碳中和目標(biāo)下農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)清潔供暖碳減排及經(jīng)濟(jì)性分析

焦銘澤，閆 銘，薛春瑜，任彥波，王 雯，王 玨，劉廣青

（1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029；2.中國(guó)農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100125；3.中交第三公路工程局有限公司，北京 100029）

0 引言

自2007年以來，我國(guó)一直是世界上碳排放總量最大的國(guó)家。在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論和雄心峰會(huì)上，我國(guó)提出力爭(zhēng)于2030年前二氧化碳排放到達(dá)峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。中央農(nóng)村工作會(huì)議上也強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域減排固碳的重要性。在可持續(xù)使用的前提下，生物質(zhì)被認(rèn)為是一種“零碳”能源[1]。在全球“碳中和”的大背景下，如何充分利用以能源作物為代表的生物質(zhì)資源在我國(guó)受到了廣泛關(guān)注。

我國(guó)具有豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，2017年農(nóng)作物秸稈可收集資源為6.74億t，未利用量為8 900萬t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2 960萬t（按熱值計(jì)算，大約3 t秸稈可折合1 t標(biāo)準(zhǔn)煤），其它林業(yè)廢棄物約3.5億t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約1.75億t（按熱值計(jì)算，大約2 t林業(yè)廢棄物可折合1 t標(biāo)準(zhǔn)煤）[2]。近年來，“煤改氣、煤改電”取得顯著成效，但受限于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、能源基礎(chǔ)設(shè)施條件及居民消費(fèi)承受能力等因素，短期內(nèi)在很多農(nóng)村地區(qū)大規(guī)模推廣“煤改氣、煤改電”仍有一定難度。利用農(nóng)村地區(qū)豐富的農(nóng)林生物質(zhì)進(jìn)行清潔采暖，既是符合當(dāng)前國(guó)情的對(duì)部分農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行清潔供暖的有效措施，也是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，生物質(zhì)能供熱是綠色低碳，2035年生物質(zhì)成型燃料消費(fèi)量將達(dá)到5 000萬t。國(guó)家近期出臺(tái)的《關(guān)于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》（國(guó)能綜通新能〔2020〕29號(hào)）和國(guó)家能源局《關(guān)于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》（國(guó)能發(fā)新能〔2021〕3號(hào)）等文件，均大力鼓勵(lì)與支持生物質(zhì)清潔供熱。

相比于燃煤，在農(nóng)村地區(qū)使用生物質(zhì)燃料進(jìn)行冬季供暖能夠有效降低主要常規(guī)污染物的排放[3]～[5]。發(fā)展生物質(zhì)能，不僅有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村廢棄物的高效利用，解決農(nóng)村地區(qū)清潔能源供應(yīng)的短板，還可提高農(nóng)民生活質(zhì)量，改善農(nóng)村人居環(huán)境，既是全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興與綠色低碳循環(huán)發(fā)展的一項(xiàng)重要工作，也是推動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村節(jié)能減排和低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域“碳達(dá)峰、碳中和”的重要舉措。本文通過對(duì)農(nóng)村生物質(zhì)供暖現(xiàn)狀、減排效果和經(jīng)濟(jì)性的分析，為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)在碳中和目標(biāo)下的生物質(zhì)清潔供暖提出建議。

1 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)燃燒供暖技術(shù)的研究始于歐洲及北美，從20世紀(jì)20年代開始，部分研究人員著眼于生物能源的再生優(yōu)勢(shì)，嘗試采用生物質(zhì)進(jìn)行供熱。從上世紀(jì)中葉至本世紀(jì)初，由于化石能源的短缺和過度開采造成的環(huán)境破壞問題越來越受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，生物質(zhì)能源迎來了飛速發(fā)展，逐步通過開發(fā)生物質(zhì)燃料及相關(guān)配套裝置替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐。近年來，歐盟國(guó)家已經(jīng)開始大規(guī)模進(jìn)行生物質(zhì)能源的產(chǎn)業(yè)化研究和生產(chǎn)，其生物質(zhì)燃燒供暖技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、相關(guān)配套系統(tǒng)齊全等優(yōu)點(diǎn)。目前，全球生物質(zhì)供熱占總熱能消耗的6.5%，而歐洲的生物質(zhì)供熱占?xì)W洲總熱能消耗的17%[6]。近年來，生物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生的污染排放和灰分結(jié)渣問題引起了全球?qū)W者的關(guān)注。文獻(xiàn)[7]對(duì)生物質(zhì)燃燒器的一二次配風(fēng)進(jìn)行了研究，并提出了多種用于辨識(shí)和優(yōu)化二次風(fēng)參數(shù)以減少顆粒物和其他有害污染物的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試方法。文獻(xiàn)[8]通過對(duì)燃燒過程的數(shù)值模擬建立了生物質(zhì)燃燒過程的穩(wěn)態(tài)模型，用以指導(dǎo)新型的生物質(zhì)鍋爐開發(fā)。為了解決燃料與鍋爐燃燒適配性問題，文獻(xiàn)[9]研究了燃料元素與排放、結(jié)渣的定性指標(biāo)關(guān)系。

我國(guó)的生物質(zhì)鍋爐供暖技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，研究人員通過引進(jìn)國(guó)外的生物質(zhì)供暖鍋爐，研發(fā)了符合我國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)供暖技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)《北方地區(qū)清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》中提出的目標(biāo)，2021年我國(guó)的生物質(zhì)供暖面積將達(dá)21億m2。目前，我國(guó)的生物質(zhì)鍋爐主要存在運(yùn)行不穩(wěn)定、燃燒效率低、污染物排放難以智能化控制等問題。國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了大量研究，并與企業(yè)合作開發(fā)了符合我國(guó)生物質(zhì)特點(diǎn)的生物質(zhì)鍋爐。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過歐拉二維模擬方法對(duì)生物質(zhì)復(fù)雜的燃燒過程和污染物釋放規(guī)律進(jìn)行了較好的預(yù)測(cè)[10]。清華大學(xué)通過理論計(jì)算得到了生物質(zhì)燃燒過程中燃料型NOx轉(zhuǎn)化的化學(xué)動(dòng)力模型，并成功開發(fā)了一臺(tái)處理量為0.5 t/h的生物質(zhì)熱水鏈條爐，將其應(yīng)用于大棚供暖[11]。北京化工大學(xué)建立了實(shí)際燃燒工況的影響因素與排放模型，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了優(yōu)化，并與企業(yè)合作開發(fā)了多款生物質(zhì)鍋爐[12]。雖然我國(guó)在生物質(zhì)供暖技術(shù)上取得了一定的技術(shù)創(chuàng)新和突破，但目前研究的重點(diǎn)主要集中于理論模型和大型生物質(zhì)鍋爐燃燒發(fā)電領(lǐng)域，對(duì)于民用小型生物質(zhì)供暖鍋爐的研究還不夠深入與系統(tǒng)。如表1所示，相比于國(guó)外先進(jìn)的小型生物質(zhì)鍋爐，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上推廣的小型生物質(zhì)供暖鍋爐仍存在燃料適應(yīng)性不強(qiáng)、燃燒效率與污染控制不穩(wěn)定以及智能化程度低等問題。

表1 典型生物質(zhì)供暖設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages of typical biomass heating equipment

從燃燒技術(shù)上看，空氣分級(jí)燃燒仍然是當(dāng)前生物質(zhì)高效燃燒的主流技術(shù)。一次空氣隨著氣流被引導(dǎo)至固定床，使燃料進(jìn)行貧氧熱解和燃燒，并構(gòu)建碳還原區(qū)域用來減少氮氧化物的排放；二次空氣通過強(qiáng)制配風(fēng)進(jìn)入固定床上方，實(shí)現(xiàn)與揮發(fā)性氣體的充分燃燒，從而減少一氧化碳、顆粒物以及其他未燃燒的揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放。一般而言，小型生物質(zhì)供暖鍋爐的燃燒排放遵循以下規(guī)律：①對(duì)于操作類型：自然通風(fēng)＞強(qiáng)制通風(fēng)、手動(dòng)加料＞自動(dòng)進(jìn)料；②對(duì)于燃料種類：原木＞木片＞顆粒燃料；③對(duì)于設(shè)備類型：原木鍋爐＞顆粒爐具[6]。

2 農(nóng)村生物質(zhì)取暖技術(shù)路徑分析

基于以上國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容可知，近年來對(duì)于生物質(zhì)燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用較上個(gè)世紀(jì)已有了很大提升。在散煤替代以及碳中和的大背景下，生物質(zhì)能源已在我國(guó)農(nóng)村供暖領(lǐng)域得到了大力推廣。從模式上，農(nóng)村生物質(zhì)取暖大致可分為生物質(zhì)集中供暖和生物質(zhì)分散供暖，其中生物質(zhì)集中供暖又以生物質(zhì)成型燃料燃燒和秸稈打捆直燃集中供暖為主（圖1）。

圖1 我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖技術(shù)路徑Fig.1 Biomass clean heating methods in rural China

生物質(zhì)成型燃料集中供暖就是將生物質(zhì)原料加工成顆粒/壓塊狀燃料，或?qū)渲χ谱鞒汕衅剂希缓笤趯I(yè)的生物質(zhì)鍋爐中燃燒供暖。2019年，陽(yáng)信程塢小學(xué)引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)的KWB生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)，用于全校師生冬季取暖，鍋爐熱效率高達(dá)94%，煙氣排放明顯低于《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13271—2014）規(guī)定的新建燃煤鍋爐的排放限制。

秸稈打捆直燃集中供暖就是將秸稈打捆直接適配在專用鍋爐燃燒，為農(nóng)村社區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府，以及種養(yǎng)設(shè)施、農(nóng)產(chǎn)品加工、工業(yè)生產(chǎn)等供暖供熱。截至2020年底，已在遼寧、黑龍江、河北、山西、吉林等省建成259處秸稈打捆直燃集中供暖工程，供暖面積達(dá)1 100多萬m2。某工程環(huán)保監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，該供暖工程的排放指標(biāo)低于《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2014），與燃煤相比，二氧化硫排放減少67.7%，二氧化碳實(shí)現(xiàn)了零排放。

生物質(zhì)成型燃料+專用爐具分散炊事取暖就是把秸稈、林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)加工成塊狀、棒狀、顆粒狀或者切片，在戶用生物質(zhì)爐具使用。在大氣污染重點(diǎn)防治地區(qū)，主要用于“煤改電”“煤改氣”難以覆蓋的農(nóng)戶分散炊事取暖；在其他地區(qū)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活用能。陽(yáng)信縣項(xiàng)目環(huán)保監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，該項(xiàng)目的排放指標(biāo)低于《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271—2014），與燃煤相比，二氧化硫排放減少了99%，二氧化碳實(shí)現(xiàn)了零排放。

建議在秸稈、林業(yè)廢棄物資源豐富的地區(qū)，大力推廣生物質(zhì)成型燃料集中供暖供熱。為解決已有供暖管網(wǎng)的燃煤鍋爐替代，可重點(diǎn)推廣秸稈打捆直燃集中供暖；在不便于秸稈打捆運(yùn)輸?shù)牡貐^(qū)，若居民居住較為集中，應(yīng)大力推廣生物質(zhì)成型燃料+專用鍋爐；在“煤改氣”“煤改電”不能覆蓋、分散居住的農(nóng)戶，應(yīng)推廣生物質(zhì)成型燃料+專用爐具。

3 農(nóng)村生物質(zhì)供暖的減排效果評(píng)估

近年來，研究人員為了更加明確冬季采暖過程中固體燃料燃燒造成的污染物排放，對(duì)用戶實(shí)際生活中的污染物排放水平進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，結(jié)果見表2[4]，[5]。由表2可知，與傳統(tǒng)民用燃煤爐具相比，生物質(zhì)爐具燃燒更加穩(wěn)定，污染物排放波動(dòng)小，常規(guī)污染物CO和PM2.5的排放因子明顯降低。

表2 民用燃料爐具CO，PM2.5排放因子對(duì)比Table 2 Comparison of emission factors of CO and PM2.5 from the fuel-stove combinations g/kg

一般來說，生物在生長(zhǎng)過程中所需的碳均來源于大氣中的CO2，因此，隨著未來生物碳捕集和碳封存技術(shù)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)能源利用會(huì)趨于碳中和或負(fù)碳排放趨勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的化石能源，生物質(zhì)燃料作為全球公認(rèn)的碳中和燃料，具有顯著的正向環(huán)境效益。本研究以2017年《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出的2035年生物質(zhì)成型燃料消費(fèi)總量（5 000萬t）作為參考依據(jù)，以農(nóng)村總供熱面積（70億m2）和農(nóng)林廢棄物資源總量（約10億t）的20%作為邊界條件，設(shè)定未來生物質(zhì)燃料的年增長(zhǎng)率。通過情景分析對(duì)未來生物質(zhì)供暖燃料的發(fā)展進(jìn)行了兩個(gè)情景的預(yù)測(cè)計(jì)算。

基準(zhǔn)情景：以2015-2020年的增長(zhǎng)速率和《關(guān)于促進(jìn)生物質(zhì)供熱發(fā)展的指導(dǎo)意見》中2035年消費(fèi)目標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行趨勢(shì)延伸，同時(shí)不考慮未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及政策變化，設(shè)定2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增長(zhǎng)率分別為5%，3%，1%，1%。

碳中和情景：受國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃及全球碳中和大背景下可再生能源在一次能源中的占比逐步 提 升 的 影 響，2020-2030，2030-2040，2040-2050，2050-2060年的平均年增長(zhǎng)率相應(yīng)提升，分別為10%，5%，3%，1%。

生物質(zhì)燃燒時(shí)，CO2減排量E的計(jì)算式為[13]

式中：Ai為第i種燃料的質(zhì)量，kg；Fi為第i種燃料的標(biāo)煤折算系數(shù)，kg/kg；i為燃料類型；I為燃料類型數(shù)。

由中國(guó)節(jié)能產(chǎn)業(yè)網(wǎng)的《碳排放量的計(jì)算方法及與電的換算公式》可知，節(jié)約1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，可減排二氧化碳2.493 t[14]。根據(jù)《中國(guó)清潔供熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2021》，本研究的農(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈類）和林業(yè)廢棄物（木質(zhì)類）燃料種類的占比分別為70%和30%，其標(biāo)煤折算系數(shù)分別為0.3，0.5 kg/kg[2]。

根據(jù)上述情景計(jì)算得到的生物質(zhì)燃料利用量和CO2減排量如圖2所示。從圖2可以看出：在基準(zhǔn)情景下，2060年的CO2減排量約為7 100萬t，是2020年的2.5倍，生物質(zhì)燃料利用量約為8 000萬t；在碳中和情景下，2060年的CO2減排量約為1.7億t，是2020年的6倍，生物質(zhì)燃料利用量約為1.9億t。綜上可知，大力發(fā)展生物質(zhì)燃料對(duì)于二氧化碳減排和碳中和的實(shí)現(xiàn)具有重大貢獻(xiàn)。

圖2 不同情景下的生物質(zhì)燃料利用量和CO2減排量Fig.2 Biomass fuel consumption and CO2 emission reduction under different scenarios

4 農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)供暖經(jīng)濟(jì)性分析

本文以全國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)清潔取暖示范縣山東省陽(yáng)信縣和黑龍江省海倫市為例，調(diào)研兩種不同冬季清潔采暖方式（戶用爐具和區(qū)域集中供熱系統(tǒng)）的經(jīng)濟(jì)性。調(diào)研過程中我們對(duì)每個(gè)家庭的成本要素進(jìn)行了評(píng)估，以分析提供清潔供暖服務(wù)所涉及的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。

不同分散式清潔取暖技術(shù)路徑的年化成本差距較大，這是因?yàn)樯镔|(zhì)顆粒燃料替代散煤燃燒的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用為0，而天然氣入戶需增加管網(wǎng)建設(shè)，“煤改電”需進(jìn)行電網(wǎng)改造升級(jí)，根據(jù)地區(qū)和使用年限的不同，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)年化費(fèi)用為350～1 000元[15]。本研究以山東省陽(yáng)信縣的生物質(zhì)取暖現(xiàn)狀為例，根據(jù)典型農(nóng)村住宅的熱負(fù)荷進(jìn)行清潔取暖設(shè)備選型，將熱源初始投資及年運(yùn)行費(fèi)用列于表3。由表3可知，空氣源熱泵熱水機(jī)供暖的折算費(fèi)用年值最高，為26.3元/m2，生物質(zhì)顆粒爐具供暖的折算費(fèi)用年值最低，為14.9元/m2。

表3 農(nóng)村分散式清潔供暖方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 3 Economic comparison of different rural decentralized clean heating methods

對(duì)于農(nóng)村集中式鍋爐采暖方式，本研究以海倫市北海鎮(zhèn)總供暖面積為23.5萬m2的秸稈直燃鍋爐為例。根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果，將改造前后的秸稈直燃鍋爐與燃煤鍋爐進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（表4）。由表4可知，秸稈打捆直燃鍋爐的單位面積供暖成本遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐。

表4 不同農(nóng)村集中供暖方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 4 Economic comparison of different rural central heating methods

5 結(jié)論與建議

①在全球碳中和大背景下，在農(nóng)村地區(qū)推廣生物質(zhì)清潔供暖，減排預(yù)期十分顯著，并且擁有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性，有助于推動(dòng)農(nóng)村地區(qū)的節(jié)能減排與碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

②對(duì)于農(nóng)村地區(qū)的生物質(zhì)供暖，應(yīng)做到因地制宜，對(duì)于人口密集、已有供熱管網(wǎng)的地區(qū)，優(yōu)先實(shí)施生物質(zhì)區(qū)域供暖；對(duì)于“雙替代”無法覆蓋且用戶分散的地區(qū)，優(yōu)先推廣“生物質(zhì)成型燃料+專用爐具”采暖方式。

③對(duì)比其他清潔取暖方式，生物質(zhì)供暖呈現(xiàn)了很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，可以在生物質(zhì)資源豐富，且難以承受電供暖與燃?xì)夤┡M(fèi)用的地區(qū)大規(guī)模推廣。

④政府應(yīng)在北方地區(qū)冬季清潔取暖資金安排中對(duì)“煤改生物質(zhì)”給予重點(diǎn)支持。根據(jù)不同的生物質(zhì)能利用技術(shù)，研究市場(chǎng)化發(fā)展的政策體系，分類制定補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、扶持方式和支持環(huán)節(jié)。

⑤加強(qiáng)生物質(zhì)燃料質(zhì)量監(jiān)控體系以及生物質(zhì)清潔供暖項(xiàng)目的綜合效益評(píng)估體系建設(shè)，保障生物質(zhì)清潔供暖項(xiàng)目的效益最大化。

⑥積極支持生物質(zhì)清潔供暖的技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)國(guó)際合作，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)建設(shè)，推進(jìn)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

⑦我國(guó)應(yīng)積極支持生物質(zhì)碳交易，通過碳金融的手段，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)碳減排的價(jià)值，為生物質(zhì)供暖的可持續(xù)推廣提供資金保障。