摘要：某乡村拥有猪粪、秸秆等大量生物质能，为降低该地区玻璃厂的能源成本及污染物排放量，提出建立生物质多联供系统的改造方案。对改造前后生物质处理利用方式及玻璃厂用能方式进行探讨，比较改造前后玻璃厂二氧化硫、温室气体排放量。生物质多联供系统具有较高的环保、经济效益，在农村地区具有可行性。

关键词：生物质；  生物质多联供；  节能减排

Feasibility Analysis of Application of Biomass Cogeneration System

Abstract: A village possesses a large number of pig manure，straw and other biomass. The reconstruction scheme of building a biomass cogeneration system is proposed to reduce the energy cost and emissions of pollutants of the glassworks in the area. The biomass treatments and use patterns and the energy consumption patterns of the glassworks before and after the reconstruction are discussed. The emissions of sulfur dioxide and greenhouse gases from the glassworks before and after the reconstruction are compared. The biomass cogeneration system is feasible in the rural area due to its high environmental and economic benefits.

Key words: biomass；biomass cogeneration system；energy saving and emission reduction

生物质利用过程中二氧化碳排放量等于生长过程中的吸收量，因此生物质是一种二氧化碳零排放的可再生资源。生物质的挥发分高，炭活性高，硫、氮和灰分含量少，在利用转化过程中的硫化物、氮氧化物、粉尘排放量很低^[1]。我国学者对生物质能的利用方法进行了广泛研究^[2-9]。

我国农村地区具有丰富的生物质能，如畜禽粪便、农作物秸秆等，若不加以利用，不仅造成环境污染，而且也是资源的巨大浪费。因此，将生物质能用于农村企业，对高污染农村企业能源系统进行改造，建立生物质多联供系统，是改善农村环境的有效途径^[10]。本文对生物质多联供系统在农村地区应用的可行性进行分析。

1 工程概况

湘潭县某玻璃厂生产能耗巨大，燃煤成本占年运营成本的25％，生产过程中排放大量S0₂、C0₂。经调研发现，湘潭县被誉为“全国养猪第一县”，该玻璃厂所在村庄建有130多口沼气池，主要以当地的猪粪为原料，产生的沼气除部分用于炊事外，其他均排至大气。另外，由于猪粪产量巨大，在满足沼气池使用之外仍有过剩猪粪直排田间，在开放环境下产生甲烷、二氧化碳等。据初步估算，外排沼气和过剩猪粪每年向环境排放的温室气体折合成二氧化碳约2 800 t/a。当地有国家级超级水稻大规模推广基地，目前村民大多采用田间焚烧的方法处理秸秆，大量生物质能被浪费，排放大量二氧化硫及氮氧化物。

综合分析当地的生物质资源情况与玻璃厂的用能特点，对高污染企业的能源系统进行改造，建立生物质多联供系统。

2 改造方案及理论计算

①改造方案

改造前，生物质处理利用方式及玻璃厂用能方式见图1。由图1可知，改造前，一方面，大量秸秆以及过剩猪粪、沼气被浪费；另一方面，玻璃厂却在使用高污染的煤炭供能。调查显示，玻璃厂采用煤气发生炉制煤气，用于生产玻璃，每日平均耗煤量为13 t/d。由于多采用高硫煤，且烟气净化设备工艺落后，烟气中二氧化硫质量浓度超过5 000 mg/m³，是典型的高污染企业。然而该玻璃厂解决了当地逾100人的就业问题，对当地的经济建设和解决农村剩余劳动力有很重要的作用。

为降低玻璃厂污染物排放量，降低能源成本，结合当地生物质资源条件，拟将生物质能作为玻璃厂能源，构建生物质多联供系统(见图2)。在玻璃厂原有的生产设备基础上，修建大型沼气池、生物质热解气化站、储气罐等设施。以猪粪作为制沼气原料，秸秆作为制热解气原料，产生的混合气(沼气与热解气的混合气)作为玻璃厂的燃料。沼渣、含碳灰渣可作为制肥原料。

②理论计算

a.沼气与热解气需求量

沼气、热解气中各组分的体积分数见表1、2。熔化单位质量玻璃耗热量为2 000 MJ/t，玻璃厂每日熔化玻璃质量约20 t/d。沼气与热解气按l:1的体积比例混合，混合气低热值为l5 MJ/m³，燃气玻璃池窑生产系统的热效率取80％。由此可计算得每日混合气需求量为3 333 m³/d，则沼气与热解气的需求量分别为1 666.5 m³/d。经核算，每日需处理猪粪35 t/d，需处理秸秆5.2 t/d。

b.烟气二氧化硫含量

根据表1数据可计算得l m³沼气燃烧所需空气量为5.21 m³，产生的烟气量为6.53 m³。根据表2数据可计算得l m³热解气燃烧所需空气量为4.56 m³，产生的烟气量为4.96 m³。由于沼气与热解气按1：1的比例混合，可计算得l m³混合气燃烧产生的烟气量为5.75 m³。H₂S的密度为l.54 kg/m³，可得到l m³混合气燃烧产生的SO₂质量为3 623.66 mg，则l m³混合气燃烧后生成的烟气中SO₂的质量浓度为630.2 mg/m³。

c.温室气体排放量

由于生物质利用过程中二氧化碳排放量等于生长过程中的吸收量，因此生物质利用过程中二氧化碳排放量为零。改造前，玻璃厂以煤炭为原料制取煤气，煤样的工业分析与元素分析结果见表3。低位发热量为20.9 MJ/kg。根据已知数据，经计算得二氧化碳年排放量为13 355 t/a。

3效益分析

①环保效益分析

改造前后玻璃厂排放烟气中SO₂质量浓度及CO₂年排放量比较见表4。由表4可知，改造后玻璃厂排放烟气中的SO₂质量浓度明显降低，温室气体CO₂排放量为零。改造后，过剩猪粪及秸秆得到了合理利用，猪粪污水化学需氧量(COD)将明显降低，秸秆的田间焚烧将明显减少。因此，改造后的生物质多联供系统带来巨大的环保效益。

②经济效益分析

根据项目改造需要，在玻璃厂原有生产设备基础上，需要修建沼气池、热解气化站、储气罐等设施，应列入建设成本。由于该项目符合国家政策中着力进行绿色能源县以及新农村建设的思路，可得到发改委以及农业部门的财政补贴。结合企业自筹资金，项目改造具有充分的经济保证。项目建设成本、项目补贴资金明细见表5，项目实施前后玻璃厂业绩对比见表6。项目实施前的人员数量为100人，实施后新增岗位30个。

由表5、6数据可知，项目建设成本为330×10⁴元，发改委及农业部门的补贴资金为l70×10⁴元，企业实际投资金额为160×10⁴元。项目实施前，玻璃厂年利润为83×10⁴元/a；项目实施后，玻璃厂年利润为156×10⁴元/a。经计算可得，静态差额投资回收期为2.2年。

4 结论

①生物质多联供系统实现了猪粪和秸秆等生物质能的有效利用，不仅为农民增加了收入，又解决了猪粪直排、秸秆田间焚烧造成的环境污染问题，有效控制了玻璃厂的污染物排放量，具有较高的环保、经济效益。

②生物质多联供系统的应用，应综合考虑当地生物质资源的实际情况及企业用能方式，建立适应当地实际情况的生物质多联供系统。

③随着生物质气化中焦油转化方法的进一步研究，焦油的利用会带来更多的经济效益。

参考文献：

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本文作者：李攀 王贤华 陈应泉 杨海平 陈汉平

作者单位：华中科技大学煤燃烧国家重点实验室