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洪浩1，葉文虎1，宋波2，張顯學2
（1.北京大學環境科學與工程學院環境科學系，北京100871；2.北京科技大學土木與環境工程學院環境工程系，北京100083）
摘要：發展生物質成型燃料，對于優化我國的能源結構、保障能源安全具有重要意義。從資源收集、市場定位、應用推廣方面歸納了生物質成型燃料產業的特點，梳理了該產業發展所需經歷的萌芽、快速發展、持續發展三個階段。指出該產業在我國尚處于萌芽階段，制約其發展的瓶頸問題主要在于觀念落后、政策滯后、龍頭企業缺少扶持，提出中國生物質成型燃料的市場重點在于替代分散供熱市場中的中小型燃煤、燃油、燃氣、燃電鍋爐。以輝南宏日新能源公司為案例，分析了其建立在資源收集、生物質顆粒燃料加工、鍋爐設計與配套、供熱服務4個環節之上的產業鏈運行情況，提出依托中小企業培育龍頭企業，重點擴展中小鍋爐區域供熱市場，是我國生物質成型燃料迅速產業化的合理路徑。
1引言
生物質能是繼煤炭、石油、天然氣后的第四大能源，每年再生的生物質能總量是全球能源消費總量的10倍。生物質能有著巨大的開發潛力，現今被利用的生物質能量僅是每年再生總量的1%[1]。目前，生物質能在可再生能源利用中的比重超過60%，據國際能源理事會（WEC）預測，到2020年生物質能在全球可再生能源中的比重仍接近60%[2]。
生物質能利用的最終產品有氣態、液態和固態三種狀態[3]，生物質成型燃料是固體形態生物質能的典型代表。將農林生物質原料進行加工，使其具有人們方便使用的形狀、大小和密度，便得到了生物質成型燃料。同其他生物質能相比較，這種燃料生產過程簡單、運輸及燃燒方便，比其它產品的推廣更具優勢。2004年以來，全球成型燃料產業規模每年增長超過18%，已迅速實現產業化。歐洲是全球生物質成型燃料產業發展最快的地域。2006年歐洲生物質資源轉化為能源總量達1.27億t標準煤（TCE），其中轉化為固體燃料用于供熱市場總量達0.75億TCE，占總量的58%。目前，生物質成型燃料已經成為歐洲家庭常規燃料，在超市中作為普通商品銷售。歐盟各國都建立了生物質成型燃料相應的行業標準、技術規范和產品標準，產業發展已經進入了成熟商業化的快速發展階段。
我國的生物質資源非常豐富。林業方面生物質能的資源量達9億t，可利用量為3億t，約折合2億TCE；農業方面的資源量達6億t，折合約1.5億TCE。全國生物質能可利用量達3.5億TCE[4]，是目前全球已開發生物質資源量的總和。如何借鑒發達國家的成功經驗、發展符合國情特點的生物質成型燃料產業，對于優化我國的能源結構，保障能源安全具有重要意義。
2生物質成型燃料產業的特點
2.1資源收集特點
建立適應生物質資源特點的收集方式是產業發展的前提。我國目前最現實的可開發生物質資源主要是農業和林業廢棄物，但這二者在收集成本方面存在較大差異：
（1）農業廢棄物（主要指秸稈）資源相對集中，運輸成本相對較低；產權分散，交易成本較高。在歐洲，幾個農場主擁有的生物質資源就可以滿足一個電廠的需求，但在中國，同等規模的收集量可能涉及上千農戶。與數量龐大的農戶交易，將產生較高的交易成本，再加上農業廢棄物的熱值普遍低于林業廢棄物，導致產品價格的市場競爭力不強。據綜合測算，農業廢棄物的合理收集半徑約為20km，加工規模約為0.50~1.00萬t。
（2）林業廢棄物資源相對分散，因此運輸成本相對較高；產權集中程度優于農業廢棄物，因此交易成本較低。林業生物質資源主要來自林業三剩物（采伐剩余物、撫育剩余物、加工剩余物）。其中，林區采伐、撫育剩余物的合理收集半徑約為50km，每年可收集量約2.00~3.00萬t，可以滿足規模1.00~1.50萬t（干重）的成型燃料加工廠需求；林業加工剩余物的收集半徑和加工規模取決于木材加工企業的規模，且受木材加工市場供需影響影響大，導致原料供應的可靠性無法保證，資源價格波動較大。
2.2市場定位特點
市場的拉動作用是產業發展的主要動因。目前，生物質能的開發利用應主要通過市場機制運作。能源終端消費市場可分為三種類型：供熱市場、發電市場和交通燃料市場，根據發達國家經驗，成型燃料主要針對供熱市場。
傳統供熱市場的熱源主要有發電廠余熱和供熱鍋爐兩種；燃料有煤、油、氣、電等；供熱方式分為熱水和蒸汽兩種；供熱用戶大致可分商業、民用和工業三類；供熱市場收費方式，對于一般建筑供暖按供熱面積計費，若提供蒸汽則按流量計費。
由于我國正處在快速工業化和城市化的進程中，供熱市場增長迅速，每年僅建筑用熱增長就超過3000萬TCE[5]。供熱過程中帶來了嚴重的環境污染。我國供熱市場擁有的中小鍋爐總量達50萬臺，每年能源消耗量達4億TCE[6]，占能源消耗總量的1/7。由于中小鍋爐多以燃煤為主，缺乏高效的脫硫、除塵裝置，導致其排放的SO2超過全國總排放量的1/2，成為空氣污染的主要源頭。
因此從環保角度出發，目前多數城市供熱的導向是集中供熱取代中小鍋爐。但是這又導致了集中供熱的能源浪費嚴重問題。據測算，集中供熱的效率損失在10%-30%之間。例如，目前城市居民住宅集中供熱主要按供熱建筑面積收費，“室溫低了告狀，室溫高了開窗放熱，大約浪費了全部熱量的7％；這種浪費在公共建筑中更明顯，辦公樓、教室等公共建筑，在下班、放學以后照常供熱，例如華北地區，供熱期125天，其中節假日就有40天，占采暖期的30％，造成大量的能源浪費[7]。”工業方面的浪費也較為嚴重。東北某高新開發區采用集中供汽，大約有10%-15%的位于管道末端的用戶，因無法獲得穩定壓力的蒸汽而影響生產，同時集中供熱公司每年為維持供熱而承擔虧損也達數百萬元。華東某市的高新技術開發區熱電廠則面臨另一困境：夏季蒸汽消費量減少，原有的鍋爐生產的蒸汽無法充分利用。為滿足開發區內少數企業的用熱需求，熱電廠必須照常開工，導致每年損失達千萬元。
總地來看，目前存在三類特殊的供熱市場無法通過集中供熱滿足需求。一是具有特殊供熱要求的公共建筑，如酒店、醫院、洗浴中心等；二是集中供熱無法覆蓋的城市周邊和農村城鎮地區；三是需要特殊指標（如溫度、壓力等）熱源的工業企業。這三類特殊的供熱市場的現實存在，決定了集中供熱不可能全面覆蓋所有供熱需求，全面取締中小鍋爐也并不是解決問題的最佳途徑。如果能夠靈活調整政策，允許企業自備小型清潔燃料鍋爐實現分散供熱，問題將得以完滿解決。
生物質資源的空間分散性，恰好吻合分布式的能源消費市場。表面上看，產生于農村的生物質能似乎應該主要用于解決農村能源需求，但由于多數生物質資源豐富的農村地區能源市場尚未成熟，規模小、利潤低，即使有政府補貼，也無法形成社會資本投入機制，無法形成產業。相對而言，城市的上述三類分布式供熱市場成熟、穩定，對生物質固體燃料產業會形成極大的推動作用。如果發展生物質成型燃料全部取代中小化石能源鍋爐燃料，可提高清潔能源比率20%，總體提高能源利用效率最少2.5%，極大改善能源結構，同時降低減排壓力。
2.3應用推廣特點
（1）適用性廣。生物質成型燃料，特別是顆粒狀燃料，具有密度高、形狀單一、便于運輸和自動化控制等優點，可廣泛用于中小企業生產、家庭取暖和區域供熱，實現對燃煤、燃油、燃氣的替代。
（2）經濟性強。與同等熱值的油氣能源相比，生物質顆粒燃料具有明顯的價格優勢，價格相當于燃油的50%-60%，相當于燃氣的70%（2009年油氣價格），綜合成本與煤基本持平，詳見表1。
（3）加工技術適應資源特點。在生物質能產業中，原料購買及收集費用通常超過總成本的50%以上。生物質液體燃料的經濟生產規模一般在5萬t以上，生物質發電的資源需求量在20萬t以上。如此巨大的資源使用量，必然導致收集成本迅速增加。與之相對照，生物質成型燃料加工企業的資源需求約為1.00~1.50萬t，收集成本得以有效降低。且成型后的燃料體積大幅變小，約為最初的資源的1/15~1/7，便于中遠距離運輸，從而可靈活供應城市能源市場，并兼顧農村能源市場的需求。
（4）能源轉化效率高。能量投入產出比是衡量能源產品開發的重要經濟指標。就目前的技術水平而言，生物質成型燃料的能量投入產出比大約是1∶20，生物質液體燃料大約是1∶5，生物質發電大約是1∶3。可以看出，發展生物質成型燃料，是投入少、產出多的發展模式，符合生物質資源的特性和經濟規律。
3生物質成型燃料產業的發展階段
生物質成型燃料能否進入能源消費市場，是發展生物質成型燃料產業的前提。現代社會中，能源消費市場不僅關注能源產品的經濟性，更關注能源供給的持續性和穩定性。
生物質成型燃料產業跨越一、二、三產業，其產業鏈由資源收集、加工成型、燃燒產能、市場消費四個環節構成（圖1）。只有四個環節全部打通，才有可能實現能源產品的持續、穩定供給，從而打開能源消費市場。這也意味著生物質成型燃料產業必須培育整條產業鏈，如果產業鏈無法有效建立或整合，也就無法發展需求市場。與大多數產業類似，生物質成型燃料產業鏈的培育，也需要經歷萌芽、快速發展、持續發展3個階段。
3.1萌芽階段
這個階段的主要特征是政府投入為主，通過扶持龍頭企業整合（建立）產業鏈，使從資源到服務的所有環節經得住市場檢驗，讓消費者認識、了解、接受成型燃料產品，形成穩定成熟的商業模式，引導社會資本投入。目前我國生物質成型燃料產業正處于這個階段，各地已經陸續有類似龍頭企業出現，但都處于“嬰兒期”，迫切需要社會和政府的支持和保護。
龍頭企業必須密切聯系原料產地（農區、林區），同時關注市場消費人群，隨時掌握市場需求，只有這樣“眼高（看市場）手低（務農事）”的企業才能帶動生物質成型燃料產業的發展。這一階段起主導作用的是政府，政府通過投入公共資源，排除產業市場化的障礙因素，通過扶持龍頭企業，建立產業鏈，從而引導社會資本進入該領域。
3.2快速發展階段
這個階段的主要特征是社會資本投入為主。產業鏈的不同環節形成專業的產業集群，從資源收集、成型加工、爐具加工到運營服務成長出一批專業化企業，使得市場消費對成型燃料產業發展的信心進一步增強。由于市場的發展空間巨大，市場擴容和社會資本投入會迅速形成良性循環，共同推動成型燃料產業進入爆炸式的快速發展階段。歐洲目前正處于這一階段。尤其是近年來在整體經濟環境惡化的背景下，歐洲生物質成型燃料產業仍能保持18%的高速增長。
3.3持續發展階段
市場競爭的結果將推動產業向成熟和完善的方向發展，從而進入持續發展階段。這一階段的特征是成型燃料產業將與農林業的發展實現融合。
由于能源需求將在一定時期內持續增長，帶動成型燃料產業不斷壯大，當成型燃料產業的需求超過農林廢棄物的供給時，必然會拉動傳統農業向能源農業方向拓展[8]，為農民增收和就業帶來新的機會。
同時隨著農村市場的不斷成熟，成型燃料產業將在一定程度上改善農村依靠化石能源的局面，建立屬于農村的生物質能為主的能源基礎設施，從而帶動農村第二產業的發展；通過將撫育剩余物納入產業鏈條，將直接促進林業生態建設的產業化，成倍增加就業機會，幫助林業實現戰略轉型和產業升級，最終形成三大產業共同持續發展的局面。
4制約我國生物質成型燃料產業化的瓶頸問題
目前，我國生物質成型燃料產業的發展尚處于萌芽階段，落后于發達國家。除了起步較晚之外，還存在著諸多主觀方面的瓶頸問題制約這一產業的發展。主要表現在觀念誤導、政策滯后及缺少對龍頭企業的扶持方面。
4.1觀念誤導
由于生物質成型燃料在我國還屬于比較新鮮的事物，社會上對這一產業也存在著一些誤解。
第一種誤解是以傳統能源發展模式套用生物質成型燃料。與化石能源相比，生物質成型燃料具有能量密度低、分布分散的特點，決定了與化石能源的加工及利用適用于支撐較大規模經濟活動相比，生物質成型燃料更適合中小規模。也就是說，生物質成型燃料更適宜滿足分散的中小規模的能源需求，如作為賓館、醫院、小型工業園區的主要熱源，或者作為大型工業園區的補充熱源。
第二種誤解是認為農林廢棄物價值低、技術含量低，不可能加工成高品質產品，因而只適合在農村使用。德國、瑞典等發達國家的經驗證明，生物質成型燃料是適應現代生活的高品質能源產品[9]。
目前在我國，農村生物質成型燃料消費市場尚未成熟，對產業發展無法形成有效拉動。相對而言，城鎮中小鍋爐的改造和燃料替代是我國能源結構中亟待解決的問題，為生物質成型燃料提供了廣闊的市場。
第三種誤解認為發展林業生物質能會造成林業資源的破壞。實際上，林地的健康生長需要撫育，否則會延長林木的成材期，而目前由于撫育下來的剩余物沒有產業化利用容易引起山火和病蟲害，導致森林撫育無法大規模開展。因此，林業生物質能的利用與森林撫育的有機結合可以產生共贏的結果。
4.2政策滯后
推動生物質成型燃料產業發展的關鍵在市場環節。為了創造和擴大市場需求，在產業發展的初期，政府除出臺一系列稅收優惠、市場準入政策等扶持生產企業之外，主要的重心放在通過補貼來刺激市場、擴大需求上。例如德國，使用顆粒燃燒器取代燃油鍋爐可以得到政府50%的改造補貼和30%的燃料費用補貼，瑞典、奧地利等其他發達國家也有類似政策[10]。這些政策的出臺有效刺激了市場需求，為生物質成型燃料產業的發展創造了巨大的市場空間，有效地推動了產業的快速發展。
然而，我國由于對生物質固體顆粒的經濟效益、社會效益和環境效益認識不足，導致政策滯后于產業的發展。不但沒有促進生物質固體顆粒這一新興產業的發展壯大，反而起到了一系列制約作用。例如，部分地區制定的片面追求集中供熱率的政策，對于中小鍋爐要求一律拆除，并且不準新建任何類型的供熱中小鍋爐房，導致集中供熱的很多固有缺陷被人為放大。從環境保護角度來看，制定取消中小鍋爐政策的初衷是為了加強污染源控制，這在以煤為燃料的歷史背景下無疑具有相當的合理性。但是隨著技術進步，清潔型生物質成型燃料發展到可以實用的階段，限制中小鍋爐的歷史條件已經改變。這種情況下，相應的政策如不及時調整，將有悖于科學發展的指導精神。
4.3缺少對龍頭企業的扶持
產業發展的源動力是市場，產業鏈整合的工作只有依靠龍頭企業以市場行為完成，才能形成穩定發展的機制，依靠龍頭企業整合產業鏈是產業發展初期的必經階段。大型能源類企業最具有經濟與技術實力作為產業龍頭整合產業鏈。但在我國，由于生物質資源的收集需要與大量農民打交道，對于能源類大型企業來說，生物質成型燃料產業的微薄利潤無法負擔如此高昂的交易成本以及由此而帶來的管理成本。與這些企業享受豐厚的利潤相比，生物質成型燃料產業的利潤顯得微不足道。這就造成了大型能源企業既無心、又無力參與生物質成型燃料產業的產業鏈整合。因此，作為產業龍頭整合產業鏈的重任就落到中小企業肩上。在國外也存在類似現象，Hillring總結了過去20年瑞典利用生物質能的經驗指出，不能指望大公司在這個領域變身為龍頭企業，小公司完全具有成長為龍頭企業的能力[11]。
但由于中小企業技術、經濟實力較弱，所以要作為龍頭企業完成產業鏈的整合，必須獲取政府的大力扶持。芬蘭、瑞典和德國在開發利用生物質能方面，均實行市場化運作和龍頭企業帶動為主、政府扶持為輔的機制。原料的培育種植、收集運輸、加工利用和產品銷售等均由龍頭企業根據市場機制來運作，企業籌資建設，政府在政策上給予扶持、在稅收上給予優惠、在資金上給予一定補貼，使生物質能的開發利用一開始就建立在以市場機制為主的基礎之上，保證了生物質能開發利用的持續健康發展[11]。
在我國，由于觀念偏差，政策滯后，導致政府對生物質成型燃料產業的扶持遠遠落后于需求，形成了龍頭企業單薄孱弱、產業鏈脆弱的局面。目前，產業無標準、企業無規范、產品檢測無機構，技術發展整體上呈現出滯后于產業發展的態勢。以產業鏈的重要技術環節——燃料成型為例，我國從20世紀80年代中期開始研究燃料成型技術，目前已研制出用以生產棒狀、塊狀和顆粒狀生物質成型燃料的多種壓縮成型機。這些設備普遍存在產量低、能耗高、原料要求苛刻等缺點，且多為單機生產，包括烘干、粉碎等設備的配套生產線比較少。全國目前投入使用的生物質壓縮成型設備約在1000臺左右，年產生物質成型燃料不足30萬t。
5我國生物質成型燃料案例及啟示
輝南宏日新能源公司成立于2006年，歷經3年時間，開發出適應我國生物質原料的通用型成型技術，產品通過了世界權威認證機構SGS認證。并進一步培育產業鏈，成長為一家跨越資源收集、生物質顆粒燃料加工、鍋爐設計與配套、供熱服務4個環節的生物質成型燃料龍頭企業。
該企業基于EMC（合同能源管理）商業模式，結合我國特點，探索出一套適應生物質成型燃料特點、符合我國分散的中小規模能源需求的生物質成型燃料運營模式，初步獲得了市場的認可。在2年時間的運營過程中，該模式表現出操作簡便、供熱穩定高效、具有較好經濟性的優勢。供熱運營價格能夠達到與燃煤相當水平，可以與當地供熱市場接軌。該模式所涉及的資源收集、生物質顆粒燃料加工、鍋爐設計與配套、供熱服務4個環節分述如下：
資源環節：原料來源主要是以采伐剩余物為主的林業三剩物。在傳統的林業工作中，由于直徑8cm以下的枝丫木材無法處理，多數只能作為采伐剩余物留在山上，成為誘發山火和滋生病蟲害的隱患。輝南宏日新能源公司雇用當地林業職工把這些林業三剩物從林區收集、清運出來。按每天人均支付100元計算，每噸的費用約為200~240元。以50km作為收集半徑布點，可滿足年產1.50萬t生物質成型燃料加工廠的需求。
成型環節：關鍵因素是成型設備應適應資源的特點，并配套完備、運行穩定。宏日新能源公司在吸收借鑒國外先進技術的基礎上，研發出具有自主知識產權的從粉碎、烘干、制粒到包裝的自動化生產線，年產量可達1.50萬t，多項指標達到或超越了國外同類水平。例如，國外的木質顆粒生產線多數與木材加工廠配套，其原料相對單一，成型穩定較好；但在國內環境下，由于原料中普遍含有樹皮、樹葉、灌枝、甚至泥土等雜質，進口設備無法正常運行。宏日新能源公司開發的設備充分考慮了我國的資源特點，具有廣泛的適應性，農、林廢棄物均可加工成型，并且可以達到國外設備的同樣長期運行穩定的結果。
燃具環節：生物質成型燃料的燃燒特性指標主要包括熱值、灰份和灰熔點。其中，灰熔點指標在燃具設計過程中容易被忽視。灰熔點主要由原料決定，木質原料灰熔點比秸稈要高。如果燃料的灰點偏低，容易致使爐膛結渣、結焦，影響正常燃燒。燃具設計的重要工作之一是配風設計，配風不合理將降低燃燒效率，不僅使污染物排放超標，而且直接影響經濟效益。示范單位2007年采用的第一代鍋爐并不成功，雖然采用木質燃料，鏈條爐排，層狀燃燒，但由于配風不合理等因素導致失敗。第二代鍋爐充分考慮生物質燃料的特點，合理設計，并啟用自動化控制，在保證良好供熱效果的同時還節約了維護成本。示范工程2臺1400kW熱水爐2臺1400kW蒸汽爐，實測熱效率達84%，爐膛溫度1100-1300攝氏度，排煙溫度180攝氏度，排放指標實測數據低于一類地區第二時段指標，詳見表2。
市場環節：生物質成型燃料的市場目標是替代中小燃煤、燃油、燃氣、燃電等化石能源鍋爐。目前共建成11個示范項目，供熱對象分別為民用、商用和工業用戶；類型包括供暖和蒸汽；單體建筑供熱面積從0.01~4.50萬m2。以上示范項目均取得成功。最具代表性的項目是四星級外資酒店。該酒店由于位于市中心，但處在集中供熱管網尾端，供熱效果不理想，因此自備燃油鍋爐作為補充。但因燃料成本太高，無法長期承受，導致冬季大部分客房室溫低于18度，影響了酒店的正常經營；使用生物質成型燃料供熱1年以來，不但保證了冬季室內溫度穩定在20~22度，同時還節省了50%的燃料開支。另外，由于采用了自動化控制，不但沒有增加鍋爐工人數，而且降低了勞動強度。環境保護方面，實現減排CO2約0.5萬t，SO2約0.0112萬t，取得了良好的環境效益。
6結論與建議
目前，我國生物質成型燃料產業的發展處于試點示范階段。建議全力扶持龍頭企業以市場機制整合產業鏈，擴大示范工程，支持以市場為導向的產業化技術研發，制定企業標準和行業標準，扶持中介機構，引導相關企業做大做強，帶動產業發展。盡量使生物質固體燃料產業發展有一個高起點，避免出現產業發展初期的混亂無序局面。
在政策層面，建議將生物質成型燃料對中小鍋爐的替代列入國家十大節能減排目錄。將生物質成型燃料產業發展在國家“十二五”能源發展規劃中重點扶持。建議各部委出臺支持再生能源的政策惠及成型燃料產業，比如新近城鄉建設部出臺的再生能源示范城市和示范縣，可考慮將生物質成型燃料納入范疇；對利用生物質資源發展固體燃料的企業給與補助，大中城市嚴格環保標準，對化石能源鍋爐改造為生物質能鍋爐給與補貼，為成型燃料產業發展創造良好的市場條件。
根據生物質資源的不同特點，科學對待農、林廢棄物資源的利用。生物質成型燃料的市場目標需要細分，對環保要求高的城市地區適宜采用林業生物質能取代中小鍋爐，在農村城鎮化中小城鎮建設的供熱可以采用農業生物質資源。這樣更有利于發揮農林生物質資源的特點和優勢。
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