产业报告2021丨农村乡镇清洁供暖：五、农村乡镇适用技术产品

第二篇 农村乡镇清洁供暖

五、农村乡镇适用技术产品

清洁取暖是指利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、工业余热、洁净煤（超低排放）和核能等清洁化能源，通过高效的能源系统实现低排放、低能耗的采暖。

生物质能源在农村的应用具有广泛的优势。电能是一种优质的能源，稳定、易获得，但使用成本较高。太阳能是理想的可再生能源，但供热取暖技术不同于太阳能热水，目前尚不成熟与稳定。生物质能在农村应用具有广阔的优越性。燃气壁挂炉、电取暖、余热回收技术也具有广阔的应用空间，如将它们相互结合，安全、稳定又能降低运行费用，将是一种较为理想的独立供暖形式。

地热调峰锅炉联合供热系统是一种典型的地热供热方式。地热供暖指利用地热资源，使用换热系统提取地热资源中的热量向用户供暖，可以作为集中或分布式热源使用。根据埋深和温度等级，地热供热可分为浅层地热资源、热液地热资源和干热岩地热资源。

太阳能采暖可分为被动采暖和主动采暖两种。实施太阳能供暖一般需要建筑满足节能设计标准才能确保室内舒适。被动式太阳能房是最典型的被动式太阳能采暖应用。被动式太阳能房需要综合设计集热、蓄热、配热、防过热。投资不高，效果明显。在保障供暖季舒适的同时避免非供暖季过热问题。

太阳能-生物质能联合供暖系统是将生物质燃料作为辅助热源，在光照充足时发挥太阳能的作用，太阳能集热器提供热量，生物质炉不运行。用辅助热源弥补在天气不好的时候集热器供热的不足，两者切换使用可降低运行成本，提高生物质炉具的使用寿命，克服了单独使用太阳能供暖的缺点，满足农村地区的冬季供暖需求。

2018年5月，习近平总书记在全国生态环境保护大会上指出，要强化生态环境领域的知识产权创造、保护、运用，大力推进节能环保、清洁生产和清洁能源产业发展，培育壮大新动能，为建设美丽中国提供更好支撑。积极推动相关专利技术的研发和应用，为促进知识产权绿色可持续发展贡献中国方案。

清洁供热行业企业和研究机构在专利技术方面的成果，体现着行业研发实力及创新水平提高，也是展现行业创新驱动发展能力的重要标志。为此，对市场需求量和保有量都比较大的高效清洁燃烧炉具领域的专利申请及授权情况进行了专题分析。

图2-11 生物质炉具专利聚焦关键词

图2-12 生物质炉具相关专利部分主要申请机构

以“生物质气化炉”等为关键词在中国知网检索相关专利，并对返回的一系列结果进行了分析。由图2-11可知，生物质炉具的主要专利主题包括：燃烧室、生物质气化炉、燃烧炉、气化炉、生物质燃烧、生物质气化和生物质锅炉。其中对燃烧室的专利数最多占比达到35.53%，生物质气化相关的专利包括生物质气化炉、气化炉和生物质气化累计占比达到36.26%。但是，在专利的总量、关键技术创新水平、专利技术对产业贡献度等方面仍需进一步提升。

由图2-12可知，生物质炉具的主要专利申请机构包括：广州市迪森热能技术股份有限公司、中国科学院广州能源研究所、清华大学、河南农业大学、东南大学、南京林业大学、华北电力大学、河南省科学院能源所、合肥市天焱绿色能源开发有限公司和华中科技大学。

我国现有民用炉具标准包括了相关的通用技术条件与测试方法。对于一系列不同类型的炉具，包括国家标准（表2-10）、行业标准（表2-11）和地方标准（表2-12）三个层级，以及一些自发形成的企业标准，形成了相对完整的技术标准体系。由于民用炉具的主要功能是炊事、取暖或二者兼有，其功能的差异导致各个标准有巨大差异，不同类型炉具的标准明显带有所针对炉具的特点。我国现行的标准体系依然是以行业标准为主，辅以少量国家标准和极具地方特色的地方标准。

表2-10 中国民用炉具国家标准

表2-11 中国民用炉具行业标准

表2-12 部分中国民用炉具地方标准

由于对取暖的需求暂未统一，国际上主要的固体燃料民用炉具标准或测试方法以炊事炉具为主。表2-13列出了国际上主要的炉具标准。

表2-13 部分国际民用炊事炉具标准及测试方法

德国、瑞典等国家率先制定了生物质成型燃料质量标准。1996年，德国颁布了DIN51731生物质颗粒和块（棒）燃料标准，将木材燃料分为五个等级。1999年，瑞典颁布了SS187120（颗粒燃料）和SS187121块（棒）燃料标准。奥地利还颁布了关于生物质颗粒和块状（棒）的ONORM M1735标准。为了统一成型燃料标准，2010年至2012年，欧盟提出建立一个共同的生物质成型燃料技术分类标准DIN EN 14961，分为6个分标准，包括：一般要求，非工业用木片、非工业用木柴、非工业木材成型燃料，非工业块状（棒）成型燃料，和非工业非木材成型燃料。美国生物质颗粒燃料研究所（PFI）已经制定了住宅/商用生物质成型燃料分类标准，主要针对木质颗粒燃料分为高级、标准和实用三个级别。

2014年，ISO/TC238技术委员会制定了ISO 17225-1~7系列标准，描述了燃料的来源和交易形式，明确了原材料的种类和分类，包括七个分标准：一般规则，木片、木质颗粒燃料、薪柴和非木质颗粒燃料、木质块（棒）状燃料和非木质块（棒）状燃料。2016年颁布了热处理后成型燃料质量ISO 17225-8分级标准。

质量认证体系的建立有效促进了木质颗粒燃料在欧洲乃至世界范围的流通。目前，ENplus、CANplus、DINplus等认证体系和美国PFI标准方案在欧美广泛应用。ENplus最初是由德国颗粒研究所（DEPI）于2010年设计的。ENPlus作为木质颗粒取暖市场的质量认证计划，目前由欧洲颗粒委员会管理，从产品收集、加工、生产、运输、储存到用户的整个供应链。CANplus通过加拿大木粒协会认证，本质上与ENplus基本相同。ENplus授权加拿大木质颗粒燃料协会颁发国家认证许可证。美国颗粒燃料研究所（PFI）于1995年提出了生物质成型燃料的质量分类标准。经过多次修订，已成为颗粒燃料质量认证的主要依据。美国PFI计划提供住宅和工业级木屑颗粒燃料规格。

1.生物质清洁燃烧取暖炉具

生物质取暖炉具有多种分类，根据使用情况可分烤火炉、水暖炉、生物质锅炉等；空气通过自由对流进入炉具，被称为自然通风炉。如果空气通过风扇供给，被称为强制通风炉；根据进料方式可分为批次进料型和连续进料型；根据燃烧形式可分为直燃炉、气化炉、半气化炉。根据实验室测量的排放量，半气化炉具已被证明是排放最低的固体生物质灶具。相对于传统炉具，强制进风半气化炉具可减少90％的CO和PM排放。

生物质燃料和煤炭相比主要具有含固定碳少、含氢量稍多、含氧量多、挥发分明显较多和密度小等特点。生物质燃烧过程分为预热干燥、挥发分析出与着火燃烧、固定碳燃烧、燃尽等4个阶段。当温度达到100℃左右时，生物质表面及颗粒缝隙的水逐渐蒸发出来，含水量越高，干燥过程所消耗的热量也就越多。干燥后的生物质颗粒燃料继续吸热升温，纤维素、半纤维素及木质素发生热分解反应，其中半纤维素在225～350℃分解，纤维素在325～375℃分解，木质素在310～400℃分解，析出的挥发分与氧气混合燃烧，燃烧的热量通过辐射、对流、热传导传递给内层燃料，使内层燃料的水分析出和挥发分析出燃烧。随着挥发分的减少，固定碳与氧气接触燃烧，燃烧产生的灰分把剩余的炭包裹，限制了其燃烧速度。生物质颗粒燃料的燃烧过程不是一个单一的过程，而是一个混合着气相燃烧、固相燃烧、气相与固相混合燃烧的复杂状态。取决于燃料的种类和操作条件,如燃料的粒度、燃烧温度、氧分压等条件，生物质燃料在含氧气氛中的转化燃烧路径属于燃料先热解为挥发分和固定碳，然后挥发分和固定碳燃烧或固定碳和挥发分的同时多相氧化燃烧产生相应的燃烧产物CO₂、CO、H₂O等这两种情况中的一种或介于两者之间。

单明等采用调研、实测和模拟相结合的方式,深入分析了燃气热水锅炉、生物质颗粒取暖炉、蓄热式电暖气、低温空气源热泵热水机、低温空气源热泵热风机、太阳能集热器+低温空气源热泵热水机耦合系统共计6种典型方案的经济性和排放性能，同时结合当地资源禀赋和用户使用特性等总结出不同技术方案的适用性。综合来看，生物质颗粒取暖炉及低温空气源热泵热风机在经济性上具有显著优势，且更加适用于农村的生活方式。农村生物质供暖模式可以分为两大方向：生物质清洁取暖炉具+生物质成型燃料的分户式供暖模式；生物质锅炉+生物质燃料为代表的区域集中供暖模式。

分户式生物质供暖采用生物质成型颗粒+专用炉具的方式，采用专用炉具适配恰当的生物质成型燃料进行取暖或炊事，炉具功率一般在5～20 kW，供热面积约在60～200m²。以单户为供暖单元，无供暖管网，无输配电能耗，建筑物不均匀损耗，规模小，运行成本较低，一般家庭基本能够承受，在北方农村地区具有较大的推广应用潜力。

生物质专用炉具（图2-13）主要包括生物质烤火炉和生物质水暖炉两种类型。户用生物质供暖系统一般由生物质炉具、管道、散热器组成。小型生物质取暖专用炉具主要包括给炉膛送料的送料系统、燃烧系统、提供空气的送风系统和自动控制系统等四个部分。在燃烧不同生物质燃料炉具热效率均高于75%，综合热效率高达79%。

生物质颗粒的直径一般为6~10mm，水分在6~10%，挥发分在70%~80%，发热量在17.55~18.08 MJ/kg，固定碳值在3%~11%，燃料纯度高，发热量大。罗娟等选择了8种典型的生物质颗粒燃料进行燃烧特性及污染物排放特性研究，对不同生物质颗粒燃料进行了特性分析。表2-14列出了8种典型的生物质颗粒燃料的特性，包括棉秆、麦秸、玉米秸、玉米秸（含添加剂）4种秸秆类颗粒燃料，落叶松、红松、混合木质（榆树、柳树、杨树、桃树和红松的混合物）3种木质颗粒燃料，以及1种木质与秸秆类的混合生物质颗粒燃料（木屑与花生壳混合, 质量比为1 ：4）。

北京、山东、河南和重庆的一些生物质炉具企业年生产能力超过3万台，生产速度持续增长，商品化程度逐渐增强，在炉膛、炉排、加料斗和烟道等的设计及材料选择、燃料复配、调节燃料供给及配风、提高空燃比及炉具可操控性等方面都获得成功。按照取暖炉具的自动化程度和功能的不同，不同地区各种设备价格之间存在着差异。生物质取暖炉具市场价格大部分集中在1000~2000元之间，但是自动化程度较高的炉具价格比普通生物质炉具贵，在3000~5000元之间，甚至更高。如果家庭加装3~4组暖气片，基础设施安装费用约需2000元。

图2-13 生物质炉具

表2-14 8种典型生物质颗粒燃料的工业分析、元素分析和发热量

使用生物质成型颗粒代替散煤及生物质散料具有非常明显的污染物减排效果。2016-2018年，山东滨州阳信县率先推广了“生物质成型颗粒+环保专用炉具”的新型供暖模式来替代原有的民用散煤取暖。张道明等通过实地测试的方式，研究了自动调节加料速度、进风量的水暖炉和重力自动填料、自然通风的烤火炉使用枣木和松木屑的混合成型燃料的环保效果，生物质成型颗粒取暖具有明显的PM2.5、SO₂和CO减排效果。2017年，黑龙江政府在全省选定60个村进行试点，建设60个村级生物质成型燃料厂，每个村投放民用生物质炉具300台，试点炉具共1.8万台。张文廷等以黑龙江省绥化市下属某生物质炉具推广村为例，对比研究了自动进料生物质炉具、手动进料生物质炉具燃烧生物质秸秆颗粒燃料和燃煤炉具燃烧散煤的全天24h排放特征，以及生物质炉具的减排效果，与燃煤炉具相比，自动和手动进料生物质炉具污染物PM2.5、CO、SO₂的排放因子分别降低41.2%、54.3%、40.0%和35.3%、22.1%、20.0%；手动进料生物质炉具排放的污染物CO、SO2、PM2.5减排率分别为19.38%、27.01%、33.41%；自动进料生物质炉具排放的污染物CO、SO₂、PM2.5减排率分别为52.77%、41.35%、39.79%。

生物质集中供暖是利用各种生物质原料和成型燃料提供热水的一种高效、高环保、节能的新一代供热方式。燃烧技术仍以直接燃烧为主，少数项目为气化燃烧，热水通过管道输送到农户的散热器或地暖。生物质锅炉使用的燃料是生物质颗粒，具有体积小、热能高等特点，且便于运输、储存和使用。生物质颗粒可替代煤炭，从而减少一次能源消耗。该模式运行简单，适合北方地区以“村”为单位进行集中供暖。采用专用锅炉清洁燃烧，通过集中管网供暖，锅炉热效率大于80%，比传统的燃煤锅炉效率高，能耗低。通过自动化技术升级改造，可实现生物质锅炉房的无人值守。生物质锅炉取暖主要分布在生物质资源丰富的区域。

山东省阳信县某农村的生物质锅炉集中供暖工程以当地剩余的农林废弃物为原料（玉米芯、梨树枝、树皮、棉材、花生壳等）加工生物质颗粒燃料，一天燃烧约20 t燃料，供暖规模约90户，室内温度20℃。通过生物质锅炉实现清洁燃烧，由管网将热水送入每家农户，与农户取暖设备暖气片、地暖、水空调等连接，组成一套完整的农村清洁取暖系统。房屋面积160m²的家庭，在冬季需要6组（250 mm×70 mm）暖气片。河北省邯郸市肥乡区辛安镇生物质集中供暖项目以农林废弃物为原料，利用燃气锅炉本体为热传导体，通过管网将取暖热水送入每家农户。该项目向107户居民供暖，年生物质实际总消耗量1440 t，取暖天数120天，平均室温18℃；生物质原料气化燃烧后产生的生物炭可用于医药、食品、水和空气的净化；污染物排放符合相关标准，粉尘含量≤ 20 mg/m³、二氧化硫≤ 630 mg/m³、氮氧化物≤ 150 mg/m³、林格曼黑度小于1，取得了良好的取暖效果和环保效果。

2.洁净煤清洁燃烧取暖炉具

我国民用生活散煤消费的重点区域为农村，包括城中村、城郊村和城乡结合部等；用于取暖、炊事和热水。治理农村炊事取暖污染，一要少烧煤、烧好煤，使用洁净煤或生物质成型燃料替代；二要靠炉具技术创新。民用炉具不可能像工业锅炉一样加装脱硫脱硝等设备，只能控制煤炭质量，首要任务是煤炭清洁高效利用。从我国能源禀赋、设施条件、居民习惯和温暖过冬需求看，“洁净煤”仍是现阶段农村清洁取暖最经济、最有效的措施之一，也是农民愿意用、用得起的清洁取暖方式。

推进“好炉好煤”计划的实施，是控制城市散装燃煤污染的重要措施。在我国农村地区，散装煤是冬季取暖的主要燃料，约占日常生活用煤的90％。但是，大多数农村地区的采暖设备技术相对落后，因为散装煤的燃烧不足会导致大量颗粒物，二氧化硫，氮氧化物等直接排放到大气中，从而造成巨大的能源浪费和能源浪费。加剧了环境污染。术语“好煤”是指清洁煤，例如清洁煤和兰炭。通过将煤粉，煤杂质和农作物秸秆混合，并加入节能减排增效剂，经挤压成型后制得。因其原料中添加了节能减排增效剂，可促进硫元素充分氧化后固化在炉灰中，同时减少CO的生成。兰炭是优质侏罗纪无黏性煤和弱黏性煤低温干馏的产物，其固定碳高、化学活性高，灰分、硫、磷等杂质含量低，是与优质无烟煤排放接近的清洁煤。“好炉”指经过技术改造后的高效节能炉具。好炉需要与对应燃料配套使用，如洁净型煤+解耦炉具等。我国北方多地已开展洁净型煤、兰炭等清洁煤及相关配套高效节能炉具的推广。

型煤生产以粉煤或兰炭粉为主体，加入黏结剂、固硫剂及助燃剂等添加剂,经科学调配、人工混合后，按用煤要求压制成型、干燥制成。原煤特性、选择添加剂、成型设备的选型、工艺调配等是清洁型煤生产技术的主要影响因素。

煤料在外界压力作用下压制成型的过程分为：装料、加压、成型、压溃、反弹五个阶段。有粘结剂冷压成型时，增加压力可使煤料与粘结剂之间粘结充分，使煤料颗粒结合紧密，使而型煤强度增大，持续提高成型压力，型煤的强度提高不明显。

研究表明，采用洁净煤代替散煤取暖，会取得一定的减排效果。一种燃烧稳定、热效率高、排放低和经济成本低的清洁供暖创新模式是生物质复合成型燃料（蜂窝状）配合专用炉具。方形蜂窝洁净型煤以兰炭沫、无烟煤和生物质等作为主要原料，固硫剂、粘合剂等作为添加剂，通过粉碎、搅拌、成型、烘干和包装等生产工序形成最终产品。配套炉具（图2-14）的燃烧方式是方形型煤横向反烧式的燃烧方式。按型煤在炉膛内从入口到出口成为灰渣是连续横向推移，设计成长方形炉体，炉体内衬耐火材料；炉体具有外水套和内部的热交换结构；配有填煤、送煤、清灰、二次配风、可调进风和炊事等装置。该技术是基于煤的高热值、生物质高挥发分和配料固硫，控制炉具温度有效抑制高温氮氧化物的产生、控制炉具配风比例和速度使燃烧清洁高效，充分融合了型煤、煤炭、生物质和燃烧技术的优点，实现燃料高效、稳定燃烧。经国家级机构检测，该项燃料-炉具适配方案在运行中的大气污染颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放均低于有关标准限值。创新的横向进料炉具结构和燃烧方式实现了稳定低排放清洁燃烧，通过示范应用，用户反馈良好。同时，在使用环节特型燃料与专用炉具也可确保用户无法使用散煤、有机垃圾及其他高排放物料，可实现主管部门所希望的隐形管控，有效保障治污成效。

图2-14 方形型煤配套炉具

陕西省对部分难以实现改电改气和集中供暖的区域，尤其是农村地区，政府采取了洁净煤替代散煤的方式保障居民冬季取暖。叶堃等测试了铜川传统和推广的改进烤火炉以及榆林地区传统的烤火炉和推广的改进水暖炉，推广的洁净煤分为型煤和兰炭2种，相比于散煤，兰炭和型煤在PM2.5和SO₂减排方面展现了非常好的效果，PM2.5的排放因子相较于散煤降低了64.9%、36.3%；SO₂的排放因子降低了54.2%和30.2%;在NO_x方面，优质型煤降低了30.7%的排放，劣质型煤增加了67.6%的排放，兰炭降低了56.2%的排放；CO方面，优质型煤降低了36%的排放，劣质型煤增加了40.1%的排放，兰炭在CO方面并无明显减排效果。张道明等在德州市乐陵市内的崔家楼村型煤推广示范点，选择型煤和传统的循环水取暖炉与优化了二次空气供应结构、增加了循环水泵的改进取暖炉测量了这两种组合的污染排放情况，相比于散煤，洁净型煤在PM2.5和SO₂减排方面取得了较好的效果。PM2.5的排放因子仅为烟煤的5.28%、3.7%，而SO₂的排放因子为烟煤的57.4%和76.2%。

3.生物质成型燃料加工技术

生物质成型燃料（图2-15）是指具有一定形状和密度的燃料，体积为生物质原料的1/8-1/6，密度为1.0-1.4 t/m3。生物质成型燃料的能量密度与中间软煤相同，近年来引起了广泛关注。根据形状，生物质成型燃料可分为颗粒（直径为5-12mm，长度为10-30mm的小圆柱），团块（正方形截面为30×30mm²和长度为30-80mm），空心杆（通常为六边形截面类型，直径为50-60mm，长度约为500mm，中心通孔为20mm）。生物质颗粒成型燃料水分在6~10%，挥发分在70%~80%，发热量在17.55~18.08 MJ/kg，固定碳值在3%~11%。与常规化石燃料煤相比，生物质挥发分含量高、固定碳含量低、灰分和硫分明显少。根据原料来源，致密的固体生物燃料可分为农业废物（例如玉米秸秆、大豆秸秆、棉秆、花生壳、稻壳）和林业废物（例如木屑）。

致密化固体生物燃料技术是生物质能转化和利用的主要发展方向之一。研究发现，与直接燃烧生物质相比，致密化固体生物燃料的燃烧性能提高了20%；生物质成型燃料的温室气体排放分别仅为燃煤的1/9和氮氧化物排放为1/5~1/10。由于燃烧过程中致密的生物质成型燃料与氧气的匹配性比原始生物质更好，因此不完全燃烧引起的热损失较低。

图2-15 生物质成型燃料

影响成型的关键因素是生物质原料的种类、粒度、含水量以及成型压力和加热温度。生物质成型过程包括以下几个阶段。预压阶段:粉碎后的生物质在一定的压力和温度下变软，体积减小，密度增加。成型阶段：生物质原料处于熔融状态，在压力下流动性增加，温度升至160–180℃。随着原料体积减少和密度增加，生物质颗粒发生塑性变形，填充在模具中。生物质原料在压力不断增加的情况下，按照挤出机的预期开始成型。保持阶段:随着成型腔内径变大，致密化固体生物燃料之间的内应力降低，温度下降，燃料开始冷却，致密化的固体生物燃料由于确定的腔室的存在和粘合剂的作用而逐渐形成形状，然后致密化的固体生物燃料从成型机中取出。

生物质成型技术是指在机械压力作用下，将没有一定形状、低密度的原料转化为可成型、高密度燃料的方法。根据工艺特点，成型工艺大致可分为四大类：热压成型工艺、常压成型工艺、常压恒温恒湿成型工艺、炭化成型工艺。目前，我国使用的生物质成型设备主要有环模辊成型机、平模成型机、滚压挤出成型机、机械活塞成型机、液压活塞成型机、螺旋热压成型机。

环模成型机采用环模和压辊为主要工作部件，主要由送料系统、搅拌回火系统、动力传动系统和成型系统组成，其相对于平模产量更高，为国内外最通用的机型。

平模颗粒成型机采用压模为带孔的水平圆盘，匹配压辊在其上旋转挤压物料进入模孔而成型。其工作原理是将粉碎秸秆物料经进料机构进入成型机，由摊平机构将物料摊平，然后在压辊的挤压作用下进入压模成型孔压制而成颗粒燃料，成型颗粒形状则有成型孔形状决定，成型颗粒挤出成长条状，则有切刀按需要尺寸切割成长度相对统一的颗粒。

活塞冲压式固体成型机原料从进料口进入，通过机械或者液压推动活塞压缩物料成型，间断性挤压，每次成型活塞移动的距离。螺旋挤压式固体成型机物料中添加粘结剂，在锥形螺旋输输送装置的挤压及输送条件下，直径不断变小，压力逐渐变大，密度增大，连续成型为棒状燃料。