供熱方案的初投資與生物質直燃供熱方案的初投資相比明顯處于劣勢，其出投資為后者的1.63倍；

3）生物質直燃供熱方案的投資回收期為1.50年，相同條件下的生物質氣化供熱方案投資回收期為3.18年，相比而言，直燃供熱方案投資回收期方面體現的經濟性要優(yōu)于氣化供熱方案；

4）生物質直燃供熱方案比氣化供熱方案的投資收益率高，在單位投資獲得利潤方面方面表現更好；

5）生物質直燃供熱方案的內部收益率比氣化供熱方案的內部收益率高，因此在通貨膨脹率變動幅度大時具有更高的風險承擔能力。