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李效禹1，2，徐偉2，馬驪2，史琳1，王選2，張昕宇3，李冰2，高桐2，李偉2，胡啟旺4，趙萬元5
（1.清華大學能源與動力工程系，北京100084；2.建科環能科技有限公司，北京100013；3.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京100013；4.承德市承德縣農業農村局，河北承德067400；5.承德一通新能源研究院，河北承德067000）
摘要：本文以承德地區為例，對4.74萬戶生物質取暖用戶的供暖效果及減排效果進行分析，結果表明生物質燃料基本滿足NB/T 34024—2015《生物質成型燃料質量分級》中對林業（木質）生物質的要求，燃料熱值基本在15.9MJ/kg以上，是保障生物質燃料供暖及減排效果的基礎。承德壩下地區（寒冷地區）和壩上地區（嚴寒地區）采暖季戶均生物質燃料常見用量分別為2.5~3t和3~3.5t，相差0.5t左右。承德現有生物質原料產量及生物質燃料產能完全滿足近期新增生物質取暖的燃料需求，遠期需求可通過提升企業產量來滿足。在承德市清潔取暖補貼政策實施下，農戶需承受生物質燃料費用約為1950元/采暖季，運行費用農戶可承受。2021年實施的生物質取暖改造預估年減少CO212.40萬t、顆粒物12.89t，對承德市大氣質量提升有一定促進作用。因此在電網或天然氣管網等基礎設施薄弱且生物質原料豐富的北方農村地區，生物質取暖可以作為主要的清潔取暖推廣方式之一。
0引言
2017年以來，中央財政共支持88個城市推進北方地區冬季清潔取暖，承德、呼和浩特、沈陽等近20個嚴寒地區城市入圍。隨著“雙碳戰略”的提出，“減污降碳協同增效”已成為我國新發展階段經濟社會發展全面綠色轉型的必然選擇[1]。2019年國家能源局綜合司在《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）》中提出，在不具備“煤改電”、“煤改氣”條件的農村地區，重點發展生物質能供暖，同時解決大量農林廢棄物直接燃燒引起的環境問題。2021年國家九部委聯合印發的《“十四五”可再生能源發展規劃》（發改能源〔2021〕1445號）中指出要積極發展生物質能清潔供暖，在華北、東北、華中等鄉村地區開展生物質能清潔供暖試點示范，堅持因地制宜，推廣“生物質成型燃料+戶用爐具”、集中式生物質鍋爐供暖等不同類型應用。
已有研究者針對北方農村地區生物質取暖展開了研究與探討。徐偉等[2]基于寒冷A區的農村分析了各技術路線的經濟性，建議一般農村在熱源清潔化方面推廣熱風型空氣源熱泵和成型生物質秸稈爐。單明等[3]通過分析對比京津冀地區多種清潔取暖方式，表明生物質顆粒燃料取暖爐初始投資最低、運行費用較低，可作為農村清潔取暖大規模推廣應用的主要技術方案之一。張文廷等[4]選取黑龍江綏化市某試點村對傳統燃煤水暖爐具和手動/自動進料生物質爐具進行污染物排放測試。結果表明使用生物質爐具取暖在PM2.5及CO單位熱量排放上降幅較大，而在SO2及NOX單位熱量排放上減排效果不明顯。趙文瑛等[6]針對北方農村地區清潔取暖各技術路線的研究表明，相較于燃煤取暖，生物質+專用爐具每萬元投資總減排量最高，為143.5kg/（季·104元）。焦銘澤等[5]以山東省陽信縣為例，相較于天然氣壁掛爐和空氣源熱泵，生物質顆粒爐具供暖初始投資及運行費用綜合折算費用年值最低，為14.9元/㎡。并建議政府在北方地區冬季清潔取暖資金安排中對“煤改生物質”給予重點支持，并在生物質資源豐富且“煤改電”“煤改氣”費用較高的地區大規模推廣。
為探究生物質取暖在嚴寒地區城市實際應用效果，本文選取承德地區2021年生物質取暖實際運行數據，重點對生物質燃料供暖效果、用量情況、減污降碳效果及經濟性進行分析。
1生物質燃料質量分析
為保障生物質燃料取暖效果及環境保護要求，生物質燃料需嚴格落實國家能源行業標準NB/T 34024-2015《生物質成型燃料質量分級》。該行業標準先根據原料來源將生物質燃料劃分為農業生物質、林業生物質和混合生物質，再根據生物質形狀劃分為塊狀燃料和顆粒燃料，并針對不同原料不同形狀的生物質燃料分別制定1級、2級和3級對應的標準限值，共包括11個檢測項目。
考慮到承德市秸稈的綜合利用主要為“一主三輔”[8]，生物質原材料主要選用具有較高的單位熱值的林業生物質。承德市森林覆蓋率高，具有較豐富的林業“三剩物”，可直接用于制作木煤的生物質資源量約230萬t/a。隨著可利用資源量呈逐年增加，承德市本地即可有效保障林業生物質成型燃料原材料的供給。承德市目前推廣使用的生物質燃料執行NB/T 34024—2015《生物質成型燃料質量分級》中林業生物質顆粒燃料分級指標，具體檢測項目及各等級標準限值見表1。
為了探究承德市2021年所用生物質燃料實際質量情況，從13個縣（市、區）各生物質燃料中標企業中選取51份現場抽樣檢測報告作為樣本，對檢測結果進行統計分析，統計結果如表2所示。承德市所用生物質燃料在全水分、灰分、低位發熱量和全硫方面多數滿足NB/T 34024—2015《生物質成型燃料質量分級》中林業生物顆粒燃料2級及以上要求，少部分燃料僅滿足3級質量要求。
根據樣本檢測結果分布，全水分檢測結果均滿足能源行業標準質量要求，其中1級占比較大，高達70.59%；灰分檢測結果主要分布在2級，占比達到50.98%，其次分布在3級，占比為31.37%；收到基低位發熱量的檢測結果基本均分在1級及2級，占比分別為41.18%和56.86%；全硫的檢測結果多數滿足1級質量要求，占比為54.90%，其次質量滿足2級的占比為27.45%，在不滿足3級標準的檢測報告中，4份全硫檢測結果為0.11%，與3級標準限值偏離較小。具體檢測指標分布見圖1~圖4。在實際檢測中灰分（干燥基）和全硫的參數由于生產生物質燃料配方不同，個別企業部分批次在加工過程有其他雜物混合其中，導致個別樣本灰分和全硫檢測指標出現不滿足最低標準的情況。
2生物質燃料用量分析
北方地區農戶與城鎮居民在取暖習慣上具有較大的差異。大部分農戶經濟條件一般，白天多在室外干活，需要頻繁進出居室，不便于來回更換衣服，且白天較低概率會長時間待在同一個房間，只有夜間長時間居家[3，9]。由于農戶的生產與生活習慣導致冬季實際采暖溫度偏低[10]，以及實際采暖面積小于建筑面積，若按照常規建筑熱負荷計算方法估算生物質燃料用量，估算結果容易過大偏離實際用量值。
在承德市冬季清潔取暖實施前，為針對生物質制定出適宜的補貼政策：一是保障運行費用居民可承受，取暖方式可持續；二是減輕本地財政壓力，作者團隊首次在清潔取暖中應用等熱值法，即常用的能源結構轉化和議價方法，利用歷年承德市潔凈煤用量數據對生物質用量進行估算。最終按照估算用量承德市制定的生物質燃料補貼政策為“3t（含）以內按500元/t補貼，3t至5t（含）按250元/t補貼，每戶每采暖季最高補貼生物質用量不超過5t，根據農戶用量據實補貼”。
以下章節將使用2021年潔凈煤取暖用量展示如何使用等熱值法估算生物質燃料用量，并用2021年實際生物質燃料用量進行印證。
2.1農村潔凈煤取暖用量
2018年河北省人民政府印發了《河北省打贏藍天保衛戰三年行動方案》（冀政發〔2018〕18號），《行動方案》中明確提出“在清潔能源不能覆蓋的區域積極推廣潔凈煤，健全供應保障體系，實施潔凈煤托底政策”。承德市多年來在“雙代工程”不能覆蓋的地區推廣潔凈煤取暖，并在2022年3月發布《取暖用煤治理的通告》，明確“除集中供熱外，所有企事業單位、個體工商戶和城鄉居民取暖用煤嚴格執行國家標準GB34169—2017《商品煤質量民用散煤》“無煙I號”規定，禁止運輸銷售使用“無煙I號”、蘭炭以外任何類型散煤”。
2021年承德市潔凈煤取暖40.11萬戶，配送潔凈煤50.84萬t，各縣（市、區）潔凈煤取暖戶數與配送噸數如表3所示。承德市潔凈煤戶均用量為0.94~2.95t/戶，中位數值為1.44t/戶。
2.2等熱值法估算生物質燃料用量
按照潔凈煤不低于25.1MJ/kg、生物質燃料不低于15.9MJ/kg估算，如果使用潔凈煤取暖的用戶改用生物質取暖，生物質燃料需求量為1.5~4.7t/戶，中位數值為2.3t/戶。由于潔凈煤取暖已有幾年的推廣與使用，存在農戶家中還余留部分上個采暖季未用完的潔凈煤，因此2021年度潔凈煤實際配送量略小于實際用量。綜合承德市農村地區歷年潔凈煤用量，預估生物質燃料用量為接近3t/戶。
2.3農村生物質取暖實際用量
2021年承德市共實施生物質取暖4.74萬戶，配送生物質燃料8.41萬t，各縣（市、區）安裝戶數與配送噸數如表4所示。各縣（市、區）戶均實際配送噸數為1.32~3.37t/戶，與采用等熱值法估算出的生物質燃料用量相近。從各縣（市、區）戶均噸數來看，屬于壩上地區（嚴寒地區）的圍場縣和御道口區戶均用量分別為3.37t/戶和3.30t/戶，明顯高于其他壩下地區（寒冷地區）用量。2021年豐寧縣的生物質取暖主要在壩下地區推廣，因此戶均用量較少。
由于農村地區存在冬天進城居住或是探望子女等因素，存在部分農戶并非整個采暖季都居住在農村，因此按照生物質取暖總戶數與生物質燃料配送總噸數計算出來的戶均1.77t/戶用量偏小。為了進一步探究承德市農村地區生物質燃料戶均消耗量，就壩上與壩下地區選取2個縣（市、區），逐戶分析生物質用量。所選縣（市、區）分別為：圍場縣農村地區（壩上地區）和營子區（壩下地區），匯總數據如圖5和圖6所示。
從逐戶生物質燃料用量來看，圍場縣農村僅存在個別用戶生物質燃料用量較少，屬于并非整個采暖季均生活在農村，按照總配送噸數和總戶數計算所得戶均用量基本與實際戶均全采暖季用量相當。營子區存在不少用戶未使用或少量使用生物質燃料，屬于典型冬季進城居住戶，若將1.5t用量以下的戶數視為僅部分采暖季居住在家，營子區農戶全采暖季使用生物質取暖的燃料用量均值為2.6t/戶。
營子區之所以包含大量未使用生物質取暖的戶數，是因為營子區即屬于市轄區又屬于環京地區，按照承德市清潔取暖推進步驟，必須達到較高的清潔取暖率。因此，在整村推廣的原則下難免囊括進部分冬季進城居住的用戶，同時營子區區域范圍較小，農村地區用戶進城置房便利，進一步加劇了冬季進城居住用戶的占比。而圍場縣處于壩上地區，屬于逐步推廣清潔取暖范圍，農村清潔取暖率要求較低，因此推廣過程中優先選擇長期存在取暖需求的村鎮推廣。
同時，在多次全市清潔取暖現場調研中，結果表明戶均生物質燃料用量約為3t，壩下地區戶均用量多是2.5~3t左右、壩上地區戶均用量多需要3~3.5t左右。
2.4農村生物質取暖未來用量
承德市森林覆蓋率高，2022年已達到森林覆蓋率60.03%，目前可直接用于制作木煤的生物質資源量約230萬t/a。目前承德在產企業木質生物質燃料的產能約為70.6萬t，遠低于原料產出量。未來依托生物質取暖的進一步推廣以及市場效應，將帶動企業擴大生產線或是新企業入駐，有效擴大承德本地生物質燃料的產量。
按照承德市冬季清潔取暖項目規劃，生物質取暖僅規劃了3a，預計到2023年完成16.25萬戶。未來累計推廣生物質取暖戶數最多為44.85萬戶，即潔凈煤取暖戶全部由生物質取暖替代。按照每戶消耗3t生物質燃料估算，未來承德地區生物質燃料用量如圖7所示。至2023年累計生物質燃料年需求量為48.74萬t，可完全由本地企業生產量覆蓋。未來承德地區累計生物質年需求量最多約為135萬t，雖然超出現有企業產能，但仍遠低于原材料產量。未來可通過規劃及市場引領進一步擴大本地企業產能，且未來可選清潔取暖替代方式不僅限于生物質取暖，生物質燃料實際需求量可能低于預估值。
3生物質燃料取暖成本分析
前面章節已經分析了承德地區推行的木質生物質燃料基本滿足現行能源行業標準，為取暖和減排效果提供了基礎保障。其次承德地區生物質原材料豐富，已有生物質燃料企業完全可以滿足近期生物質燃料需求量的增加。但在承德地區因地制宜推廣生物質取暖仍要考慮其投資和運行成本處于居民可接受的范圍。2021年承德市地區主要推廣冬季清潔取暖技術路線為生物質取暖及空氣源熱泵電取暖。以下章節選取同為環京地區的雙橋區和營子區進行空氣源熱泵與生物質水暖爐初始投資及運行費用進行對比分析。
3.1生物質爐具與空氣源熱泵初投資費用對比
在取暖設備方面，雙橋區采購的空氣源熱泵主要為名義制熱量5.0kW至12.1kW的機型，均價為13660~22560元/臺，按照雙橋區最高不超過13700元/臺的補助標準，農戶需承擔的初投資費用約為0~8860元/臺。營子區采購的主要生物質水暖爐價格為3198~3298元/臺，按照最高不超過3300元/臺的補助標準，農戶無需承擔初投資費用。在基礎設施方面，2021年國網承德供電公司投資3.8億元，為新增電取暖用戶實施了93項10千伏及以下項目，涉及2.9萬戶，戶均電網改造費用1.3萬元/戶。而采用生物質取暖無任何需額外的基礎設施建設，生物質燃料配送網站可充分利用已建立起的潔凈煤配送網站。
綜合來看，推廣生物質取暖初投資遠低于空氣源熱泵，且無需額外基礎設施建設。
3.2生物質燃料與空氣源熱泵運行費用對比
雙橋區空氣源熱泵用電量如圖9所示，與營子區情況類似，存在部分農戶并非整個采暖季均生活在農村，若將3000kW·h用電量以下的戶數視為僅部分采暖季居住在家，雙橋區農戶全采暖季用電量為3002~19865kW·h，均值為6398kW·h。電費估算依據《邊遠山區及壩上地區農戶實施分布式光伏+電取暖推進方案》（冀發改函〔2021〕249號）中規定的北網峰段電價0.57元/kW·h（8：00—20：00），谷段電價0.31元/kW·h（20：00—次日8：00），即均價0.44元/kW·h。按照每度電補貼0.12元，最高不超過1200元/戶的標準，農戶全采暖季使用空氣源熱泵的運行費用為960~7540元/戶，平均2065元/戶。由于雙橋區存在個別超大面積農戶采用了名義制熱量37.5kW或43kW等大型號空氣源熱泵，導致單戶用電量偏高，該部分戶數的用電費用不具有普遍參考價值，在統計計算時予以剔除。
根據圖6的分析，營子區農戶全采暖季使用生物質取暖的燃料用量為1.5~5t/戶，均值為2.6t/戶。營子區生物質燃料中標價為1198元/t，按照3t以內補貼500元/t、3~5t內補貼250元/t的標準，農戶全采暖季使用生物質取暖的運行費用為1047~3990元/戶，平均為1820元/戶。
根據圖10運行成本的對比，使用空氣源熱泵的用電費用的上下限寬于生物質燃料費用的，但運行費用的均值基本相當。
3.3生物質燃料全市平均成本
根據承德市2021年農村地區生物質中標價來看，中標價格為1095~1198元/t。為了便于計算，選生物質燃料中標價中間值1150元/t，戶均3t用量估算全采暖季農戶需自行承擔的運行費用。按照承德市現行的補貼標準（3t以內補貼500元/t），農戶需承擔的運行費用約為1950元/采暖季，屬于農戶可承受范圍內。
4生物質燃料節能減排效果分析
2021年承德市共配送8.41萬t生物質燃料，按照熱值折算，相當于減少潔凈煤5.32萬t。生物質燃料二氧化碳排放量為零[11]，按照《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南（試行）》、《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南（試行）》以及GB/T50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》選取潔凈煤和生物質燃料污染物排放因子（見表5）。2021年承德市改造的4.74萬戶生物取暖戶共減排二氧化碳12.40萬t、二氧化硫99.47t、顆粒物12.89t，氮氧化物排放量有所增加（見表6）。
從承德市PM2.5監測數據來看，2021年全市PM2.5平均濃度26μg/m³，同比下降13.3%，超過降幅0.60%的目標值；優良天數329天，同比增加14天，優良天數比例90.1%，環境空氣質量保持河北省前列。2021—2022年秋冬季承德市PM2.5濃度為33.8μg/m³，達到控制目標35.7μg/m³，重污染天數0d，滿足控制目標2d。側面證明，2021年在承德市實施4.74萬戶生物質取暖對提高環境質量具有一定的積極作用。
5結論
根據承德地區2021年生物質燃料用于冬季清潔取暖的實測數據分析，可得到以下結論：
1）為保障生物質取暖及減排效果，北方地區農村生物質燃料應嚴格執行NB/T 34024—2015《生物質成型燃料質量分級》中對林業（木質）生物質的要求。
2）通過承德地區生物質用量分析，壩下地區（寒冷地區）采暖季戶均生物質燃料用量2.5~3t左右，壩上地區（嚴寒地區）采暖季戶均生物質燃料用量3~3.5t左右。
3）目前，承德地區可直接用于制作木煤的生物質資源量約230萬t/a，企業可生產木質生物質燃料的產能約70.6萬t。現有產能可完全滿足近期新增生物質取暖需求，未來可通過擴大企業產能，在現有原材料產量下完全可以覆蓋未來新增生物取暖的燃料用量。
4）生物質取暖爐具初投資及運行費用居民可承受。推廣生物質取暖具初投資較低，且無需額外基礎設施建設；在承德市清潔取暖補貼政策實施下，居民需承擔生物質燃料運行費用約為1950元/采暖季。
5）生物質取暖具有明顯的減排效果。2021年承德市改造4.74萬戶生物質取暖，共配送8.41萬t生物質燃料，污染物減排量預估為二氧化碳減少12.40萬t、二氧化硫減少99.47t、顆粒物減少12.89t，氮氧化物排放量有所增加。
6）鑒于承德地區生物質原料產量豐富，可滿足本地生物取暖用量需求，實施生物質取暖對改善大氣環境質量具有促進作用，且推廣生物質取暖成本費用居民可承受，按照“因地制宜”原則，建議在電網或天然氣管網等基礎設施薄弱且生物質原料豐富的北方農村地區，將生物質取暖作為主要的清潔取暖推廣方式之一。
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