劉聯(lián)勝，王冬計(jì)，段潤(rùn)澤

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300401）

0 引言

2015年前后，燃煤散燒是我國(guó)PM2.5和硫酸鹽的重要排放源之一，其排放量已占社會(huì)年平均排放量的25.7%和7.1%［1］。為遏制霧霾天氣發(fā)生，發(fā)改委、能源局在2017 年年底印發(fā)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》，以“煤改氣”“煤改電”為主要技術(shù)手段的農(nóng)村清潔供暖工程在京津冀及周邊地區(qū)試點(diǎn)推行，區(qū)域大氣環(huán)境和農(nóng)村室內(nèi)人居環(huán)境在一定程度上得到改善［2-3］。相對(duì)于燃煤（包括清潔煤）供暖而言，燃?xì)獗趻鞝t和空氣源熱泵等清潔供暖系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用顯著提高［3-5］。鑒于農(nóng)民的可支配收入較低，對(duì)農(nóng)村清潔供暖給予適度補(bǔ)貼是十分必要的［6-8］；不過，即使在享受價(jià)格補(bǔ)貼之后，農(nóng)村居民的采暖支出仍會(huì)有小幅增長(zhǎng)。由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡、農(nóng)村清潔供暖的技術(shù)路徑存在較大差異等原因，《中國(guó)散煤綜合治理調(diào)研報(bào)告2019》建議“中央財(cái)政補(bǔ)貼從按行政級(jí)別的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榘唇?jīng)濟(jì)水平分檔的固定產(chǎn)出補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，向經(jīng)濟(jì)困難地區(qū)傾斜”。

農(nóng)村地區(qū)推進(jìn)實(shí)施清潔供暖以來，經(jīng)歷了一個(gè)典型的“干中學(xué)（Learning by Doing）”過程，可惜目前仍未形成任何一種可遵循、可復(fù)制的成熟模式。國(guó)家能源局在2019 年7 月發(fā)布了《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過程中有關(guān)問題的通知》征求意見稿［9］，強(qiáng)調(diào)“因地制宜拓展多種清潔供暖方式，保障清潔供暖均衡發(fā)展。在農(nóng)村地區(qū)，重點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)能供暖，同時(shí)解決農(nóng)林廢棄物直接燃燒引起的環(huán)境問題”。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，2020 年可獲得資源量約為264 Mt 標(biāo)準(zhǔn)煤，生物質(zhì)供熱潛力達(dá)到130 Mt 標(biāo)準(zhǔn)煤（國(guó)家可再生能源中心數(shù)據(jù)）。但是，目前生物質(zhì)供暖面積在農(nóng)村清潔供暖總面積中所占比例僅為1%［6-7］，其主要原因是“生物質(zhì)燃料適配爐具”在技術(shù)上不過關(guān)［10］，絕大多數(shù)在售爐具難以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的清潔燃燒。

本文將重點(diǎn)圍繞農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)成型燃料清潔供暖所涉及的生物質(zhì)成型燃料、小型生物質(zhì)供暖爐具燃燒污染物排放特性，以及生物質(zhì)清潔供暖系統(tǒng)等開展綜述和分析，以期為農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)成型燃料低成本清潔供暖提供參考數(shù)據(jù)。

1 生物質(zhì)成型燃料及燃燒特性

國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型燃料主要分為顆粒燃料和壓塊燃料2 種，常見形狀示例如圖1 所示。相對(duì)而言，顆粒燃料形狀較為規(guī)整，尺度較小、密度較大；壓塊燃料直徑一般在25 mm 以上（塊狀或棒狀），長(zhǎng)度不一。2018 年，我國(guó)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)量約為18 Mt，目前尚未實(shí)現(xiàn)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007—2020 年）》要求的2020年年產(chǎn)50 Mt 的預(yù)期目標(biāo)；而成型燃料燃燒裝備技術(shù)成熟度低、污染物排放不達(dá)標(biāo)、推廣應(yīng)用不足等原因，是導(dǎo)致生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢的主要影響因素之一［11］。

圖1 生物質(zhì)成型燃料Fig.1 Biomass briquette fuel

生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)是一個(gè)高耗能過程，相對(duì)于壓塊燃料而言，顆粒燃料單機(jī)生產(chǎn)能力更低、能耗更高；產(chǎn)能1.5 t/h 的玉米秸稈壓塊生產(chǎn)線能耗為60～80 kW·h/t［12-13］，而產(chǎn)能0.5 t/h 的木質(zhì)顆粒生產(chǎn)線能耗高達(dá)120～180 kW·h/t［14-16］。物料含水率是影響生物質(zhì)成型產(chǎn)率和能耗的主要因素，將物料含水率控制在15%～20%之間可在一定程度上降低成型能耗［16-17］。另外，提高單機(jī)額定生產(chǎn)能力也有助于降低成型能耗，這也符合生物質(zhì)成型機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。

生物質(zhì)成型工藝和原料來源的差別，造成了終端產(chǎn)品生產(chǎn)成本和市場(chǎng)售價(jià)的巨大差異。秸稈壓塊燃料的生產(chǎn)成本約為350 元/t［18］，而木質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)成本則高達(dá)780 元/t［19］；相應(yīng)的，秸稈壓塊燃料的市場(chǎng)價(jià)格為500 元/t 左右，而木質(zhì)顆粒燃料的市場(chǎng)價(jià)格則始終維持在1 000 元/t以上。但是，木質(zhì)顆粒燃料低位熱值一般為16.5～17.6 MJ/kg，而秸稈壓塊燃料低位熱值比木質(zhì)顆粒燃料低20%左右，為13.5～16.3 MJ/kg［20-23］；從燃料角度來看，秸稈壓塊燃料的經(jīng)濟(jì)性要更好一些。

成型過程并未從本質(zhì)上改變生物質(zhì)的燃料和燃燒特性。生物質(zhì)燃料元素組成包括碳、氫、氧、氮、硫、水分和灰分，因植物類型、產(chǎn)地、生長(zhǎng)周期等不同，其所含成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所差異；相對(duì)于燃煤而言，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析結(jié)果與燃煤存在顯著差異，其揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于燃煤，在65%～80%之間；固定碳和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則遠(yuǎn)低于燃煤，分別在15%和10%左右［23-27］。生物質(zhì)——尤其是秸稈的灰熔點(diǎn)較低（1 198～1 213 ℃），灰分中鈉、鉀等堿金屬含量較高［21-22］，其燃燒、傳熱過程中易發(fā)生燃料層結(jié)焦和受熱面結(jié)渣等現(xiàn)象，在實(shí)際燃燒組織的過程中，應(yīng)控制燃料層和燃燒室溫度在較低范圍內(nèi)；生物質(zhì)/燃煤或不同生物質(zhì)燃料按照一定質(zhì)量比混燒，也有助于降低灰分熔融的可能性［20］。另外，秸稈成型燃料中氮、氯含量要高于木質(zhì)顆粒燃料，其燃燒產(chǎn)物中NO和HCl的體積分?jǐn)?shù)較高［23］；相對(duì)于生物質(zhì)粉末流化態(tài)燃燒而言，組織成型燃料層燃有助于降低顆粒物、NO和HCl排放［23］。

熱重分析法是目前研究生物質(zhì)燃料燃燒特性和燃燒反應(yīng)機(jī)理的常用方法，該方法基于空氣氣氛中微量（20～40 mg）樣品的TG（熱重法）、DTG（微商熱重分析）和DSC（差示掃描量熱法）曲線分析并獲得生物質(zhì)燃料的燃燒特性指數(shù)和反應(yīng)機(jī)理函數(shù)［28-33］。在20～40 ℃/min 的升溫速率下，生物質(zhì)樣品將隨溫度的提高依次經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分析出和燃燒、焦炭燃燒3 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)著DTG 曲線的3 個(gè)典型失重峰，如圖2所示；而DSC 曲線僅在揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒階段出現(xiàn)放熱峰，且揮發(fā)分的著火溫度較低（280～300 ℃），氣相燃燒反應(yīng)速率更高，熱釋放更加強(qiáng)烈；為了確保揮發(fā)分的完全燃燒，維持足夠大的空氣過剩系數(shù)十分必要［29］。在相同的升溫速率下，相對(duì)于木質(zhì)燃料而言，秸稈揮發(fā)分燃燒反應(yīng)的表觀活化能略微低一些，焦炭燃燒反應(yīng)的表觀活化能相近［26，31］。值得注意的是，熱重分析所獲得的顆粒燃料燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理與生物質(zhì)粉末并不一致，原因是該方法在分析致密顆粒或塊狀燃料熱失重過程時(shí)存在較大的熱滯后和傳熱不均現(xiàn)象［32］。

圖2 木質(zhì)顆粒和玉米秸稈的TG，DTG，DSC曲線（升溫速率為20 ℃/min）［26］Fig.2 TG，DTG，DSC curves of wood pellet and cornstalk fuel（heating rate=20 ℃/min）［26］

生物質(zhì)成型燃料的錐形量熱測(cè)試結(jié)果表明，其點(diǎn)燃時(shí)間一般在13～30 s之間，且燃料揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，點(diǎn)燃所需時(shí)間越短［34］。不同顆粒尺度的日本紫菀顆粒燃燒時(shí)內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。致密紫菀顆粒燃料著火后，反應(yīng)溫度將快速提高，但燃燒反應(yīng)持續(xù)時(shí)間僅有5～15 min，且顆粒尺度越小、燃燒持續(xù)時(shí)間越短［35］；這間接說明，連續(xù)穩(wěn)定地向爐內(nèi)輸送燃料，是提高成型燃料爐具燃燒穩(wěn)定性和持續(xù)性的關(guān)鍵要素。

圖3 不同顆粒尺度的日本紫菀顆粒燃燒時(shí)內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化情況（熱風(fēng)溫度873 K，風(fēng)速6.3 m/s）［35］Fig.3 Variation of internal temperature with time during combustion of Aster japonicus particles with different size（hot air temperature=873 K，wind speed=6.3 m/s）［35］

生物質(zhì)及生物質(zhì)成型燃料具有與其他化石燃料完全不同的燃料特性和燃燒特性，研發(fā)和推廣生物質(zhì)成型燃料適配爐具，才有可能使供暖裝備的粉塵、NOx等燃燒物的排放量滿足行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)。

2 生物質(zhì)成型燃料專用爐具研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的小型生物質(zhì)成型燃料供暖爐具主要包括顆粒燃料爐和壓塊爐2 種，均為固定床層燃。木質(zhì)顆粒燃料爐結(jié)構(gòu)如圖4 所示［36-37］，技術(shù)多來源于德國(guó)、奧地利等歐盟國(guó)家。利用螺旋送料機(jī)間歇輸送顆粒燃料入爐，并利用燃燒盤組織顆粒燃料的燃燒過程，其自動(dòng)化程度較高、燃燒穩(wěn)定性較好；目前奧地利KWB公司生產(chǎn)的木質(zhì)顆粒燃料爐已在山東陽(yáng)信示范應(yīng)用。相對(duì)而言，秸稈壓塊爐形式更加多樣化，但一般均未配備自動(dòng)送料裝置，或者以側(cè)置料箱+返燒方式來組織壓塊燃料的燃燒過程，或者以人工間歇填料方式來維持爐內(nèi)燃燒［38］，如圖5所示；夜間“封火”時(shí)，爐內(nèi)低溫缺氧導(dǎo)致的焦油、冷凝水排放超標(biāo)問題，是秸稈壓塊爐無法逾越的一道難關(guān)。河北省在2014—2017 年間曾計(jì)劃推廣應(yīng)用秸稈壓塊爐上百萬(wàn)臺(tái)/套［39］，但終因秸稈成型燃料爐具在技術(shù)上不過關(guān)等原因，無疾而終。

圖4 木質(zhì)顆粒燃料爐結(jié)構(gòu)［36］Fig.4 Structure of wood pellet fuel stove［36］

圖5 秸稈壓塊手燒爐［37］Fig.5 Manual stove with straw briquetting fuel［37］

2.1 顆粒燃料爐的燃燒排放特性

顆粒燃料爐的燃燒污染物排放特性主要取決于燃料特性、燃燒室結(jié)構(gòu)和工作條件等因素。木質(zhì)顆粒燃料爐粉塵排放的質(zhì)量濃度在34～240 mg/m3之間（額定功率6 kW，顆粒燃料直徑6～8 mm，低位熱值19 MJ/kg）［40］。負(fù)荷變化（煙氣中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)粉塵顆粒數(shù)量影響不大，如圖6 所示。但減小空氣系數(shù)將造成粉塵中大顆粒所占比例增加。在滿負(fù)荷情況下，爐內(nèi)燃燒狀況相對(duì)穩(wěn)定，粉塵排放的質(zhì)量濃度可穩(wěn)定在20 mg/m3左右，CO 質(zhì)量濃度小于78 mg/m3，木質(zhì)顆粒（氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%）產(chǎn)生的NOx的質(zhì)量濃度約為128 mg/m3（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為13.00%），而黑麥桿顆粒（氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.40%）產(chǎn)生的NOx的質(zhì)量濃度則高達(dá)466 mg/m3；低負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)燃燒反應(yīng)相對(duì)減弱，粉塵和NOx排放有所減少，但CO 質(zhì)量濃度有所提高［41］。生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的NOx以燃料型為主，隨著燃料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，煙氣中NOx的質(zhì)量濃度逐漸提高，但燃料型NOx轉(zhuǎn)化率逐漸降低，如圖7 所示［42］。分級(jí)送風(fēng)有助于強(qiáng)化揮發(fā)分和焦炭的燃燒、降低CO 排放，但燃料層溫度過高易導(dǎo)致灰分熔融，形成大尺度焦塊，如圖8所示［42］。

圖6 木質(zhì)顆粒燃料爐燃燒示意及粉塵排放特性［40］Fig.6 Combustion process and dust emission characteristics of the wood pellet fuel stove［40］

圖7 燃料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與單位熱量對(duì)應(yīng)的NO質(zhì)量、N的轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為9%）［42］Fig.7 Effect of the nitrogen mass fraction in fuel on the NO mass per unit of heat and N conversion rate（taking 9%as oxygen mass fraction's baseline）［42］

圖8 鷸草顆?；曳秩廴谒纬傻慕箟K（直徑120 mm）［42］Fig.8 Coking block formed by melted ash of Sandpiper particles'combustion（d=120 mm）［42］

人工加料木質(zhì)顆粒燃料爐的燃燒過程、煙氣中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及燃燒污染物排放特性均呈現(xiàn)周期性變化，其排放粉塵（PM10）的平均質(zhì)量濃度為130 mg/m3以上，CO 質(zhì)量濃度在1 331～2 948 mg/m3之間，遠(yuǎn)高于自動(dòng)運(yùn)行的顆粒燃料爐［40］。熱負(fù)荷和過量消耗系數(shù)對(duì)CO 和CH 排放的影響較為顯著，如圖9 所示，尤其是低負(fù)荷時(shí)，過少的燃料輸入、過大的空氣系數(shù)將導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒反應(yīng)溫度和反應(yīng)速率降低，排放的CO 和CH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高［41］。圖9 a 中T1，T2，T3分別為溫度傳感器測(cè)出的進(jìn)水溫度、出水溫度、煙氣溫度。手燒爐NOx排放的質(zhì)量濃度主要與燃料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，咖啡渣、油渣餅、黑小麥桿等氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的燃料燃燒產(chǎn)生NOx的質(zhì)量濃度均在450 mg/m3以上（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為13%）［40，42-46］。

圖9 松木顆粒試驗(yàn)爐結(jié)構(gòu)及其燃燒污染物排放特性［43］Fig.9 Structure of a pine particle experimental furnace and its pollutant emission characteristics［43］

2.2 秸稈壓塊燃料爐的燃燒排放特性

目前，燃用秸稈壓塊燃料的小型鍋爐多為人工操作雙層（或單層）爐排返燒爐，類似的爐膛結(jié)構(gòu)有利于揮發(fā)分的燃燒和燃盡；秸稈壓塊尺度、操作條件等是影響燃燒污染物排放特性的主要因素［47］。隨著玉米秸稈壓塊尺度的增大，雙膽反燒爐排放CO的體積分?jǐn)?shù)將從0.058%增大至0.130%，NOx的體積分?jǐn)?shù)則基本維持在0.65%左右［48］；壓塊燃料尺度過大，將導(dǎo)致燃燒效率、鍋爐熱效率及輸出功率降低［49］；玉米等農(nóng)作物秸稈壓塊燃料燃燒時(shí)，爐膛溫度過高易造成受熱面沉積玻璃狀飛灰［50］，如圖10所示。在小型燃燒爐內(nèi)，秸稈壓塊燃料燃燒產(chǎn)生的NOx的質(zhì)量濃度與燃料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接相關(guān)，處于150～255 mg/m3之間；但排放的CO 的質(zhì)量濃度較高，處于7 000～9 000 mg/m3之間（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為13%）；相對(duì)于秸稈原料直接燃燒來說，壓塊燃料燃燒所產(chǎn)生的粉塵和PM2.5顆粒較少［38，51］。

秸稈壓塊燃料的連續(xù)穩(wěn)定輸送，有助于提高爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性、降低污染物排放量。文獻(xiàn)［52-54］基于整體推飼、間歇送料原理設(shè)計(jì)了一種秸稈壓塊燃料送料機(jī)構(gòu)，燃料輸送量處于2.5～4.5 kg/h之間，對(duì)應(yīng)的爐具輸出熱負(fù)荷為8～15 kW，如圖11 所示。耦合分級(jí)送風(fēng)和煙氣再循環(huán)的供暖裝備燃燒玉米秸稈壓塊時(shí)排放粉塵的質(zhì)量濃度小于36 mg/m3，NOx質(zhì) 量 濃 度 為70～150 mg/m3，CO 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 小 于0.15%；燃用氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的花生殼壓塊時(shí)，NOx排放的質(zhì)量濃度略有提高。

圖10 甘蔗渣、稻草、芒草壓塊及麥秸壓塊燃燒照片［51］Fig.10 Combustion of fuel made of bagasse，straw and miscanthus and wheat straw briquette［51］

圖11 具有自動(dòng)送料功能的秸稈壓塊采暖爐結(jié)構(gòu)［54］Fig.11 Structure of the straw briquette heating stove with an automatic feeding device［54］

2.3 關(guān)于生物質(zhì)成型燃料專用爐具的建議

根據(jù)前文所述國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料排放特性的研究結(jié)果來看，無論是源于歐盟的小型顆粒燃料爐，還是國(guó)內(nèi)自行開發(fā)的小型秸稈壓塊爐，其排放的NOx質(zhì)量濃度均難以滿足《民用生物質(zhì)固體成型燃料采暖爐具通用技術(shù)條件》（NB/T 34006—2011）所規(guī)定的“≤150 mg/m3（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為9%）”的排放限值。

對(duì)于額定功率小于50 kW的小型生物質(zhì)成型燃料爐具而言，利用自動(dòng)送料裝置穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒工況［40］、采用分級(jí)配風(fēng)促進(jìn)揮發(fā)分和固定碳的燃燒與燃盡［44］、通過合理布置受熱面降低燃料層和爐膛溫度、在煙道出口布置迷宮分離器捕集飛灰［54］等措施，可將粉塵、CO 和CH 排放量控制在較低范圍內(nèi)，并弱化燃料層結(jié)焦、受熱面積灰結(jié)渣等現(xiàn)象。但是，生物質(zhì)成型燃料燃燒所產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx，當(dāng)生物質(zhì)中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%時(shí)，燃料氮向燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率高達(dá)30%～90%；大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，生物質(zhì)成型燃料燃燒所排放的NOx要高于燃油和天然氣，如圖12 所示［55］。因此，以降低熱力型NOx為目標(biāo)的空氣分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)，在小型生物質(zhì)爐具中并不一定能夠獲得良好的NOx減排效果，反而會(huì)造成系統(tǒng)電耗提高、CO 排放量增大；而通過提高風(fēng)速來縮短氧的停留時(shí)間，勢(shì)必會(huì)造成過量空氣系數(shù)顯著增大、爐膛溫度大幅降低，這對(duì)于小型燃燒室來說也是不可取的。

圖12 燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率及生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)NOx的排放情況（氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為13%）［55］Fig.12 Conversion rate of NOx from fuel combustion and NOx emission from biomass combustion（taking 13%as oxygen mass fraction's baseline）［55］

鑒于我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖的迫切需要，考慮我國(guó)農(nóng)林廢棄物的實(shí)際燃料特性（氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%［33］）和小型生物質(zhì)燃燒裝備現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況，適度放寬小型生物質(zhì)爐具NOx排放質(zhì)量濃度限值十分必要（若氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為9%，建議NOx排放質(zhì)量濃度限值為300 mg/m3；若氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)為13%，建議NOx排放質(zhì)量濃度限值為200 mg/m3）。

生物質(zhì)燃料在低溫缺氧情況下會(huì)產(chǎn)生氣相和固相多環(huán)芳香烴（PAHs），煙氣中PAHs 的平均質(zhì)量濃度約494 μg/m3，遠(yuǎn)高于正常燃燒時(shí)的265 μg/m3［56-57］。因此，對(duì)于生物質(zhì)成型燃料專用爐具而言，采用自動(dòng)送料裝置維持爐內(nèi)穩(wěn)定的燃燒工況、避免封火悶燒是十分必要的。

3 農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2017—2018 年間，河南鶴壁市和山東陽(yáng)信縣通過鼓勵(lì)地方企業(yè)利用當(dāng)?shù)剞r(nóng)林廢棄物生產(chǎn)和供應(yīng)顆粒燃料，并利用補(bǔ)貼60%燃料購(gòu)置成本的地方政策，初步形成了農(nóng)村生物質(zhì)顆粒燃料清潔供暖的“鶴壁模式”和“陽(yáng)信模式”；但同時(shí)也暴露出農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖過程中依然存在專用爐具排放不達(dá)標(biāo)、專業(yè)運(yùn)營(yíng)管理隊(duì)伍缺失、商業(yè)模式不明晰等問題［58-59］。

農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)清潔供暖是一個(gè)系統(tǒng)工程，既涉及燃料成型設(shè)備、清潔供暖裝備等技術(shù)問題，也涉及原料流轉(zhuǎn)、燃料流通等商業(yè)問題，同時(shí)還涉及設(shè)備運(yùn)行管理、污染物排放監(jiān)測(cè)、設(shè)備維護(hù)維修服務(wù)等管理問題。在不考慮資源稟賦、交通運(yùn)輸?shù)韧獠織l件影響的前提下，成型燃料分戶供暖具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值系數(shù)［60］；但在成型燃料清潔供暖實(shí)際工程中，生物質(zhì)資源稟賦、原料運(yùn)輸和儲(chǔ)存、成型工藝等初始或邊界條件，對(duì)分戶供暖燃料成本具有相當(dāng)顯著的影響，“一村一廠”小規(guī)模生產(chǎn)成型燃料并用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶供暖，具有更大的靈活性和可行性［61-63］。

在生物質(zhì)清潔供暖過程中，農(nóng)民群體既是實(shí)施主體，也是實(shí)施對(duì)象；同時(shí)，在成型燃料生產(chǎn)和消費(fèi)過程中，農(nóng)民群體與成型企業(yè)之間形成了雙向的消費(fèi)-供應(yīng)關(guān)系［64］。因此，農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖的可持續(xù)發(fā)展，在很大程度上取決于農(nóng)民群體能否在生物質(zhì)清潔供暖實(shí)施過程中獲得應(yīng)有的利益或收益。文獻(xiàn)［64-65］利用全生命周期分析法獲得了生物質(zhì)成型燃料低成本生產(chǎn)的最佳收集半徑，并基于農(nóng)民心理行為學(xué)提出了“互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)域能源服務(wù)站”秸稈壓塊燃料清潔供暖模式，以代加工、置換、抵扣、代銷等形式為農(nóng)戶供應(yīng)成型燃料，從而使農(nóng)戶供暖成本降低至10 元/m2以下，為農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖提供了一種可復(fù)制的商業(yè)模式。

就發(fā)展形勢(shì)來看，農(nóng)村生物質(zhì)低成本清潔供暖仍是一個(gè)新生事物，目前以政府主導(dǎo)、農(nóng)戶被動(dòng)接受的發(fā)展模式為主，最終將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)主導(dǎo)、地方政府發(fā)揮監(jiān)督和指導(dǎo)作用的發(fā)展模式。因此，生物質(zhì)成型機(jī)械生產(chǎn)廠家應(yīng)繼續(xù)完善和優(yōu)化生產(chǎn)工藝和設(shè)備，以進(jìn)一步降低成型能耗和成本；成型燃料適配爐具生產(chǎn)廠家應(yīng)進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)投入，以降低燃燒污染物排放、提高爐具熱效率、擴(kuò)大爐具燃料適應(yīng)性、提高自動(dòng)化水平；而區(qū)域能源服務(wù)站則應(yīng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建分散供暖裝備的集中管理平臺(tái)、生物質(zhì)原料和燃料供應(yīng)信息共享平臺(tái)，以增加透明度、加強(qiáng)互信、提高燃料生產(chǎn)供應(yīng)和供暖服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)服務(wù)站與農(nóng)戶的共贏。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)清潔供暖（尤其是成型燃料分戶供暖）所涉及的成型燃料燃燒特性、適配爐具燃燒污染物排放特性，以及生物質(zhì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，主要結(jié)論如下。

（1）生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)分含量較高、固定碳含量較低，其著火性能優(yōu)良，但燃燒周期較短，低溫缺氧燃燒時(shí)易產(chǎn)生PAHs 等有害物質(zhì)。相對(duì)于顆粒燃料而言，壓塊燃料具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）自動(dòng)運(yùn)行和手燒生物質(zhì)顆粒爐的燃燒污染物排放特性主要受燃料特性、燃燒室結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件等影響，其NOx排放與顆粒燃料含氮量相關(guān)，顆粒燃料含氮量越高，NOx排放量越大。對(duì)于生物質(zhì)壓塊爐具而言，采用自動(dòng)送料裝置有助于穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒過程、降低燃燒污染物排放。

（3）生物質(zhì)成型燃料燃燒所產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx，常規(guī)的空氣分級(jí)、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)并不適用于小型生物質(zhì)爐具；建議適度放寬生物質(zhì)成型燃料適配爐具的NOx排放限值。

（4）農(nóng)村生物質(zhì)清潔供暖是一個(gè)系統(tǒng)工程，基于地方生物質(zhì)資源稟賦和供暖需求，構(gòu)建區(qū)域能源服務(wù)站，以代加工等形式為農(nóng)戶提供成型燃料供應(yīng)服務(wù)，將有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)低成本清潔供暖。