叢宏斌，姚宗路，趙立欣※，孟海波，霍麗麗，袁艷文，任雅薇，劉廣華，劉圣勇

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京 100125；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125；3. 承德市本特生態(tài)能源技術(shù)有限公司，承德 067000；4. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州450002）

0 引 言

中國北方地區(qū)清潔取暖比例低，特別是部分地區(qū)冬季大量使用散煤，大氣污染物排放量大，迫切需要推進清潔取暖[1-2]。這事關(guān)北方地區(qū)廣大群眾溫暖過冬，事關(guān)霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容[3]。截至2016年底，中國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206 億m3，其中，農(nóng)村建筑取暖面積65 億m3[4]。取暖用能主要包括煤炭、天然氣、電能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱等，其中，燃煤取暖約占取暖總面積的83%，年消耗煤炭4億t標準煤左右，其中散燒煤（含低效小鍋爐用煤）2 億t標準煤，主要分布在農(nóng)村地區(qū)。農(nóng)村地區(qū)散煤使用總量大、時間集中、排放分散，無凈化措施，污染物排放嚴重[5-6]。

中國農(nóng)作物秸稈豐富，理論資源量超過9億t，仍有2億t左右未得到有效利用[7]。鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖通過就地收集原料、就地加工轉(zhuǎn)化、就近消費，構(gòu)建鄉(xiāng)村分布式清潔供暖體系，既可減少農(nóng)村秸稈露天焚燒，又可提供清潔熱力，在終端消費環(huán)節(jié)直接替代燃煤，有很大的發(fā)展空間[8-11]。多年來，中國秸稈供暖技術(shù)以成型燃料鍋爐供暖為主[12]，秸稈發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)型已形成了社會共識，另外，熱解聯(lián)產(chǎn)、捆燒鍋爐等多元化的秸稈供暖技術(shù)體系正在形成。近年來，針對熱解、氣化、成型燃料等秸稈供暖技術(shù)，相關(guān)學(xué)者開展了應(yīng)用模式與效益評價方面的研究[8,13-14]，取得了重要成果，但在不同供暖技術(shù)模式的對比研究與定量分析方面，鮮見研究報道。

在深入調(diào)研和歸納總結(jié)現(xiàn)階段中國秸稈清潔供暖技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本研究旨在梳理具有較好應(yīng)用前景的鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖典型模式，建立其功能評價指標體系，并采用價值工程原理和層次分析法等，對不同模式的技術(shù)經(jīng)濟性進行評價，以期為北方地區(qū)秸稈清潔供暖技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用推廣提供借鑒。

1 價值工程原理及評價方法

1.1 價值工程原理

價值工程（value engineering，VE）由美國通用電氣公司工程師邁爾斯提出，是指以產(chǎn)品功能分析為核心，力求用最低的壽命周期成本實現(xiàn)產(chǎn)品的必備功能，從而提高價值的一種有組織、有計劃的創(chuàng)造性活動和科學(xué)管理方法[15-17]。其目的在于尋求產(chǎn)品技術(shù)和經(jīng)濟之間的平衡或以最低成本實現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能。

根據(jù)價值工程的原理，評價秸稈清潔供暖的技術(shù)經(jīng)濟性，要兼顧技術(shù)上先進和經(jīng)濟上合理，即探索以最低的成本實現(xiàn)秸稈清潔供暖的功能要求，本研究基于這一思路，對秸稈清潔供暖典型技術(shù)模式做出科學(xué)合理的評價。

1.2 評價模型與方法

利用價值工程原理，采用以下基本步驟對秸稈清潔供暖技術(shù)模式進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

1）確定各方案的成本系數(shù)

在相同供暖規(guī)模等條件下，由相關(guān)專家確定各方案的建設(shè)成本，累計相加得出總成本，再將各成本除以總成本，即得到各方案的成本系數(shù)，計算公式為[15]

式中Ci為方案i的成本系數(shù)；ci為方案i的供暖成本；m為方案個數(shù)。

2）確定功能評價各指標權(quán)重系數(shù)

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一種定性和定量分析結(jié)合實現(xiàn)定量決策的分析方法。本研究采用該方法計算功能評價指標體系中準則層與指標層權(quán)重。

②求最大特征根對應(yīng)的特征向量，歸一化處理后即為指標的權(quán)重向量。

③矩陣若能通過一致性檢驗，說明權(quán)重向量有效，否則，重新構(gòu)造判斷矩陣。

3）組織專家對各技術(shù)模式對應(yīng)的功能指標進行打分，求各指標平均分，并根據(jù)權(quán)重求各技術(shù)模式的功能得分fi。

式中fij為方案i中因素j的分值；lij為方案 i中因素j的權(quán)重。

功能系數(shù)計算方法如式（3）所示

式中Fi為方案i的功能系數(shù)。

4）計算各技術(shù)模式的價值系數(shù)，價值系數(shù)越大，模式的技術(shù)經(jīng)濟性越優(yōu)，計算方法如式（4）所示

式中Vi為方案i的價值系數(shù)。

1.3 功能指標體系

根據(jù)秸稈清潔供暖的功能要求，其功能指標體系從用戶體驗、過程清潔和資源節(jié)約等 3個方面考慮。評價指標作為評價技術(shù)模式的基本標準，遵循科學(xué)性、客觀性和可比性的原則[18-19]。結(jié)合實際工程資料，參照國內(nèi)相關(guān)標準規(guī)范，并在征詢行業(yè)內(nèi)有關(guān)專家意見的基礎(chǔ)上，建立了秸稈清潔供暖功能評價指標體系。

如圖1所示，第1層為目標層，第2層為準則層，第 3層為指標層。其中，用戶體驗方面主要考查用戶使用的舒適性與便利性，過程清潔考查生產(chǎn)、貯運和使用過程的清潔性，資源節(jié)約主要包括能源轉(zhuǎn)化效率、占地、節(jié)水與節(jié)材指標。

圖1 鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖功能評價指標體系Fig.1 Functional evaluation index system of straw clean heating in rural area

2 鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖技術(shù)與模式

2.1 秸稈清潔供暖技術(shù)

近年來，中國秸稈供暖技術(shù)主要以成型燃料鍋爐供暖為主，在政府組織的成型燃料鍋爐供熱示范項目建設(shè)推動下，全國生物質(zhì)能供熱為主的縣級城鎮(zhèn)已超過 100個，成型燃料年利用量約800萬t[12]。秸稈發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)型也形成了社會共識，熱電聯(lián)產(chǎn)是根據(jù)能源梯級利用原理，將發(fā)電后的低品位熱能用于供熱的先進能源利用形式。生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)能源利用效率比單純發(fā)電可提高 20%以上[20-22]。熱解聯(lián)產(chǎn)供熱也是秸稈綜合利用的重要途徑之一，符合秸稈資源化、能源化綜合利用理念，能夠進一步提升秸稈資源開發(fā)綜合效益，具有良好的推廣應(yīng)用前景[8,23-25]。

秸稈供暖技術(shù)布局靈活，適用范圍廣，尤其適合在秸稈資源豐富的鄉(xiāng)村建設(shè)分布式清潔供暖工程。中國成型燃料、熱電聯(lián)產(chǎn)、熱解聯(lián)產(chǎn)、捆燒鍋爐、沼氣和氣化等多元化的秸稈供暖技術(shù)體系正在形成。在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，本研究以技術(shù)相對成熟的熱電聯(lián)產(chǎn)、成型燃料、熱解聯(lián)產(chǎn)和捆燒鍋爐等供暖技術(shù)為例，分析秸稈供暖技術(shù)模式，并對其技術(shù)經(jīng)濟性進行評價。

2.2 鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖模式

秸稈熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖技術(shù)模式如圖 2所示。利用汽輪機發(fā)電機組的余熱生產(chǎn)熱水，熱水通過管網(wǎng)輸送至附近鄉(xiāng)村供暖。該技術(shù)模式實現(xiàn)了發(fā)電與供熱聯(lián)產(chǎn)，并通過能量的梯級利用，使能源利用效率大幅提高，具有很好的推廣應(yīng)用前景。熱電聯(lián)產(chǎn)項目投資規(guī)模相對較大，且在適宜的收購半徑內(nèi)應(yīng)具有充足秸稈資源，供暖的鄉(xiāng)村群應(yīng)比較集中，因此，只適宜較大區(qū)域范圍內(nèi)的聯(lián)村集中供暖。

圖2 秸稈熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)模式Fig.2 Central heating model of straw combined heat and power

秸稈成型燃料鍋爐供暖技術(shù)模式如圖 3所示。秸稈經(jīng)粉碎和擠壓成型后，生產(chǎn)顆粒和壓塊 2類成型燃料，顆粒燃料生產(chǎn)成本相對較高，但便于運輸和鍋爐自動上料，一般用于戶用供暖更為合適。壓塊燃料就地用于鄉(xiāng)村集中供暖比顆粒燃料成本低。成型燃料供暖模式具有機動、靈活的特點，幾乎不受地域和自然條件限制，具有廣泛的適用性，但成型燃料加工能耗相對大，生產(chǎn)成本較高。

圖3 秸稈成型燃料供暖技術(shù)模式Fig.3 Heating model of straw briquette fuel

秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)供暖技術(shù)模式如圖 4所示。秸稈經(jīng)粉碎熱解炭化后，生產(chǎn)熱解氣和熱解炭，高溫?zé)峤鈿饣赜萌紵a(chǎn)生的熱風(fēng)作為熱解熱源，剩余燃氣用于生產(chǎn)生活熱水。熱解炭混配成型后生產(chǎn)熱解型炭，型炭可用于鄉(xiāng)村單戶或集中供暖。熱解型炭生產(chǎn)成本低，燃燒效果好，污染物排放少，是一種高品質(zhì)的供暖燃料。秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)供暖技術(shù)經(jīng)熱解與成型二級工序，其生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜。

秸稈捆燒鍋爐供暖技術(shù)模式如圖 5所示。秸稈打捆后采用捆燒熱水鍋爐直接供暖。捆燒層燃鍋爐一般用于單戶供暖，鏈條式大中型捆燒鍋爐一般用于集中供暖。該技術(shù)模式工藝最為簡單，中間環(huán)節(jié)少，成本相對較低，但煙氣不宜直排，要經(jīng)過專門的煙氣凈化系統(tǒng)處理達標后排放。

圖4 秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)供暖技術(shù)模式Fig.4 Heating model of straw pyrolysis cogeneration

圖5 秸稈捆燒鍋爐供暖技術(shù)模式Fig.5 Heating model of strawbundle-fired boiler

3 鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖技術(shù)經(jīng)濟評價

3.1 情景設(shè)定

鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖技術(shù)推廣應(yīng)用受鄉(xiāng)村規(guī)模、秸稈資源稟賦、自然地理、經(jīng)濟社會發(fā)展水平等多種因素制約[26-27]，為便于對比分析不同模式的技術(shù)經(jīng)濟性，本研究對各技術(shù)模式清潔供暖情景作如下界定：1）供暖對象為400戶的“集聚提升類”的自然村[28]，居住相對集中；2）各典型模式均以國內(nèi)最新技術(shù)水平，對相應(yīng)工程建設(shè)進行技術(shù)經(jīng)濟分析；3）本研究不考慮秸稈資源、交通運輸、經(jīng)濟社會發(fā)展水平等外部條件影響；4）目前大多數(shù)生物質(zhì)發(fā)電廠的裝機容量在25 MW左右，因此以25 MW左右的熱電聯(lián)產(chǎn)項目為例，其中供暖成本按自然村均攤。

3.2 功能系數(shù)、成本系數(shù)和價值系數(shù)

根據(jù)1.2節(jié)所述評價方法，邀請能源（6人）、環(huán)保（3人）、工程建設(shè)（6人）等方面資深專家及公司負責(zé)人，對功能指標中的各層元素分別進行重要性比較，構(gòu)建判斷矩陣。準則層判斷矩陣如式（5）所示

求權(quán)重向量并進行歸一化處理，歸一化處理后的準則層權(quán)重向量為

經(jīng)計算判斷矩陣的最大特征值為λmax=3.01，經(jīng)檢驗，判斷矩陣一致性指標可以接受（CI＜0.1）。

指標層權(quán)重向量計算方法與準則層類似，構(gòu)造的判斷矩陣分別如式（7）、（8）、（9）所示。

求權(quán)重向量并進行歸一化處理，歸一化處理后的指標層權(quán)重向量為經(jīng)檢驗，判斷矩陣一致性指標可以接受（CI＜0.1）。因此，由式（6）、（10）－（12）可知，功能評價指標向量為：

W=(0.11, 0.08, 0.13, 0.05, 0.20, 0.16, 0.10, 0.07, 0.04, 0.06)（13）

2.2節(jié)中對應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料單戶供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)單戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、捆燒鍋爐單戶供暖等 7種典型模式，邀請能源、環(huán)保、工程建設(shè)等方面的15位專家打分（10分制），取其平均值，得到打分矩陣S如式（14）所示。

在不同技術(shù)模式對應(yīng)工程的成本核算方面，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖工程費用為原有生物質(zhì)發(fā)電廠改造為熱電聯(lián)產(chǎn)項目的追加成本。此處，對于集中供暖模式，由于供暖管網(wǎng)屬農(nóng)村公共基礎(chǔ)設(shè)施，投資估算時由政府公共財政承擔60%。根據(jù)公式（1）－（4），7種典型模式對應(yīng)的成本系數(shù)、功能系數(shù)、價值系數(shù)如表 1所示，其中，價值系數(shù)是技術(shù)經(jīng)濟性的評價指標。熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)分戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)集中供暖、成型燃料分戶供暖、捆燒鍋爐分戶供暖和成型燃料集中供暖對應(yīng)的價值系數(shù)依次為1.062、1.050、1.005、0.990、0.973、0.965、0.956。

表1 秸稈清潔供暖技術(shù)價值工程相關(guān)系數(shù)匯總表Table 1 Correlation coefficient of value engineering analysis for straw clean heating

3.3 評價結(jié)果與討論

從各技術(shù)的價值系數(shù)看，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)分戶供暖與捆燒鍋爐集中供暖等表現(xiàn)出相對較好的技術(shù)經(jīng)濟性。在“相對缺熱不缺電”的大背景下，秸稈發(fā)電亟需從直燃發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變[29-31]，2018年1月國家能源局下發(fā)了《關(guān)于開展“百個城鎮(zhèn)”生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項目建設(shè)的通知》，對當前生物質(zhì)能利用方式由單純發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)和供熱方向轉(zhuǎn)變進行了頂層設(shè)計，強調(diào)建立生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱模式，為治理鄉(xiāng)村供暖替代散煤開辟新路子。

秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)技術(shù)尤其適合以自然村或新型農(nóng)村社區(qū)為單位的集中或分散供暖，2018年12月，國家三部門下發(fā)了《關(guān)于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設(shè)的指導(dǎo)意見》，明確指出根據(jù)各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點和清潔能源需求，立足秸稈資源稟賦與社會經(jīng)濟發(fā)展水平，在北方冬季取暖地區(qū)和糧棉主產(chǎn)?。▍^(qū)）以縣為單位規(guī)劃實施秸稈熱解清潔能源利用工程。秸稈捆燒技術(shù)經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，因工藝簡單、使用成本低[32]，在秸稈清潔供暖方面表現(xiàn)出一定的技術(shù)優(yōu)勢，適宜于農(nóng)村分戶、聯(lián)戶或集中供暖。

秸稈發(fā)電項目規(guī)模一般較大，裝機容量從十幾到幾十兆瓦，項目建設(shè)一方面對秸稈資源量有一定要求，收購半徑內(nèi)秸稈資源要充足，另一方面，改造為熱電聯(lián)產(chǎn)項目時終端取暖用戶要適度規(guī)模，因此，技術(shù)應(yīng)用條件相對苛刻。成型燃料、捆燒鍋爐和熱解聯(lián)產(chǎn)項目，一般以自然村或農(nóng)村社區(qū)為單位，依托本地秸稈資源可投資建設(shè)，普適性相對較好。本研究從用戶體驗、過程清潔和資源節(jié)約等秸稈轉(zhuǎn)化和使用環(huán)節(jié)，采用價值工程原理，定量分析了典型技術(shù)模式的經(jīng)濟性，對技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用推廣具有指導(dǎo)意義。由于本研究未考慮各地千差萬別資源稟賦、社會經(jīng)濟發(fā)展水平等外部條件，而這些條件也是技術(shù)適應(yīng)性分析的關(guān)鍵要素，因此，具體技術(shù)模式選擇時，應(yīng)在考慮原料供應(yīng)、產(chǎn)品市場、以及地方經(jīng)濟、社會、人文、氣候等外部條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究技術(shù)經(jīng)濟性分析結(jié)論，進行統(tǒng)籌考慮，對備選技術(shù)方案的可行性進行系統(tǒng)評估。另外，下一步研究中，可將外部條件設(shè)定為若干特定情境，然后系統(tǒng)分析各情境下典型技術(shù)模式的適應(yīng)性，以期能夠更好地指導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用。

4 結(jié) 論

1）在深入調(diào)研和歸納總結(jié)現(xiàn)階段秸稈清潔供暖技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了具有較好應(yīng)用前景的鄉(xiāng)村秸稈清潔供暖典型模式，分別是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖、成型燃料集中供暖、成型燃料單戶供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)單戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、捆燒鍋爐單戶供暖等。建立了秸稈清潔供暖功能評價指標體系，為秸稈清潔供暖技術(shù)經(jīng)濟評價提供了依據(jù)。

2）采用價值工程原理和層次分析法，對7種典型模式的技術(shù)經(jīng)濟性進行了評價。研究結(jié)果表明，在不考慮資源稟賦、交通運輸、自然地理和經(jīng)濟社會發(fā)展水平等外部條件的情況下，熱電聯(lián)產(chǎn)供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)分戶供暖、捆燒鍋爐集中供暖、熱解聯(lián)產(chǎn)集中供暖、成型燃料分戶供暖、成型燃料集中供暖和捆燒鍋爐分戶供暖對應(yīng)的價值系數(shù)依次為 1.062、1.050、1.005、0.990、0.973、0.965、0.956。

3）熱電聯(lián)產(chǎn)、熱解聯(lián)產(chǎn)對秸稈清潔供暖表現(xiàn)出相對較好的技術(shù)經(jīng)濟性，秸稈從直燃發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變是一次歷史性變革，但受資源與終端市場制約，熱電聯(lián)產(chǎn)項目建設(shè)條件相對苛刻，而熱解聯(lián)產(chǎn)和捆燒鍋爐等供暖技術(shù)一般以自然村和農(nóng)村社區(qū)為單位，依托本地秸稈資源即可建立分布式供暖系統(tǒng)。該研為指導(dǎo)秸稈鄉(xiāng)村供暖技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣提供了重要借鑒。