产业报告2021丨供热技术路线的经济适用性评价：一、供热技术经济适用性评价之生物质供热

第四篇 供热技术路线的经济适用性评价

一、供热技术经济适用性评价

3.不同供热方式评价

（1）生物质供热

生物质供热技术包括直接燃烧供热技术和间接供热技术。直接燃烧技术是指将生物质燃料直接进入生物质锅炉或者炉具燃烧，产生热水或者蒸汽，进入循环系统进行供热。间接供热技术主要是指将生物质原料转化为气体燃料，然后进入锅炉或者炉具燃烧，产生热水或者蒸汽再进行供热。直接燃烧供热技术包括生物质锅炉供热、生物质热电联产、生物质炉具供热等，间接供热技术包括生物质气化供热、沼气供热等。生物质供热适用于北方冬季取暖区和粮棉主产省（区），即辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、河北、河南、湖北、山东、江苏、安徽、江西、四川、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆等19个省（区）以及新疆生产建设兵团、黑龙江农垦。重点以东北区域和华北区域及周边地区为主。

①生物质锅炉供热技术

生物质锅炉供热技术指以成型的或者破碎的生物质燃料作为燃料，进入专用的生物质锅炉，产生蒸汽或热水进行供热，锅炉容量通常介于1~40吨/小时。截止到2020年，全国有500多家生物质锅炉企业，其中包括光大环保、杭州锅炉集团股份有限公司、无锡华光锅炉股份有限公司、华西能源工业股份有限公司、济南锅炉集团有限公司、郑州锅炉股份有限公司等。锅炉技术主要有水冷振动炉排锅炉、链条往复式炉排炉、联合炉排炉、循环流化床锅炉等。

在生物质锅炉供热技术中，水冷振动炉排锅炉和循环流化床锅炉技术应用较多；循环流化床锅炉拥有自主知识产权，解决了生物质不易完全燃烧和容易结渣等问题。随着燃烧技术进步，各锅炉厂研发的生物质锅炉运行稳定性不断提高，锅炉热效率进一步提升。国内锅炉设备厂家已具备生物质电厂锅炉及其配套设备的生产能力，在各种秸秆的掺烧方面也优于国外设备。采用国产锅炉设备可比选用国外同类型设备减少投资，大幅度降低工程单位造价，在设备运输、安装及运行维护检修等方面也有诸多优势；目前国内的生物质供热工程主要选用国产化锅炉设备。

a.生物质成型燃料锅炉供热技术

供热原理。生物质成型燃料供热技术是技术成熟可靠，在全球各地应用广泛，尤其是在丹麦、挪威、芬兰、瑞典等北欧国家，应用案例众多。生物质成型燃料供热系统核心组成部分为燃料供应系统、燃烧系统和供热系统。图4-1为生物质成型燃料供热系统示意图。生物质成型燃料送入锅炉燃烧，释放出大量热量，加热锅炉给水，通过热交换实现供热，燃烧生成的烟气经过除尘后排入大气。

图4-1 生物质成型燃料供热流程示意图

生物质固体成型燃料（BMF）是应用农林废弃物（如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等）作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制备成各种成型（如颗粒状）的可直接燃烧的一种新型清洁燃料。

生物质致密成型主要分制粒成型和压块成型两大类型。制粒成型是指把生物质压缩成圆柱状的生物质小段，其直径一般是≤25毫米，长度一般不超过其直径的5倍；制粒大部分用于木屑原料的压制，其颗粒直径在4~12毫米之间，以6毫米和8毫米居多。压块成型是指把生物质压综成方形、圆柱形或其它形状的产品，其截面尺寸应>25毫米，长度一般不超过其截面尺寸的5倍；压块大部分用于农作物秸秆的压制，一般截面形状为方形的以尺寸30×30毫米的居多，圆柱状的以直径尺寸25~80毫米不等。

生物质锅炉是生物质供热的核心设备，根据燃烧系统的不同，生物质锅炉可分为层燃锅炉、流化床锅炉、悬浮燃烧锅炉，不同燃烧技术的特点和适用领域见表4-1。生物质种类繁杂，应根据不同种类的生物质燃料的燃烧特性，选择不同的锅炉。对于干燥的、呈颗粒状的或粉状的燃料，宜采用悬浮燃烧锅炉，最好是与层燃炉结合燃烧。块状、潮湿生物质宜采用往复炉排炉燃烧。这两种燃烧技术目前都已经比较成熟，燃用成本也相对较低。颗粒状潮湿生物质的燃烧，宜优先采用循环流化床锅炉。

表4-1 不同燃烧技术的优缺点和适用领域总结

技术经济性。依据各类燃料价格，就生物质成型燃料供热与燃煤、燃油、电锅炉等经济性进行对比分析（如表4-2）。生物质成型燃料价格各地不同，南方地区主要使用以林业剩余物为主加工的生物质颗粒燃料，价格在1000元/吨左右；北方地区部分使用以秸秆为原料加工的生物质压块燃料，价格为550~850元/吨。成型颗粒燃料价格以900元/吨计，成型压块燃料价格以600元/吨计，单位供热成本分别为66.4元/吉焦和56.7元/吉焦，低于天然气、燃料油、商业用电的供热价格；在煤炭价格较低的情况下，燃煤锅炉供热的成本更低，约为51元/吉焦。随着清洁供暖需求的提高，燃煤锅炉供热受到限制，生物质成型燃料供热将成为燃煤供热的有益补充。

表4-2 生物质成型燃料供热与其他热源供热经济性比较

发展现状。生物质成型颗粒燃料生产技术成熟，在清洁能源需求较高地区，生物质锅炉采暖已有众多项目建设运营，多用于学校、医院、商场等采暖，也用于为生产企业供蒸汽。截至2019年底，全国生物质成型燃料供热年利用量约1800万吨，其中集中供热项目约1300个，供热面积约9000万平方米。

技术特点。一是属于分布式能源，原料就地取材，就地利用，避免原料和供热介质的长距离运输，节省成本，提高热量利用效率。规模可大可小，布局分散，运行灵活，能满足不同热力用户的需求。二是技术成熟可靠，在全国有多个应用案例，无论是从技术本身还是从运行管理上，都具有大量的实践经验，适合于在农村地区应用。三是污染排放少，生物质锅炉燃烧二氧化硫浓度低于天然气，氮氧化物浓度低于燃煤锅炉，烟气经过除尘之后，其烟尘浓度可达到清油锅炉排放标准，可解决秸秆、林业废弃物露天焚烧烧排放大量碳黑、挥发性有机物的大气污染问题。四是属于低碳技术，生物质能被认为是碳中性燃料，生物质锅炉供热替代化石能源，可以有效降低化石燃料供热带来的温室气体排放。

适用区域。生物质成型燃料采暖可在北方冬季取暖区和粮棉主产省（区）推广清洁能源利用，即辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、河北、河南、湖北、湖南、山东、江苏、安徽、江西、四川、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆等19个省（区）以及新疆生产建设兵团、黑龙江农垦。重点以东北区域和华北区域及周边地区为主。生物质燃料供热在工业市场应用领域主要包括造纸、食品饮料、医药化工、纺织、印染、五金机械等。

b.秸秆打捆直燃集中供暖技术

技术原理。秸秆打捆直燃集中供暖技术路线和秸秆直燃锅炉系统原理结构如图4-2和图4-3所示。

图4-2 秸秆打捆直燃集中供暖技术路线图

图4-3 秸秆直燃锅炉系统原理结构图

采用北方清洁能源专业合作社供应原料，收集半径为20千米。原料打成方包或者圆包（如图4-4），由合作社统一送到秸秆用户。通过合作社，不仅保证了原料的稳定性和质量，同时合作社可以实现盈利，提供当地就业机会。

图4-4 打成圆包和方包的秸秆

2020年，秸秆直燃锅炉热效率可达到80%以上，与同等吨位的燃煤锅炉相当。该类锅炉属于常压锅炉，不存在爆炸隐患。由于秸秆含硫量低，燃烧后对炉体和排烟系统腐蚀性小，该类锅炉寿命可达20年左右。秸秆打捆直燃锅炉基本分为连续进料和间歇进料两种类型。

连续进料型锅炉主要以小方捆、大圆捆为燃料，采取自动持续填料燃烧方式。炉内强制干燥，对水分、土含量要求较低，含水量35%以下和含土量35%以下的捆状秸秆都可以直接燃烧。该类锅炉具有破焦炉排，焦油可在炉内动态燃烧，排渣方便稳定。采用湍球塔双极除尘脱氮，大气污染物含量低。缺点是较费人力、电力。

间歇进料型锅炉以大圆捆为燃料，采取间歇进料、间歇性燃烧（可二次气化燃烧）、持续供暖的方式，填料一次可燃用3-4h，并根据气温日进料3-4次。该类锅炉由水箱温度自动控制进风量,从而实现对燃烧速度的控制。当水箱温度达到设定值以后进风停止，处于闷炉状态；当水箱温度下降到一定数值后，自动开启风洞调节阀，燃料再次燃烧。该类锅炉人力成本较连续进料型低，但供暖面积有局限性；燃料多元化，燃用林业三剩物、农业三剩物、可拾性垃圾均可；对燃料含水率要求在20%以下。

技术特点。在生物质锅炉成型燃料供热的基础上，采用秸秆打捆直燃，绕开了秸秆成型环节，节省了成本，提高了项目的经济性。秸秆打捆直燃锅炉的运行，需要提供稳定的燃料保障，由于农村合作社有运输的拖拉机和运输车辆，无需另外购置秸秆运输车辆，只需单一购买打包设备。降低了参与门槛，大量农民、合作社都可以参与到秸秆综合利用中来，同时可以降低合作社的投资成本，使合作社农民闲期间，通过秸秆收集与运输带来效益，就近解决能源，就近就业，增加农民收入；使秸秆从废弃物转变低成本能源，助力精准扶贫，又可带来一系列的社会和经济效益。

技术经济性。以铁岭县新台子镇秸秆打捆直燃集中供暖试点为例，安装1台10吨位连续进料专用锅炉，供暖面积为7.3万平方米。其经济性对比见表4-3。

表4-3 新台子镇秸秆打捆直燃供暖与燃煤供暖成本对比

从表4-3可以看出，供暖周期内，燃煤锅炉供暖总成本比秸秆打捆直燃供暖高16万元。项目供暖面积为7.3万平方米，则燃煤锅炉供热约为20元/平方米，秸秆打捆直燃供热系统的供热成本约为18元/平方米，比燃煤锅炉供热低10%，具有较好的经济性。

发展现状。以辽宁铁岭众缘环保设备制造有限公司为代表的一些企业通过技术进步，实现了秸秆打捆直燃技术的商业化。以辽宁省昌图县三江口镇三江村为例，该村有7个村民小组，1134户2889人。耕地面积8500亩，主要种玉米、水稻、花生，年产秸秆近2500吨。三江村1月份日均最低气温-18℃，采暖从当年11月至次年3月，共150天。未集中供暖前，农户户均取暖用煤4吨多。为解决秸秆处理和冬季农户清洁取暖问题，村里安装了2台6蒸吨的秸秆打捆直燃锅炉，为集中居住的660户农户及中心小学、镇政府等集中供暖。一个采暖季利用秸秆6984吨，解决了三江村及周边村秸秆乱堆乱放的问题，让村庄环境变得干净整洁。同时替代3492吨标准煤，减排CO2 8705吨标准煤、SO2 36.18吨标准煤、颗粒物52.8吨标准煤。农户普遍反映，供暖稳定、室内非常舒适，与过去燃煤相比没有了煤烟味，满意度达到100%。

截至2019年，东北各省区农村能源系统探索了以秸秆打捆直燃集中供暖和秸秆成型燃料清洁供暖为主的秸秆清洁供暖技术模式，形成了一批示范点。其中，现已建成秸秆成型燃料加工站（点）477个，年产成型燃料399万吨，推广生物质炉具124.5万台，利用秸秆498.8万吨；推广秸秆打捆直燃集中供暖锅炉51台，总吨位数91吨，供热面积达到34万平方米，利用秸秆取暖2.3万吨。另外，直接燃用近3800万吨。利用秸秆取暖折合替代2100多万吨标准煤，与燃煤相比，减排SO2 17.85万吨标准煤、CO2 5590万吨标准煤。

适用范围。北方冬季取暖区和粮棉主产省（区）推广清洁能源利用，即辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、河北、河南、湖北、湖南、山东、江苏、安徽、江西、四川、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆等19个省（区）以及新疆生产建设兵团、黑龙江农垦。重点以东北区域和华北区域及周边地区为主。

②生物质热电联产技术

技术原理。生物质热电联产供热技术根据能源梯级利用原理，先将燃料发电，再将发电余热用于供热。对外供热的蒸汽源是抽汽式汽轮机调整抽汽或背压式汽轮机排汽；压力通常为0.78~1.28兆帕和0.12~0.25兆帕两个等级，前者用于工业生产后者用于居民采暖。生物质直接燃烧热电联产系统流程原理上与燃煤热电联产供热类似。首先，生物质原料运送至电厂，经破碎、分选等预处理之后，放到原料存储仓库，通常要准备5~7天的生物质燃料；然后由皮带将生物质燃料送入生物质锅炉燃烧，通过锅炉换热将生物质燃烧后的热能转化为蒸汽，推动蒸汽轮机转动，带动发电机组转动发电，汽轮机排汽通过换热器冷凝后，送入水处理装置。生物质燃烧后的灰渣落入除灰装置，由输灰机送到灰坑处置。烟气经过烟气处理系统之后排入大气。工艺流程如图4-5所示。

图4-5 生物质热电联产系统工艺流程图

技术特点。直接燃烧生物质热电联产系统与燃煤热电联产系统相比，增加了生物质准备工场、生物质处理设备(干燥器、筛选机和研磨机等)、捕集大颗粒粉尘的旋风分离器、处理细微粒的囊式集尘室、干式筛分系统、氮氧化物排放量控制装置以及其它控制设备。其供热特点有：一是与煤电热电联产技术类似，技术成熟稳定可靠；二是供热所用热量来自于发电之后的乏汽，系统的运行效率较高；三是技术应用受到生物质原料供应和热力用户分布的影响较大。生物质热电联产技术发展趋势是：原料的适应性增强；能源效率进一步提高，综合能源效率达到85%；回水温度进一步降低，可至50℃。

技术经济性。生物质热电联产供热与其他热源供热的经济性如表4-4。采用天然气供热和柴油供热的成本分别为90～115元/吉焦和90～120元/吉焦，采用燃煤供热（蒸发能力在35吨/小时以下的中小型燃煤锅炉）成本约为60元/吉焦左右，生物质热电联产的供热成本略低于燃煤锅炉供热成本，约50元/吉焦。从经济性分析，生物质热电联产的供热价格竞争力好于天然气和燃油供热，相对于燃煤锅炉供热，生物质热电联产供热的主要优势在于清洁性和环保性等综合社会环境效益。在大气污染防治和清洁能源大力推进的形势下，生物质热电联产供热优势明显。

表4-4 生物质热电联产供热与其他热源供热经济性比较

发展现状。根据国家能源局《关于促进生物质能供热发展的指导意见》（发改能源〔2017〕2123号），到2020年，生物质热电联产装机容量超过1200万千瓦。受燃料收集范围所限，生物质电厂一般选择中小型机组，单机容量通常为9~25MW。我国生物质电厂发展过程中，依次采用了中温中压、次高温次高压、高温高压和高温超高压机组。高温高压机组凭借较高的经济性和可靠性逐渐成为生物质电厂的首选，并向高温超高压机组升级。我国中小型汽轮发电机生产企业较多，生产能力完全可以满足国内需求。生产企业向国际先进的能源装备制造企业看齐，设计开发了新型进、排汽结构、高效汽封结构及调节控制系统等一系列先进结构和技术，抽凝技术日益成熟，汽轮机整机效率和性能显著提高，汽耗明显降低，能源综合利用率达到了较高水平，可达到降低成本，满足节能减排的要求。

适用区域。北方冬季取暖区和粮棉主产省（区）推广清洁能源利用，即辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、河北、河南、湖北、湖南、山东、江苏、安徽、江西、四川、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆等19个省（区）以及新疆生产建设兵团、黑龙江农垦。气候过渡带地区。

③生物质炉具供热技术

技术原理。生物质炉具种类较多，包括：生物质炊事炉具、生物质水暖炉具、生物质炊事水暖炉具、生物质烤火炉具、生物质炊事烤火炉具、生物质大灶、生物质进炕炉、小型生物质锅炉、其它多功能生物质炉具等。这里仅以上燃式半气化炉具说明其技术原理。该炉具属于节能炉具范畴，采用二次配风系统，利用缺氧功效加热反应转换过程产生气化，使生物质燃料通过高温裂解后产生氧化反应，生产一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体，在二次配风的作用下，可燃气体进一步燃烧，提高了燃烧效率。另外，可以对炉膛与锅炉底部的间隙尺寸进行优化设计，找到炉膛及炉膛与锅炉底部的最佳配合尺寸，延长高温烟气在炉膛里的停留时间，防止燃烧的火焰直接排放到烟道中，从而减少热损失，提高热效率。具体过程可以见图4-6。

图4-6 上燃式半气化燃烧炉具原理示意图

技术特点。一是可以实现智能化一键式操作，采用微电脑控制，自动投料、点火、控温和除灰，无需人工调节及操作。二是使用简易方便。安装简便，常压运行，接排气管到室外通电即可使用，快速简单。三是适用范围广，产品适用于南方和北方等各种气候条件。四是安全可靠，无辐射。五是炊暖兼备，可采暖，也可提供热水，满足冬季用热水洗澡、洗菜、洗衣服用水。缺水时点火、投料（料斗无料）出现问题会自动报警，在无燃料的情况下会自动停机。

技术经济性。根据调研情况，农村居民使用生物质炉具清洁取暖改造成本约为1000元，比煤改气和煤改电的改造成本分别低35%、4%，分别节省约5000元、300元；生物质采暖炉供热成本约为45-50元/平方米，运行成本分别大约比煤改气和煤改电降低50%、50%，分别节省约2100元、2050元。

发展现状。采用专用炉具，适配恰当的生物质成型燃料进行采暖或炊事，炉具功率一般在5~20千瓦，供热面积约在60~200平方米。2005年以来，生物质炉具企业生产规模不断扩大。北京、山东、河南、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。研发力度不断加大，许多燃煤炉具企业也在研发生物质炉具，技术快速发展。在炉膛、炉排、加料斗、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。2019年，我国生物质炉具产销量为50万台，不仅能满足国内市场需求，还远销海外。2005—2009年，我国炉灶领域代表和专家先后受邀在美国、印度、印度尼西亚、泰国、乌干达等国家参加多次生物质能源国际会议，介绍我国生物质炉灶技术和发展，促进了国际交流与合作。

从2017年开始，山东省生阳信县大力推广生物质清洁供热，生物质成型燃料炉具供热是重要措施之一。截至2019年，阳信县累计完成生物质清洁取暖改造4.7万多户；构建了“农户就地收集、企业就近加工、全域就地使用”阳信模式，初步建立生物质清洁取暖和电代煤、气代煤等多能互补的清洁取暖县域示范点。从2011年开始，辽宁省开始推广生物质炉具，截至2017年，利用节能炊事采暖示范村和农村能源综合试点项目共推广生物质成型燃料炊事采暖炉+高效预制组装架空炕8.96万户，其中约6000户带水暖空调，逐步探索了适合辽宁省气候特点的户用北方农村清洁采暖模式。

适用范围。生物质资源丰富的地区。