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)
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。
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。
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)。
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
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。
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
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。
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
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。
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。