生物质混燃在农村能源供应中应用分析

周宇光^1，2，赵楠^1，2，李博文^1，2，巴哈尔古力·托哈尼亚孜^1，2，陈德颖^1，2，董仁杰^1，2

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.中国农业大学农业部可再生能源清洁化利用技术重点实验室，北京100083）

　　摘要：通过对比生物质、燃煤及两者1∶1的混合燃料在燃煤炉具中采暖及炊事两种工况下的能量效率、排放特征及经济性能，具体量化生物质混燃的技术优势，为清洁低廉的生物质能在农村地区的推广提供理论依据。结果显示，在燃煤炉具中混合燃料燃烧时的能源效率明显高于生物质燃料，且其采暖工况效率高于炊事工况效率近20%。相比于燃煤，混燃时主要气态污染物SO₂、NO、NO₂综合减排效果良好，PM2.5排放量远低于国标限值（100mg/MJ）。其主要有机污染排放PAHs也能得到有效控制，尤其是高环PAHs在采暖和炊事工况下的减排率可分别达到34%和87%。而相比于生物质，混燃时CO排放较少，在采暖工况下减排率为46%，炊事工况则为61%。此外由于人为操作较少，采暖工况下的污染排放量较为稳定。混合燃料价格较低，单位能量价格为0.039元/MJ，而单位质量价格仅为燃煤的1/2，燃烧器可使用低成本燃煤炉具，避免使用价格昂贵的生物质专用炉具，可确保低收入家庭居民日常用能支出维持在经济承受能力范围之内。

　　0引言

　　我国煤炭年均消费量约30亿t，其中有超过2亿t用于满足农村用能需求^[1－3]。散煤在农村能源结构中居主导地位，是日常炊事及冬季采暖的主要能源来源^[4]。燃煤主要在户用炉具中进行燃烧释能，而在我国近6000万的户用炉具中仅有23%是清洁炉具，传统炉具效率低、排放高、燃料燃烧不充分，极易造成煤炭资源的浪费^[5]。此外，农村地区民用燃煤多为低品质散煤，其低效高排的燃烧造成每年近350万人死于室内空气污染，严重威胁居民健康^[6－8]。研究表明，每年有21.4%的PM2.5排放和63%的多环芳烃（PAHs）排放来自于户用燃烧源[9]。因此有必要寻找廉价、清洁的可再生能源，逐步替代散煤。

　　生物质能以其户用供能布局灵活、适应性强等特点，成为一种合适的替代能源。由国家发展和改革委等单位联合发布的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》明确提出，在农村地区大力推进生物质成型燃料替代散烧煤。我国农作物秸秆年产量约9亿t，薪柴年产量约为2亿t，折合成标准煤为2～4亿t^[10]。生物质经加工后可得到致密的成型燃料，易于点火，NO_x及SO₂排放量仅为燃煤的1/5和1/10^[11－14]。但同时存在热值较低、燃烧过快、需频繁加料、专用炉具价格昂贵等问题。生物质与煤在燃煤炉具中混合燃烧，不仅能延长燃烧时间、提高能源效率，更能降低经济成本、减少硫排放，可作为居民用能选择的新思路^[15]。

　　本文采用炉具燃烧-排放采样-污染测定的实验方法，对生物质、燃煤及其两者的混合燃料进行燃烧-排放测试，对3类燃料的能源效率、主要污染物排放特征进行对比，此外考虑燃料、炉具成本及政策补贴等经济因素，对生物质、燃煤及混合燃料的经济性进行比较，充分分析生物质混燃在农村能源供应中推广的可行性。

　　1材料与方法

　　1.1燃料与炉具

　　选取神木散煤（陕西神木能源发展有限公司）与秸秆-花生壳成型燃料（胜庄生物质颗粒有限公司）作为本次研究所用燃料，混燃所需燃料为两者的1∶1（质量比）混合燃料。燃料的热值（GB/T 21923—2008）、工业（GB/T 28731—2012）与元素分析（GB/T 28734—2012）在华北电力大学测定^[16－18]，结果如表1所示。研究所使用的炉具为炊事采暖型燃煤炉具（鸿庆能源设备有限公司），该炉具燃烧方式为直燃式，额定供热量为12.3kW，主体由燃烧室、料斗、进料口、风门、烟囱、水箱等构成，如图1所示。

　　1.2燃烧-排放实验

　　本研究所涉及的燃料能量效率、燃烧排放等参数量化实验在中国农业大学农业部可再生能源清洁化利用技术重点实验室内测定，测试系统如图2所示。燃烧过程中的燃料消耗量由电子台秤实时测量并记录。热交换器由锅及水循环系统组成，确保锅内水温低于水蒸发温度，以避免随水蒸气散失而造成的能量损失。测试序列参考现有炉具测试方法^[19－20]，并作部分优化，如：冷启动（点火）—45min高功率采暖—45min高功率炊事。燃烧过程中，燃料通过进料口批次添加，保证燃烧正常进行。在炊事阶段相应增加人为操作频率（加料、清灰、移动锅具等）以模拟实际炊事过程。

　　稀释系统由转速恒定的风机鼓入环境空气，经两级过滤器去除CO₂和H2O后作为稀释气体用以冷却稀释烟气。烟气中主要气体污染物，包括一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂），由MGA5/VarioPlus型多气体分析仪（德国MＲU公司）测定。细颗粒物（PM2.5）由DＲX8533型颗粒物监测仪（美国TSI公司）测定，有机污染物多环芳烃（PAHs）经石英纤维采样膜采集后，采用GC-MS-7890A/5975C型气相色谱-质谱仪定性及定量分析（美国Agilent Technologies公司）^[21]。稀释前后CO₂浓度比值作为稀释比代入排放计算。气体及水流速度由流量计监测记录，室内、水及烟气温度由温度传感器实时测定。

　　1.3计算

　　本次研究中，能量效率与排放参数的测定主要分为采暖和炊事两个工况，每组实验重复至少3次，以生物质燃料在专用炉具的燃烧效率与排放数据作为对照，计算公式为^[22]

　　2结果与分析

　　2.1能量效率

　　分别采用空气加热及烧水实验模拟日常采暖及炊事过程，获取两种主要农村用能工况下的固体燃料能量效率，结果如表2所示。受燃料与炉具的匹配性限制，生物质燃料在燃煤炉具中燃烧时能量效率较低，仅有30%～60%（而在专用炉具中可达近90%），远低于燃煤。而当生物质与煤在燃煤炉具中混合燃烧时，其能源效率有显著提高，在采暖工况可达到68.10%，在炊事工况可达到54.50%，相比生物质燃料可提高50%～70%，高于GB/T 35564—2017中所规定的40%的优秀炉具热效率^[23]。由于在炊事过程中有着相对频繁的人为操作，会直接扰乱燃烧室中气流场，改变燃烧过程中空燃比，造成燃烧不稳定、效率低等现象^[24]。因此3种固体燃料在采暖工况下的能量效率都明显优于炊事工况，其中混燃时采暖效率比炊事效率高近20%。

　　2.2气态污染

　　对本文所涉及的3种固体燃料燃烧排放的主要气态污染物进行测定，结果如表2所示。在采暖及炊事两种工况下，生物质燃料相对于燃煤具有良好的硫化物及氮氧化物减排性能，其单位有效能量下的SO₂、NO及NO₂排放量远低于燃煤。这是由于生物质燃料中S和N元素较少，分别为0.09%和0.45%（表1），仅为煤的24%和48%^[25]。然而由于生物质燃料在燃煤炉具中燃烧效率较低，燃料中C元素无法得到充分燃烧，导致其CO排放较高，约为燃煤的3.7倍。而考虑到生物质专用炉具普及程度较低，单纯生物质燃料在燃煤炉具中的燃烧并不利于大气污染物的全方位控制。生物质与煤的混合燃烧，可在降低SO₂、NO及NO₂排放的同时，控制CO排放，使其低于国标所规定的CO排放量限值（8g/MJ），是一种合适的清洁用能方式[23]。相较于煤，混燃时SO₂、NO、NO₂在采暖阶段的减排率分别为22%、67%、88%，而在炊事阶段分别为11%、64%、63%。相较于生物质，混燃时CO在采暖阶段的减排率为46%，而在炊事阶段则为61%。此外，人为操作频繁是造成炊事工况下气态污染物排放量较高的主要原因。

　　2.3PM2.5排放

　　对生物质、煤及混合燃料在点火、采暖、炊事燃烧全过程的PM2.5排放特征进行实时测定，结果如图3所示。点火及炊事工况PM2.5排放波动较大、排放量较高，而采暖工况排放相对稳定且排放量显著降低。SO₂与NO_x是PM2.5的主要组成分，相较于燃煤，生物质燃料S、N元素含量低，SO₂、NO及NO₂排放低，尽管对PM2.5仍有贡献，但远低于煤（生物质专用炉具在采暖和炊事工况下的PM2.5平均排放量仅为2.86mg/MJ和3.15mg/MJ）。而生物质及煤混合燃料的PM排放量在采暖及炊事都明显低于燃煤，减排率分别达18%和33%，是一种控制PM2.5排放的有效方法。工况下混燃时PM2.5在某些时间段的排放并不稳定，排放量有较高的峰值，这可能是由混合时生物质燃料与煤粒径有所不同引起的燃料燃烧局部供氧不均匀所造成的，可以通过粒径控制、均匀混合来避免。

　　2.4PAHs排放

　　美国环保署（EPA）报告优先控制的16种多环芳烃（PAHs）在采暖及炊事工况下的排放特征如图4、5所示。生物质燃料挥发分较高，主要排放为低环PAHs（2、3环），相对分子质量小，多以气态存在，危害较小，其在燃煤及专用炉具下燃烧的PAHs排放量均明显小于燃煤^[9]。而高环PAHs（3环以上）受重力作用沉降于颗粒物中，易通过呼吸道进入人体，危害更大，多存于燃煤烟气中^[26]。如图4、5所示，生物质混燃可降低PAHs排放浓度，相比燃煤，其采暖和炊事工况下的PAHs减排率分别达52%和77%，尤其是高环PAHs排放可以得到有效控制，减排率分别达34%和87%。此外，采暖工况下燃料由于能量效率高、燃烧充分，PAHs排放低，且多为低环PAHs，而炊事工况燃烧效率较低、燃烧不稳定，导致PAHs排放量较高，主要以高环排放为主。

　　2.5经济性分析

　　以京津冀地区主要散煤、生物质燃料、炉具市场价格及相关能源补贴政策为研究对象，对3种燃料的经济适用性进行分析，结果如表3所示。生物质燃料由于氯和钾含量较高，燃烧时易结渣、结焦，在传统燃煤炉具中不仅无法实现自动燃烧，更无法实现高效低排的目的^[27]。而生物质专用炉具市场价格较高，尽管国家及地方政府对其购置有一定的财政补贴，但单台价格仍高于燃煤炉具。尽管生物质燃料本身价格低廉（单位质量价格仅为燃煤的1/2），由于设备初始投入等原因，却未能在农村等低收入地区大规模推广。因此，生物质混合燃烧使用燃煤炉具作为燃烧器，不仅能降低炉具购置费用，更能有效控制燃料成本（单位能量价格与生物质相近），符合大部分农村家庭的能源消费需求。