承德地区生物质燃料应用于冬季清洁供暖的实践与分析

李效禹^1，2，徐伟²，马骊²，史琳¹，王选²，张昕宇³，李冰²，高桐²，李伟²，胡启旺⁴，赵万元⁵

（1.清华大学能源与动力工程系，北京100084；2.建科环能科技有限公司，北京100013；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京100013；4.承德市承德县农业农村局，河北承德067400；5.承德一通新能源研究院，河北承德067000）

　　摘要：本文以承德地区为例，对4.74万户生物质取暖用户的供暖效果及减排效果进行分析，结果表明生物质燃料基本满足NB/T 34024—2015《生物质成型燃料质量分级》中对林业（木质）生物质的要求，燃料热值基本在15.9MJ/kg以上，是保障生物质燃料供暖及减排效果的基础。承德坝下地区（寒冷地区）和坝上地区（严寒地区）采暖季户均生物质燃料常见用量分别为2.5~3t和3~3.5t，相差0.5t左右。承德现有生物质原料产量及生物质燃料产能完全满足近期新增生物质取暖的燃料需求，远期需求可通过提升企业产量来满足。在承德市清洁取暖补贴政策实施下，农户需承受生物质燃料费用约为1950元/采暖季，运行费用农户可承受。2021年实施的生物质取暖改造预估年减少CO₂12.40万t、颗粒物12.89t，对承德市大气质量提升有一定促进作用。因此在电网或天然气管网等基础设施薄弱且生物质原料丰富的北方农村地区，生物质取暖可以作为主要的清洁取暖推广方式之一。

　　0引言

　　2017年以来，中央财政共支持88个城市推进北方地区冬季清洁取暖，承德、呼和浩特、沈阳等近20个严寒地区城市入围。随着“双碳战略”的提出，“减污降碳协同增效”已成为我国新发展阶段经济社会发展全面绿色转型的必然选择[1]。2019年国家能源局综合司在《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知（征求意见稿）》中提出，在不具备“煤改电”、“煤改气”条件的农村地区，重点发展生物质能供暖，同时解决大量农林废弃物直接燃烧引起的环境问题。2021年国家九部委联合印发的《“十四五”可再生能源发展规划》（发改能源〔2021〕1445号）中指出要积极发展生物质能清洁供暖，在华北、东北、华中等乡村地区开展生物质能清洁供暖试点示范，坚持因地制宜，推广“生物质成型燃料+户用炉具”、集中式生物质锅炉供暖等不同类型应用。

　　已有研究者针对北方农村地区生物质取暖展开了研究与探讨。徐伟等[2]基于寒冷A区的农村分析了各技术路线的经济性，建议一般农村在热源清洁化方面推广热风型空气源热泵和成型生物质秸秆炉。单明等[3]通过分析对比京津冀地区多种清洁取暖方式，表明生物质颗粒燃料取暖炉初始投资最低、运行费用较低，可作为农村清洁取暖大规模推广应用的主要技术方案之一。张文廷等[4]选取黑龙江绥化市某试点村对传统燃煤水暖炉具和手动/自动进料生物质炉具进行污染物排放测试。结果表明使用生物质炉具取暖在PM2.5及CO单位热量排放上降幅较大，而在SO₂及NO_X单位热量排放上减排效果不明显。赵文瑛等[6]针对北方农村地区清洁取暖各技术路线的研究表明，相较于燃煤取暖，生物质+专用炉具每万元投资总减排量最高，为143.5kg/（季·10⁴元）。焦铭泽等[5]以山东省阳信县为例，相较于天然气壁挂炉和空气源热泵，生物质颗粒炉具供暖初始投资及运行费用综合折算费用年值最低，为14.9元/㎡。并建议政府在北方地区冬季清洁取暖资金安排中对“煤改生物质”给予重点支持，并在生物质资源丰富且“煤改电”“煤改气”费用较高的地区大规模推广。

　　为探究生物质取暖在严寒地区城市实际应用效果，本文选取承德地区2021年生物质取暖实际运行数据，重点对生物质燃料供暖效果、用量情况、减污降碳效果及经济性进行分析。

　　1生物质燃料质量分析

　　为保障生物质燃料取暖效果及环境保护要求，生物质燃料需严格落实国家能源行业标准NB/T 34024-2015《生物质成型燃料质量分级》。该行业标准先根据原料来源将生物质燃料划分为农业生物质、林业生物质和混合生物质，再根据生物质形状划分为块状燃料和颗粒燃料，并针对不同原料不同形状的生物质燃料分别制定1级、2级和3级对应的标准限值，共包括11个检测项目。

　　考虑到承德市秸秆的综合利用主要为“一主三辅”[8]，生物质原材料主要选用具有较高的单位热值的林业生物质。承德市森林覆盖率高，具有较丰富的林业“三剩物”，可直接用于制作木煤的生物质资源量约230万t/a。随着可利用资源量呈逐年增加，承德市本地即可有效保障林业生物质成型燃料原材料的供给。承德市目前推广使用的生物质燃料执行NB/T 34024—2015《生物质成型燃料质量分级》中林业生物质颗粒燃料分级指标，具体检测项目及各等级标准限值见表1。

　　为了探究承德市2021年所用生物质燃料实际质量情况，从13个县（市、区）各生物质燃料中标企业中选取51份现场抽样检测报告作为样本，对检测结果进行统计分析，统计结果如表2所示。承德市所用生物质燃料在全水分、灰分、低位发热量和全硫方面多数满足NB/T 34024—2015《生物质成型燃料质量分级》中林业生物颗粒燃料2级及以上要求，少部分燃料仅满足3级质量要求。

　　根据样本检测结果分布，全水分检测结果均满足能源行业标准质量要求，其中1级占比较大，高达70.59%；灰分检测结果主要分布在2级，占比达到50.98%，其次分布在3级，占比为31.37%；收到基低位发热量的检测结果基本均分在1级及2级，占比分别为41.18%和56.86%；全硫的检测结果多数满足1级质量要求，占比为54.90%，其次质量满足2级的占比为27.45%，在不满足3级标准的检测报告中，4份全硫检测结果为0.11%，与3级标准限值偏离较小。具体检测指标分布见图1~图4。在实际检测中灰分（干燥基）和全硫的参数由于生产生物质燃料配方不同，个别企业部分批次在加工过程有其他杂物混合其中，导致个别样本灰分和全硫检测指标出现不满足最低标准的情况。

　　2生物质燃料用量分析

　　北方地区农户与城镇居民在取暖习惯上具有较大的差异。大部分农户经济条件一般，白天多在室外干活，需要频繁进出居室，不便于来回更换衣服，且白天较低概率会长时间待在同一个房间，只有夜间长时间居家[3，9]。由于农户的生产与生活习惯导致冬季实际采暖温度偏低[10]，以及实际采暖面积小于建筑面积，若按照常规建筑热负荷计算方法估算生物质燃料用量，估算结果容易过大偏离实际用量值。

　　在承德市冬季清洁取暖实施前，为针对生物质制定出适宜的补贴政策：一是保障运行费用居民可承受，取暖方式可持续；二是减轻本地财政压力，作者团队首次在清洁取暖中应用等热值法，即常用的能源结构转化和议价方法，利用历年承德市洁净煤用量数据对生物质用量进行估算。最终按照估算用量承德市制定的生物质燃料补贴政策为“3t（含）以内按500元/t补贴，3t至5t（含）按250元/t补贴，每户每采暖季最高补贴生物质用量不超过5t，根据农户用量据实补贴”。

　　以下章节将使用2021年洁净煤取暖用量展示如何使用等热值法估算生物质燃料用量，并用2021年实际生物质燃料用量进行印证。

　　2.1农村洁净煤取暖用量

　　2018年河北省人民政府印发了《河北省打赢蓝天保卫战三年行动方案》（冀政发〔2018〕18号），《行动方案》中明确提出“在清洁能源不能覆盖的区域积极推广洁净煤，健全供应保障体系，实施洁净煤托底政策”。承德市多年来在“双代工程”不能覆盖的地区推广洁净煤取暖，并在2022年3月发布《取暖用煤治理的通告》，明确“除集中供热外，所有企事业单位、个体工商户和城乡居民取暖用煤严格执行国家标准GB34169—2017《商品煤质量民用散煤》“无烟I号”规定，禁止运输销售使用“无烟I号”、兰炭以外任何类型散煤”。

　　2021年承德市洁净煤取暖40.11万户，配送洁净煤50.84万t，各县（市、区）洁净煤取暖户数与配送吨数如表3所示。承德市洁净煤户均用量为0.94~2.95t/户，中位数值为1.44t/户。

　　2.2等热值法估算生物质燃料用量

　　按照洁净煤不低于25.1MJ/kg、生物质燃料不低于15.9MJ/kg估算，如果使用洁净煤取暖的用户改用生物质取暖，生物质燃料需求量为1.5~4.7t/户，中位数值为2.3t/户。由于洁净煤取暖已有几年的推广与使用，存在农户家中还余留部分上个采暖季未用完的洁净煤，因此2021年度洁净煤实际配送量略小于实际用量。综合承德市农村地区历年洁净煤用量，预估生物质燃料用量为接近3t/户。

　　2.3农村生物质取暖实际用量

　　2021年承德市共实施生物质取暖4.74万户，配送生物质燃料8.41万t，各县（市、区）安装户数与配送吨数如表4所示。各县（市、区）户均实际配送吨数为1.32~3.37t/户，与采用等热值法估算出的生物质燃料用量相近。从各县（市、区）户均吨数来看，属于坝上地区（严寒地区）的围场县和御道口区户均用量分别为3.37t/户和3.30t/户，明显高于其他坝下地区（寒冷地区）用量。2021年丰宁县的生物质取暖主要在坝下地区推广，因此户均用量较少。

　　由于农村地区存在冬天进城居住或是探望子女等因素，存在部分农户并非整个采暖季都居住在农村，因此按照生物质取暖总户数与生物质燃料配送总吨数计算出来的户均1.77t/户用量偏小。为了进一步探究承德市农村地区生物质燃料户均消耗量，就坝上与坝下地区选取2个县（市、区），逐户分析生物质用量。所选县（市、区）分别为：围场县农村地区（坝上地区）和营子区（坝下地区），汇总数据如图5和图6所示。

　　从逐户生物质燃料用量来看，围场县农村仅存在个别用户生物质燃料用量较少，属于并非整个采暖季均生活在农村，按照总配送吨数和总户数计算所得户均用量基本与实际户均全采暖季用量相当。营子区存在不少用户未使用或少量使用生物质燃料，属于典型冬季进城居住户，若将1.5t用量以下的户数视为仅部分采暖季居住在家，营子区农户全采暖季使用生物质取暖的燃料用量均值为2.6t/户。

　　营子区之所以包含大量未使用生物质取暖的户数，是因为营子区即属于市辖区又属于环京地区，按照承德市清洁取暖推进步骤，必须达到较高的清洁取暖率。因此，在整村推广的原则下难免囊括进部分冬季进城居住的用户，同时营子区区域范围较小，农村地区用户进城置房便利，进一步加剧了冬季进城居住用户的占比。而围场县处于坝上地区，属于逐步推广清洁取暖范围，农村清洁取暖率要求较低，因此推广过程中优先选择长期存在取暖需求的村镇推广。

　　同时，在多次全市清洁取暖现场调研中，结果表明户均生物质燃料用量约为3t，坝下地区户均用量多是2.5~3t左右、坝上地区户均用量多需要3~3.5t左右。

　　2.4农村生物质取暖未来用量

　　承德市森林覆盖率高，2022年已达到森林覆盖率60.03%，目前可直接用于制作木煤的生物质资源量约230万t/a。目前承德在产企业木质生物质燃料的产能约为70.6万t，远低于原料产出量。未来依托生物质取暖的进一步推广以及市场效应，将带动企业扩大生产线或是新企业入驻，有效扩大承德本地生物质燃料的产量。

　　按照承德市冬季清洁取暖项目规划，生物质取暖仅规划了3a，预计到2023年完成16.25万户。未来累计推广生物质取暖户数最多为44.85万户，即洁净煤取暖户全部由生物质取暖替代。按照每户消耗3t生物质燃料估算，未来承德地区生物质燃料用量如图7所示。至2023年累计生物质燃料年需求量为48.74万t，可完全由本地企业生产量覆盖。未来承德地区累计生物质年需求量最多约为135万t，虽然超出现有企业产能，但仍远低于原材料产量。未来可通过规划及市场引领进一步扩大本地企业产能，且未来可选清洁取暖替代方式不仅限于生物质取暖，生物质燃料实际需求量可能低于预估值。

　　3生物质燃料取暖成本分析

　　前面章节已经分析了承德地区推行的木质生物质燃料基本满足现行能源行业标准，为取暖和减排效果提供了基础保障。其次承德地区生物质原材料丰富，已有生物质燃料企业完全可以满足近期生物质燃料需求量的增加。但在承德地区因地制宜推广生物质取暖仍要考虑其投资和运行成本处于居民可接受的范围。2021年承德市地区主要推广冬季清洁取暖技术路线为生物质取暖及空气源热泵电取暖。以下章节选取同为环京地区的双桥区和营子区进行空气源热泵与生物质水暖炉初始投资及运行费用进行对比分析。

　　3.1生物质炉具与空气源热泵初投资费用对比

　　在取暖设备方面，双桥区采购的空气源热泵主要为名义制热量5.0kW至12.1kW的机型，均价为13660~22560元/台，按照双桥区最高不超过13700元/台的补助标准，农户需承担的初投资费用约为0~8860元/台。营子区采购的主要生物质水暖炉价格为3198~3298元/台，按照最高不超过3300元/台的补助标准，农户无需承担初投资费用。在基础设施方面，2021年国网承德供电公司投资3.8亿元，为新增电取暖用户实施了93项10千伏及以下项目，涉及2.9万户，户均电网改造费用1.3万元/户。而采用生物质取暖无任何需额外的基础设施建设，生物质燃料配送网站可充分利用已建立起的洁净煤配送网站。

　　综合来看，推广生物质取暖初投资远低于空气源热泵，且无需额外基础设施建设。

　　3.2生物质燃料与空气源热泵运行费用对比

　　双桥区空气源热泵用电量如图9所示，与营子区情况类似，存在部分农户并非整个采暖季均生活在农村，若将3000kW·h用电量以下的户数视为仅部分采暖季居住在家，双桥区农户全采暖季用电量为3002~19865kW·h，均值为6398kW·h。电费估算依据《边远山区及坝上地区农户实施分布式光伏+电取暖推进方案》（冀发改函〔2021〕249号）中规定的北网峰段电价0.57元/kW·h（8：00—20：00），谷段电价0.31元/kW·h（20：00—次日8：00），即均价0.44元/kW·h。按照每度电补贴0.12元，最高不超过1200元/户的标准，农户全采暖季使用空气源热泵的运行费用为960~7540元/户，平均2065元/户。由于双桥区存在个别超大面积农户采用了名义制热量37.5kW或43kW等大型号空气源热泵，导致单户用电量偏高，该部分户数的用电费用不具有普遍参考价值，在统计计算时予以剔除。

　　根据图6的分析，营子区农户全采暖季使用生物质取暖的燃料用量为1.5~5t/户，均值为2.6t/户。营子区生物质燃料中标价为1198元/t，按照3t以内补贴500元/t、3~5t内补贴250元/t的标准，农户全采暖季使用生物质取暖的运行费用为1047~3990元/户，平均为1820元/户。

　　根据图10运行成本的对比，使用空气源热泵的用电费用的上下限宽于生物质燃料费用的，但运行费用的均值基本相当。

　　3.3生物质燃料全市平均成本

　　根据承德市2021年农村地区生物质中标价来看，中标价格为1095~1198元/t。为了便于计算，选生物质燃料中标价中间值1150元/t，户均3t用量估算全采暖季农户需自行承担的运行费用。按照承德市现行的补贴标准（3t以内补贴500元/t），农户需承担的运行费用约为1950元/采暖季，属于农户可承受范围内。

　　4生物质燃料节能减排效果分析

　　2021年承德市共配送8.41万t生物质燃料，按照热值折算，相当于减少洁净煤5.32万t。生物质燃料二氧化碳排放量为零[11]，按照《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》、《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南（试行）》以及GB/T50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》选取洁净煤和生物质燃料污染物排放因子（见表5）。2021年承德市改造的4.74万户生物取暖户共减排二氧化碳12.40万t、二氧化硫99.47t、颗粒物12.89t，氮氧化物排放量有所增加（见表6）。

　　从承德市PM2.5监测数据来看，2021年全市PM2.5平均浓度26μg/m³，同比下降13.3%，超过降幅0.60%的目标值；优良天数329天，同比增加14天，优良天数比例90.1%，环境空气质量保持河北省前列。2021—2022年秋冬季承德市PM2.5浓度为33.8μg/m³，达到控制目标35.7μg/m³，重污染天数0d，满足控制目标2d。侧面证明，2021年在承德市实施4.74万户生物质取暖对提高环境质量具有一定的积极作用。

　　5结论

　　根据承德地区2021年生物质燃料用于冬季清洁取暖的实测数据分析，可得到以下结论：

　　1）为保障生物质取暖及减排效果，北方地区农村生物质燃料应严格执行NB/T 34024—2015《生物质成型燃料质量分级》中对林业（木质）生物质的要求。

　　2）通过承德地区生物质用量分析，坝下地区（寒冷地区）采暖季户均生物质燃料用量2.5~3t左右，坝上地区（严寒地区）采暖季户均生物质燃料用量3~3.5t左右。

　　3）目前，承德地区可直接用于制作木煤的生物质资源量约230万t/a，企业可生产木质生物质燃料的产能约70.6万t。现有产能可完全满足近期新增生物质取暖需求，未来可通过扩大企业产能，在现有原材料产量下完全可以覆盖未来新增生物取暖的燃料用量。

　　4）生物质取暖炉具初投资及运行费用居民可承受。推广生物质取暖具初投资较低，且无需额外基础设施建设；在承德市清洁取暖补贴政策实施下，居民需承担生物质燃料运行费用约为1950元/采暖季。

　　5）生物质取暖具有明显的减排效果。2021年承德市改造4.74万户生物质取暖，共配送8.41万t生物质燃料，污染物减排量预估为二氧化碳减少12.40万t、二氧化硫减少99.47t、颗粒物减少12.89t，氮氧化物排放量有所增加。

　　6）鉴于承德地区生物质原料产量丰富，可满足本地生物取暖用量需求，实施生物质取暖对改善大气环境质量具有促进作用，且推广生物质取暖成本费用居民可承受，按照“因地制宜”原则，建议在电网或天然气管网等基础设施薄弱且生物质原料丰富的北方农村地区，将生物质取暖作为主要的清洁取暖推广方式之一。