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关于农村能源及生物质能利用问题的几点思考倪维斗中国工程院院士清华大学热能工程系教授二〇一六年三月2农村能源：用于农业生产、农村工商业经营和农村居民生活的能源能源种类：商品能源，包括煤炭、汽油、柴油、天然气、液化石油气、电力等；非商品能源，包括薪柴、秸秆、粪便、小水电、太阳能、风能和地热能等，多属于可再生能源农村：相对于城市的称谓，指经济方式以农业生产为主的区域，其中农业生产方式包括各种农场（如粮食种植、畜牧和水产养殖场）、林场（林业生产区）、园艺和蔬菜生产等。农村人口：全年大部分时间在农村居住，以农牧业生产为主要经济来源的人口。农村能源的基本概念农村能源的重要性（1）农村能源涉及人口多，关系国计民生2014年我国农村人口约6.19亿[1]，占全国人口总量的45.23%农村能源消费量大，煤炭等商品能源占比增加2013年，我国县以下的乡镇、行政村和自然村的能源消费总量为7.78亿tce[2]，占全国的20.8%。其中煤炭消费量4.6亿吨[2]，占消费总量的比重达42.2%农村生活散煤几乎全部低效直燃且没采取任何环保措施，传统秸秆、薪柴等生物质利用明显降低3年度全国农村生活用能总消费（亿tce）商品能生物质（亿tce）商品能占比合计（亿tce）煤炭（亿tce）LPG（万t）电能（亿kWh）20063.171.91.365971324.21.2460.0%20143.272.241.4183121401.0368.8%增长率3.2%17.9%3.7%39.2%61.6%-16.9%14.7%全国农村生活用能总消费调研统计[3]1.中国统计年鉴2015;2.“推动能源生产和消费革命战略研究”项目报告；3.中国建筑节能年度发展报告2016农村能源基础设施落后，农村能源建设长期受到忽视农村生活用能消费结构中，全国省柴节煤灶保有量1.77亿户[4]，节能炉3235万台[4]，节能炕1955万铺[4]按照平均3人/户计算，全国仍有6.87亿农村人口仍在使用薪柴炊事取暖农村普通柴灶热效率差＜20%，18吨秸秆才能相当于1tce的有用热量4农村能源的重要性（2）4.农业部科技教育司,2013.中国农村能源年鉴2009-20135农村能源的重要性（3）农村能源缺乏专业服务，劳动强度高农村生活用能的劳动是脏累的体力劳动以吉林农村为例：每户10吨秸秆从“田里到田头，田头到村头，村头到房头，房头到灶头”的整个过程，投入劳动时间超过300小时，且不说烧灶还要劳力向灶中续火高于农业生产机械播种、收割、脱粒入仓计210小时的劳动时间由于农村劳力大量外出打工，日常用能已成为每个家庭的沉重负担。项目搬运重量（吨）消费（元）时间（小时）田间打捆到地头10030地头到村头108060村头到院头60120院头到灶头6090合计3280300吉林省农安杨树林乡农户生活用能耗用劳动量的调查统计表（用能形式：玉米秸秆类）农村能源技术落后，农村生态环境破坏严重农村燃煤取暖和炊事、秸秆野烧，大气污染严重6农村能源的重要性（4）土暖气燃烧单位燃料排放的PM2.5是大型燃煤锅炉燃烧单位燃料排放的PM2.5的十倍以上。VS•秸秆无组织野烧造成燃烧不完全，排烟污染严重•生物质废弃造成固废污染•生物质废弃的安全隐患美国国家科学院院士KirkSmith教授：中国农村室内污染造成每年38万人死亡，现在是解决这些问题的时候了。（KickingtheCoalHabit,Nature,Vol.454,p391,2008）农业秸秆等废弃生物质是农村面源的重要来源落后的生活用能方式，造成室内空气污染，对妇女儿童身体健康造成严重危害7农村能源的重要性（5）在新农村建设和生态文明建设中实现农村能源现代化如何在快速城镇化过程中统筹城乡发展，在新农村建设过程中建设新农村能源体系，将是我国能源发展的长期艰巨任务之一农村能源建设是美丽乡村建设的重要内容，应逐步缩小城乡能源基础设施和能源服务水平的差距我国生物质资源丰富[5]可作为能源利用的生物质资源总量每年约4.6亿tce，目前已利用量约2200万tce，还有约4.4亿tce可作为能源利用其中农作物秸秆及农产品加工剩余物4亿吨，林业剩余物3.5亿吨8生物质能利用是农村能源的重大方向（1）生物质资源与农村能源需求的区域分布较为一致农村生活用能需求与农业秸秆的产出重合中国农业生物质空间分布[6]中国建筑气候区划图5.生物质能发展十二五规划；6.BioenergypotentialfromcropresiduesinChina_Availabilityanddistribution,2012农村利用生物质能源，变剩为宝，解决野烧散煤问题9带动农村经济，提供就业岗位以长春5万吨/年产能秸秆颗粒燃料项目为例，投资1400万元，15年净现值为2100万元，内部收益率达32%，项目活跃了当地经济，提供近120个就业岗位，年劳动收入270万元生物质能利用是农村能源的重大方向（2）发电和液体燃料变分散能源为集中能源，有利于规模化利用实现清洁环保，并可与化石能源掺混利用；问题是原料消耗大，收集困难。气化利用沼气和热解气化，前者在农村发展广泛，问题在于缺乏专业技术服务；后者一些焦油等技术问题还有待研究成型燃料技术相对简单，能够实现分散能源的分散利用，具有灵活商业模式，有利于在农村实现产业化发展，具有巨大潜力10生物质能利用的主要方式概述燃料形状分类颗粒（棒状，直径5~12mm,长度为10~30mm）压块（棒状或块状，横切面30×30mm2，长度为30~80mm）机制炭（一般为六边形截面，直径50~60mm,长度500mm，20mm中心孔）11生物质成型燃料的分类和技术特点（1）颗粒燃料环模颗粒机平模颗粒机成型原理及技术特点棒状压块方状压块环形压块机活塞冲压机12成型炭螺旋挤压机燃料的技术特点颗粒，燃料流动性强，易于燃烧器上料系统的自动控制。但原料粉碎粒度小，含水量要求在15~20%之间，能耗高压块，原料适应性强、原料粉碎粒度大，含水量要求在15~35%之间，能耗较颗粒低，但小型燃烧设备上料系统不易自动控制机制炭，原料经粉碎成型后，经炭化后替代木炭等燃料热值：木质燃料低位热值一般在4000大卡/千克左右，农业秸秆类燃料低位热值一般在3500大卡/千克左右。生物质成型燃料的分类和技术特点（2）13生物质成型燃料产业发展现状成型燃料作为生物质能新的利用方式，处于发展初期阶段成型燃料是生物质能源化利用新的方式，其技术、标准和政策体系还不成熟；通过政策支持和业界努力，构建了各类产业链，但市场规模还比较小技术路线、商业模式和政策等正在不断发展和孕育之中一些实例构建了成型燃料的收储运、加工和销售体系，探索了技术和商业模式这些模式具有一定的示范效应。但总体来看，还处于产业早期，需要进一步加强研究，来分析、论证和促进产学研的协同创新，以更好地培育和发展成型燃料产业接下来看看具体的案例，说明确实有实际的效果，他们也探索出了一些实际的模式和经验，但同时也存在一些问题14颗粒案例案例基本情况：项目位于吉林省长春市，燃料企业与农户签订秸秆供应协议，该模式促进了农村生活用能的清洁化，实现了农业秸秆禁烧和用能水平的提高。农户用7吨的秸秆与企业换3.5吨颗粒燃料，农户与当地政府签订秸秆禁烧责任书。企业为签约户提供颗粒燃料、炉具和技术服务，并提供颗粒燃料。其余燃料向工商业供热出售。技术特点：平模冷成型技术，玉米秸秆原料两级粉碎调质，能耗115kWh/t，形成5万吨/年自动化生产线，燃料主要用于农村取暖和炊事，改善农村生活用能。燃料价格：因材质和热值不同，木质颗粒燃料售价一般在1000元/吨左右，秸秆颗粒燃料售价一般在850元/吨左右颗粒案例阶段原料种植原料运输燃料加工燃料运输燃烧转化转化损失合计化石能耗MJ/MJ0.0150.0040.0760.0020.0090.0500.156阶段占比9.57%2.78%48.67%1.14%5.77%32.07%1案例燃烧转化1MJ热量全生命周期的化石能耗技术流程玉米秸秆粉碎颗粒加工燃料储存炊事炉双排炉工商业供热16案例基本情况：项目位于辽宁省沈阳市，燃料企业与农机合作社合作进行秸秆收储运，构建起了秸秆收储运体系。压块燃料售价750元/吨，颗粒燃料售价850元/吨技术特点：平模冷压块，玉米秸秆、锯末、花生壳等原料经粉碎后混合调质，水分20%左右，粉碎压块能耗50kWh/t，规模4万吨/年，燃料主要销售到工商业供热用户，也向农村取暖销售能量投入产出比：收储运加工全过程能量产出投入比为22.88压块案例运营模式参与人运作方式收集设备投资经济补贴2015年度以前企业+农机合作社+农户农机合作社在村庄寻找合作人，支付农民约10元/亩价格，农机合作社进入田间收集秸秆，而后运输至企业储存站，240元/吨。企业和农机合作社按2：1出资购买市场运行，企业根据燃料产量购进原料2015-2016年度企业+政府+农机合作社+农户政府和企业合作，企业负责清地，促进秸秆综合利用和禁烧，企业通过已有的收储体系收储秸秆，政府向农民宣传和管理禁烧秸秆，并配合企业收集，不支付给农民费用。企业和农机合作社按2：1出资购买政府向企业支付收储费用80元/亩。收储后秸秆处理方式：1、政府回购成型燃料720元/吨；2、政府筹措销售到其他渠道。沈阳市浑南新区玉米秸秆收储运运营模式17压块案例技术流程捡拾打捆机搂耙机运输18捆/车秸秆粉碎原料混合调质秸秆:花生壳:锯末=6:1:1压块燃料冷成型储存站燃料运输燃料利用技术特点：1×30MW高温高压汽轮发电机组，一台130t/h往复+链条双炉排生物质锅炉。冬季带30万㎡城市供暖。环保处理措施：两级除尘（旋风+布袋），氨水脱销。锅炉效率86%，汽水系统效率35%，发电效率30%，厂用电7.7%经济性能：度电成本0.4元，上网电价0.75元/度，年利润2200多万元成型燃料：电厂利用成熟的燃料体系，建成6条颗粒和压块燃料生产线燃料消耗：约30万吨/年；18生物质发电厂集成成型燃料生产案例项目树皮杂木模板黄秆燃料占比30%15%15%40%~50%入炉价格（元/吨）260410410240综合水分30%生物质电厂入炉燃料构成表19发电技术流程燃料进厂粉碎磁选燃料储存入料锅炉系统汽水系统除尘系统集控室成型燃料技术流程原料粉碎混配入料入料除尘成型燃料生产线生物质发电厂集成成型燃料生产案例构建原料收储运体系，促进农业秸秆成型燃料的产运销农业剩余物因堆积密度小、收集机械投资大，使得农业秸秆的产运销体系经济性差，收集组织困难，还未形成成熟的市场供应体系。农业剩余物野烧和废弃带来的环境问题突出。需要政府给予引导和扶持促进供应体系的建立林业三剩物的循环利用探索了一些市场模式和渠道，其运行方式值得农业剩余物借鉴拓展成型燃料的市场应用，提高经济性成型燃料用于工业、商业和民用供热领域具有经济性，能实现单点供热和集中供热及热电联产国家相继出台了鼓励成型燃料规模化利用的政策措施，相关的环保、财政等配套政策还有待与生物质能发展政策配套衔接当前生物质成型燃料用于农村生活用能还比散煤这一传统化石能源贵，农村推广政策和模式还有待研究20农村生物质利用的几点思考（1）加强成型设备可靠性和燃烧系统研发，提高技术成熟度成型设备关键部件磨损严重，致使模具、滚轴等易损件寿命低燃料的灰熔点低和含K等碱性离子的特点，带来了结焦和腐蚀等问题推进成型燃料的农村利用，促进农村用能现代化生物质资源和农村用能地域分布较为一致，农村用能具有价格便宜、配套服务差、便利性需求强等特点政府应加强扶持，利用已有的农业优惠措施，探索碳市场和补贴等方式，综合解决农村能源服务落后和生物质综合利用等问题21农村生物质利用的几点思考（2）谢谢！Thankyouforyourattention!22