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瑞典生物质颗粒燃料产业发展现状与经验

20世纪70年代以来,为应对日益突出的能源危机和气候变化,世界各国高度重视生物质能的开发与利用,提出了明确的发展目标,制定了完整的法规和政策体系,生物质能技术水平不断提高,产业规模逐渐扩大,促进了能源多元化和可持续发展[1]~[4]。瑞典是一个矿产资源匮乏的国家,上世纪,由于油价上涨导致瑞典经济遭受沉重打击,为保证瑞典的经济发展不再受制于日益高涨的石油价格和日益匮乏的石油资源的威胁,从国家能源安全出发,瑞典政府制定了能源发展目标,确立了能源战略的指导原则,以加快可持续能源系统开发,早日摆脱对石油的依赖,全面实现可再生能源化[5],[6]。生物质固体成型燃料具有易运输、燃烧效率高、灰分少、CO2零排放等优点,近年来在欧洲、北美等地得到了迅速发展[7],到2008年,欧盟成型燃料总消费量超过800万t[8]。瑞典作为一个林业资源十分丰富的国家,非常重视生物质颗粒燃料的生产应用,已成为世界上最大的颗粒燃料消费国,消费量超过世界总产量的20%;近几年来,颗粒燃料消费一直呈上升趋势,每年以8%~10%的速度增加[9],[10]。本文通过对瑞典颗粒燃料产业、政策、燃烧技术以及质量保障体系等进行阐述和分析,总结瑞典颗粒燃料发展经验,为我国成型燃料产业的发展提供政策建议。

瑞典有丰富的森林资源,覆盖面积约为2642万hm2,占陆地面积的64%,瑞典对森林拥有多样化的所有权,其中,个体森林拥有者占到51%,大型木业公司占24%,国家和其他的公有组织占25%,其中山地森林大部分是属于国有的。目前在瑞典,家庭平均拥有森林林业达到了50hm2。总共有35万个私人林业主,其中70%的林业主靠自己的森林财产为生[11]。瑞典每年新增林业约1亿m3,年砍伐量约0.924亿m3[11],新增林业折合能源为230TWh。新增林业产业利用主要包括木材加工、造纸、能源木等(图1)。每年木材加工产量约占4300万m3,造纸约占3348万m3,能源木约占696万m3,用于生物质能源(颗粒成型燃料等生产)利用的主要来自以上3部分[12],约为2348万m3。

1.2 颗粒燃料原料瑞典颗粒燃料产业与林业产业的发展有密切的关系,颗粒燃料的原料主要是锯末、木条和刨花等林业剩余物。 尤其是一些小型的颗粒燃料厂(年产量低于 5 000 t),基本上是在已有刨花板、家具以及锯末厂的基础上建立的,利用自己企业产生的锯末作为原料。 据统计[5],在颗粒燃料的原料中,刨花约占 53%,锯末约占 35%,木条约占 5%,其他原料(包括树皮、农业剩余物、能源林等)约占 7%。随着颗粒燃料企业的增加,以及国际生物质颗粒燃料产品贸易的扩大,颗粒燃料原料的竞争更加激烈。 由于瑞典每年农作物秸秆量仅 520 万 t[13],秸秆资源量少且分布分散,难以集中加工,因此,一些科研部门、生产商正在试验研发其他新型的原料,如泥煤、能源作物等来替代现有原料。1.3 发展历程上世纪 70 年代,由于石油禁运,瑞典政府鼓励发展替代能源。 1982 年,瑞典在 Mora 建立了第一个颗粒燃料厂,1982~1985 年是瑞典颗粒燃料产业快速发展的第一个时期。 但在 1986 年,瑞典开始支持核电发展,同时,由于颗粒燃料高成本、 低需求以及缺乏相关的燃烧技术等问题,使得瑞典颗粒燃料产业开始迅速下滑,在这种趋势下,颗粒燃料市场上只剩下 Mora 一家颗粒燃料厂[5]。1992 年, 随着瑞典政府颁布化石燃料二氧化碳排放税,区域供热和热电联产站开始采用颗粒燃料。 2003 年,瑞典政府引入电力证书体系,使得成型燃料的需求和产量迅速增加,新建了一些燃料生产厂。 大型锅炉采用颗粒燃料和引入电力证书体系使瑞典颗粒燃料市场快速发展[6]。瑞典颗粒燃料生产厂从 1991 年 的 2 个 增 加 到 2003年的 30 个, 年产量从 1990 年的 1 万 t 增加到 2004 年的100 万 t。 截至 2008 年, 瑞典共有 94 家颗粒燃料生产企业,总生产能力约为 220 万 t,主要产量集中于 35 个大型生产企业,国内实际颗粒消耗量达到 185 万 t。 瑞典每年从加拿大、波兰、芬兰和波罗的海等国家进口部分颗粒燃料,2004~2008 年基本保持在 35 万 t 左右。同时瑞典的颗粒燃料出口到丹麦和英国,在 2008 年,出口量约为 9.2 万 t,近几年瑞典颗粒燃料进出口以及消耗量见图 2[8],[14],[15]。

1.4 颗粒成型工艺与设备瑞典作为发达的工业化国家,颗粒成型燃料技术经过多年的研究发展日趋成熟, 目前已经完全实现商业化、市场化生产,整个生产过程中工业化程度高,操作人员少,包装、运输均实现自动化。生物质颗粒燃料加工工艺流程如图 3[16]。

烘干:由于锯末的含水量较高(通常在 50%左右),因此,首先要对其进行烘干处理,使原料水分达到 9%~12%,以满足成型要求,烘干设备采用直接加热旋转鼓。细粉:烘干后的原料要进一步细粉,一般原料颗粒尺寸要求是 1 mm,设备采用锤式细粉机。调制处理:指为软化原料中的木质纤维,在原料中要补充增加高温蒸汽。 超过一半的颗粒燃料厂在生产过程中采用调制处理。颗粒成型[5]:大多数颗粒燃料企业采用模辊挤压成型原理,即采用立式环模成型机,生产量为 2~4 t/h。关键部件使用寿命长, 环模寿命在 2 000~3 000 h, 压辊的寿命在1 000~1 500 h。冷却:从颗粒机挤出来的成型颗粒的温度为 100 ℃左右,这种状态的颗粒易破碎,不宜贮运。 生产后均需对颗粒进行冷却降温,通常采用的设备是逆流式冷却器。分类包装:颗粒燃料加工出来冷却后,按照用户需求不同要进行分类、包装。 包装规格按照不同用户,一般分为小袋装(为 16 kg),大袋装(为 900 kg),针 对 大 型 用 户,如热电厂等,采用直接散装,用卡车或轮船运输。

1.5 分类与应用1999 年 , 瑞典政府颁布了颗 粒燃料标准(SS187120)[17],在此标准中,颗粒燃料分成 3 类:第一类较高的质量要求,能够应用于户用的小型燃烧装置;第二、三类没有较高质量的要求,用于大型工业用户。 目前,瑞典有57%左右的燃料能够满足本标准,有一部分满足欧盟标准要求,但也有一部分生产企业没有按照本标准要求生产[5]。颗粒燃料能应用于不同类型的燃烧企业,既包括户用小型锅炉、中型供热中心,也包括大型的供热中心和发电厂。 根据瑞典颗粒燃料协会规定,按照装机功率不同,颗粒燃料应用可分为 3 种类型: 小型应用指输出功率小于 50kW,主要为户用颗粒炉具;中型应用指输出功率 在 50 ~2 000 kW 的用户,如中型的供热中心;大型应用指输出功率大于 2 MW 的用户,类似区域供热(电)厂。2008 年,瑞典约有 60%的颗粒燃料应用于中小型锅炉取暖和区域供热中心,其他 40%应用于大型的区域供热中心和混合燃烧发电站。上世纪 70~90 年代,瑞典区域供热站主要采用煤炭作为燃料来替代石油。 1991 年,二氧化碳排放税颁布后,这些热电站又从燃烧煤炭转变为燃用生物质燃料,如颗粒燃料。 10 年间,每年用于供热的生物质燃料从 1.1 PJ 增长到57 PJ。 在 2004 年,区域供热中颗粒燃料的消耗量约占总消耗量的 55%;到 2008 年,约有 200 个区域供热中心采用了颗粒燃料[8]。上世纪 90 年代中期以来, 户用颗粒燃料产业得到了巨大发展,10 年间, 木质颗粒燃料用于供热从无到有,达到 8 万户,保持快速增长趋势;2008 年,瑞典约有 12 万用户使用颗粒燃料锅炉,2 万用户使用颗粒燃烧炉,另外,还有 4 000 个中型锅炉燃用颗粒燃料[18]。2 瑞典颗粒燃料政策现状瑞典能源可持续发展的显著特点是制定了相关的法律、法规、政策等,同时,为保证所制定的法规得以执行,瑞典政府还制定了许多具体可行的监督措施和必须执行的行业标准。2.1 瑞典生物质能源发展目标为了减少欧盟能源的对外依赖, 保证能源安全供应,占领全球能源技术的前沿,同时也为了履行《京都议定书》规 定 的 到 2012 年温室气体排放比 1990 年 减 少 8%的 义务,欧盟对可再生能源的发展高度重视。 瑞典作为可再生能源的先行者, 在遵守欧盟的生物质能源发展目标以外,还制定了自己的生物质能源发展目标。 2006 年,瑞典可持续发展部大臣宣布:2020 年以后,瑞典将全面使用生物燃料,放弃使用石油燃料,并将完全摆脱对石油的依赖。 这将成为地球上第一个全面使用可再生能源的无油国。 为了实现这个计划, 瑞典确定了 2020 年实现 49%的可再生能源应用目标[6]。2009 年 2 月,瑞典发布可持续发展的能源政策[19],该政策的目标是到 2020 年,瑞典的可再生能源比例提高到50%,运输行业可再生能源利用率占到 10%,能源使用效率提高 20%, 温室气体排放减少 40%(在 1990 年水平上减 排 2 000 万 t)。 减 排 目 标 的 2/3 在 瑞 典 实 现, 其 余 的1/3 将通过在其他欧盟国家投资和 CDM 机制等实现。2.2 颗粒燃料相关鼓励政策瑞典生物质能源鼓励政策主要包括高价收购、投资补贴、减免税费、配额制度等[6],[20]。

从 1975 年开始, 瑞典每年从政府预算中支出 3 600万欧元,支持生物质燃烧和转换技术,主要是技术研发和商业化前期技术的示范项目补贴。 从 1997~2002 年,对生物质能热电联产项目提供 25%的投资补贴,5 年总计补贴了 4 867 万欧元。 另外,从 2004~2006 年,瑞典政府对户用生 物 质 能 采 暖 系 统 (生物质颗粒燃料用户), 每 户 提 供1 350 欧元的补贴。瑞典是能源税赋比较重的国家, 税种包括燃料税、能源税、二氧化碳税、二氧化硫税等。 瑞典主要依据税收政策促进生物质能的开发利用,即对生物质能开发项目免征所有种类能源税。 1991 年, 瑞典政府颁布了二氧化碳排放税,成为世界首批开征二氧化碳税的国家。 由于石油等化石燃料的价格上涨,一些供热中心、发电厂开始从采用化石燃料转变到采用生物质颗粒燃料。1997 年,瑞典开始实行固定电价制度,对生物质发电采取市场价格,并增加 0.9 欧分/kWh 的补贴。 2003 年,瑞典政府为鼓励企业使用生物质能源, 引入了基于电力市场的电力认证系统, 也就是配额制度。 电力认证系统规定, 电力生产商或电力供应商在其电力生产或电力供应中,必须有一定比例的电量来自可再生能源发电,这能够鼓励企业采用可再生能源生产的“绿电”。 瑞典规定生产商每生产 1 MWh 的电力,政府将根据企业使用生物电能所占电力总量的比例给予税收减免优惠。 2006 年,这 个体系使得采用可再生能源生产的电力达到 5.7 TWh[5],而总的电力消耗量是 146 TWh。2.3 颗粒燃料相关标准目前,瑞典有关于成型燃料和泥煤的物理、机械测试方法和化学测试方法等相关标准 20 余项,包括了术语、测试方法等内容[17]。 同时瑞典积极地参与欧盟固体成型燃料标准的制定工作,2000 年,欧洲标准化委员会(CEN)授权瑞典标 准 局 , 组建了固体生物质燃料技术委 员 会(CEN/TC 335)[21],[22],包括德国、芬兰、荷兰等国开始制定欧盟固体生物质燃料标准的工作。 目前此项工作已经基本完成,CEN/TC 335 分为 5 部分:术语、定义和描述;燃料分类和质量保证;采样和样品制备;物理和机械测试方法;化学测试方法。 发布了 30 项技术标准(TS),并于 2006 年秋天开始向欧盟标准转化,预计要持续到 2010 年。

随着欧盟生物质成型燃料标准的发展,瑞典成型燃料相关标准也在慢慢地被欧盟标准替代。 在瑞典,泥煤经常用于生物质燃料中,而在欧盟标准体系中,没有涉及泥煤的标准。 因此,在瑞典成型燃料检测实验室,多采用瑞典标准和欧盟标准相结合的方式。3 瑞典颗粒燃料燃烧设备近年来,瑞典很多地方企业与一些大公司合作研究开发了燃烧设备,燃烧技术处于国际领先地位。 在瑞典市场上 有 20 多家燃烧器制造商 , 超 过 50 多种类型颗粒锅炉[14],约 12 万套户用颗粒锅炉,2 万 台/套 颗 粒 炉 具,一 些新型的燃烧设备甚至能够通过远程或通信设备进行控制。2007 年,瑞典仍有 30 万户直接采用电力供暖,约有 27 万户采用电力加热水供暖,因此,瑞典颗粒燃料锅炉的发展还有很大潜力。瑞典燃烧设备可以分为集中供热锅炉 、 生 物 质 炉具]两类[23]~[25。(1)集中供热锅炉集中供热锅炉能够应用于单个或多个家庭,热量通过水循环,交换到供热系统。 功率一般在 10~40 kW,同时能够根据热量需求自动调整功率(30%~100%)。两种典型的集中供热锅炉:①组合式锅炉。 这种锅炉是由一个颗粒燃烧器和一个标准锅炉(无燃烧器)组成,通常是由不同厂家生产的。 标准锅炉连接不同类型的燃烧器。 ②一体式锅炉。 这种锅炉主要从奥地利、德国进口,但瑞典也有少部分厂家生产。 在这种锅炉中,燃烧器是锅炉的一部分,不能分开。(2)生物质炉具目前,有两种生物质炉具:独立颗粒炉具和烟囱一体式炉具。 这两种炉具最大的不同是烟囱一体式炉具被安装在壁炉中,目前独立式颗粒炉具是最普通的。 独立式颗粒炉具通常有一个内置颗粒料仓, 能够存储一定的颗粒燃料,通常能够燃烧 1~2 d。 有少量的炉具带有外部料仓。颗粒燃料的一大优点就是能够实现自动进料、 燃烧,因此,近几年来颗粒燃料燃烧器得到了迅速发展,小型颗粒燃料燃烧器(功率<25 kW)发展情况如图 4[14]。 尤其是在2006 年,颗粒燃烧器销售量达到 3.2 万台。 3 种类型燃烧器,根据进料方式不同分为上进料式、下进料式、水平进料式。市场上多采用上进料式颗粒燃烧器[26],[27]。比较典型的是PX 公司生产的上进料式燃烧器 [28]、EcoTec 公司生产的下进料颗粒燃烧器[29]和 Traenergi 公司生产的水平进料颗粒燃烧器[30]等。

4 瑞典颗粒燃料质量保障体系为了保证颗粒燃料及燃烧设备产品质量,在欧盟国家销售的颗粒燃料以及燃烧设备必须符合一系列技术指标的要求以及严格的排放标准[30],因此,瑞典的颗粒燃料、燃烧设备等制造商和国家检测研究所设定了自愿认证系统,即 P-Mark 认证体系。认证通过独立的第三方确认,认证规则将符合具体的标准要求或者其他的技术条件[31]。 具体流程如图 5。

P-Mark 认证体系具体由瑞典国家技术研究所(SP)负责检测实施,是根据相关标准为生产制造商、用户和管理部门提供的一种质量认证。 它能向用户表明该产品已经被SP 检测认证, 并且该生产制造商的内部检测体系也将被SP 监督。制造商:成型燃料、燃烧设备等制造商将以书面形式向 SP 提交认证申请,内容包括技术文件(初步测试报告、图纸、说明书)、企业质量管理体系、产品认证证书的要求等,其中质量控制体系应包括组织管理机构、相关文件、问题产品的处理、成品的处理和投诉等方面。瑞典国家技术研究所 (SP):SP 作为自愿认证系统的第三方,首先对成型燃料、燃烧设备等制造商提供的材料进行初步审查;合格后,再对产品按照相关标准进行检测测试;测试后向生产制造商提供测试报告,并给予 P-Mark标记, 生产制造商获得此标记后其产品才能进入市场,证书的有效时间是 4 年。 另外 SP 将对该产品进行定期监督检查,确定产品是否按照制造商描述的质量管理体系进行生产制造。P-Marked 认证是一个综合的认证体系, 包括相关的标 准、测 试 方 法、监 督 体 系、管 理 条 例、实 施 办 法 等,同 时SP 作为第三方将连同制造商以及其他研究部门来不断完善、修订产品认证规则,包括标准、测试方法等。5 结论与建议瑞典地处北欧,冬季寒冷漫长,纬度与我国东北地区类似,因此,瑞典颗粒燃料产业的发展历程、特点以及先进技术、经验对我国,尤其是东北地区生物质固体成型燃料的发展有着重要的借鉴与启示。5.1 瑞典颗粒燃料产业发展特点(1)林业资源丰富,原料以林业剩余物为主。 瑞典有丰富的森林资源,每年产生大量的林业剩余物,因此颗粒燃料原料以林业剩余物为主,包括锯末、刨花、木条等。 与我国丰富的农作物秸秆资源相比, 林业剩余物具有热值高、易远距离运输,同时物理特性相差不大,在颗粒燃料生产过程中不需要粉碎;但也存在问题,主要是由于锯末含水量较高,一般超过 50%,因此,在颗粒燃料加工前需增加烘干工序,这也部分增加了其生产成本。(2)颗粒燃料产业商业化,以大中型为主。 瑞典颗粒燃料产业完全商业化生产,成型技术成熟,生产企业以大中型为主,生产能力达到 220 万 t,主要集中在 35 个大型生产企业;小型企业(年产量 5 000 t 以 下)基本上是在已有刨花板、家具及锯末生产厂的基础上建立的,利用自己企业产生的锯末作为原料。(3)政府制定了完善的法律、法规以及鼓励政策。 瑞典颗粒燃料产业在 90 年代以后迅速发展的一个重要原因是国家制定了生物质能源鼓励政策,并以法律、法规形式颁布,长期保持不变。 如1991 年颁布的二氧化碳排放税,使大量区域供热中心采用的原料由石油转变为颗粒燃料。2003 年的电力认证系统, 鼓励电力生产商或电力供应商采用可再生能源生产的“绿电”,极大地促进了颗粒燃料的发展。(4)颗粒燃料相关标准不断完善。 从上世纪 90 年代开始,瑞典研究机构就发布了颗粒燃料相关标准,并针对不同用户对颗粒燃料进行分类,完成了颗粒燃料、燃烧设备等标准、技术条件的测定。 同时,瑞典颗粒燃料的标准、技术条件不断向欧盟标准靠近和完善。 目前采用的检测分析方法大多采用欧盟标准,尤其是在生物质炉具、锅炉的检测方面,大大促进了瑞典与欧盟各国间的颗粒燃料、燃烧设备的贸易。(5)燃烧技术及燃烧设备成熟。 近几年来,瑞典的户用燃烧锅炉、采暖炉具产量不断扩大,这得益于燃烧技术及燃烧设备的发展。 瑞典政府十分重视燃烧设备的开发与应用,目前瑞典许多研究机构、大学、企业等合作研究开发了燃烧设备,使瑞典的燃烧设备以及燃烧技术处于国际领先地位。(6)拥有完善的质量保障体系。 为保证颗粒燃料、燃烧设备产品质量,瑞典政府规定,在颗粒燃料、燃烧设备进入市场前,必须获得第三方的检测认证。 瑞典国家技术研究所(SP)建立了自愿认证系统,即 P-Mark 认 证 体 系,如 进入欧盟市场时,需达到欧盟标准要求,即通过 CE 认证。 这提高了颗粒燃料、燃烧设备的质量,保障了用户的利益。

5.2 对我国成型燃料产业发展的启示我国具有丰富的农作物秸秆资源,每年农作物秸秆产量约 7 亿 t,自 2005 年以来,国家相继出台了一系列促进可再生能源发展的法律、政策、规划、标准等,但对于生物质固体成型燃料我国还刚刚进入市场化推广的初级阶段,截至 2008 年,我国的成型燃料产量仅为 20 万 t,产业化进程较为缓慢,因此,需要借鉴欧洲各国的成功经验和先进技术,加快我国的产业化进程。(1)加大秸秆类成型燃料成型技术、燃烧技术的研发。

我国是以农作物秸秆为主要原料加工生产成型燃料的,秸秆成型特性、 燃烧特性方面与林业剩余物有很大不同,不能照搬国外的技术以及设备, 应按照我国的实际国情,加强对秸秆类成型燃料的成型特性、燃烧特性的研究,尤其是研发适合我国秸秆类成型燃料的燃烧器、生物质炉具等燃烧设备。(2)制定鼓励政策,完善生物质成型燃料标准体系。 目前我国已制定了生物质能源相关法律、规划,并通过多项成型燃料行业标准,初步建立了我国的生物质成型燃料标准体系。 但我国的成型燃料产业处于初级发展阶段,还没有被市场完全接受,要制定明确的促进成型燃料开发与利用的政策和措施,并保障已有法律和政策措施能够有效实施,应重点在设备制造和成型燃料利用市场开拓方面予以大力扶持;制定完善生物质炉具、锅炉、燃烧器等燃烧设备方面的技术条件、标准。(3)健全质量保障体系,建立国家级的生物质燃料与燃烧设备检测认证中心。 欧盟国家有成熟完善的质量保障体系,在成型燃料、燃烧设备进入市场前,要经过检测部门的检测认证。 由于我国的成型燃料刚刚起步,质量保障体系还不完善,成型燃料、燃烧设备在没有经过检测认证的情况下就进入市场,这导致了成型燃料质量、燃烧设备质量参差不齐, 影响了生物质固体成型燃料的产业化进程,因此,在目前科研机构的基础上,建立一个集科研、检测、市场开发三位一体的综合研究机构,促进科研开发,掌握市场最前言的信息,促进科研成果向市场的转化,使科研成果体现出自身巨大的社会经济价值;同时借鉴欧盟国家成型燃料方面的检测经验,建立国家级的生物质固体成型燃料检测认证中心、生物质固体成型燃料燃烧设备检测认证中心。(4)加大典型区域示范推广,实现规模化生产。 我国的成型燃料以农作物秸秆为原料, 考虑秸秆的运输半径、成本以及秸秆存储等问题,我国的成型燃料企业应以具有年产 1 万~2 万 t 生产能力的中型企业为主,以实现成型燃料的规模化生产,同时考虑到我国地域辽阔、各地气候差异大、秸秆特性不同的特点,应在不同区域建立示范项目,促进我国生物质成型燃料产业化发展, 使之完全商业化、市场化。

致谢:对中国工程院的官键处长、王小文老师;瑞典皇家工程科学院的 Ulla Svantesson 给予本项目的支持以及在瑞典学习工作期间清华大学李十中教授、 瑞典 SP 技术研究所Claes Tullin,Marie R觟nnb覿ck 提供的帮助表示衷心感谢!