分布式能源在农村的应用

2018-03-22洪博文李琼慧王伟

能源 2018年2期

文 | 洪博文李琼慧王伟

洪博文、李琼慧供职于国网能源研究院；王伟供职于中农绿能科技集团有限公司

农村人口众多、能源资源开发潜力巨大，农村能源已成为能源发展变革中的重大课题。仅秸秆一项，我国每年产量达到7.2亿吨，占世界秸秆资源的30%，充分利用将带来巨大的能源资源财富。

合理建设和优化分布式能源系统组合和配置，形成可复制、可推广的农村分布式能源系统典型应用模式，不仅能获得较好的商业价值，还能有效提高综合能效，实现农业生态、经济和环保效益的最大化。

但同时，农村分布式能源系统也面临诸多问题和挑战。首先，我国农村地理分布广、人口密度低，村与村之间人口、资源、基础设施等差异性较大，统筹建设难度大，难以采取统一的技术标准和建设模式。其次，由于农村能源资源利用同时涉及能源、农业、环保等多个行业部门，需要解决资源收集、土地性质、技术融合、企业融资等多个难题。如何因地制宜开展农村分布式能源系统的设计和建设成为一项重要课题。

一般而言，分布式能源系统包含源-网-储等环节和冷、热、电、气等形式，其组成结构复杂，典型的分布式能源系统包括分布式光伏发电、天然气分布式供能、锅炉、电储能、蓄热装置等，农村分布式能源系统中包含大量生物质能，其生产和利用模式更加丰富，如生物质热电联供、生物制氢、生物天然气制取等。此外，农村分布式能源系统还与农业生态系统有密切的关联，有时甚至是一个不可分割的整体。

分布式能源系统的能量流动关系复杂，以一个简单分布式能源系统为例，系统中包含风机、光伏、储能、热电联供机组和燃气锅炉等设备。热电联供机组在发电的同时，还输出热量供给热负荷，当发电机产生的热量不足时，剩余热量由燃气锅炉补充。而电网、气网等管网则起到调剂余缺的作用，是支持分布式能源系统安全、稳定运行的重要环节。

农村的分布式能源系统的三种典型应用模式，本文以下分别论述。

生物天然气+有机肥模式

生物天然气是以畜禽粪便、农作物秸秆、城镇生活垃圾、工业有机废弃物等为原料，经厌氧发酵和净化提纯后与常规天然气成分、热值等基本一致的绿色低碳清洁环保可再生燃气。生物天然气+有机肥的发展模式，其定位是以农业为主、能源为辅，需要解决秸秆收集、沼渣还原、沼气利用等关键问题。

沼气发酵方式是直燃发电（供热）、露天焚烧、生物制氢等诸多生物质能转换技术的一种，与直接填埋、露天堆置等农业废弃物处理方式相比，兼具能源和农业利用价值。沼气发酵优点是废弃物排放少，产气率高，通常达到1.5倍容积率；氮、磷等元素基本保留在沼渣之中。缺点是单纯利用秸秆发酵的技术难度较大,国内相关技术发展起步较晚，很多关键技术和设备对进口依赖性较高。

综合比较，目前受到推崇的秸秆还田方式由于未经过发酵工艺处理，存在细菌和作物病害的潜在问题，加大了农药的用量；直燃发电（供热）的方式则仅利用了秸秆的能源价值，造成农业资源的浪费。从农业生态系统平衡的角度，生产生物天然气的沼气发酵技术只有17%的碳转化率，氮和磷基本保留在剩余物制作的有机肥中，能更好的实现农业资源的循环利用。

在有机肥利用方面，该模式的有机肥利用方式与禽畜粪便直接浇灌和施用化肥等方式相比，在生态环境和食品安全方面的优势也较为明显。有机肥的优点是不改变当地土壤结构，长期对保持当地环境和生态系统平衡极为有利；有机肥制作过程中经过发酵和堆埋，温度可达到70度以上，可实现较好的消毒杀菌效果；能够获得农业部门的政府性补贴。缺点是见效慢，一般3年才能看到成效，3年后减少化肥使用量30%。综合比较，有机肥虽然不能立竿见影，但对农业生产和生态环保的长期价值显著。

世界部分国家城市垃圾填埋比例

城镇生活垃圾综合处理模式

目前，国内外垃圾处理的主要方式包括填埋、焚烧和综合处理（多级分拣、气化）3种。美国以填埋为主，日本焚烧为主（占世界焚烧76%），德国焚烧为辅综合处理为主。

我国垃圾处理的问题越来越严重，以大城市周边为例，垃圾填埋能力已趋于饱和，已成为制约城市发展的主要问题之一。直接焚烧的方式问题可能更为严重，其对环境污染一直存在广泛争议，实施监管的难度也很大，混合垃圾焚烧则危害更为严重。尽管一些专家提出喷活性炭的方式吸收二恶英，但后期处理也缺乏监管，此外焚烧还会产生大量飞灰和重金属。

垃圾气化的技术源于煤炭气化处理，可采用四种不同工艺：①固定床气化，如太原重机，主要采用上吸式或下吸式进行高温裂解，其中，下吸式占地面积小，上吸式需要进行焦油处理，综合效率较低；②粉煤气化，如航天万源和天津RDCC，气化率高；③水煤浆气化；④循环流化床气化，国外主要采用加压循环流化床气化。

综合来看，以垃圾气化为主的方式可以将城镇生活垃圾完全资源化利用，并实现达标排放，最终达到“资源化、减量化、无害化”的三化处理效果。相比垃圾焚烧发电处理模式上亿元的投资，垃圾填埋占用大量土地且污染环境，生活垃圾分选及综合利用处理模式的投资额仅为同等焚烧项目的一半，且可采取PPP合作模式和BOT运作模式，能够显著降低当地财政支出并节约用地。

生物质热电联产模式

利用生物质能源方面的科技优势，开发生物质成型燃料，开发和利用电厂余热、热电联产以及多种技术、多种形式热源，为城镇居民采暖及工业企业供热提供综合能源服务。与单一的生物质发电技术相比，生物质热电联产通过能源梯级利用，具有更高的能源效率，是我国生物质发电技术转型的方向，是未来发展的主流。

农村生物质热电联产优选以树皮等林业废弃物为原料，与焚烧秸秆进行生物质热电联供的方式相比，能够更好的兼顾经济效益和环境效益。一方面，利用当地的农林废弃物，具有较好的经济效益；另一方面，与农作物秸秆不同，一些农林资源无法还田还林，和热电联产结合能更好的发挥其剩余价值。

三大模式的技术经济性分析

本文选取中农绿能科技集团有限公司（以下简称“中农绿能”）的项目为例，分析农村三大模式的应用场景特征和技术经济性。

中农绿能定位于中国生物质能源产业引领者和城镇化清洁能源综合供应商，其核心业务涵盖了农村三大典型应用模式。中农绿能的三类典型项目均以生物质为原料，通过“资源化、减量化、无害化”的三化处理技术，实现生物制气和有机肥生产等，充分发挥生物质资源的综合价值。

（1）生物天然气+有机肥

该模式的项目采用中农绿能公司与中国农业大学合作开发的“纤维素水解+ CSTR厌氧发酵+沼气净化提纯利用+沼渣有机肥综合利用”技术为本项目的主体工艺，总投资1.2亿元，占地面积60余亩，建设内容包括原料预处理及进料系统、CSTR厌氧发酵罐以及配套的固液分离系统、沼气净化提纯系统和沼气利用系统等一整套生物天然气生产设备，并同期建设一座生物有机肥车间和一套育秧盘生产线。该工程完工后日产沼气3.6万方，生物天然气2万方，年消耗秸秆2万吨，年产天然气700万方。

项目建成后极大改变了当地的能源利用现状，使农业废弃物得以回收利用，降低秸秆焚烧带来的环境问题，同时能有效减少当地农业生产中农药化肥的使用，促进农业健康发展。为我国将农村养殖、种植废弃物处理转化成分布式能源清洁能源提供了一个清洁样本。

（2）城镇生活垃圾综合处理

中农绿能的该模式项目主要采取下吸式固定床气化方式处理垃圾，适合县域及以下推广应用。所采取的“村收集、镇、县分别处理”的两级模式（镇处理、县填埋），与我国目前大力推广的“村收集、镇转运、县处理”三级处理模式相比，可进一步降低运输的能耗和污染，尤其是对西藏、宁夏、甘肃等一些地广人稀的地区，成本和环境优势更为明显。以50万以上人口、日产350吨生活垃圾的县域为例，原有的生活垃圾年度收运（垃圾中转站和运输）和填埋费用在5000万至1亿元之间，实行两级处理模式后，可节省近一半的收运和填埋费用。

中农的垃圾综合处理系统实现了标准化、模块化、集装箱化，包含两种规格的产品。①日处理50吨垃圾的系统，适用于人口5万左右的普通乡镇；②日处理150吨垃圾的系统，适用于人口10万左右的普通县城。乡镇级系统每日运行10小时，每小时处理垃圾1.5吨、制气3000方，通过气膜存储。系统本身由有机物质制成的可燃气体可发电自用，也可提供给外部使用。如采用150kW内燃机发电，或单独铺设管道运输，地方环保部门会提供部分财政支持。一套乡镇级系统占地5亩，成本约600万元，主要盈利点是每吨八十至一百元的垃圾处理费，由政府承担。目前，中农已在内蒙古、辽宁等多地落地项目，从运行效果看，该工艺具有运行费用低、分析效果好、分散与集中处理相结合，具有很好的推广价值。

（3）生物质热电联产项目

中农在山东高密建设了生物质热电联产项目，通过燃烧树皮进行发电、供热，电厂和供热管网均为自建，占地面积10万平方米，项目一期建设规模为1×130t/h水冷振动炉排生物质锅炉，配1×30MW抽凝汽轮发电机组，在2018年年底投产，建成后将向高密装饰材料产业园供工业热负荷约124万吉焦，向周边民用采暖供热负荷约5万吉焦，年发电量约1.944亿千瓦时，其供暖期年平均热电比达到185%，工业用气年平均热电比达178%，完全符合热电联产年平均热电比不小于100%的要求；项目一期投资约2.9亿元，投产后预计上缴利税约4700万元。