劉聯(lián)勝，王冬計，段潤澤

（1.河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津300401；2.河北省熱科學與能源清潔利用技術重點實驗室，天津300401）

0 引言

2015年前后，燃煤散燒是我國PM2.5和硫酸鹽的重要排放源之一，其排放量已占社會年平均排放量的25.7%和7.1%［1］。為遏制霧霾天氣發(fā)生，發(fā)改委、能源局在2017 年年底印發(fā)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》，以“煤改氣”“煤改電”為主要技術手段的農村清潔供暖工程在京津冀及周邊地區(qū)試點推行，區(qū)域大氣環(huán)境和農村室內人居環(huán)境在一定程度上得到改善［2-3］。相對于燃煤（包括清潔煤）供暖而言，燃氣壁掛爐和空氣源熱泵等清潔供暖系統(tǒng)的年運行費用顯著提高［3-5］。鑒于農民的可支配收入較低，對農村清潔供暖給予適度補貼是十分必要的［6-8］；不過，即使在享受價格補貼之后，農村居民的采暖支出仍會有小幅增長。由于區(qū)域經濟發(fā)展不平衡、農村清潔供暖的技術路徑存在較大差異等原因，《中國散煤綜合治理調研報告2019》建議“中央財政補貼從按行政級別的補助標準轉變?yōu)榘唇洕椒謾n的固定產出補貼標準，向經濟困難地區(qū)傾斜”。

農村地區(qū)推進實施清潔供暖以來，經歷了一個典型的“干中學（Learning by Doing）”過程，可惜目前仍未形成任何一種可遵循、可復制的成熟模式。國家能源局在2019 年7 月發(fā)布了《關于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進過程中有關問題的通知》征求意見稿［9］，強調“因地制宜拓展多種清潔供暖方式，保障清潔供暖均衡發(fā)展。在農村地區(qū)，重點發(fā)展生物質能供暖，同時解決農林廢棄物直接燃燒引起的環(huán)境問題”。我國生物質資源豐富，2020 年可獲得資源量約為264 Mt 標準煤，生物質供熱潛力達到130 Mt 標準煤（國家可再生能源中心數(shù)據）。但是，目前生物質供暖面積在農村清潔供暖總面積中所占比例僅為1%［6-7］，其主要原因是“生物質燃料適配爐具”在技術上不過關［10］，絕大多數(shù)在售爐具難以實現(xiàn)生物質燃料的清潔燃燒。

本文將重點圍繞農村地區(qū)生物質成型燃料清潔供暖所涉及的生物質成型燃料、小型生物質供暖爐具燃燒污染物排放特性，以及生物質清潔供暖系統(tǒng)等開展綜述和分析，以期為農村地區(qū)生物質成型燃料低成本清潔供暖提供參考數(shù)據。

1 生物質成型燃料及燃燒特性

國內生物質成型燃料主要分為顆粒燃料和壓塊燃料2 種，常見形狀示例如圖1 所示。相對而言，顆粒燃料形狀較為規(guī)整，尺度較小、密度較大；壓塊燃料直徑一般在25 mm 以上（塊狀或棒狀），長度不一。2018 年，我國生物質成型燃料產量約為18 Mt，目前尚未實現(xiàn)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃農業(yè)生物質能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007—2020 年）》要求的2020年年產50 Mt 的預期目標；而成型燃料燃燒裝備技術成熟度低、污染物排放不達標、推廣應用不足等原因，是導致生物質成型燃料產業(yè)發(fā)展緩慢的主要影響因素之一［11］。

圖1 生物質成型燃料Fig.1 Biomass briquette fuel

生物質成型燃料的生產是一個高耗能過程，相對于壓塊燃料而言，顆粒燃料單機生產能力更低、能耗更高；產能1.5 t/h 的玉米秸稈壓塊生產線能耗為60～80 kW·h/t［12-13］，而產能0.5 t/h 的木質顆粒生產線能耗高達120～180 kW·h/t［14-16］。物料含水率是影響生物質成型產率和能耗的主要因素，將物料含水率控制在15%～20%之間可在一定程度上降低成型能耗［16-17］。另外，提高單機額定生產能力也有助于降低成型能耗，這也符合生物質成型機械的發(fā)展趨勢。

生物質成型工藝和原料來源的差別，造成了終端產品生產成本和市場售價的巨大差異。秸稈壓塊燃料的生產成本約為350 元/t［18］，而木質顆粒燃料的生產成本則高達780 元/t［19］；相應的，秸稈壓塊燃料的市場價格為500 元/t 左右，而木質顆粒燃料的市場價格則始終維持在1 000 元/t以上。但是，木質顆粒燃料低位熱值一般為16.5～17.6 MJ/kg，而秸稈壓塊燃料低位熱值比木質顆粒燃料低20%左右，為13.5～16.3 MJ/kg［20-23］；從燃料角度來看，秸稈壓塊燃料的經濟性要更好一些。

成型過程并未從本質上改變生物質的燃料和燃燒特性。生物質燃料元素組成包括碳、氫、氧、氮、硫、水分和灰分，因植物類型、產地、生長周期等不同，其所含成分的質量分數(shù)有所差異；相對于燃煤而言，其碳的質量分數(shù)較低、氧的質量分數(shù)較高。生物質燃料的工業(yè)分析結果與燃煤存在顯著差異，其揮發(fā)分的質量分數(shù)遠高于燃煤，在65%～80%之間；固定碳和灰分的質量分數(shù)則遠低于燃煤，分別在15%和10%左右［23-27］。生物質——尤其是秸稈的灰熔點較低（1 198～1 213 ℃），灰分中鈉、鉀等堿金屬含量較高［21-22］，其燃燒、傳熱過程中易發(fā)生燃料層結焦和受熱面結渣等現(xiàn)象，在實際燃燒組織的過程中，應控制燃料層和燃燒室溫度在較低范圍內；生物質/燃煤或不同生物質燃料按照一定質量比混燒，也有助于降低灰分熔融的可能性［20］。另外，秸稈成型燃料中氮、氯含量要高于木質顆粒燃料，其燃燒產物中NO和HCl的體積分數(shù)較高［23］；相對于生物質粉末流化態(tài)燃燒而言，組織成型燃料層燃有助于降低顆粒物、NO和HCl排放［23］。

熱重分析法是目前研究生物質燃料燃燒特性和燃燒反應機理的常用方法，該方法基于空氣氣氛中微量（20～40 mg）樣品的TG（熱重法）、DTG（微商熱重分析）和DSC（差示掃描量熱法）曲線分析并獲得生物質燃料的燃燒特性指數(shù)和反應機理函數(shù)［28-33］。在20～40 ℃/min 的升溫速率下，生物質樣品將隨溫度的提高依次經歷干燥、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭燃燒3 個階段，對應著DTG 曲線的3 個典型失重峰，如圖2所示；而DSC 曲線僅在揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒階段出現(xiàn)放熱峰，且揮發(fā)分的著火溫度較低（280～300 ℃），氣相燃燒反應速率更高，熱釋放更加強烈；為了確保揮發(fā)分的完全燃燒，維持足夠大的空氣過剩系數(shù)十分必要［29］。在相同的升溫速率下，相對于木質燃料而言，秸稈揮發(fā)分燃燒反應的表觀活化能略微低一些，焦炭燃燒反應的表觀活化能相近［26，31］。值得注意的是，熱重分析所獲得的顆粒燃料燃燒反應動力學機理與生物質粉末并不一致，原因是該方法在分析致密顆?；驂K狀燃料熱失重過程時存在較大的熱滯后和傳熱不均現(xiàn)象［32］。

圖2 木質顆粒和玉米秸稈的TG，DTG，DSC曲線（升溫速率為20 ℃/min）［26］Fig.2 TG，DTG，DSC curves of wood pellet and cornstalk fuel（heating rate=20 ℃/min）［26］

生物質成型燃料的錐形量熱測試結果表明，其點燃時間一般在13～30 s之間，且燃料揮發(fā)分質量分數(shù)越高、全水分質量分數(shù)越低，點燃所需時間越短［34］。不同顆粒尺度的日本紫菀顆粒燃燒時內部溫度隨時間的變化情況如圖3所示。致密紫菀顆粒燃料著火后，反應溫度將快速提高，但燃燒反應持續(xù)時間僅有5～15 min，且顆粒尺度越小、燃燒持續(xù)時間越短［35］；這間接說明，連續(xù)穩(wěn)定地向爐內輸送燃料，是提高成型燃料爐具燃燒穩(wěn)定性和持續(xù)性的關鍵要素。

圖3 不同顆粒尺度的日本紫菀顆粒燃燒時內部溫度隨時間的變化情況（熱風溫度873 K，風速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］

生物質及生物質成型燃料具有與其他化石燃料完全不同的燃料特性和燃燒特性，研發(fā)和推廣生物質成型燃料適配爐具，才有可能使供暖裝備的粉塵、NOx等燃燒物的排放量滿足行業(yè)和地方標準。

2 生物質成型燃料專用爐具研究現(xiàn)狀

國內推廣應用的小型生物質成型燃料供暖爐具主要包括顆粒燃料爐和壓塊爐2 種，均為固定床層燃。木質顆粒燃料爐結構如圖4 所示［36-37］，技術多來源于德國、奧地利等歐盟國家。利用螺旋送料機間歇輸送顆粒燃料入爐，并利用燃燒盤組織顆粒燃料的燃燒過程，其自動化程度較高、燃燒穩(wěn)定性較好；目前奧地利KWB公司生產的木質顆粒燃料爐已在山東陽信示范應用。相對而言，秸稈壓塊爐形式更加多樣化，但一般均未配備自動送料裝置，或者以側置料箱+返燒方式來組織壓塊燃料的燃燒過程，或者以人工間歇填料方式來維持爐內燃燒［38］，如圖5所示；夜間“封火”時，爐內低溫缺氧導致的焦油、冷凝水排放超標問題，是秸稈壓塊爐無法逾越的一道難關。河北省在2014—2017 年間曾計劃推廣應用秸稈壓塊爐上百萬臺/套［39］，但終因秸稈成型燃料爐具在技術上不過關等原因，無疾而終。

圖4 木質顆粒燃料爐結構［36］Fig.4 Structure of wood pellet fuel stove［36］

圖5 秸稈壓塊手燒爐［37］Fig.5 Manual stove with straw briquetting fuel［37］

2.1 顆粒燃料爐的燃燒排放特性

顆粒燃料爐的燃燒污染物排放特性主要取決于燃料特性、燃燒室結構和工作條件等因素。木質顆粒燃料爐粉塵排放的質量濃度在34～240 mg/m3之間（額定功率6 kW，顆粒燃料直徑6～8 mm，低位熱值19 MJ/kg）［40］。負荷變化（煙氣中氧的質量分數(shù)）對粉塵顆粒數(shù)量影響不大，如圖6 所示。但減小空氣系數(shù)將造成粉塵中大顆粒所占比例增加。在滿負荷情況下，爐內燃燒狀況相對穩(wěn)定，粉塵排放的質量濃度可穩(wěn)定在20 mg/m3左右，CO 質量濃度小于78 mg/m3，木質顆粒（氮的質量分數(shù)為0.12%）產生的NOx的質量濃度約為128 mg/m3（氧的質量分數(shù)基準為13.00%），而黑麥桿顆粒（氮的質量分數(shù)大于0.40%）產生的NOx的質量濃度則高達466 mg/m3；低負荷時，爐內燃燒反應相對減弱，粉塵和NOx排放有所減少，但CO 質量濃度有所提高［41］。生物質燃料燃燒產生的NOx以燃料型為主，隨著燃料中氮的質量分數(shù)的提高，煙氣中NOx的質量濃度逐漸提高，但燃料型NOx轉化率逐漸降低，如圖7 所示［42］。分級送風有助于強化揮發(fā)分和焦炭的燃燒、降低CO 排放，但燃料層溫度過高易導致灰分熔融，形成大尺度焦塊，如圖8所示［42］。

圖6 木質顆粒燃料爐燃燒示意及粉塵排放特性［40］Fig.6 Combustion process and dust emission characteristics of the wood pellet fuel stove［40］

圖7 燃料中氮的質量分數(shù)與單位熱量對應的NO質量、N的轉化率之間的關系（氧的質量分數(shù)基準為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］

圖8 鷸草顆?；曳秩廴谒纬傻慕箟K（直徑120 mm）［42］Fig.8 Coking block formed by melted ash of Sandpiper particles'combustion（d=120 mm）［42］

人工加料木質顆粒燃料爐的燃燒過程、煙氣中氧的質量分數(shù)，以及燃燒污染物排放特性均呈現(xiàn)周期性變化，其排放粉塵（PM10）的平均質量濃度為130 mg/m3以上，CO 質量濃度在1 331～2 948 mg/m3之間，遠高于自動運行的顆粒燃料爐［40］。熱負荷和過量消耗系數(shù)對CO 和CH 排放的影響較為顯著，如圖9 所示，尤其是低負荷時，過少的燃料輸入、過大的空氣系數(shù)將導致爐內燃燒反應溫度和反應速率降低，排放的CO 和CH 的質量分數(shù)顯著提高［41］。圖9 a 中T1，T2，T3分別為溫度傳感器測出的進水溫度、出水溫度、煙氣溫度。手燒爐NOx排放的質量濃度主要與燃料中氮的質量分數(shù)有關，咖啡渣、油渣餅、黑小麥桿等氮的質量分數(shù)高的燃料燃燒產生NOx的質量濃度均在450 mg/m3以上（氧的質量分數(shù)基準為13%）［40，42-46］。

圖9 松木顆粒試驗爐結構及其燃燒污染物排放特性［43］Fig.9 Structure of a pine particle experimental furnace and its pollutant emission characteristics［43］

2.2 秸稈壓塊燃料爐的燃燒排放特性

目前，燃用秸稈壓塊燃料的小型鍋爐多為人工操作雙層（或單層）爐排返燒爐，類似的爐膛結構有利于揮發(fā)分的燃燒和燃盡；秸稈壓塊尺度、操作條件等是影響燃燒污染物排放特性的主要因素［47］。隨著玉米秸稈壓塊尺度的增大，雙膽反燒爐排放CO的體積分數(shù)將從0.058%增大至0.130%，NOx的體積分數(shù)則基本維持在0.65%左右［48］；壓塊燃料尺度過大，將導致燃燒效率、鍋爐熱效率及輸出功率降低［49］；玉米等農作物秸稈壓塊燃料燃燒時，爐膛溫度過高易造成受熱面沉積玻璃狀飛灰［50］，如圖10所示。在小型燃燒爐內，秸稈壓塊燃料燃燒產生的NOx的質量濃度與燃料中氮的質量分數(shù)直接相關，處于150～255 mg/m3之間；但排放的CO 的質量濃度較高，處于7 000～9 000 mg/m3之間（氧的質量分數(shù)基準為13%）；相對于秸稈原料直接燃燒來說，壓塊燃料燃燒所產生的粉塵和PM2.5顆粒較少［38，51］。

秸稈壓塊燃料的連續(xù)穩(wěn)定輸送，有助于提高爐內燃燒穩(wěn)定性、降低污染物排放量。文獻［52-54］基于整體推飼、間歇送料原理設計了一種秸稈壓塊燃料送料機構，燃料輸送量處于2.5～4.5 kg/h之間，對應的爐具輸出熱負荷為8～15 kW，如圖11 所示。耦合分級送風和煙氣再循環(huán)的供暖裝備燃燒玉米秸稈壓塊時排放粉塵的質量濃度小于36 mg/m3，NOx質 量 濃 度 為70～150 mg/m3，CO 的 質 量 分 數(shù) 小 于0.15%；燃用氮的質量分數(shù)較高的花生殼壓塊時，NOx排放的質量濃度略有提高。

圖10 甘蔗渣、稻草、芒草壓塊及麥秸壓塊燃燒照片［51］Fig.10 Combustion of fuel made of bagasse，straw and miscanthus and wheat straw briquette［51］

圖11 具有自動送料功能的秸稈壓塊采暖爐結構［54］Fig.11 Structure of the straw briquette heating stove with an automatic feeding device［54］

2.3 關于生物質成型燃料專用爐具的建議

根據前文所述國內外生物質成型燃料排放特性的研究結果來看，無論是源于歐盟的小型顆粒燃料爐，還是國內自行開發(fā)的小型秸稈壓塊爐，其排放的NOx質量濃度均難以滿足《民用生物質固體成型燃料采暖爐具通用技術條件》（NB/T 34006—2011）所規(guī)定的“≤150 mg/m3（氧的質量分數(shù)基準為9%）”的排放限值。

對于額定功率小于50 kW的小型生物質成型燃料爐具而言，利用自動送料裝置穩(wěn)定爐內燃燒工況［40］、采用分級配風促進揮發(fā)分和固定碳的燃燒與燃盡［44］、通過合理布置受熱面降低燃料層和爐膛溫度、在煙道出口布置迷宮分離器捕集飛灰［54］等措施，可將粉塵、CO 和CH 排放量控制在較低范圍內，并弱化燃料層結焦、受熱面積灰結渣等現(xiàn)象。但是，生物質成型燃料燃燒所產生的NOx主要是燃料型NOx，當生物質中氮的質量分數(shù)小于0.5%時，燃料氮向燃料型NOx的轉化率高達30%～90%；大量實驗數(shù)據表明，生物質成型燃料燃燒所排放的NOx要高于燃油和天然氣，如圖12 所示［55］。因此，以降低熱力型NOx為目標的空氣分級燃燒、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術，在小型生物質爐具中并不一定能夠獲得良好的NOx減排效果，反而會造成系統(tǒng)電耗提高、CO 排放量增大；而通過提高風速來縮短氧的停留時間，勢必會造成過量空氣系數(shù)顯著增大、爐膛溫度大幅降低，這對于小型燃燒室來說也是不可取的。

圖12 燃料型NOx的轉化率及生物質燃料燃燒時NOx的排放情況（氧的質量分數(shù)基準為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］

鑒于我國農村生物質清潔供暖的迫切需要，考慮我國農林廢棄物的實際燃料特性（氮的質量分數(shù)大于0.5%［33］）和小型生物質燃燒裝備現(xiàn)有技術發(fā)展情況，適度放寬小型生物質爐具NOx排放質量濃度限值十分必要（若氧的質量分數(shù)基準為9%，建議NOx排放質量濃度限值為300 mg/m3；若氧的質量分數(shù)基準為13%，建議NOx排放質量濃度限值為200 mg/m3）。

生物質燃料在低溫缺氧情況下會產生氣相和固相多環(huán)芳香烴（PAHs），煙氣中PAHs 的平均質量濃度約494 μg/m3，遠高于正常燃燒時的265 μg/m3［56-57］。因此，對于生物質成型燃料專用爐具而言，采用自動送料裝置維持爐內穩(wěn)定的燃燒工況、避免封火悶燒是十分必要的。

3 農村生物質清潔供暖系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2017—2018 年間，河南鶴壁市和山東陽信縣通過鼓勵地方企業(yè)利用當?shù)剞r林廢棄物生產和供應顆粒燃料，并利用補貼60%燃料購置成本的地方政策，初步形成了農村生物質顆粒燃料清潔供暖的“鶴壁模式”和“陽信模式”；但同時也暴露出農村生物質清潔供暖過程中依然存在專用爐具排放不達標、專業(yè)運營管理隊伍缺失、商業(yè)模式不明晰等問題［58-59］。

農村地區(qū)生物質清潔供暖是一個系統(tǒng)工程，既涉及燃料成型設備、清潔供暖裝備等技術問題，也涉及原料流轉、燃料流通等商業(yè)問題，同時還涉及設備運行管理、污染物排放監(jiān)測、設備維護維修服務等管理問題。在不考慮資源稟賦、交通運輸?shù)韧獠織l件影響的前提下，成型燃料分戶供暖具有較好的經濟價值系數(shù)［60］；但在成型燃料清潔供暖實際工程中，生物質資源稟賦、原料運輸和儲存、成型工藝等初始或邊界條件，對分戶供暖燃料成本具有相當顯著的影響，“一村一廠”小規(guī)模生產成型燃料并用于當?shù)剞r戶供暖，具有更大的靈活性和可行性［61-63］。

在生物質清潔供暖過程中，農民群體既是實施主體，也是實施對象；同時，在成型燃料生產和消費過程中，農民群體與成型企業(yè)之間形成了雙向的消費-供應關系［64］。因此，農村生物質清潔供暖的可持續(xù)發(fā)展，在很大程度上取決于農民群體能否在生物質清潔供暖實施過程中獲得應有的利益或收益。文獻［64-65］利用全生命周期分析法獲得了生物質成型燃料低成本生產的最佳收集半徑，并基于農民心理行為學提出了“互聯(lián)網+區(qū)域能源服務站”秸稈壓塊燃料清潔供暖模式，以代加工、置換、抵扣、代銷等形式為農戶供應成型燃料，從而使農戶供暖成本降低至10 元/m2以下，為農村生物質清潔供暖提供了一種可復制的商業(yè)模式。

就發(fā)展形勢來看，農村生物質低成本清潔供暖仍是一個新生事物，目前以政府主導、農戶被動接受的發(fā)展模式為主，最終將會轉變?yōu)槭袌鲋鲗?、地方政府發(fā)揮監(jiān)督和指導作用的發(fā)展模式。因此，生物質成型機械生產廠家應繼續(xù)完善和優(yōu)化生產工藝和設備，以進一步降低成型能耗和成本；成型燃料適配爐具生產廠家應進一步加大技術研發(fā)投入，以降低燃燒污染物排放、提高爐具熱效率、擴大爐具燃料適應性、提高自動化水平；而區(qū)域能源服務站則應充分利用互聯(lián)網和區(qū)塊鏈技術，構建分散供暖裝備的集中管理平臺、生物質原料和燃料供應信息共享平臺，以增加透明度、加強互信、提高燃料生產供應和供暖服務質量，實現(xiàn)服務站與農戶的共贏。

4 結論

本文針對我國北方農村地區(qū)生物質清潔供暖（尤其是成型燃料分戶供暖）所涉及的成型燃料燃燒特性、適配爐具燃燒污染物排放特性，以及生物質供暖系統(tǒng)進行了綜述，主要結論如下。

（1）生物質成型燃料揮發(fā)分含量較高、固定碳含量較低，其著火性能優(yōu)良，但燃燒周期較短，低溫缺氧燃燒時易產生PAHs 等有害物質。相對于顆粒燃料而言，壓塊燃料具有更好的經濟性。

（2）自動運行和手燒生物質顆粒爐的燃燒污染物排放特性主要受燃料特性、燃燒室結構和運行條件等影響，其NOx排放與顆粒燃料含氮量相關，顆粒燃料含氮量越高，NOx排放量越大。對于生物質壓塊爐具而言，采用自動送料裝置有助于穩(wěn)定爐內燃燒過程、降低燃燒污染物排放。

（3）生物質成型燃料燃燒所產生的NOx主要是燃料型NOx，常規(guī)的空氣分級、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術并不適用于小型生物質爐具；建議適度放寬生物質成型燃料適配爐具的NOx排放限值。

（4）農村生物質清潔供暖是一個系統(tǒng)工程，基于地方生物質資源稟賦和供暖需求，構建區(qū)域能源服務站，以代加工等形式為農戶提供成型燃料供應服務，將有助于實現(xiàn)農村地區(qū)低成本清潔供暖。