寿光市育苗温室供热现状及生物质燃烧供热探讨

赵文涛 闫升太尹德政 罗 冰 何 芳*

（1山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049；2山东华电节能技术有限公司，山东济南 250014）

供热是全球最大的能源终端消费领域，约占全球总能耗的50%[1]。2018年，我国北方地区建筑供热总面积超过200万hm2，温室大棚供热面积128万hm2[2]。2020年，《农业农村部关于加快推进设施种植机械化发展的意见》指出，到2025年我国温室种植设施总面积将达200万hm2，温室供热将在供热领域中占据更为重要的位置。

温室作为我国农业设施的重要组成部分，解决了冬春季蔬菜产量供应不足的问题，促进了农业发展和务农人员的收入增长，提高了土地利用效率，其建筑规模也在逐渐扩大[3-4]。目前应用和发展较多的温室有日光温室、塑料大棚和连栋温室，以日光温室应用最为广泛。但在较为寒冷的地区，日照强度弱，温室对外散热量大，内部气温较低，无法满足果蔬生长需求，须采取其他措施补充供热[5]。温室供热技术能够有效调控室内温度和湿度，对农作物品质、产量及培育周期具有重要影响[6]。因此，掌握温室供热情况，对解决蔬菜温室供热问题和推动温室产业发展具有重要的指导意义。

寿光市是潍坊市代管县级市，拥有大规模蔬菜大棚种植产业。温室蔬菜种植技术的发展解决了我国冬春季蔬菜种植难题，推动了蔬菜产业发展。2019年初，寿光市设施蔬菜种植面积达4万hm2，年产蔬菜450万t。其中，使用补充设施进行供热的温室蔬菜种植面积1.3万hm2，年产蔬菜约150万t[7]。本次调研对象为黄瓜育苗温室。通过对其设备、运行现状及存在的问题进行分析，探索寿光市温室供热的合理方案。

1 寿光市温室供热现状

1.1 供热管路散热特点及运行方式

一般每户农户经营4个黄瓜育苗温室，每个温室面积为1 200 m2。供热季为11月至翌年3月（仅夜间），为期4个月，每5 d产出一批黄瓜苗，年利润约为40万元。

在供热季，育苗温室白天温度达20℃以上可满足黄瓜幼苗生长，但夜间温度较低，需供热。温室内装有翅片散热器（图1），散热器进水温度80℃，出水温度60℃。当室温低于18℃时，启动风机，将散热器周围热空气吹至温室各处；当室温超过22℃时，风机停止工作。一般来说，每年供热管路的运行费用为1万元。

图1 温室内管路供热方式示意图

1.2 温室供热设备类型及费用

寿光市温室供热设备有4种，分别为燃煤、燃气、电热锅炉和空气源热泵，为4个育苗温室内的翅片散热器提供热水。本次对4种典型供热设备用户进行调研，供热设备参数及费用如表1所示。

表1 温室供热设备参数及费用

1.2.1 燃煤锅炉。燃煤锅炉功率为230 kW，采用人工喂料方式（每晚添加2次煤），投资成本1.5万元。燃煤锅炉配备16 m2锅炉房；锅炉房内有供水、回水管道，水管直径76 mm，并配有水泵；补水罐直径约2 m、高4 m，用于井水增压，补水管路直径25 mm。燃煤锅炉供热季耗煤量约为30 t，燃煤费用约1.8万元。2021年煤价上升，供热季燃煤费用涨至5万元左右。此外，燃煤锅炉排放易超标，根据《山东省大气污染防治条例》，为防止大气污染，按国家和省有关规定，要求淘汰、拆除小型、分散型和不能达标排放的燃煤锅炉。因此，燃煤锅炉在当地已被逐渐停用。

1.2.2 燃气锅炉。燃气锅炉功率为240 kW，投资成本为3万元。锅炉房配置与燃煤锅炉相同，主要以压力罐液化气作为燃料，每月耗气费用为9 000元左右，供热季总耗气费用为3.6万元。燃气锅炉对安装环境和操作要求较高，育苗企业一般难以满足要求，在使用中会存在较大的安全隐患。因此，燃气锅炉在当地很少应用。

1.2.3 电热锅炉。电热锅炉电功率为150 kW，投资成本为2.2万元。该锅炉配备有4 m2配电锅炉房，锅炉配有相应的供水、回水管路和补水罐、补水管路。当地电价为0.55元/（kW·h），平均每月耗电费用为2万元，供热季总耗电费用约为8万元。

1.2.4 空气源热泵。空气源热泵输出功率为100 kW，在黄瓜育苗温室内安装3台空气源热泵，总投资成本约为20万元。每月耗电费用为6 000元，供热季总耗电费用为2.4万元。因为热泵投资成本很高且供热过程不稳定，难以满足温室蔬菜生产的供热需求，所以在当地并未被大规模应用。

1.3 供热存在的问题

当地4种典型供热设备均存在一定的问题：燃煤锅炉的投资成本和运行费用最低，但燃煤成本随着化石能源的短缺而有所增加，锅炉运行需每晚人工添加煤料，并且锅炉排放不达标易造成空气污染；燃气锅炉的投资成本和运行费用比燃煤锅炉稍高，设备安装操作要求高且必须保证炉体和气体输送管路密封良好，安全隐患较大；电热锅炉的运行费用很高，在供热季的运行费用高达8万元；空气源热泵投资成本很高且供热过程不稳定，难以满足供热需求。

根据大气污染物治理政策及从农户自身安全角度出发，当地目前使用最多的供热设备是电热锅炉，但该设备的使用增加了农户对于温室的投入费用，影响经济效益。

2 寿光市温室供热建议和方案

为寻求更合适的温室供热应对方案，既降低农户的经济投入，又减少空气污染和安全隐患，根据温室黄瓜秧充足的现状，本文提出了应用黄瓜秧燃烧供热的方案。

2.1 温室废弃生物质处理现状

生物质能源具有清洁、无污染和储量巨大等优点，成为继煤、石油、天然气后的第四大能源，在世界一次能源供应量中占比约为10%[8]。自2016年以来，我国相继出台了一系列文件，加大了对生物质等可再生能源的政策引导。2016年，国家能源局发布的《生物质能发展“十三五”规划》中对中国分布式农林生物质热电联产和生活垃圾焚烧等生物质能源供热的发展制定了明确的目标。2017年，中国《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》中指出，到2021年中国生物质能清洁供热面积达到21亿m2。可见生物质能在我国能源领域中的发展前景巨大。

研究资料显示[9]，寿光市设施蔬菜种植面积大，每年可产生约蔬菜废弃物120万t，其中70%的废弃物用于生产沼气、秸秆还田、制作营养土等，仍有30%的废弃物未得到有效处置，大量生物质资源被浪费。黄瓜秧和辣椒秸秆等温室废弃物被随意堆放在路边，每天由环卫部门收集运输至指定场所堆埋，仅有部分废弃物被小型电厂利用。若能将温室废弃物通过燃烧设备处理并为温室供热，将有利于解决当地生物质废弃物处置难题，给农户带来更高的经济效益。

2.2 黄瓜秧燃烧供热可行性分析

黄瓜生产温室每年会产生大量的黄瓜秧，若能将其作为燃料为黄瓜育苗温室供热，将节约大量的运行费用。为验证该方案的可行性，对收集的黄瓜秧进行试验分析和供热量计算。

2.2.1 燃烧试验。将收集的黄瓜秧自然风干，粉碎至＜1 mm的粉末状颗粒，使用全自动工业分析仪（SDTGA8000），参照《固体生物质燃料工业分析方法》（GB/T 28731—2012）对废弃黄瓜秧进行工业分析。结果表明，黄瓜秧含水分10.36%、灰分22.90%、挥发分54.00%、固定碳12.74%（空气干燥基）。

黄瓜秧的低位热值计算公式[10]如下：

式中，LHA为低位热值，下标ar表示收到基，FCar为固定碳，Var为挥发分，Mar为水分，Aar为灰分。

本次黄瓜秧工业分析原料为自然风干的黄瓜秧，其空气干燥基即为收到基。将工业分析所得的数据代入公式（1），计算得黄瓜秧的低位热值约为12.39 MJ/kg。

为了解黄瓜秧的燃烧特性，将自然风干的黄瓜秧粉碎至＜1 mm的粉末状颗粒，使用同步热分析仪（STA，TGA DSC1，Mettler TOLEDO）对样品进行热重分析。试验之前进行1次空白试验，以排除坩埚对试验结果的影响。称取黄瓜秧样品（6.4±0.1）mg，装样温度为50℃，升温速率为10℃/min，终温为950℃。反应气为20 mL/min的空气，以20 mL/min的氮气为保护气。试验重复性良好，黄瓜秧热重试验中的质量剩余及失重速率曲线、热流曲线分别如图2、3所示。

图2 黄瓜秧质量剩余及失重速率曲线

由图2可知，黄瓜秧失重速率曲线有3个失重峰，分别对应黄瓜秧燃烧过程的3个阶段；第一阶段为干燥阶段（＜200℃），黄瓜秧在高温作用下脱去自身的游离水，失重率约为10%；第二阶段为脱挥发分阶段（200～280℃），黄瓜秧中的纤维素、半纤维素等分解产生挥发性气体和焦炭，该过程的失重率约为53%；第三阶段为焦炭的燃烧阶段（＞400℃），此时焦炭与氧气反应，产生大量的热，失重率约为14%。600℃左右时，黄瓜秧失重速率无明显变化，说明焦炭燃烧基本结束。黄瓜秧热重分析结果与其他生物质燃料的热重分析结果[11]相比，具有相似特征，可以推测黄瓜秧具有良好的燃烧特性，为实现其作为燃料供热提供了一定的可行性。

图3 黄瓜秧热流曲线

2.2.2 燃烧供热量计算。以燃煤锅炉供热为例，1个燃煤锅炉为4个育苗温室供热，输出功率为230 kW，在供热季（约120 d）每天供热10 h。利用公式（2）可以得出整个供热季温室所需总热量（Q1）。

式中，p 为锅炉功率（kW），t为时间（h）。

经过计算可知，总热量Q1=27.6万kW·h，大约为99.4万MJ，每个育苗温室内所需供热量为24.8 万 MJ。

以生物质锅炉燃烧供热为例，1个黄瓜育苗温室每5 d产出一批苗，可供6～7个面积为1 200 m2的黄瓜生产温室进行种植，每个黄瓜生产温室内种植黄瓜约6 000株。经称量，每株干黄瓜秧的质量约为50 g，1个温室可产生约300 kg的干黄瓜秧。黄瓜育苗温室在供热季（约120 d）产出的幼苗可供144～168个黄瓜生产温室种植（平均值为156个）。一般生物质锅炉的热效率在80%以上，保守计算取80%。根据公式（3）可以得出156个黄瓜生产温室在供热季产生的黄瓜秧通过生物质锅炉产生的总热量（Q2）。

式中，n为1个黄瓜育苗温室在整个供热季对应的黄瓜温室数量（个），m为1个黄瓜生产温室产生的干黄瓜秧总重量（kg），q为黄瓜秧的低位热值（MJ/kg），η为生物质锅炉热效率（%）。经计算可知，总热量（Q2）为 46.4 万 MJ。

由此可见，1个育苗温室匹配的黄瓜生产温室产生的黄瓜秧，其燃烧产生的热量约为育苗温室所需供热量的2倍。由黄瓜秧试验分析和供热量计算结果可知，将黄瓜秧作为燃料为温室供热具有可行性。

2.3 生物质阴燃供热设备方案

相比于煤炭等其他传统能源，生物质中含有较多的钾、钠、钙等元素，这些元素会影响燃烧过程并改变灰分特性[12]。含有碱类物质和二氧化硅组分的生物质燃烧可形成硅酸钾，导致传统生物质锅炉结垢、结渣和积灰的烧结，影响燃烧效率，导致灰肥性失效，不能实现可持续发展[13]。针对上述情况，本项目组提出一种基于固相低温、气相高温的生物质阴燃供热设备，其原理如图4所示。

图4 生物质堆积阴燃供热原理和设备

2.3.1 设备原理。阴燃是一种缓慢的燃烧方式[14]，能够将燃料的热能缓慢释放出来，非常适合农村地区家庭、温室大棚等冬季供暖。该设备基于生物质阴燃技术，避免因钾、氯化合物逸出导致设备结垢结焦，并利用高温燃尽烟气，使排放可以满足国家相应排放标准。设备运行时，将温室废弃生物质（含水率低于80%）装填至阴燃室内，通过明火引燃，一次装料可满足多天的供热需求。排放出的烟气经过电加热装置预热后，进入高温烟气燃尽室内，使烟气中的挥发性有机物和CO燃尽，烟气通过换热器将热量传递给冷却水，冷却水升温后进入温室供热，供热后的冷却水继续进入换热器进行换热，处理后的烟气经引风机排入大气。

2.3.2 工艺优势。以黄瓜育苗温室为例，生物质堆积阴燃供热设备的投资成本约为3万元。1个育苗温室匹配的黄瓜生产温室产生的黄瓜秧足够育苗温室供热季应用，节约了运行费用。与当地4种典型供热设备相比，本设备的工艺优势在于本设备采用批式装料、一次清灰，减少了人工成本；可避免结焦、结渣现象，热效率较高；烟气排放符合国家标准，不会造成环境污染；燃尽后的灰分可作钾肥使用，从而实现生物质燃料的无公害处理。

应用该设备进行温室供热，既可缓解当地温室废弃生物质处置问题，实现生物质废弃物的资源化利用，也可给当地农户带来更高的经济效益。

2.4 调研结果

2021年对寿光市个体农户4个面积为1 200 m2的黄瓜育苗温室供热情况进行调查，并对黄瓜秧的燃烧特性和燃烧供热量进行了分析。由此得出：育苗温室为间歇供热（仅夜间），自每年11月至翌年3月，典型温室（1 200 m2）供热配备功率50 kW。温室供热设备有燃煤、燃气、电热锅炉和空气源热泵。由于燃煤成本增加和环境污染治理力度加大，燃煤锅炉被逐步停用，燃气锅炉本身存在较大的安全隐患，在当地很少应用；空气源热泵投资成本很高且供热情况不稳定，因而并未大规模应用；目前应用最为广泛的设备是电热锅炉，但运行费用很高、经济效益低。工业分析和热重分析结果表明，黄瓜秧具有良好的燃烧特性，1个黄瓜育苗温室匹配的黄瓜生产温室所产生的黄瓜秧，其燃烧产生的热量是育苗温室所需供热量的2倍；基于上述情况，提出以黄瓜秧为燃料，采用批式堆积方式，应用固相低温、气相高温燃烧技术为黄瓜育苗温室供热，兼具经济性和环保性。

3 结语

在节能减排政策引导的大背景下，寿光市温室供热尚存在一定问题，影响农户的经济效益，而当地每年产生的温室蔬菜废弃物也并未得到有效处理。为改善此现状，需要改善农户获得清洁能源的成本[15]。当地应加大力度支持温室废弃物的资源化利用，使大量生物质废弃物满足温室生产需求。本文提出的以黄瓜秧为燃料的生物质堆积阴燃供热设备可以燃烧含水率80%以下的废弃生物质，大大降低了温室供热运行成本，对于改善寿光市温室供热和缓解温室废弃物处置问题具有一定的借鉴意义。