农村地区生物质成型燃料清洁供暖技术研究进展

2020-12-11刘联胜王冬计段润泽

综合智慧能源 2020年11期

刘联胜，王冬计，段润泽

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401；2.河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津300401）

0 引言

2015年前后，燃煤散烧是我国PM2.5和硫酸盐的重要排放源之一，其排放量已占社会年平均排放量的25.7%和7.1%［1］。为遏制雾霾天气发生，发改委、能源局在2017 年年底印发《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021 年）》，以“煤改气”“煤改电”为主要技术手段的农村清洁供暖工程在京津冀及周边地区试点推行，区域大气环境和农村室内人居环境在一定程度上得到改善［2-3］。相对于燃煤（包括清洁煤）供暖而言，燃气壁挂炉和空气源热泵等清洁供暖系统的年运行费用显著提高［3-5］。鉴于农民的可支配收入较低，对农村清洁供暖给予适度补贴是十分必要的［6-8］；不过，即使在享受价格补贴之后，农村居民的采暖支出仍会有小幅增长。由于区域经济发展不平衡、农村清洁供暖的技术路径存在较大差异等原因，《中国散煤综合治理调研报告2019》建议“中央财政补贴从按行政级别的补助标准转变为按经济水平分档的固定产出补贴标准，向经济困难地区倾斜”。

农村地区推进实施清洁供暖以来，经历了一个典型的“干中学（Learning by Doing）”过程，可惜目前仍未形成任何一种可遵循、可复制的成熟模式。国家能源局在2019 年7 月发布了《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》征求意见稿［9］，强调“因地制宜拓展多种清洁供暖方式，保障清洁供暖均衡发展。在农村地区，重点发展生物质能供暖，同时解决农林废弃物直接燃烧引起的环境问题”。我国生物质资源丰富，2020 年可获得资源量约为264 Mt 标准煤，生物质供热潜力达到130 Mt 标准煤（国家可再生能源中心数据）。但是，目前生物质供暖面积在农村清洁供暖总面积中所占比例仅为1%［6-7］，其主要原因是“生物质燃料适配炉具”在技术上不过关［10］，绝大多数在售炉具难以实现生物质燃料的清洁燃烧。

本文将重点围绕农村地区生物质成型燃料清洁供暖所涉及的生物质成型燃料、小型生物质供暖炉具燃烧污染物排放特性，以及生物质清洁供暖系统等开展综述和分析，以期为农村地区生物质成型燃料低成本清洁供暖提供参考数据。

1 生物质成型燃料及燃烧特性

国内生物质成型燃料主要分为颗粒燃料和压块燃料2 种，常见形状示例如图1 所示。相对而言，颗粒燃料形状较为规整，尺度较小、密度较大；压块燃料直径一般在25 mm 以上（块状或棒状），长度不一。2018 年，我国生物质成型燃料产量约为18 Mt，目前尚未实现《可再生能源中长期发展规划农业生物质能产业发展规划（2007—2020 年）》要求的2020年年产50 Mt 的预期目标；而成型燃料燃烧装备技术成熟度低、污染物排放不达标、推广应用不足等原因，是导致生物质成型燃料产业发展缓慢的主要影响因素之一［11］。

图1 生物质成型燃料Fig.1 Biomass briquette fuel

生物质成型燃料的生产是一个高耗能过程，相对于压块燃料而言，颗粒燃料单机生产能力更低、能耗更高；产能1.5 t/h 的玉米秸秆压块生产线能耗为60～80 kW·h/t［12-13］，而产能0.5 t/h 的木质颗粒生产线能耗高达120～180 kW·h/t［14-16］。物料含水率是影响生物质成型产率和能耗的主要因素，将物料含水率控制在15%～20%之间可在一定程度上降低成型能耗［16-17］。另外，提高单机额定生产能力也有助于降低成型能耗，这也符合生物质成型机械的发展趋势。

生物质成型工艺和原料来源的差别，造成了终端产品生产成本和市场售价的巨大差异。秸秆压块燃料的生产成本约为350 元/t［18］，而木质颗粒燃料的生产成本则高达780 元/t［19］；相应的，秸秆压块燃料的市场价格为500 元/t 左右，而木质颗粒燃料的市场价格则始终维持在1 000 元/t以上。但是，木质颗粒燃料低位热值一般为16.5～17.6 MJ/kg，而秸秆压块燃料低位热值比木质颗粒燃料低20%左右，为13.5～16.3 MJ/kg［20-23］；从燃料角度来看，秸秆压块燃料的经济性要更好一些。

成型过程并未从本质上改变生物质的燃料和燃烧特性。生物质燃料元素组成包括碳、氢、氧、氮、硫、水分和灰分，因植物类型、产地、生长周期等不同，其所含成分的质量分数有所差异；相对于燃煤而言，其碳的质量分数较低、氧的质量分数较高。生物质燃料的工业分析结果与燃煤存在显著差异，其挥发分的质量分数远高于燃煤，在65%～80%之间；固定碳和灰分的质量分数则远低于燃煤，分别在15%和10%左右［23-27］。生物质——尤其是秸秆的灰熔点较低（1 198～1 213 ℃），灰分中钠、钾等碱金属含量较高［21-22］，其燃烧、传热过程中易发生燃料层结焦和受热面结渣等现象，在实际燃烧组织的过程中，应控制燃料层和燃烧室温度在较低范围内；生物质/燃煤或不同生物质燃料按照一定质量比混烧，也有助于降低灰分熔融的可能性［20］。另外，秸秆成型燃料中氮、氯含量要高于木质颗粒燃料，其燃烧产物中NO和HCl的体积分数较高［23］；相对于生物质粉末流化态燃烧而言，组织成型燃料层燃有助于降低颗粒物、NO和HCl排放［23］。

热重分析法是目前研究生物质燃料燃烧特性和燃烧反应机理的常用方法，该方法基于空气气氛中微量（20～40 mg）样品的TG（热重法）、DTG（微商热重分析）和DSC（差示扫描量热法）曲线分析并获得生物质燃料的燃烧特性指数和反应机理函数［28-33］。在20～40 ℃/min 的升温速率下，生物质样品将随温度的提高依次经历干燥、挥发分析出和燃烧、焦炭燃烧3 个阶段，对应着DTG 曲线的3 个典型失重峰，如图2所示；而DSC 曲线仅在挥发分燃烧和焦炭燃烧阶段出现放热峰，且挥发分的着火温度较低（280～300 ℃），气相燃烧反应速率更高，热释放更加强烈；为了确保挥发分的完全燃烧，维持足够大的空气过剩系数十分必要［29］。在相同的升温速率下，相对于木质燃料而言，秸秆挥发分燃烧反应的表观活化能略微低一些，焦炭燃烧反应的表观活化能相近［26，31］。值得注意的是，热重分析所获得的颗粒燃料燃烧反应动力学机理与生物质粉末并不一致，原因是该方法在分析致密颗粒或块状燃料热失重过程时存在较大的热滞后和传热不均现象［32］。

图2 木质颗粒和玉米秸秆的TG，DTG，DSC曲线（升温速率为20 ℃/min）［26］Fig.2 TG，DTG，DSC curves of wood pellet and cornstalk fuel（heating rate=20 ℃/min）［26］

生物质成型燃料的锥形量热测试结果表明，其点燃时间一般在13～30 s之间，且燃料挥发分质量分数越高、全水分质量分数越低，点燃所需时间越短［34］。不同颗粒尺度的日本紫菀颗粒燃烧时内部温度随时间的变化情况如图3所示。致密紫菀颗粒燃料着火后，反应温度将快速提高，但燃烧反应持续时间仅有5～15 min，且颗粒尺度越小、燃烧持续时间越短［35］；这间接说明，连续稳定地向炉内输送燃料，是提高成型燃料炉具燃烧稳定性和持续性的关键要素。

图3 不同颗粒尺度的日本紫菀颗粒燃烧时内部温度随时间的变化情况（热风温度873 K，风速6.3 m/s）［35］Fig.3 Variation of internal temperature with time during combustion of Aster japonicus particles with different size（hot air temperature=873 K，wind speed=6.3 m/s）［35］

生物质及生物质成型燃料具有与其他化石燃料完全不同的燃料特性和燃烧特性，研发和推广生物质成型燃料适配炉具，才有可能使供暖装备的粉尘、NOx等燃烧物的排放量满足行业和地方标准。

2 生物质成型燃料专用炉具研究现状

国内推广应用的小型生物质成型燃料供暖炉具主要包括颗粒燃料炉和压块炉2 种，均为固定床层燃。木质颗粒燃料炉结构如图4 所示［36-37］，技术多来源于德国、奥地利等欧盟国家。利用螺旋送料机间歇输送颗粒燃料入炉，并利用燃烧盘组织颗粒燃料的燃烧过程，其自动化程度较高、燃烧稳定性较好；目前奥地利KWB公司生产的木质颗粒燃料炉已在山东阳信示范应用。相对而言，秸秆压块炉形式更加多样化，但一般均未配备自动送料装置，或者以侧置料箱+返烧方式来组织压块燃料的燃烧过程，或者以人工间歇填料方式来维持炉内燃烧［38］，如图5所示；夜间“封火”时，炉内低温缺氧导致的焦油、冷凝水排放超标问题，是秸秆压块炉无法逾越的一道难关。河北省在2014—2017 年间曾计划推广应用秸秆压块炉上百万台/套［39］，但终因秸秆成型燃料炉具在技术上不过关等原因，无疾而终。

图4 木质颗粒燃料炉结构［36］Fig.4 Structure of wood pellet fuel stove［36］

图5 秸秆压块手烧炉［37］Fig.5 Manual stove with straw briquetting fuel［37］

2.1 颗粒燃料炉的燃烧排放特性

颗粒燃料炉的燃烧污染物排放特性主要取决于燃料特性、燃烧室结构和工作条件等因素。木质颗粒燃料炉粉尘排放的质量浓度在34～240 mg/m3之间（额定功率6 kW，颗粒燃料直径6～8 mm，低位热值19 MJ/kg）［40］。负荷变化（烟气中氧的质量分数）对粉尘颗粒数量影响不大，如图6 所示。但减小空气系数将造成粉尘中大颗粒所占比例增加。在满负荷情况下，炉内燃烧状况相对稳定，粉尘排放的质量浓度可稳定在20 mg/m3左右，CO 质量浓度小于78 mg/m3，木质颗粒（氮的质量分数为0.12%）产生的NOx的质量浓度约为128 mg/m3（氧的质量分数基准为13.00%），而黑麦杆颗粒（氮的质量分数大于0.40%）产生的NOx的质量浓度则高达466 mg/m3；低负荷时，炉内燃烧反应相对减弱，粉尘和NOx排放有所减少，但CO 质量浓度有所提高［41］。生物质燃料燃烧产生的NOx以燃料型为主，随着燃料中氮的质量分数的提高，烟气中NOx的质量浓度逐渐提高，但燃料型NOx转化率逐渐降低，如图7 所示［42］。分级送风有助于强化挥发分和焦炭的燃烧、降低CO 排放，但燃料层温度过高易导致灰分熔融，形成大尺度焦块，如图8所示［42］。

图6 木质颗粒燃料炉燃烧示意及粉尘排放特性［40］Fig.6 Combustion process and dust emission characteristics of the wood pellet fuel stove［40］

图7 燃料中氮的质量分数与单位热量对应的NO质量、N的转化率之间的关系（氧的质量分数基准为9%）［42］Fig.7 Effect of the nitrogen mass fraction in fuel on the NO mass per unit of heat and N conversion rate（taking 9%as oxygen mass fraction's baseline）［42］

图8 鹬草颗粒灰分熔融所形成的焦块（直径120 mm）［42］Fig.8 Coking block formed by melted ash of Sandpiper particles'combustion（d=120 mm）［42］

人工加料木质颗粒燃料炉的燃烧过程、烟气中氧的质量分数，以及燃烧污染物排放特性均呈现周期性变化，其排放粉尘（PM10）的平均质量浓度为130 mg/m3以上，CO 质量浓度在1 331～2 948 mg/m3之间，远高于自动运行的颗粒燃料炉［40］。热负荷和过量消耗系数对CO 和CH 排放的影响较为显著，如图9 所示，尤其是低负荷时，过少的燃料输入、过大的空气系数将导致炉内燃烧反应温度和反应速率降低，排放的CO 和CH 的质量分数显著提高［41］。图9 a 中T1，T2，T3分别为温度传感器测出的进水温度、出水温度、烟气温度。手烧炉NOx排放的质量浓度主要与燃料中氮的质量分数有关，咖啡渣、油渣饼、黑小麦杆等氮的质量分数高的燃料燃烧产生NOx的质量浓度均在450 mg/m3以上（氧的质量分数基准为13%）［40，42-46］。

图9 松木颗粒试验炉结构及其燃烧污染物排放特性［43］Fig.9 Structure of a pine particle experimental furnace and its pollutant emission characteristics［43］

2.2 秸秆压块燃料炉的燃烧排放特性

目前，燃用秸秆压块燃料的小型锅炉多为人工操作双层（或单层）炉排返烧炉，类似的炉膛结构有利于挥发分的燃烧和燃尽；秸秆压块尺度、操作条件等是影响燃烧污染物排放特性的主要因素［47］。随着玉米秸秆压块尺度的增大，双胆反烧炉排放CO的体积分数将从0.058%增大至0.130%，NOx的体积分数则基本维持在0.65%左右［48］；压块燃料尺度过大，将导致燃烧效率、锅炉热效率及输出功率降低［49］；玉米等农作物秸秆压块燃料燃烧时，炉膛温度过高易造成受热面沉积玻璃状飞灰［50］，如图10所示。在小型燃烧炉内，秸秆压块燃料燃烧产生的NOx的质量浓度与燃料中氮的质量分数直接相关，处于150～255 mg/m3之间；但排放的CO 的质量浓度较高，处于7 000～9 000 mg/m3之间（氧的质量分数基准为13%）；相对于秸秆原料直接燃烧来说，压块燃料燃烧所产生的粉尘和PM2.5颗粒较少［38，51］。

秸秆压块燃料的连续稳定输送，有助于提高炉内燃烧稳定性、降低污染物排放量。文献［52-54］基于整体推饲、间歇送料原理设计了一种秸秆压块燃料送料机构，燃料输送量处于2.5～4.5 kg/h之间，对应的炉具输出热负荷为8～15 kW，如图11 所示。耦合分级送风和烟气再循环的供暖装备燃烧玉米秸秆压块时排放粉尘的质量浓度小于36 mg/m3，NOx质量浓度为70～150 mg/m3，CO 的质量分数小于0.15%；燃用氮的质量分数较高的花生壳压块时，NOx排放的质量浓度略有提高。

图10 甘蔗渣、稻草、芒草压块及麦秸压块燃烧照片［51］Fig.10 Combustion of fuel made of bagasse，straw and miscanthus and wheat straw briquette［51］

图11 具有自动送料功能的秸秆压块采暖炉结构［54］Fig.11 Structure of the straw briquette heating stove with an automatic feeding device［54］

2.3 关于生物质成型燃料专用炉具的建议

根据前文所述国内外生物质成型燃料排放特性的研究结果来看，无论是源于欧盟的小型颗粒燃料炉，还是国内自行开发的小型秸秆压块炉，其排放的NOx质量浓度均难以满足《民用生物质固体成型燃料采暖炉具通用技术条件》（NB/T 34006—2011）所规定的“≤150 mg/m3（氧的质量分数基准为9%）”的排放限值。

对于额定功率小于50 kW的小型生物质成型燃料炉具而言，利用自动送料装置稳定炉内燃烧工况［40］、采用分级配风促进挥发分和固定碳的燃烧与燃尽［44］、通过合理布置受热面降低燃料层和炉膛温度、在烟道出口布置迷宫分离器捕集飞灰［54］等措施，可将粉尘、CO 和CH 排放量控制在较低范围内，并弱化燃料层结焦、受热面积灰结渣等现象。但是，生物质成型燃料燃烧所产生的NOx主要是燃料型NOx，当生物质中氮的质量分数小于0.5%时，燃料氮向燃料型NOx的转化率高达30%～90%；大量实验数据表明，生物质成型燃料燃烧所排放的NOx要高于燃油和天然气，如图12 所示［55］。因此，以降低热力型NOx为目标的空气分级燃烧、烟气再循环等低氮燃烧技术，在小型生物质炉具中并不一定能够获得良好的NOx减排效果，反而会造成系统电耗提高、CO 排放量增大；而通过提高风速来缩短氧的停留时间，势必会造成过量空气系数显著增大、炉膛温度大幅降低，这对于小型燃烧室来说也是不可取的。

图12 燃料型NOx的转化率及生物质燃料燃烧时NOx的排放情况（氧的质量分数基准为13%）［55］Fig.12 Conversion rate of NOx from fuel combustion and NOx emission from biomass combustion（taking 13%as oxygen mass fraction's baseline）［55］

鉴于我国农村生物质清洁供暖的迫切需要，考虑我国农林废弃物的实际燃料特性（氮的质量分数大于0.5%［33］）和小型生物质燃烧装备现有技术发展情况，适度放宽小型生物质炉具NOx排放质量浓度限值十分必要（若氧的质量分数基准为9%，建议NOx排放质量浓度限值为300 mg/m3；若氧的质量分数基准为13%，建议NOx排放质量浓度限值为200 mg/m3）。

生物质燃料在低温缺氧情况下会产生气相和固相多环芳香烃（PAHs），烟气中PAHs 的平均质量浓度约494 μg/m3，远高于正常燃烧时的265 μg/m3［56-57］。因此，对于生物质成型燃料专用炉具而言，采用自动送料装置维持炉内稳定的燃烧工况、避免封火闷烧是十分必要的。

3 农村生物质清洁供暖系统研究现状

2017—2018 年间，河南鹤壁市和山东阳信县通过鼓励地方企业利用当地农林废弃物生产和供应颗粒燃料，并利用补贴60%燃料购置成本的地方政策，初步形成了农村生物质颗粒燃料清洁供暖的“鹤壁模式”和“阳信模式”；但同时也暴露出农村生物质清洁供暖过程中依然存在专用炉具排放不达标、专业运营管理队伍缺失、商业模式不明晰等问题［58-59］。

农村地区生物质清洁供暖是一个系统工程，既涉及燃料成型设备、清洁供暖装备等技术问题，也涉及原料流转、燃料流通等商业问题，同时还涉及设备运行管理、污染物排放监测、设备维护维修服务等管理问题。在不考虑资源禀赋、交通运输等外部条件影响的前提下，成型燃料分户供暖具有较好的经济价值系数［60］；但在成型燃料清洁供暖实际工程中，生物质资源禀赋、原料运输和储存、成型工艺等初始或边界条件，对分户供暖燃料成本具有相当显著的影响，“一村一厂”小规模生产成型燃料并用于当地农户供暖，具有更大的灵活性和可行性［61-63］。

在生物质清洁供暖过程中，农民群体既是实施主体，也是实施对象；同时，在成型燃料生产和消费过程中，农民群体与成型企业之间形成了双向的消费-供应关系［64］。因此，农村生物质清洁供暖的可持续发展，在很大程度上取决于农民群体能否在生物质清洁供暖实施过程中获得应有的利益或收益。文献［64-65］利用全生命周期分析法获得了生物质成型燃料低成本生产的最佳收集半径，并基于农民心理行为学提出了“互联网+区域能源服务站”秸秆压块燃料清洁供暖模式，以代加工、置换、抵扣、代销等形式为农户供应成型燃料，从而使农户供暖成本降低至10 元/m2以下，为农村生物质清洁供暖提供了一种可复制的商业模式。

就发展形势来看，农村生物质低成本清洁供暖仍是一个新生事物，目前以政府主导、农户被动接受的发展模式为主，最终将会转变为市场主导、地方政府发挥监督和指导作用的发展模式。因此，生物质成型机械生产厂家应继续完善和优化生产工艺和设备，以进一步降低成型能耗和成本；成型燃料适配炉具生产厂家应进一步加大技术研发投入，以降低燃烧污染物排放、提高炉具热效率、扩大炉具燃料适应性、提高自动化水平；而区域能源服务站则应充分利用互联网和区块链技术，构建分散供暖装备的集中管理平台、生物质原料和燃料供应信息共享平台，以增加透明度、加强互信、提高燃料生产供应和供暖服务质量，实现服务站与农户的共赢。