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能源决策参考:奥地利生物质供暖现状及对我国的启示

中国炉具网    作者:焦铭泽等    来源:能源决策参考    日期:2022-12-08 17:15:07    浏览:1743
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       炉具网讯:尽管世界各国在全球气候变化领域研究已取得一些成就和进展,但化石能源仍然是全球供热的主要来源,并造成了大量温室气体排放。生物质是国际上公认的“零碳”资源,并被国际能源署(IEA)定义为可再生能源,将是供暖领域的重要替代资源和未来能源体系中不可或缺的组成部分。欧洲生物质供暖技术起步较早,技术较为成熟,制度较为完善。作为欧洲生物质供暖领域代表国家之一,奥地利约有40亿公顷的土地被森林覆盖,几乎占总国土面积的50%,全国有近50%可再生能源来源于森林产业。奥地利政府致力使用可再生能源代替化石能源,以降低温室气体排放,奥地利2020—2024政府工作计划中明确指出,将在2040年前实现碳中和,奥地利《可再生能源扩建法》确定,奥地利旨在2030年实现100%可再生能源发电。2017年奥地利生物质能占全国能源消耗总量的18.4%,同期欧洲和全球这一比例仅分别为10%和5%,且有超过20%的供暖系统以生物质(林业残余物)燃料为能源。我国同样拥有丰富的农林生物质资源,2017年农林废弃物总量超过10亿吨,按热值折合标准煤约4亿吨。在我国,利用农林废弃物供暖,既是解决北方地区清洁供暖的有效措施,也是减少温室气体排放的重要途径。

       一、奥地利生物质供暖发展现状

       目前,在国际生物质供暖领域,无论是技术发展方面还是市场实施方面,奥地利均处于领跑者的地位。奥地利丰富的生物质资源以及国家对于生物质资源开发的鼓励政策,为当地公司和研究机构开展项目研究、技术开放和专业技能培训提供了良好的环境。如今,奥地利有100余家公司涉足生物质能源领域,并得到约20家科研机构和40所高等院校的技术支持。生物质资源为奥地利提供了超过35%的热量需求,并在《奥地利气候与战略能源2030计划》中发挥重要作用。

       (一)奥地利生物质固体燃料发展情况

       奥地利生物质能源供暖事业起步较早,对生物质固体燃料的利用有着悠久的历史。近15年来,生物质固体燃料在奥地利国内的消费总量已经从2007年的142PJ上升到2019年的180.5PJ,其中2017年更是达到了有史以来最高的193.6PJ。近两年来受全球变暖等因素影响,奥地利生物质固体燃料的消费总量增长速度逐渐放缓,甚至出现了负增长。目前奥地利固体生物质燃料总体上以原杂木、树皮、木片和颗粒燃料为主。奥地利不同民用取暖方式中生物质颗粒燃料取暖的价格仅为6.26欧分/kWh,远低于电、天然气和燃油的取暖成本。目前,奥地利固体生物质除了在供暖领域广泛应用以外,其作为可再生能源系统的一部分与其他可再生能源的结合也正在逐步增多,在发电和生物炭材料制造等领域也发挥着重要作用。

       (二)奥地利生物质供暖技术研究现状

       奥地利作为过去二十年内国际小型生物质供暖领域的领跑者,也拥有诸多本领域技术领先的科研机构,且各研究机构与多家生物质供热公司保持长期合作关系,能迅速将理论研究工程化应用。目前的研究主要集中在以下几个方面:一是高效低排的燃烧技术,分级燃烧可以很好地控制和减少排放。首先一次风被引至固定床层, 随后在固定床上方引入二次空气,以确保二次风与未燃气体充分混合燃烧,减少一氧化碳、颗粒物和挥发性有机物的排放。二是稳定的进料除渣系统:基于燃料类型的不同,通过改进破渣齿和燃烧搅拌桨优化生物质锅炉中燃料的传动、搅动和除渣等相关功能。三是燃烧设备的自动化控制系统:将燃烧系统分割成各子系统单独控制,逐一完成各子系统的配合与优化,并不断升级在线远程监控系统。通过多年不断研发,设计出国际顶级的现代燃烧装置和配套的自动化控制系统。

       (三)奥地利生物质颗粒燃料标准以及供应链体系

       奥地利的生物质颗粒燃料标准体系、质量认证体系及输配体系比较健全。除了有严格的产品标准外,还实行了质量认证(由权威的第三方机构进行认证),颗粒燃料的运输、计量、输配都由专业公司使用颗粒运输车以及自动计量进料系统来完成,市场化程度高。质量认证体系包括报货量产品认证、质量要求和产品检测等多个步骤。颗粒燃料标准化被认为是保证市场规范化、贸易规模化,从而促进奥地利等欧洲生物质颗粒市场发展的重要工具手段。因此以奥地利为代表的欧盟各成员国相继出台关于生物质固体燃料的评价标准,以保证供应链的产品质量。奥地利生物质颗粒标准化进程始于上世纪90年代,其中经历了两次大的修改,标准ONORMM7135已经成为奥地利生物质颗粒燃料标准化认证体系和欧洲其他各国标准和体系的制定样本模型。

奥地利生物质供暖现状及对我国的启示

       (四)奥地利生物质供暖排放标准情况

       奥地利生物质燃烧排放标准大多采用基于单位热量的排放因子作为排放限值,这能够更直观地体现单位固体燃料的排放量。对于木柴炉的排放限值普遍要低于自动木质颗粒炉具,且对于前者的热效率要求也低于后者。奥地利要求的排放限值较为严格,尤其体现在PM、CO和VOC排放上,而欧盟标准相对较为宽松。在非木质生物质固体燃料的小型供暖排放方面,奥地利对NOx、PM和CO排放限值规定为400mg/m3、120mg/m3、640mg/m3,而欧洲暂时无相关规定。对于目前的奥地利小型生物质燃烧装置来讲,NOx限值是各个生产商们面临的最大挑战。

       奥地利生物质燃烧排放标准大多采用基于单位热量的排放因子作为排放限值,这能够更直观地体现单位固体燃料的排放量。对于木柴炉的排放限值普遍要低于自动木质颗粒炉具,且对于前者的热效率要求也低于后者。奥地利要求的排放限值较为严格,尤其体现在PM、CO和VOC排放上,而欧盟标准相对较为宽松。在非木质生物质固体燃料的小型供暖排放方面,奥地利对NOx、PM和CO排放限值规定为400mg/m3、120mg/m3、640mg/m3,而欧洲暂时无相关规定。对于目前的奥地利小型生物质燃烧装置来讲,NOx限值是各个生产商们面临的最大挑战。

奥地利生物质供暖现状及对我国的启示

       (五)奥地利生物质供暖政策支持及计划

       从上世纪80年代开始,奥地利从财政激励、建筑配套、组织培训三个方面逐步完成可再生能源供热改造计划。第一,对生物质供热系统给予不同程度的补贴。以上奥地利州为例,在生物质颗粒或木片供热系统方面的补贴政策为:每安装一套生物质新产品最高补贴1700欧元,每安装一套化石能源转生物质能源的供热系统最高补贴7500欧元[15]。第二,各个地区的建筑节能配套支撑方案也陆续出台并实施,并将供热质量标准和可再生能源使用占比作为获得政策支持的前提条件。第三,自2000年起,由联邦政府出资,奥地利生物质协会定期组织免费的职业培训课程,经培训的社会人士有机会获得生物质管道工/烟囱清洁工等工种的从业资格,为生物质供暖领域的发展提供了坚实的技术保障。

       奥地利生物质供暖行业发展最大的动力来自于立法驱动。欧盟建立了包括《可再生能源指令》(RED)在内的众多法律框架。2016年,奥地利四个联邦部委联合发布《能源和气候综合战略绿皮书》,为能源战略提供了法律基础。2018年,奥地利政府批准的《奥地利气候和能源战略2030计划》指出,到2030年减少36%的温室气体排放。2020年,奥地利政府在《新能源研发计划2020》中提出,将投入1600万欧元用于能源高效利用、可再生能源和智能能源系统的研发。
目前奥地利生物质供暖的相关限制和扶持政策与措施主要来自三个方面:一是环保方面,包括一般环境保护的《环境措施支持法案》,以及专门促进可再生能源发展的国内环境支持指导方案。二是补贴方面,“气候与能源基金”(Climate&EnergyFund)出台了一项木材取暖补贴计划,用颗粒和木片供暖系统替代基于化石燃料的采暖系统,同时各州政府也进行了相关的补贴政策。三是建筑节能方面,《建筑条例》(Building Regulations)规定新建筑禁止采用基于化石燃料的供暖系统。

       (六)奥地利生物质供暖推广应用情况

       1.奥地利主要生物质供暖技术路径及应用现状目前,奥地利生物质供暖模式从供热规模上可以分为:颗粒炉具供暖、木柴炉供暖、小型木片锅炉供暖、区域木片锅炉供暖和生物质热电联产供暖五大类(如表2所示)。

       颗粒炉具(5~15kW)主要应用于单独农村住户中,一般通过从燃料供应商处购买颗粒燃料;木柴炉(20~40kW)常见于稍大一些的农村建筑中,由于燃烧的木柴较易获得,用户通常采用自行拾取的方式获得;小型木片锅炉(50~150kW)一般与单一的公共和商业建筑配套使用,由于采暖季的燃料用量不大,可以从当地的农户处购买获得;区域木片锅炉供暖(100kW~3MW)和生物质热电联产(>10MWth)由于供热面积广,燃料用量大,燃料通常由木材厂直接提供。

奥地利生物质供暖现状及对我国的启示

       在奥地利生物质具有容易获得和价格低等优势,受到越来越多用户的欢迎。木片和原杂木是最常见的固体生物质燃料,占奥地利生物质来源的85%以上。近年来生物质颗粒燃料发展迅猛,截至目前,奥地利年生物质颗粒生产量已突破100万吨,并主要用于小型生物质炉具供暖。2019年奥地利全年共出售约11500台生物质锅炉和135000台生物质炉具,在功率小于100kW的生物质锅炉中,生物质颗粒炉的销量占比最高(58.2%),售价低廉的木柴炉仍然是市场上销量最大的小型炉具产品。随着自动化炉具的不断发展,2019年生物质自动化颗粒锅炉和原杂木/颗粒组合锅炉销售量较上一年度分别增长30.5%和21.5%,原杂木锅炉下降了18%。生物质供暖为奥地利政府和当地民众带来了巨大的商业经济效益,2019年生物质燃料及其配套炉具全年营销额为15.35亿欧元,带动产业发展,为当地民众提供了超过20000个就业岗位(主要集中在农村地区)。

奥地利生物质供暖现状及对我国的启示

图4 2019年奥地利生物质来源、小型生物质锅炉销售量及生物质炉具销售量占比

       2.奥地利生物质供暖行业主要企业

       生物质供暖的广泛使用还孵化出了一批国际领先的生物质供暖企业,为奥地利政府和当地民众带来了巨大的商业利益和就业岗位。2019年生物质燃料及其配套炉具全年营销额为15.35亿欧元。2019年,奥地利固体生物质燃料生产商总营业额为1.535亿欧元并带来了17500个就业岗位(主要集中在农业地区);奥地利生物质锅炉及炉具制造商总营业额超过了9.4亿欧元,并为奥地利提供了3900个工作岗位(主要是工业岗位),其中80%的产品用于出口(主要为欧盟成员国),已经逐步减少对本地市场的依赖。

       (七)奥地利生物质锅炉在中国的应用案例

       2019年,在中国农村能源行业协会及北京化工大学等专家团队的大力支持下,山东阳信县从奥地利引进了国际先进的KWB生物质锅炉供暖系统,用于全校师生冬季取暖。该系统由3台120kW锅炉并联使用,大储量料仓独立密闭设置,并配有全方位远程智控及监测功能,可根据学校间歇式取暖需求,实现低温供热和智能温控,最大化降低能源使用量,提高供热效率。锅炉以木头削片为燃料,由于不需要对生物质原料进行粉碎及成型,燃料成本大大降低。目前该项目已实现2019-2020年、2020-2021年两个采暖季的稳定运行,热效率达93%以上,污染排放低于行业标准,作为全国首个农村学校采用欧洲全自动生物质锅炉清洁供暖改造项目,具有重要的示范意义。

       二、奥地利经验对中国的启示及建议

       (一)增强国际合作,加大技术创新

       我国生物质供暖研究与应用起步较晚,由于经济承受能力等问题,在开发低成本非自动化生物质锅炉的技术方面积累了大量经验,比较了解市场及用户需求,但在燃烧控制、除渣清灰工艺及装备质量方面还有待提高。奥地利生物质供暖水平与产业化程度位于世界顶级水平,我国可加强与奥地利颗粒协会等组织的交流与合作,建立中奥生物质能国际联合研究中心,借鉴奥地利的先进燃烧技术、自控技术及装备开发经验,结合中国典型生物质的特性以及用户与市场的实际需求,开发适合中国国情的创新技术与装备。建议通过建立生物质供暖科技研发与发展专项基金的形式,对生物质供暖领域的科技难题给予重点支持。通过产学研一体化合作,促进我国生物质锅炉供暖技术革新与产业升级。

       (二)完善生物质颗粒燃料质量体系

       奥地利等欧洲发达国家除拥有较为客观的排放标准外,还拥有完善的生物质颗粒燃料质量认证体系,例如ONORMM7135、DIN51731等。科学完善的质量认证体系,是保证生物质颗粒燃料生产质量的前提,也是实现行业持续协调发展的客观要求。质量认证体系的确立,还可以为我国颗粒燃料进入国外市场破除技术壁垒,促进我国生物质颗粒在全球流通。但生物质颗粒燃料质量体系建设方面,我国尚未建立相关认证部门和出台相关认证标准。建议借鉴奥地利先进的认证体系和行业标准,制定符合我国国情的生物质燃料质量认证体系。根据体系,加强行业自律,保障燃料质量。

       (三)制定科学客观的生物质供热排放标准

       我国目前还没有针对生物质颗粒燃料和小型生物质供暖锅炉的相关国家标准出台,目前一般采用能源行业标准或地方标准作为评价指标。最新的适用标准为国家能源局在2020年发布的《小型生物质锅炉技术条件》(NB/T34035-2020)(适用于额定热功率不小于0.05MW且不大于0.7MW)和同年发布的《清洁采暖炉具技术条件》(NB/T34006-2020)(适用于额定功率小于50kW)。上述两个标准中生物质锅炉非重点地区污染物浓度限值:颗粒物为50mg/m3、氮氧化物为300mg/m3;重点地区颗粒物为30mg/m3、氮氧化物200mg/m3,生物质采暖炉具污染物浓度限值为颗粒物50mg/m3、氮氧化物250mg/m3,明显较奥地利标准更为严格。另外在NB/T34035-2020《小型生物质锅炉技术条件》中基准氧含量取为与煤锅炉相同的9%,而奥地利标准中该数值为13%。由于生物质自身氧含量较高,导致生物质在燃烧过程中所需的理论空气量小于煤,导致污染物浓度偏高,因此不适合采用与煤相同的基准氧含量。业内有研究认为,我国常用的玉米秸秆颗粒燃料,当过量空气系数为2.9时(基准氧含量约为13.8%)与过量空气系数1.8相同质量下烟煤产生的烟气量相同。

       因此,鉴于我国的实际能源状况和奥地利生物质供暖的成功经验,建议适当调高小型生物质锅炉及炉具燃烧污染物的排放限值,重新核对恰当的基准氧含量并进行标准修改。

       (四)提供可持续推广政策保障

       奥地利生物质燃料供暖能够在全球拥有极大的影响力,也得益于奥地利政府和欧盟对于生物质燃料供暖产业的大力扶持,不仅对生物质燃料供暖产业发展给予财政补贴和经费支持,同时还出台配套政策来保证产业良性发展。我国生物质颗粒燃料供暖相关政策并不完善,主要存在补贴力度不足、部分地区政府认可度不高、政策不明朗等问题。建议我国加大资金补贴等倾斜性政策支持,充分发挥生物质减排CO2优势,为生物质燃料供暖可持续推广提供能源政策保障。

(来源:能源决策参考

作者:

焦铭泽、闫铭、刘敏、薛春瑜、刘广青,北京化工大学
雷风云,中国驻奥地利使馆
任彦波,中国农村能源行业协会
Chrisitian Rakos,奥地利颗粒协会(pro-pellets,Austria)
钱发强,Polytechnik Biomass Energy
Elisabeth.Wopienka,奥地利生物质能源研究中心)

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