农村秸秆能源化利用适宜性评价探索

2022-09-21 16:46:08 来源:写作指导

农村秸秆能源化利用适宜性评价探索

摘要:秸秆能源的清洁利用对治理雾霾、发展可再生能源意义重大。河北省秸秆资源丰富,掌握农村地区的能源需求和秸秆资源分布是充分、合理利用秸秆资源的前提。本文在河北省农村地区进行实地调查,结合统计资料,获取农村家庭生活用能和秸秆资源分布等特征,对各类秸秆能源化利用技术的资源适宜性进行分区评价。河北省各地区的秸秆能源化利用区域适宜性评价结果表明:衡水中部、邢台中部等地区适宜性非常高,适宜发展秸秆固化户燃和干馏气化的利用方式;石家庄东部、衡水北部等地区适宜性较高,适宜发展秸秆固化户燃的利用方式,同时也可以考虑秸秆干馏气化;保定东部、石家庄中部等地区的适宜性一般,适宜发展秸秆固化户燃的利用方式;唐山中部、秦皇岛南部等地区适宜性较低,可以考虑发展秸秆固化户燃的利用方式;张家口北部、承德北部等地区适宜性非常低,暂不适宜推行秸秆能源化利用技术。-河北省大气污染严重,2020 年全省平均雾霾日 16 天,部分地区超过 50 天,因此亟须在农村地区通过替代供暖散煤、杜绝秸秆露天焚烧等措施改善大气质量。河北省是一个农业大省,粮食年产量排名全国第五位,丰富的秸秆资源用则为利,弃则为害。此外,河北省农村人口达 5829.24 万人,位居全国第四位,但农村地区普遍缺乏清洁供暖等基础设施。针对这些情况,河北省发改委在《河北省秸秆综合利用实施方案(2021-2023 年)》中指出,要着力增加秸秆能源化利用。由此可见,在河北省农村地区发展秸秆能源化利用是重要且有必要的。然而,河北省各地区农业人口和不同农作物秸秆资源情况差异较大。因此,对各类秸秆能源化利用技术在河北省农村地区的区域资源适宜性进行评价,是河北省农村地区充分、合理利用秸秆资源的必要前提条件。本文在河北省农村地区进行实地调查,结合统计资料,获取农村家庭生活用能和秸秆资源分布等特征,对各类秸秆能源化利用技术的资源适宜性进行分区评价。

1. 河北省农村家庭生活能源需求分析

通过对河北省农村家庭的抽样问卷调查,得到家庭能源的种类以及各类能源的年消耗量。本文以各样本家庭的人均年炊事有效热的平均值作为河北省各地区农村居民炊事能源需求指标,计算公式如公式(1)所示。各样本家庭的单位建筑面积年供暖有效热的平均值分别作为河北省各地区农村居民供暖能源需求指标,计算公式如公式(2)所示。其中农村主要生活能源的热值及热效率参考现有研究。    式中,ht——样本家庭的单位面积年供暖有效热(kgce/(m2•a));mt,i——供暖能源年消耗量(kg/a);a——住宅建筑面积(m2);hc——人均年炊事有效热(kgce/(人•a));mc,i——第 i 种炊事能源年消耗量(kg/a);νi——某种能源的热值(kgce/kg);ηi——某种能源的热效率;n——家庭人口(人)。基于生活能源需求模型,得到农村居民供暖、炊事能源需求,如公式(3)公式(4)所示。式中,Ht、Hc——研究区域的供暖、炊事有效热需求(kgce/a);ht——研究地区供暖能源需求指标(kgce/(m2•a));hc——该地区炊事能源需求指标(kgce/(人•a));N——该地区农村人口(人);a——该地区人均住房面积(m2/ 人)。根据公式(1)~(4)得到各调查地区的家庭生活能源需求,部分结果如表 1 所示。根据表 1 可以看出:(1)河北省各地区农村居民的供暖能源需求差异较大。其中需求量最大的为 21.69×106 kgce/a,位于承德市隆化县;最小的为 3.15×106 kgce/a,位于衡水市桃城县;中位值为 10.46×106 kgce/a,与石家庄市赵县、秦皇岛市昌黎县等地最为接近。(2)河北省农村居民的炊事能源需求差异明显。其中需求量最大的为 10.46×106 kgce/a,位于石家庄市赵县;最小的为 0.42×106 kgce/a,位于衡水市桃城县;中位值为 1.20×106 kgce/a,与廊坊市霸州市、沧州市盐山县等地最为接近。(3)河北省各区县供暖能源需求分布总体呈现“南低北高”的规律;炊事能源需求较高的地区集中在唐山和张家口,炊事能源需求较低的地区集中在邢台、邯郸、保定 3 个地区。

2. 河北省农村秸秆能源化可用量评估

某种秸秆的能源化可用量,表示该种秸秆可以作为能源使用的资源量,即秸秆年总产量中去除用于肥料化、饲料化、基料化、原料化后的剩余量。其中,用于饲料化的秸秆资源大多转化成动物粪便,用于还田,因此将其包含用于肥料化的秸秆资源内。用于肥料化的秸秆资源不宜过多或过少,因此使用单位面积最小适宜还田量来计算秸秆肥料化的资源量。此外,河北省秸秆基料化和原料化的比例不足 5%,可忽略不计。本文以各样本家庭的人均年能源化可用量的平均值作为河北省各地区农村居民秸秆能源化可用量指标值,如公式(5)所示。某地区农村的秸秆能源化可用量可按公式(6)计算:式中,r——样本家庭的人均年秸秆能源化可用量(kg/(人•a));j——农作物秸秆的种类,j=1,2,……J;Yj——第 j 种农作物的年产量(kg/a);sj——第 j 种农作物秸秆的草谷比(指秸秆产量与粮食产量的比率);Fj——第j 种秸秆所对应作物的种植面积(hm2);δj——第 j 种秸秆的年最小适宜还田量(kg/(hm2•a));n——家庭人口(人);R——研究地区年秸秆能源化可用量(kg/a);N——该地区农村居民人口(人)。河北省各地级市农村人口和农作物产量参考《河北农村统计年鉴》中的统计数据。主要农作物的草谷比和最小适宜还田量参考已有研究。根据公式(5)~(6)得到各调查地区的秸秆能源化可用量,部分结果如表 2 所示。根据表 2 可以看出:(1)秸秆能源化可用量最大的为 637.65×106 kg/a,位于邢台市宁晋县;最小的为 0.41 ×106 kg/a,位于张家口市张北县;中位值为 119.53 ×106 kg/a,与廊坊市固安县等地的秸秆能源化可用量最为接近。(2)河北省各地区秸秆能源化可用量分布不均,资源最丰富的地区在石家庄东部和衡水南部,资源最贫瘠的地区在张家口和承德的最北部。

3. 河北省农村地区秸秆能源化利用区域适宜性评价

3.1 秸秆能源化供应能力

秸秆能源化利用区域适宜性评价以“秸秆能源化供应能力”为评价指标,即某区域可用作能源的秸秆量与生活用能所需秸秆量的比值。其定义式如公式(7)所示。式中,ϕ——某种秸秆能源化利用方式供应能力;R——秸秆能源化可用量(kg/a);S——生活用能所需的秸秆量(kg/a)。某种生活用能的秸秆年需求量为该种有效热需求与对应的有效热供应率之比。本文只考虑供暖和炊事的用能需求,因此各类生活用能所需的秸秆量如公式(8)所示。式中,Ht、Hc——研究区域的供暖、炊事有效热需求(kgce/a);kcr—— 秸 秆 原 料 利 用 系 数(kg/kg 或 m3/kg);ν——产品燃料的热值(kgce/kg 或 kgce/m3);η——用能设备的热效率。综上所述,某种秸秆能源化利用方式的供应能力如公式(9)所示。公式中固化户燃、干馏气化、锅炉直燃三种技术的原料利用系数和热效率通过已有研究获得。

3.2 河北省秸秆能源化利用适宜性区划

通过公式(9)计算得到河北省各农村地区的供应能力,如图 1 所示。根据图 1,可做出如下分析: (1)秸秆固化户燃技术供应能力最高,除秦皇岛和廊坊地区外,其余各地级市均大于 0.3,表明该技术可以满足河北省大部分地区农村居民 30% 以上的生活能源需求。秸秆固化户燃技术在石家庄、邯郸、邢台、衡水的供应能力大于 0.5,表明该技术可以满足这 4 个地区农村居民 50% 以上的生活能源需求。因此,可以在河北省农村地区发展秸秆固化户燃技术,在充分利用秸秆资源的同时满足农村居民更多的生活能源需求。(2)秸秆干馏气化供应能力最低,河北省有 8 个地区根据图 1 的结果,可按照表 3 所示的标准将河北省各地区划分为不适宜区(I)、较不适宜区(II)、一般适宜区(III)、较适宜区(IV)、适宜区(V)。利用 Arc GIS 的空间差值分析得到河北省秸秆能源化利用适宜性区划图,如图 2 所示。小于 0.2,所有地区均小于 0.4,表明该技术在河北省大部分地区仅能供应农村居民不足 20% 的生活能源需求。但秸秆干馏气化生产出很多副产品,在实现秸秆资源综合利用的同时增加经济效益。(3)秸秆分户直燃方式的供应能力低于固化户燃,但高于干馏气化。石家庄、邯郸、邢台、张家口、衡水这 5 个地区的供应能力达到 0.3 以上,表明该技术可以满足这 5 个地区农村居民 30% 以上的生活能源需求。然而,分户直燃方式存在污染大、燃烧效率低、使用性能差等缺陷,不适宜在农村地区推广应用,因此有必要采用秸秆能源化利用技术替代秸秆分户直燃。根据图 2 可做出如下分析:(1)适宜区(V)包括衡水中部、邢台中部等地区,可以实行秸秆固化户燃或者干馏气化的利用方式,使用固化户燃可至少满足 50% 以上的生活能源需求,使用干馏气化可满足 30% 以上的生活能源需求。(2)较适宜区(IV)包括石家庄东部、衡水北部等地区,优先推行秸秆固化户燃。使用固化户燃可至少满足 50% 以上的生活能源需求。(3)一般适宜区(III)包括保定东部、石家庄中部等地区,使用秸秆固化户燃可满足 40%~50% 的生活能源需求,可以实行秸秆固化户燃技术。(4)较不适宜区(II)包括唐山中部、秦皇岛南部等地区,使用秸秆固化户燃可满足 30%~40% 的生活能源需求,可以考虑实行秸秆固化户燃技术。(5)不适宜区(I)包括张家口北部、承德北部等地区,这些地区各类秸秆能源供应方式的供应能力都比较小,暂不适宜推行秸秆能源化利用。

4. 结语

河北省秸秆资源较为丰富,农村生活用能需求很大,具有发展秸秆能源化利用的基础条件。本文以河北省农村地区为研究区域,对农村家庭生活用能和秸秆资源情况展开调查,分析得到河北农村家庭生活用能和秸秆资源特征,进而提出秸秆能源化供应能力,并以此为评价指标对河北省各区县进行秸秆能源化利用区域适宜性评价。本文的主要研究结论如下:(1)河北省各区县供暖能源需求分布总体呈现“南低北高”的规律;炊事能源需求较高的地区集中在唐山和张家口,炊事能源需求较低的地区集中在邢台、邯郸、保定 3 个地区。(2)河北省各地区秸秆能源化可用量分布不均,资源最丰富的地区在石家庄和衡水,资源最贫瘠的地区在张家口和承德。(3)针对河北省各地区的秸秆能源化利用区域适宜性评价结果表明:衡水中部、邢台中部等地区适宜性非常高,适宜发展秸秆固化户燃和干馏气化的利用方式;石家庄东部、衡水北部等地区适宜性较高,适宜发展秸秆固化户燃的利用方式,同时也可以考虑秸秆干馏气化;保定东部、石家庄中部等地区的适宜性一般,适宜发展秸秆固化户燃的利用方式;唐山中部、秦皇岛南部等地区适宜性较低,可以考虑发展秸秆固化户燃的利用方式;张家口北部、承德北部等地区适宜性非常低,暂不适宜推行秸秆能源化利用技术。

作者:黄超 郭铭昕 刘宜波 马秀琴 单位:河北工业大学能源与环境工程学院 黎明化工研究设计院有限责任公司