河南省秸秆直燃机组的装机容量优化

李小民，杨继涛，孙昆峰，王仕元，张军科，王 艳

(1.中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州，450007；2.中国大唐集团科学技术研究有限公司华中分公司，河南 郑州，450000)

河南省秸秆直燃机组的装机容量优化

李小民1，杨继涛1，孙昆峰1，王仕元1，张军科2，王 艳1

(1.中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州，450007；2.中国大唐集团科学技术研究有限公司华中分公司，河南 郑州，450000)

对河南省的秸秆生物质直燃发电机组的装机容量进行了优化研究。根据谷草比确定了河南省各地市的麦秆、玉米秆的年可能源化量。参照当地燃煤电厂煤价，根据热力学第二定律确定了秸秆的可接受价格。根据秸秆的可接受到厂价格、种植密度与可能源化量等，得到了秸秆的有效收集距离以及河南省各地市的最佳装机容量。在维持秸秆发电与燃煤发电利润相同的前提下，现行生物质发电补贴政策可使秸秆的有效收集距离显著增加、机组装机容量显著增大。与燃煤发电相比，秸秆发电的CO2排放量约为0.1224kg(CO2)/(kW·h)，相当于燃煤电站的11.97%。

生物质属于可再生和零CO2排放燃料，适合用作化石燃料的替代能源[1]。自2006年1月1日我国《可再生能源法》颁布实施以来，又陆续出台了生物质发电规划及一系列实施细则。规划要求到2010年底和2020年底，我国生物质发电总装机容量应分别达到5500MW和30000MW。截至2009年底，我国生物质发电总装机容量已由2005年的2000MW增加到4000MW，但距2010年5500MW的规划装机容量尚有一定差距[2-4]。结合2020年底30000MW的生物质发电规划装机容量，以及我国在哥本哈根会议上的相关承诺[4]，预计未来我国生物质发电项目发展空间广阔、机遇与挑战并存。困扰我国生物质发电发展的主要问题是机组初投资成本高昂、运行成本居高不下，此外，政策支持不足、投融资渠道单一等问题也相当突出。生物质发电初投资成本约为8000～10000￥/(kW·h)(约为常规火电的2倍)，机组投资运行实际税率达12%(常规火电为6～8%)。秸秆发电机组运行的标准煤耗约为650g/(kW·h)，远高于常规火电335g/(kW·h)的标准煤耗[3]。此外，秸秆原料供需矛盾突出，资源竞争激烈，储存与运输困难，造成机组运行可靠性难于保证[2]。目前，我国生物质主要采用纯烧生物质和与煤混烧等两种发电模式，已建成投产机组主要位于江苏、山东等华东地区，其装机容量约占全国的一半[3]。从以投产机组的运行状况来看，项目扎堆现象严重，如苏北200km范围内就集中了10家生物质电厂，结果造成秸秆资源供需矛盾突出，机组运行可靠性难于保证。对此，相关专家学者根据经济适宜度对其进行了分析，认为河南、山东、安徽、江苏等我国粮食主产区适宜建设发展生物质发电项目。

河南省的农业种植以小麦、玉米为主，每年副产大量秸秆资源。长期以来，约45%的秸秆在低效率的乡村土灶燃烧或直接在田间地头露天焚烧，结果造成严重的能源浪费和环境污染。近年来，在我国生物质利用的相关法律与政策指引下，河南省生物质发电取得了长足发展。截至目前，全省已建成20多家生物质直燃发电项目，机组单机容量多为12MW与25MW，总装机容量已达约400MW。在机组运行过程中，存在的问题与苏北地区类似，即由于机组容量规划不当，燃料供应可靠性普遍较差，锅炉实际使用燃料偏离设计燃料问题严重、运行效率低下。如河南大唐的某75t/h发电机组，其锅炉设计燃料为麦秆、玉米秆和棉花杆，设计热效率为88%。然而，因为机组容量太大，使其需用燃料的运输距离显著增加，结果造成燃料到厂成本高昂、当地农民秸秆出售意愿不足[2,5]。在此情况下，电厂不得不使用其他非锅炉设计燃料，不仅造成锅炉效率降低，排放性能也显著恶化。考虑到秸秆资源入厂价格直接受到运输距离的影响，必须就运输距离对入厂价格的影响进行详细地分析论证，合理确定秸秆资源的最佳收集距离与到厂价格，进而优化机组的装机容量，以保证燃料供应可靠性与机组性能改善。

本文首先根据谷草比计算了河南省各地市的秸秆年可能源化量。然后参照当地某燃煤电站的煤价，分别基于热力学第一和第二定律确定了秸秆的可接受到厂价格。第三，对秸秆入厂成本的影响因素进行了分析，得到了秸秆的有效收集距离，以及河南省各地市的最佳装机容量。第四，就目前我国生物质发电的补贴政策对秸秆有效收集距离、最佳装机容量的影响进行了分析。最后，对秸秆发电的CO2减排潜力进行了评估。秸秆发电最佳装机容量的确定及其CO2减排潜力评估对河南省秸秆发电产业的积极发展具有重要意义。

1 河南省秸秆生物质可能源化量

据2013年河南省统计年鉴，河南省玉米、小麦等总种植面积约8000万亩，年产小麦约3177.35万吨、玉米1747.75万吨，同时副产大量的秸秆生物质资源。在秸秆去向方面，约15%还田、20%用作饲料、4%用作造纸、45%用作薪柴且多在农村低效率的土灶上燃烧，其他则多在田间地头露天焚烧[6]。薪柴燃烧和露天焚烧不仅造成严重的环境污染，还造成相当程度的能源浪费。因此，详细调查河南省的秸秆可能源化量，对合理利用秸秆资源、减少环境污染、促进CO2减排、增加农民的就业和收入等，具有重要意义。

表1 河南省各地市的可能源化秸秆总量[2,3]，万吨/年

由表1可知，河南省的可能源化秸秆总量约为1725.14万吨标准煤/年。据2013年河南省统计年鉴，河南省能源消费总量为23647万吨标准煤，而化石能源产量却仅为12666万吨标准煤，能源缺口高达10981万吨标准煤。因此，积极发展秸秆就地利用发电，预计每年可减少化石燃料使用约15.7%。其次，秸秆发电可减少二氧化碳排放约22%。按照燃煤发电标煤耗320g /(kW·h)计，目前河南省火力发电量约为2507.63亿度，标煤耗约为8000万吨/年，产生的二氧化碳排放约为25000万吨/年。若采用秸秆发电，每年可减少二氧化碳排放约22%。再有，秸秆利用还可增加农民收入和促进就业，具有重要的社会意义和经济意义。此外，秸秆直燃发电项目投资成本约为8000～10000元/kW，与其他新能源相比最具现实可行性[7]。综上所述，积极发展秸秆发电，对减少化石能源消耗量、促进能源的可持续发展、降低二氧化碳排放等，具有重要的现实意义。

2 秸秆生物质直燃机组的容量优化

近年来，河南省的麦秆、玉米秆等秸秆直燃发电发展很快。截至目前，全省已建成20多家生物质电站，总装机容量达400MW，其中单机额定容量多为12MW与25MW[8]。从应用情况来看，困扰秸秆发电发展的突出问题之一是燃料供应可靠性差。这是因为秸秆入厂价格随运输距离线性增加，如机组规划容量过大，燃料供应可靠性将完全无法保障。针对该问题，本研究对河南省18个地市的秸秆直燃机组的装机容量进行了优化分析。分析中，首先参照郑州市郑东新区某200MW燃煤发电厂的煤价，分别基于第一定律和第二定律确定了秸秆发电厂的燃料可接受价格。然后根据该价格计算得到了秸秆的有效收集距离，并进一步确定了省内各地市的最佳装机容量。此外，为了进一步分析燃料供应的可靠性，还就现行秸秆发电补贴政策对有效收集距离的影响进行了分析。

2.1 秸秆可接受价格的确定

用于直燃发电的秸秆可接受价格应该参照煤价进行，否则将失去市场竞争力，在此，以郑州市郑东新区某200MW电厂用煤为参照确定了秸秆的可接受价格。该电厂燃用新密贫煤，入厂价格pcoal约为550元/吨，其元素分析成分与热值见表2：

表2 新密贫煤、玉米秆、麦秆的元素分析与热值

该燃煤电站锅炉实际运行中，热风预热温度为350℃，过量空气系数为1.2，将其结合表2数据得到其理论燃烧温度为1850℃。

(1)

(1)式中：pcoal为煤的到厂价格，￥/t；Qar,bio为秸秆的低热值，kJ/kg；Qar,coal为煤的低热值，kJ/kg；pbio,1按照等热值法得到的秸秆到厂价格，￥/t。

(2)

(3)

计算中，秸秆锅炉的热风预热温度取为120℃，过量空气系数为1.2，环境空气温度tsur为20℃，玉米秆与麦秆的元素分析成分和热值见表2。按照式(1)、(2)、(3)得到的秸秆可接受价格、理论燃烧温度tadi如表3所示：

表3 基于第一、第二定律确定的秸秆可接受价格

2.2 秸秆有效收集距离

pb=p0+1.25·2r

(4)

式(4)中：r为加工点到电厂的距离，km；系数“2”是考虑到秸秆运输过程中车辆空载返回；p0为秸秆收集、储运和加工等环节的成本，即秸秆的装车价格，在此两种秸秆的装车价格p0均取作200￥/t，最终得到其有效收集距离如图1所示：

图1 秸秆有效收集距离Fig.1 The hauling distances for the agricultural residues

由图1可见，玉米秆与麦秆的有效收集距离分别为27km和19km。需要说明的是，按照上述方法确定的有效输送距离是电厂只负责收购的情况下得到的。若电厂组织收储运，则其有效收集距离将增加，但是，基于分工产生效率的原则，在此对第二种情况不作讨论。得到秸秆的有效收集距离后，就可按照种植密度确定收集距离内的可能源化秸秆量，该秸秆量是直燃机组的最大规划容量的直接依据。在最大规划容量确定过程中，两种秸秆的热值如表2所示，得到的河南省各地市的秸秆直燃机组的最高容量与地区装机总容量如表4所示，河南省的最佳秸秆发电总装机容量可达12907MW。

2.3 秸秆发电补贴政策对有效收集距离的影响

为促进生物质发电的推广，河南省出台了一系列生物质发电的补贴政策。政策规定燃煤发电的上网电价为0.25元/(kW·h)，而生物质电站的上网电价则提高到0.75元/(kW·h)。电价补贴将增加秸秆的电站的有效收集距离，利于提高生物质发电机组的运行可靠性。在分析电价优惠对生物质电站燃料有效收集距离的影响时，应保证生物质电站与燃煤电站利润相同的前提下进行。电厂利润是指上网电价与发电成本的差值，反映电厂市场竞争力的大小。分析中仍以郑州某200MW电站为比较对象，采用的发电成本计算式为：

表4 河南省各地市的秸秆直燃发电机组的单机最高装机容量与总容量

(5)

(5)式中：p为燃料价格，￥/t，；ηe为电站电效率；Qar为燃料的低热值，kJ/kg。

郑州市某200MW燃煤电站的煤价为550元/t、热值为25121kJ/kg、电效率为35%、年发电小时数7000h、上网电价0.25元/(kW·h)。根据(3.5)式与上网电价可得到该电厂利润约为0.08110元/(kW·h)。此外，考虑到现有生物质电站多使用振动炉排锅炉、蒸汽参数较低的现状，计算中选用的电效率为22.9%[6]。此外，考虑到国家对生物质发电的强制上网制度，计算中选用的秸秆电厂年运行小时数为8000h。此外，燃煤电站初投资取作5000元/kW，生物质电站为13000元/kW；计算净利润时假定燃煤电站的燃料成本占总成本的75%，生物质电站的燃料成本占总成本的50%；不考虑初投资的资金成本与设备折旧。最终得到的两种电站的利润对比情况如表5所示。

表5 燃煤电站与生物质电站的经济性比较

由表5可以看出：(1)如果没有价格补贴，生物质电站的利润仅为燃煤电站的1/4，投资回收期远超燃煤电站。(2)当生物质电站的上网电价补贴到0.309元/(kW·h)时，其利润可与燃煤电站持平，但投资回收期仍远超燃煤电站。(3)按照现行价格补贴政策，生物质电站的利润约为燃煤电站的5倍、投资回收期仅为3年左右。由上述几点可以看出，价格补贴对生物质电站的发展至关重要，在两种电站利润相同的前提下，生物质电站的上网价格须高于0.309元/(kW·h)。

秸秆原料的供应可靠性对生物质发电发展具有重要影响，而价格补贴将使秸秆电站的有效运输距离增加，进而增强电站的运行可靠性。分析中假定生物质电站与燃煤电站利润相同，此时秸秆的有效收集距离计算式为：

(6)

(6)式中：pbio为秸秆电厂的上网电价，元/(kW·h)；Rcoal为燃煤电站利润(只考虑燃料成本)，元/ (kW·h)；p0为秸秆收购价格，元/t，在此取作200元/t。最终得到上网电价对麦秆、玉米秆电站的有效收集距离的影响如图2所示：

图2 上网电价对秸秆有效运输距离的影响Fig.2 The influence of electricity price on the hauling distances

由图2可以看出，上网电价补贴将使生物质电站的秸秆有效运输距离增加，燃料供应可靠性提高。当生物质电站上网电价无补贴时，将完全失去市场竞争能力；当上网电价补贴到玉米秆-0.5￥/(kW·h)、麦秆-0.53￥/(kW·h)时，有效供应距离近似为零，供应完全无法保证；按照现行生物质发电上网电价，其有效运输距离则可达到95km左右，即玉米秆104km、麦秆85km。

3 秸秆生物质直燃的CO2减排潜力评估

生物质发电技术发展的关键是生物质具有可再生性与零CO2排放特性等优势。随着对温室效应问题的关注逐渐深入，温室气体减排在国际国内日益引起重视。长期以来，考虑到生物质燃烧产生的CO2与生物质生长消耗的CO2量相同，多将生物质看作零CO2排放燃料。但另外一种看法却认为不能忽略秸秆运输过程中耗油产生的CO2排放。因此，对秸秆直燃发电过程中的CO2排放进行了评估，评估仍参照郑州某200MW燃煤机组进行。

该200MW燃煤电站的元素分析和热值数据见表1，假定机组额定负荷发电，电效率为35%，则其发出1kW·h电能产生的CO2排放的计算式为：

kg(CO2)/(kW·h)

(7)(7)式中：MWi为物质i(i=CO2,C)的分子量。根据表1数据和式(7)，得到该燃煤机组的CO2排放量为1.02239kg(CO2)/(kW·h)。

与燃煤相比，尽管秸秆本身为零CO2排放燃料，但其运输过程中耗油却会产生CO2[10]，因此在评估秸秆发电过程中的CO2排放时，应充分考虑了运输耗油产生的CO2排放。秸秆从收集点运到电站所需耗油量的计算过程如图3所示：

图3 秸秆生物质有效供应区域内运输油耗计算示意图Fig.3 The schematic plot for calculating the consumed heavy diesel in the hauling distances

由图3可见，有效收集距离内的秸秆运输总耗油量计算式为：

(8)

(8)式中：qyh为可能源化秸秆量的分布密度，t/km2，计算中取qyh=0.174t/km2；ρbio为秸秆运输耗油量，kg/(t·km)；i为秸秆种类(1-麦秆、2-玉米秆)。需要说明的是，(8)式中考虑了运输返程空载所消耗的燃油。

表6 秸秆运输消耗的重柴油的元素分析成分与热值

秸秆运输多使用农用拖拉机，燃油为重柴油，其成分与热值如表6所示。陈丽能等曾对农用拖拉机的油耗进行了研究，研究表明耗油量除与载重量、运输距离、路面状况等有关外，还与回程的空载率有关[6]。考虑到中国农村地区的实际情况，在此认为返程时的空载率为100%，并取拖拉机往返一次的平均油耗量为0.147kg/(t·km)。由此，可得到秸秆最佳收集距离内运输耗油产生的CO2排放量计算式为：

(9)

(9)式中：Car，为重柴油的收到基含碳量，%；E，为秸秆有效收集距离内可能源化秸秆生物质发出的总电量，kW·h。最终得到秸秆直燃的CO2排放量为0.1224kg(CO2)/(kW·h)。与前述得到的燃煤发电产生的CO2相比，秸秆直燃发电的CO2排放量约为其11.97%。

最后，为了进一步评估在河南省发展秸秆直燃发电的CO2减排潜力，同时给出了全省各地市的CO2减排潜力，如表7所示：

表7 河南省各地市应用秸秆直燃发电的CO2减排潜力评估结果

续表

地市秸秆运输总耗油量，t/a总装机容量，MWCO2减排量，万吨/年新乡226987590．00焦作244244445．63濮阳274555256．82许昌255461262．89漯河326639140．18三门峡27412813．15南阳10441336137．50商丘36131483152．52信阳45746247．60周口31401801185．24驻马店22711615166．10济源556474．81总量36271129071327．31

4 结论

通过上述分析，得到的主要结论如下：

(1)河南省的可能源化秸秆总量约为1725.14万吨标准煤/年，充分利用秸秆发电每年可减少化石燃料依赖约15.7%、减少二氧化碳排放约22%。

(3)基于电厂对秸秆的最高可接受价格，按照种植密度与可能源化量，得到两种秸秆的有效收集距离分别为玉米秆-27km、麦秆-19km。机组最高规划容量不能超过有效收集距离内的可能源化秸秆量，且河南省的秸秆发电机组规划容量最高可达12907MW。

(4)在秸秆电站与燃煤电站利润相同的前提下，按照现行生物质发电补贴政策，玉米秆的有效收集距离可增加到104km，麦秆可增加到85km，对提高机组运行可靠性具有重要意义。

(5)秸秆发电的CO2减排潜力较大，其CO2排放量约为0.1224kg(CO2)/(kW·h)，仅相当于燃煤发电的11.97%左右。

[1]CAPUTO AC, PALUMBO M, ELAGAGGE PM,et al. Economics of biomass energy utilization in combustion and gasification plants: effects of logistic variables[J]. Biomass & Bioenergy. 2005, 28(1):35-51.

[2]高立, 梅应丹. 我国生物质发电产业的现状及存在问题[J].生态经济(中文版). 2011,(8):123-127.

[3]马龙海, 邓宇昆, 董胜亮. 我国生物质发电现状分析及研究[J]. 电力勘测设计. 2012,(3):70-74.

[4]张铁柱. 我国生物质发电行业现状及前景分析[J]. 农村电气化. 2011,(8):50-52.

[5]LIU Liwei, YE Junhong, ZHAO Yufei, et al. The plight of the biomass power generation industry in China-A supply chain risk perspective[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 49:680-692.

[6]石元春. 中国生物质原料资源[J]. 中国工程科学. 2011, 13(2):16-23.

[7]GILELLI A, LUONGO A. Thermodynamic and Experimental Analysis of a Biomass Steam Power Plant: Critical Issues and their Possible Solutions with CCGT Systems [J]. Energy Procedia. 2014, 45:227-236.

[8]李宁. 河南省生物质(秸秆、林业废弃物)发电现状、存在问题及对策研究[J]. 郑州:河南农业大学,2009.

[9]JENKINS BM, BAXTER LL, TRM Jr, et al. Combustion Properties of Biomass[J]. Fuel Processing Technology , 1998 , 54 (1-3) :17-46.

[10]陈丽能,林鸿,徐展峰,等.农村运输机械耗油量数学模型的研究[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版). 2003, 29(2):185-187.

[11]邢爱华,刘罡,王垚,等.生物质资源收集过程成本、能耗及环境影响分析. [J] 过程工程学报. 2008, 8(2):305-313.

Optimal capacity of boiler firing agricultural residues in Henan province

LI Xiaomin,YANG Jitao,SUN Kunfeng,WANG Shiyuan,ZHANG Junke,WANG Yan

(1.School of Energy and Environment Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China; 2.Central China Branch of China Datang Corporation Science and Technology Research Institute,Zhengzhou 450000，China)

This work focused on the optimal capacity of boiler firing agricultural residues in Henan province. First, a calculation was conducted to obtain the available amount of agricultural residues in Henan province, including wheat straw and corn stalk. Secondly, the acceptable prices for corn stalk and wheat straw were obtained, based on the second law of thermodynamics. Thirdly, combined with the acceptable price of corn stalk and wheat straw, the planting density, and the amount of available agricultural residues, the hauling distances to collect the agricultural residues were obtained and the optimal capacity of of power plant firing biomass was obtained at the same time. Furthermore, an analysis was conducted on security of supply of agricultural residues. A conclusion was obtained that the hauling distances approach to zero when the electricity price are hold on 0.50￥/(kW·h) for corn stalk and 0.53￥/(kW·h) for wheat straw. Comparatively, both the hauling distances increased on present electricity price for biomass. At last, an evaluation was carried out on the potential of utility of agricultural residues to reduce CO2emissions. The result shows that the CO2emissions from boiler firing the agricultural residues is only 0.1224 kg (CO2)/(kW·h), equivalent to 11.97% of the amount from coal-fired boiler.

biomass;agricultural residues;hauling distances;exergy;CO2emission

1672-7010(2017)04-0025-09

2017-05-18

国家自然科学基金项目(31500394);郑州市科技局科技攻关计划项目(20130877)

李小民(1971-)，男，河南武陟人，博士，主要从事生物质转换利用研究

杨继涛(1978-)，男，河南商丘人，博士，从事生物质能源与环保技术研究；E-mail:yangjitao2001@sohu.com

TK6

A