英国生物质分布式能源系统的研究以及对我国的启示

周 珏，陈 群，张晓辉，Vida Sharifi，Jim Swithenbank，陈耀斌

(1．中国华电集团科学技术研究总院，北京 100060;2．英国谢菲尔德大学，英国 谢菲尔德 S1 3JD;

3．清华大学，北京 100084;4．中国电力投资集团科学技术研究院，北京 100007)

0 引言

为实现低碳可持续发展的目标，英国政府制定了一系列政策鼓励发展包括生物质在内的可再生能源，提高可再生能源在发电和供热中所占的比例［1－4］。这为发展以生物质为燃料的分布式能源系统提供了良好的契机。与传统的大型火电厂相比，分布式能源系统可以将能源综合利用效率从55%提高到85%，同时显著地降低CO2的排放。将城市生物质资源(如城市固废)用于分布式能源系统实现热电联产，可以满足城市近20%的能源需求。而且，比传统的供能方式(即热电分产)降低至少76%的CO2排放量。同样，将当地生物质资源(如木屑、秸秆)用于分布式能源系统也可以显著降低碳排放。

在生物质能的高效利用方面，我国从“十一五”开始，各地各级政府部门相继制定了相关的促进政策和措施［5－8］，也有很多学者对生物质分布式能源开展了技术和政策层面的研究［9－11］。但总体上看，我国生物质能源发展还处于起步阶段。

本文对英格兰北部城市Barnsley 采用生物质替代化石燃料用于分布式供热系统进行了深入的试验和数值模拟研究，分析其燃烧特性和污染物排放特性，比较生物质燃料与化石燃料在污染物排放水平上的差异，并对现有的生物质燃烧系统的运行提出了改进建议。针对Barnsley 成功发展以生物质为燃料的分布式能源系统的经验，本文分析了在我国农村和小型城镇大力发展以生物质为燃料的新型分布式供能方式的必要性和可行性，认为采用生物质资源的分布式能源系统是我国农村和新型城镇供能可持续发展的一条可行之路。

1 欧洲以及英国分布式能源系统的概况

欧洲是最早发展热电联产和分布式能源系统的地区。在热电联产用于发电方面，丹麦和斯洛文尼亚分别有52．9%和37．7%的电力来自于热电联产。芬兰、挪威、瑞典、冰岛以及其他东欧国家也是类似的情况。在热电联产用于供热方面，爱尔兰有93.3%的供热来自于分布式能源系统，用于满足居民生活和公共服务部门的供热需求。这一比例在欧洲位于最高。其他许多国家也有着较高的比例，比如俄罗斯(63%)、瑞典(55%)、立陶宛(50%)、芬兰(49%)和波兰(47%)［12］。

在欧洲，热电联产电厂最常见的模式是传统的蒸汽循环，占到总数的52%。在热电联产的电厂中，有70%的电力来自于化石燃料的使用［13］。只有一小部分电力是来自于可再生能源，主要由焚烧废木材、纸和垃圾产生。大型的分布式能源系统主要分布在德国、瑞典、芬兰、丹麦、奥地利和东欧国家。尽管在英国也有一些较大规模的热电联产分布式供热系统(如在Sheffield、Nottingham、Leicester 地区建立的分布式能源系统)，但是与其他欧洲国家相比，无论是在数量上还是规模上，都相形见绌。

相对于大型的热电联产，零散分布的以生物质为燃料的分布式能源系统同样可以实现节约能源和保护环境的目的。这些小型的分布式能源系统还与传统的电力和天然气的供能系统相结合，来满足当地居民社区的能源需求(主要为热和电)。在整个欧洲，有超过3000 个城镇拥有这样的系统。与之相比较，英国在这方面的发展有些落后，目前只有一些相对较小的项目正在运行。

近年来，随着对分布式能源和可再生能源重视程度的提高，英国政府颁布了一系列推动分布式能源发展的政策。例如，可再生热能的激励政策(Renewable Heat Incentive)为使用可再生能源供热(包括分布式能源系统)的能源供应商和终端用户提供财政支持，从而鼓励用可再生能源替代传统化石能源，产生居民和工业所需的热能。该激励政策针对不同规模的分布式能源系统以及不同的能源产生技术(如生物质燃烧技术)给予各种扶持［14］。

此外，英国政府提出的“热能和能源节约策略(Heat and Energy Saving Strategy)”议案也将分布式能源系统在居民社区的应用列为重点发展技术［15］。提案的一个重点是确定在哪些地区发展分布式能源系统在经济上是切实可行的，即在哪些地区具有较高的热能需求(＞3 000 kW/km2)。在这些地区，投资回报率预期可以超过6%的。如果分布式能源在这些地区得到充分应用，将能担负起550 万房屋的供热和全英国20%的热能需求。大型高效的燃气分布式能源系统每年可减少980 万t CO2的排放。如果用可再生燃料(如垃圾和生物质)来替代天然气，则可以进一步减少CO2的排放达1 900万t/年［16］。

因此，利用可再生燃料的分布式能源系统在英国得到了越来越多的关注。英格兰北部城市Barnsley 是英国第一个推行使用生物质燃料替代化石燃料用于分布式供热系统的城市，所建立的生物质供热系统也是英国最大的利用当地生物质资源来提供社区建筑供热的系统。经过多年的努力，Barnsley在2005 年就已经达到了CO2减排40%的目标。从2005 年至今，他们又成功安装和运行了20 多台以生物质为燃料的分布式供热系统。

本文在英国工程和自然科学研究委员会(Engineering and Physical Sciences Research Council，简称EPSRC)SUPERGEN Biomass Consortium 项目的支持下，对Barnsley 所采用的生物质供热系统开展了大量的实验和数值模拟研究，监测生物质供热系统污染物排放的情况，并评估此类供热系统的性能和特点。

2 以生物质为燃料的社区供热系统的研究与分析

在英国，大约有49%的能源最终是以热能的形式被消耗掉的［17］，由此产生了47%的CO2排放。英国为了实现2050 年CO2排放降低60%的目标，迫切需要减少由供热产生的CO2排放。Barnsley 是英国第一个采用“生物质燃料供热政策”的地方政府。本文以Barnsley 两个生物质分布式能源系统的示范应用为研究对象，采用试验研究和数值模拟的手段，分析污染物排放特性，评估其系统效率。

2．1 示范应用1:当地一所小学所采用的生物质供热系统

这所小学小型的供热系统原有3 台燃煤热水锅炉用于供暖。通过改造，其中一台190 kW 的Beeston Robin Hood Senior 锅炉被改为燃用木屑颗粒的生物质锅炉。在本研究中，对这台改造后燃用生物质的锅炉和一台146 kW Hartley－Sugden White Rose 燃煤锅炉进行了对比研究。对每台锅炉烟囱处的烟气温度和烟气组分(CO、CO2、O2和NOx)，以及烟气中PM10的质量浓度分布进行了监测。

其中，烟气的CO、CO2和O2的浓度通过MGA 3000 多气体分析仪进行测量，而NOx 的浓度则由Signal 4000 VM NOx 分析仪测量。颗粒物的质量尺寸和浓度分布通过8 级Nonviable Andersen Impactor(由Thermo Electron Corporation 公司生产的20 －800 系列)测得。对于测量手段的详细介绍，在陈群等人的论文［18］中有详细的介绍。表1 列出了烟气测量的部分结果。

表1 Barnsley 示范应用的烟气排放监测结果［18］

为了更深入地了解木屑颗粒和煤的燃烧过程，以及它们的污染物排放特性，本文还采用了计算流体力学(CFD)的手段，对两个锅炉的炉内燃烧情况进行了数值模拟研究。这里假定无论是木屑颗粒的燃烧还是煤块的燃烧，都由床层内部燃烧和床层外部燃烧两部分组成。本文采用英国谢菲尔德大学SUWIC 中心(Sheffield University Waste Incineration Centre)开发的一套数值模拟软件FLIC(Fluid Dynamic Incinerator Code)来预测床层内的燃烧过程;同时，利用ANSYS FLUENT 软件来模拟床层外部的气相燃烧反应。

在利用FLIC 模拟床层内部燃烧过程时，假设燃料颗粒堆积形成的带有孔隙的床层是一维的(垂直于炉排)，FLIC 可以预测床内燃烧随时间变化的过程。其中的子模型包括质量、动量和能量守恒方程、气相和固相的化学组分守恒方程、以及水蒸气蒸发、挥发分热解和挥发分及焦炭的燃烧方程。具体子模型、控制方程以及数值算法的介绍在文献［19 －20］中有详细的描述。对于这两个锅炉，整个固定床的计算域在床层高度上被分为200 个网格。燃用木屑颗粒锅炉的初始床层高度为212 mm，燃煤锅炉为302 mm。这里，假定木屑颗粒的直径为5 mm，而煤块的直径则假设为15 mm。

从FLIC 模拟的结果中我们可以获得烟气温度、速度及其组份在床层上的分布。这些数据将作为FLUENT 模拟床层上部气相燃烧的边界条件，来预测床层上部的温度场和流场分布。表2 列出了通过FLIC 计算之后得到的FLUENT 模拟所需的边界条件。

利用FLUENT 软件分别对两个锅炉进行了三维炉膛建模以及网格划分。在FLIC 与FLUENT 模拟的交界面处(位于锅炉底部)，对网格进行加密处理，以获得更为准确的模拟结果。在燃用木屑颗粒锅炉的模拟中，总的网格数为20 万;对于燃煤锅炉，总的网格数为36 万。利用FLUENT 软件求解质量，动量和能量的守恒方程以及各种气相反应的方程，选择标准的k－ε 模型求解湍流流动，P1 模型求解辐射换热，有限反应速率/涡团破碎模型求解化学反应速率。因为NOx 是燃烧中产生的一种重要污染物，对于NOx 的模拟，假设挥发分N 和焦炭N 的比例等于燃料中挥发分与焦炭的比例。在FLUENT 的后处理过程中，根据De Soete 机理，以HCN 为中间产物，模拟NO 的形成。

表2 示范应用1 中燃煤锅炉和燃用木屑颗粒锅炉的气体和燃料入口的边界条件

对比分析表明，数值模拟的结果与表1 中实验测量数据吻合良好［18］。两者都表明污染物的排放浓度在英国国家标准BS EN 303 －5:1999 所列的排放标准之内。但是，燃煤锅炉烟气中污染物的浓度要高于燃用木屑颗粒锅炉。对于CO 排放(如图2所示)，后者排放的CO 浓度为500 ～1650 mg/m3(折算成10%的氧量水平)，低于燃煤锅炉的排放值(2000 ～9000 mg/m3)。造成燃煤锅炉CO 排放浓度较高主要有两方面因素:一是燃煤锅炉炉内可燃气体与空气的混合不充分;二是烟气在燃煤锅炉炉膛内的停留时间太短。对于NOx 排放(如图3 所示)，燃用木屑颗粒时，NOx 的浓度为40 ～120 mg/m3(折算成10%的氧量水平)，也低于燃煤锅炉的排放值(240 ～390 mg/m3)。这是由于煤中含有高的焦炭成分导致较高的炉膛温度。如图1(b)所示，燃煤锅炉炉内的最高温度超过1500 K。与之相比较，如图1(a)所示，木屑颗粒锅炉的最高烟气温度只有1000 K 左右。较高的炉膛温度进一步造成了燃料型NO的生成。在PM10的排放上，木屑颗粒锅炉和燃煤锅炉PM10的平均质量浓度分别为46 mg/m3(10%的氧量)和182 mg/m3(10%的氧量)。因此，对比结果表明，具有高挥发分含量的生物质是小型固定床锅炉的一种理想燃料。以生物质为燃料的燃烧系统，具有较高的燃烧效率和较低的污染物排放水平。

图1 示范应用1 中两台锅炉的炉内温度场分布(x 轴(在图1(a)中Y 和图1(b)中的X)是炉排长度方向的距离(m)，y 轴是离开燃烧床层的高度(m))

图2 示范应用1 中两台锅炉的炉内CO 浓度分布

图3 示范应用1 中两台锅炉的炉内NOx 浓度分布

2．2 示范应用2:居民住宅楼中安装的以木屑为燃料的供热系统

为了提高能源利用效率并改善居住环境，Barnsley 的一栋居民楼经过改造，安装了一个小型的燃用生物质的供热系统。两台容量分别为320 kW 和150 kW 的弗洛林(Froling)燃用木屑锅炉用来供暖和提供热水。为了解该型式生物质锅炉的燃烧特性和污染物排放特性，我们对其中一台320 kW锅炉进行了实验和数值模拟研究。在65%的运行负荷时，在锅炉的炉膛出口处，对CO、CO2、O2、NOx、SO2和颗粒物浓度进行了测量。实验的研究手段和方法与示范应用1 中所采用的完全一致。同样，我们也利用FLIC 和FLUENT 软件对木屑燃烧过程进行了数值模拟，并通过模拟结果分析了整个系统的性能。模型的选择和设置也与示范应用1 中相同。表3 中列出了计算中所需的边界条件。模拟结果的可靠性由实验测量数据来进行验证。在FLIC 床层模拟中，初始床层高度为183 mm，被划分为60 个网格。假设木屑颗粒的平均直径为15 mm。在FLUENT 模拟中，三维炉膛模型的网格数约为22 万。并在燃料和空气入口处，对网格进行了细化处理;而在靠近出口处，采用了较为粗糙的网格以节省计算时间。更多的数值模拟细节可以在张晓辉等人的论文［21］中找到。

表1 中列出了示范应用2 的烟气污染物的排放浓度。CO 的质量浓度为550 ～1600 mg/m3(10%的氧量)。实验和模拟结果都表明，锅炉排放的CO 浓度低于英国国家标准BS EN 303 －5:1999［22］中所列出的排放标准。木屑锅炉排放的烟气中NOx 的浓度在28 ～60 ppmv 之间。NO 的排放因子为113 mg/MJ，低于英国环境、食品及农村事务部(Department of Environment，Food ＆ Rural Affairs，简称DEFRA)技术指导中的150 mg/MJ［23］。烟气中PM10的质量浓度大约为205 mg/m3(10%的氧量)，符合BS EN 303 － 5:1999 中 列 出 的200 mg/m3的 排 放 标准［22］。PM10的排放因子为126 mg/MJ，远低于240 mg/MJ 的排放标准［23］。

表3 示范应用2 中燃用木屑锅炉的燃料和空气入口的边界条件

FLIC 和FLUENT 模拟结果表明，由于炉内烟气温度较高，最高达到1 200 K(图2a)，大部分燃料都能在炉膛内完全燃烧，仅有少量的CO 排放，这一发现与实验测量结果相吻合。二次风的喷入(图4 中所示的小圆孔)让高温可燃烟气与空气充分混合，形成了有利的燃烧环境。从图4(b)中可以看到，所加入的二次风增强了这些区域的流动混合，并在二次风喷口上部形成了回流区，有利于燃烧反应的进行。这些强烈燃烧的区域造成了图4(a)中所示的高温区。烟气温度在烟气向下游流动的过程中逐渐降低，在炉膛出口处约为1 000 K。示范应用2 的研究表明，使用生物质(木屑)来供热是一种低碳的供热方案。与使用化石燃料的供热系统相比，它产生非常低的CO2净排放量。因此，这类生物质燃料供热系统的应用将有助于实现二氧化碳减排和可再生能源利用的目标。

示范应用2 在2006 年获得英国可再生能源Ashden 奖第一名。该改造项目总投资170 万英镑(折合约1 700 万人民币)，资金全部来源于各类基金和项目的支持。用燃用生物质锅炉取代燃煤锅炉后，日常运行和维护的成本降为过去的50%。集中供热系统所产生的热能，除了供应居民楼所需的暖气和热水之外，还可以通过供热管网卖给当地政府，产生更多的经济效益。

图4 示范应用2 中锅炉炉膛内中心截面上的图示

3 Barnsley 城市生物质利用模式对我国的启示

英国北部城市Barnsley 通过大力发展分布式能源技术，积极利用当地丰富的生物质资源进行集中供热，逐步实现清洁、绿色、高效的能源发展目标。其主要手段为将生物质制成成型燃料或直接利用木屑，单独或混合燃烧集中供热。即便对于某些无法使用集中供热的分散建筑，Barnsley 市政府也尽可能利用可再生能源技术为此类用户建立独立的小型集中供热系统。

Barnsley 成功发展以生物质为燃料的分布式能源系统的经验，对我国农村和小型城镇新型供能方式的建立和发展提供了有价值的参考。据统计，近年来我国农村能源消耗量已占全国总能源消耗的30%以上;用电量已达到全国用电总量的51%，并且保持10%以上的增长速度［24］。特别随着我国农村城镇化建设的快速发展，新型城镇的能源消费水平，将是过去的3 倍。如此巨大的能源需求，对现有的农村电网造成了难以承受的负担。同时，根据中央城镇化工作会议(2013 年12 月)的精神，需要切实提高能源利用效率，降低能源消耗和二氧化碳排放强度，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展，实现高效、清洁、智能的新型城镇供能。因此，采用生物质资源的分布式能源系统是解决我国农村和新型城镇供能的一条可行之路。

我国农村地区分布着极为丰富的生物质资源。根据2010 年的统计数据显示，我国农作物秸秆资源为7．813 4 亿t，每年可利用的潜能为5．31 EJ，因此，有着巨大的开发利用潜力［25］。以分布式供能的方式充分利用生物质资源，不仅可以使小型、分散、清洁的可再生资源得以利用，满足农村日益增长的能源需求，而且使发展生物质资源与农村及边远地区经济发展联系起来，增加了这些地区人民的收入并有效减少供能成本。

但是，目前我国在有效利用生物质资源用于分布式供能上，还存在一定障碍。这主要是由生物质资源本身的特点来决定的，如水分高、质地松散、堆积密度小、使得不易收集和运输;同时，生物质资源通常灰分含量高，灰熔点低，在燃烧过程中易出现结焦等问题;此外，农村的生物质资源分散在数量众多的农户手中，导致交易成本较高，资源的持续供给得不到保证。由于以上问题的存在，导致我国出现一方面农村能源短缺，另一方面优质的生物质资源被大量闲置和浪费的情况。解决这些问题，不仅要在技术上攻关，解决生物质存储、运输及利用效率的问题;而且要在国家政策层面上，对开发利用生物质资源给予更多激励与扶持。

4 结论

本文以英国城市Barnsley 两个生物质分布式供热系统为研究对象，通过试验研究和数值模拟的手段来研究其燃烧特性和污染物排放特性。研究表明，使用当地的生物质资源来为社区和小规模的分散区域提供能源，将会带来明显的收益。一方面，可以提供低成本的热能和电力给当地的居民，另一方面也有利于保护周围的生态环境。与传统的利用煤产生能源相比，生物质燃料的分布式供能系统，其污染物的排放量要小很多。而且，现有的小型燃煤供热系统可以通过较为简单的改造，适用于生物质燃料，从而降低系统的投资成本。

Barnsley 成功开发和运行大量独立的“迷你”型分布式供热项目的经验，对我国农村和新型城镇的供能提供了一个很好的借鉴。考虑到我国的国情和生物质资源的特点，在规模化利用生物质分布式能源系统上，还需要克服诸多技术以及非技术的壁垒。

［1］Department of Trade and Industry． Energy White Paper:Our Energy Future－Creating a Low Carbon Economy［R］．UK Department of Trade and Industry，2003．［更新日期15/11/14］at https://www． gov． uk/government/publications/our －energy－future－creating－a－low－carbon－economy．

［2］HM Government． The UK Low Carbon Transition Plan:National Strategy for Climate and Energy［R］． UK HM Government，2009．［更新日期15/11/14］at https://www． gov． uk/government/publications/the－uk － low － carbon － transition －plan－national－strategy－for－climate－and－energy．

［3］Department of Energy and Climate Change． The Renewable Energy Strategy (RES)［R］．UK Department of Energy and Climate Change，2009．［更新日期15/11/14］at https://www．gov． uk/government/publications/the － uk － renewable －energy－strategy．

［4］Department of Energy and Climate Change． Renewables Obligation Order［R］． UK Department of Energy and Climate Change，2014．［更新日期15/11/14］at https://www．gov．uk/government/publications/renewables－obligation －order－2009 －as－amended－by－the－renewables－obligation－amendment－order－2011 －2．

［5］国家能源局． 可再生能源发展“十二五”规划［R］．2012．

［6］国家发展改革委．国家发展改革委办公厅关于加强和规范生物质发电项目管理有关要求的通知［R］．2014．

［7］国务院办公厅． 能源发展战略行动计划(2014 －2020 年)［R］．2014．

［8］国家能源局，环境保护部． 关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设［R］．2014．

［9］申阳．农村分布式可再生能源技术推广的激励机制研究［D］．北京:北京工业大学，2013．

［10］白峪豪．基于智能配电网关键技术的城市配电网规划［J］．电网与清洁能源，2015，3(3):79 －83．

［11］朱榕．生物质分布式能源发展价格支持政策研究［J］．市场经济与价格，2014(6):21 －28．

［12］Euroheat ＆ Power． District Heating and Cooling －2007 Statistics［R］． Euroheat ＆ Power，2007．［更新日期15/11/14］at http://euroheat．org/Statistics－69．aspx．

［13］Colenutt D． Competition in Generation，Price Signals and Regulatory Risk［R］． Second Industry Roundtable on the Energy Market in South East Europe，Sofia NERA Consulting，Mash ＆ McLennan，2003．

［14］Department of Energy and Climate Change． Renewable Heat Incentive［R］．UK Department of Energy and Climate Change，2010．［更新日期15/11/14］at https://www．gov．uk/government/policies/increasing－the－use－of－low－carbontechnologies/supporting－ pages/renewable － heat － incentive －rhi．

［15］Department of Energy and Climate Change． Heat and Energy Saving Strategy:Consultation［R］． UK Department of Energy and Climate Change，2009．［更新日期15/11/14］at https://www．gov．uk/government/publications/heat－and－energy－saving－strategy－consultation．

［16］Skagestad B，Mildenstein P． District Heating and Cooling Connection Handbook［M］．［s． l．］，［s． n］，1999．［更新日 期15/11/14］at http://www． iea － dhc． org/the － research/annexes/1999 －2002 －annex－vi/annex－vi－project－06．html．

［17］CHPA，Combined Heat ＆ Power Association［EB/OL］．［更新日期15/11/14］at chpa．co．uk．

［18］Chen Qun，Zhang Xiaohui，Bradford D，Sharifi V，Swithenbank J． Comparison of emission characteristics of small－scale heating systems using biomass instead of coal［J］．Energy ＆ Fuels，2010(24):4255 －4265．

［19］Yang YB，Goh YR，Zakaria R，Nasserzadeh V，Swithenbank J． Mathematical modelling of MSW incineration on a travelling bed［J］．Waste Management，2002(22):369 －380．

［20］Yang YB，Yamauchi H，Nasserzadeh V，Swithenbank J． Effects of fuel devolatilisation on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal solid wasters in a packed bed［J］．Fuel，2003(82):2205 －2221．

［21］Zhang Xiaohui，Chen Qun，Bradford R，Sharifi V，Swithenbank J． Experimental investigation and mathematical modelling of wood combustion in a moving grate boiler［J］．Fuel Processing Technology，2010(91):1491 －1499．

［22］BS EN 303 －5:1999，Heating boilers－Part 5:Heating boilers for solid fuels，hand and automatically fired，nominal heat output of up to 300 kW －Terminology，requirements，testing and marking［S］．1999．

［23］DEFRA，Secretary of State＇s Guidance for Combustion of Fuel Manufactured from or Comprised of Solid Waste in Appliances between 0．4 and 3 MW Rated Thermal Input［S］．2004．

［24］奚利丰，简献忠，胡文君，等．分布式能源在新型农村电网中的应用与前景［J］． 农机化研究，2013(4):226 －230．

［25］齐建荟，王永佳，林磊，等．浅谈生物质分布式能源［J］．能源与环境，2013(4):62 －65．