PDF《农村生物质气化燃气分散供暖经济和环境效益分析》

第30 卷第14 期农业工程学报Vol.

30 No.14 2014年 7月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul.

2014 213 农村生物质气化燃气分散供暖经济和环境效益分析 周卫红 1,2 ,陈冠益 1,3 ,马隆龙 1,4 ,颜蓓蓓 1,5 ,夏宗鹏

1 (1. 天津大学环境科学与工程学院,天津 300072;

2. 辽宁科技大学土木工程学院,鞍山 114051;

3. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072;

4. 中国科学院广州能源研究所,广州 510640;

5. 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津 300072) 摘要:为了充分利用农业废弃物资源,改善北方农村冬季供暖条件,该文对生物质气化燃气分散式供暖技术进 行了经济和环境效益分析, 探讨其在农村供暖中的可行性. 生物质气化分散式供暖具有节约能源、 减少大气污染、 温度调节方便等优点.通过借鉴天然气分散式供暖的研究成果和对生物质气分散式供暖进行分析,结果表明采取 分段式控温、分房间控温和建筑物节能改造等手段可将供暖费用降到合理水平,基本与城市供暖费用相同.通过 该文分析可知生物质气化燃气分散式供暖可以作为农村供暖的一种新模式. 关键词:农村地区;

生物质;

气化;

燃气;

分散式供暖 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.14.027 中图分类号:S21 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2014)-0-0213-06 周卫红,陈冠益,马隆龙,等. 农村生物质气化燃气分散供暖经济和环境效益分析[J]. 农业工程学报,2014, 30(14):213-218. Zhou Weihong, Chen Guanyi, Ma Longlong, et al. Economic and environmental benefits analysis of decentralized heating using biomass gasification gas in rural area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 213-218. (in Chinese with English abstract)

0 引言目前中国农村大部分地区采用直接燃烧煤或 秸秆等农业废弃物供暖.该方式燃烧效率低,且排 放大量污染物[1-7] .吴可嘉等[8] 、顾庆平等[9] 研究结 果显示, 薪柴或秸秆燃烧供暖是冬季农村室内 PM2.5 (细颗粒物,fine particulate matter)污染的主要来 源.针对此情况,董保成等[10] 、韩毅等[11] 、李沁 等[12] 、吴媛媛[13] 、庄新姝等[14] 、刘晓霞[15] 等学者 分别对东北农村沼气供暖、火炕和火墙联合供暖、 家用小型气化炉气化供暖和生物质集中气化供暖 方式进行分析和比较,探索清洁舒适的农村供暖方 式.近年来,国外学者对生物质气化供暖也进行了 很多研究. Pa 等[16] 使用生命周期分析方法对木屑气 化供暖进行分析.Ghafghazi 等[17] 使用多目标优化 收稿日期:2013-11-03 修订日期:2014-06-30 基金项目:国家科技支撑计划课题(2011BAD15B05) ;

农业科技成果 转化资金项目(2011GB23600001) ;

十二五 农村领域国家科技计划 (2011BAJ08B06-6) 作者简介:周卫红(1979-) ,男,山西运城人,副教授,博士生,主 要从事生物能源转化技术及其利用等方面的研究. 天津 天津大学环境 科学与工程学院,30072.Email:lnkdzwh@163.com 通信作者:陈冠益(1970-) ,男,江西玉山人,教授,博士生导师, 主要从事生物能源转化技术及其利用等方面的研究. 天津 天津大学环 境科学与工程学院,300072.Email:chen@tju.edu.cn 方法对生物质供暖进行了优化. Fahlén 等[18] 对区域 供暖中不同的生物质气化模式进行了选择. Kristina Difs 等[19] 、 Martin B?rjesson 等[20] 和Elisabeth Wetterlund 等[21] 也对生物质气化供暖的相关问题进 行了研究.文献[12]对生物质分散式供暖进行技术 经济和环境效益分析,但是采用家庭用小型气化 炉,使用成型燃料气化供暖,难以解决气化燃气焦 油含量高,气化过程中烟尘对环境的污染问题.另外,以上研究中均未提出解决目前农村生物质气化 供暖中供暖费用过高具体措施. 生物质气化供暖是生物质能源利用的重要方 向之一,亦是解决农村供暖问题的有效途径.生物 质气化供暖是指生物质气化燃气,燃烧加热介质 (水或空气) ,连续为终端用户提供热量的一种供 暖方式[22] .目前针对生物质气化分散式供暖系统的 研究较少,缺乏可行性分析.本文在以往工作基础 上开展农村生物质气化分散式供暖模式的经济性、 实用性进行研究,对需要解决的关键问题进行分 析,提出切实可行的降低生物质气化供暖的措施, 并进行了现场测试.

1 生物质气化燃气分散式供暖系统简介 生物质气化分散式供暖系统是指生物质集中 气化后采用燃气输气管道将气化燃气输送至各用 农业工程学报

2014 年214 户,用户在家中设燃气采暖炉,将室内供暖管网与 此相连,形成独立的分散式供暖系统.生物质气化 分散式供暖系统主要包括

2 部分:一是生物质气化 和燃气输送系统;

二是用户独立的燃气采暖炉和室 内供暖管网. 企业负责生物质气化, 铺设燃气管道, 将燃气输送至用户和提供燃气采暖炉.用户承担室 内供暖管网安装和燃气采暖炉费用.企业和用户之 间通过燃气费进行供暖费用的结算. 图1生物质气化分散式供暖系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of decentralized heating system using biomass gasification gas

2 生物质气化燃气分散式供暖经济分析 2.1 分散式供暖燃料费用 建筑物供暖用气量根据建筑物热负荷和燃气 热值进行计算.建筑物热负荷采用面积热指标法, 根据表 1[23] 选定建筑物热负荷指标,按式(1)进行 计算.然后根据式(2)计算建筑物供暖期内燃气 用量. Q=q*F (1) 式中:Q 为建筑物的热负荷,W;

q 为建筑物供暖 面积热指标(见表 1),W/m2 ;

F 为建筑物的建筑 面积,m2 . 表1采暖热指标推荐值 Table

1 Recommended value of index of heating 建筑物类型 Building type 未采取节能措施的热指标 Index of heating without energy saving measures/ (W・m-2 ) 采取节能措施的热指标 Index of heating with energy saving measures/ (W・m-2 ) 住宅 58~64 40~45 注:表中数值适用于中国东北、华北、西北地区;

热指标中已包括约 5%的管网热损失. Note: Values in the table are applicable to northeast, north, northwest areas in China;

Index of heating includes the pipeline heat loss of about 5%. 假定天津农宅保温措施遵循《民用建筑节能设 计标准》,墙体采用保温措施,窗户采用二层玻璃 结构.由于天津地区农村小康住宅标准为 15℃,较 城区设计温度 18℃低, 所以计算中热指标选用下限 值40 W/m2 ,若供暖面积按

100 m2 计算,则建筑的 热负荷为

4 000 W. Q t V Q η * = * 气(2) 式中:V 为建筑物供暖期内所需的燃气量,m3 ;

t 为采暖时间,s;

Q 气为燃气的热值,J/m3 ;

η 为燃气 燃烧器热效率,%. 假定生物质气化燃气的热值为 4.5*106 J/m3[24] , 天津采暖时间为

120 d,燃气采暖炉的热效率为 90%[25] ,则根据式(1)和式(2)可计算出每年 采暖期每户气化燃气用量为

10 842 m3 .若燃气 的费用为 0.3 元/m3 (该费用包括燃气生产的原 料0.1 元/m3 、耗电量和人工等费用 0.1 元/m3 、若 将国家扶持(固定资产投资一半)计算在内,固 定资产折旧 0.1 元/m3 ),则每年供暖期的燃气费 用为

3 072 元. 2.2 安装及运行费用 分户供暖燃气采暖炉的投资约为

5 000 元,按 使用寿命

10 a 计,年折旧费为

500 元.每年度供暖 期使用水循环泵的耗电量为 374.4 kWh(按循环水 泵电机功率

130 W 计算) ,电费按 0.5 元/kWh,则 每年度供暖期电费为 187.2 元. 2.3 总费用 供暖期内的总费用为3072+500+187.2=

3 759.2 元,建筑物的供暖费用为 37.59 元/m2 . 2.4 经济分析 通过以上计算可知采用生物质气化分散式供 暖的费用为 37.59 元/m2 ,若不计算初装费,仅计算 燃气费和电费也需要 36.43 元/m2 . 文献[26]、 [27]分析了城市分散式燃气供暖的经 济性,文献中燃气分别为人工燃气和天然气,所得 结论与本文计算结果基本一致.研究结果表明采用 分散式燃气供暖,如果全天

24 h 保持同一设计温 度,每平方米的供暖费用要高于现在城市居民集中 供暖费用.北京市公用局科研所对城市使用天然气 分散式燃气采暖设备的采暖效果及经济性、设备的 安全性、系统供暖能力进行全面测试分析[28] .根据 测试中的燃气用量,按现有天然气价格 3.0 元/m3 , 电费 0.5 元/kWh 计算,每年度供暖期(120 d)内 天然气分散式供暖费用为 40.39 元/m2 .

3 生物质气化燃气分散式供暖环境效益分析 农民采用生物质气化燃气分散式供暖一方面大 大减少因生物质直接燃烧所产生的细小颗粒物的 排放,另一方面还可以减少因使用矿物燃料取暖所 产生的 CO2 排放.根据阴秀丽等在文献[29]中对生 第14 期 周卫红等:农村生物质气化燃气分散供暖经济和环境效益分析

215 物质不同途径利用过程CO2排放的分析可知采用生 物质气化燃烧锅炉供热的CO2的排放与燃煤锅炉相 比减少近 94%.则计算出每户每个供暖期........