中國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，竹材消耗量也逐年上升，同時(shí)產(chǎn)生了越來(lái)越多的竹廢料無(wú)法得到有效利用。目前全世界面臨著(zhù)能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力，大力開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源是實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展的必然選擇。文章概述了竹材作為生物質(zhì)能原料的優(yōu)勢、傳統生物質(zhì)發(fā)電項目存在的問(wèn)題以及生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域新技術(shù)的應用，可為產(chǎn)竹區、竹產(chǎn)業(yè)聚集區的竹廢料應用于分布式生物質(zhì)熱電聯(lián)供提供一種高效、先進(jìn)、可推廣的模式。
中國是全球竹資源最豐富的國家。近年來(lái)，中國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，竹材消耗量逐年上升，同時(shí)產(chǎn)生了越來(lái)越多的竹廢料沒(méi)有得到有效的利用。與其他植物相比，竹類(lèi)植物具有品種多、生長(cháng)速度快、再生能力強、一次造林成功即可持續利用等特點(diǎn)。竹材的熱值明顯高于常見(jiàn)草本植物和農作物秸稈，是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料。在當前全球面臨著(zhù)能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力下，大力開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源是實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展的必然選擇。竹材作為生物能源產(chǎn)業(yè)的新原料，必將成為當地竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長(cháng)點(diǎn)和帶動(dòng)當地脫貧致富的新途徑。
1 生物質(zhì)能源發(fā)展前景
1.1 生物質(zhì)能是新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分
生物質(zhì)是地球上存在最廣泛的物質(zhì)，具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢。生物質(zhì)能源是重要的可再生能源，具有高效、低碳、節能、惠農等優(yōu)點(diǎn)，是除石油、煤炭、天然氣之后的第4大能源，在整個(gè)能源系統中占有重要地位。隨著(zhù)全球變暖趨勢加劇、環(huán)境保護壓力增加和化石能源日益匱乏，可再生能源發(fā)電將逐步替代不可再生能源發(fā)電，成為人類(lèi)社會(huì )發(fā)展所依賴(lài)的主要能源。將生物質(zhì)原料用于發(fā)電也是目前生物質(zhì)能源應用中最普遍、最有效的方式之一，在減少碳排放、改善能源供需、保護生態(tài)環(huán)境、增加農民收入等方面發(fā)揮著(zhù)重要作用，是國家發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。
1.2 生物質(zhì)發(fā)電是節能減排重要手段
自20世紀80年代以來(lái)，生物質(zhì)發(fā)電成為我國控制碳排放的主要手段，對生物質(zhì)電站的建設越來(lái)越重視。特別是近年來(lái)，國家越來(lái)越注重低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，將生物質(zhì)能的綜合利用作為新能源開(kāi)發(fā)的重要途徑，加大了對生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)的政策支持和資金投入。隨著(zhù)《中華人民共和國可再生能源法》和相關(guān)能源電價(jià)補貼政策的出臺和實(shí)施，吸引了大量資本流入生物質(zhì)能源行業(yè)。但相對于歐美等發(fā)達國家的生物質(zhì)發(fā)電利用水平和在能源中的占比，我國的生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)還有很長(cháng)的路要走，具有廣闊的市場(chǎng)空間。
1.3 生物質(zhì)發(fā)電有利于降低農村和農業(yè)污染
相比石油化工燃料，生物質(zhì)資源種類(lèi)繁多、儲藏量巨大、廣泛分布。其主要有竹木廢料、農林秸稈廢棄物、牲畜糞便、能源植物、城市垃圾等，目前生物質(zhì)發(fā)電是大規模處理農林廢棄物的有效方式。生物質(zhì)發(fā)電有2大好處：首先，秸稈熱值高，平均值約為1.5萬(wàn)kJ/kg，相當于標準煤的50%，可以有效替代煤電，加快改善地區能源結構；其次，生物質(zhì)發(fā)電環(huán)保，可以有效避免農民焚燒秸稈造成的嚴重空氣污染，發(fā)電過(guò)程中的一氧化碳排放量為零、硫氧化物僅為46mg/m³、煙塵少于127 mg/m³，均遠低于國家標準。我國對農林廢棄物發(fā)電采用了“以能源補貼為主、輔以環(huán)境效益補助（綜合利用稅收優(yōu)惠）、并允許其無(wú)限制電量上網(wǎng)”的鼓勵機制。如果能在農村地區廣泛開(kāi)展直燃秸稈電站建設，對廣大農村地區能源結構的調整和資源環(huán)境保護意義重大。
2 竹材作為生物質(zhì)能原料的優(yōu)勢
2.1 竹資源豐富，產(chǎn)業(yè)發(fā)達
中國是全球主要的產(chǎn)竹國，是竹資源最豐富的國家，享有“竹子王國”之譽(yù)。據統計，中國有竹類(lèi)植物39屬500多種，分布廣泛，以珠江流域和長(cháng)江流域最多；全國16個(gè)主要產(chǎn)竹?。▍^）的竹林面積約672.73萬(wàn) hm²，占全世界竹林總面積的21%，占全國土地總面積的0.70%，占森林面積的3.48%。
自20世紀末起，中國竹產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，竹產(chǎn)品類(lèi)型日益豐富，除傳統的竹筍、竹材、竹工藝品和竹漿造紙外，竹纖維紡織、竹提取物制藥等新興產(chǎn)品已進(jìn)入日常生活中。同時(shí)，竹產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展也拉動(dòng)了下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著(zhù)全球經(jīng)濟一體化，國內外市場(chǎng)對竹產(chǎn)品的需求日益加大，竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很大的空間。
中國目前約有6 000萬(wàn)人直接從事竹產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，其中從事加工商貿的有755萬(wàn)人，竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的省份有浙江、福建、江西、四川、湖南等，產(chǎn)業(yè)特色比較明顯的縣市有浙江安吉、龍游，福建南平、三明，湖南桃江，江西宜春，四川宜賓等地。中國已開(kāi)發(fā)出竹家具、竹建材、竹類(lèi)生活用品、竹纖維制品、竹炭和竹醋液、竹食品、竹景觀(guān)等10大類(lèi)幾千個(gè)品種的竹產(chǎn)品。
2.2 竹材是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能原料
與其他植物相比，竹類(lèi)植物具有品種多、生長(cháng)速度快、再生能力強、一次造林成功即可持續利用等特點(diǎn)。研究表明，竹材的平均燃燒熱值達19331.26 kJ/kg，其中毛竹熱值為18996.60 kJ/kg，明顯高于常見(jiàn)的草本植物和農作物秸稈，是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料。而且，以竹類(lèi)為原料發(fā)電還具有相對農作物秸稈組成更簡(jiǎn)單、熱值更穩定、對環(huán)境污染更低等優(yōu)點(diǎn)。
目前，我國在竹材加工環(huán)節的利用率較低，不足40%，形成了大量的加工廢料，從而為生物質(zhì)能源提供了優(yōu)質(zhì)原料。同時(shí)，竹種的多樣性和豐富的竹林資源為竹材用于生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了堅強的物質(zhì)保證。
以四川主要竹產(chǎn)區宜賓市為例，楠竹材、雜竹材、竹筍的采集量分別僅占可采集量的41.0%、36.2%、35.3%，有大量竹資源閑置，無(wú)人砍伐，利用不充分。2017年宜賓市有竹片加工廠(chǎng)132家，合計產(chǎn)能90萬(wàn)t，每天消耗竹材約2500 t。竹材生產(chǎn)加工環(huán)節中約有60%為加工剩余物，隨著(zhù)國內竹產(chǎn)業(yè)的快速增長(cháng)，這部分廢料數量也越來(lái)越龐大。竹材資源全方位綜合利用必須有效利用這些竹廢料。因此，拓展竹材作為生物能源產(chǎn)業(yè)的新原料，也成為當地竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長(cháng)點(diǎn)和帶動(dòng)當地脫貧致富的新途徑。
2.3 竹產(chǎn)業(yè)集中區發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電具有成本和環(huán)保優(yōu)勢
1）減少運輸成本，提高生物質(zhì)電廠(chǎng)效益?？删徒占窳挚撤ルA段的旁支、筍殼、自然枯死的竹材等廢料加工成生物質(zhì)顆粒，收集竹材加工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節的各類(lèi)廢料。生物質(zhì)發(fā)電的成本主要源于原材料的成本，而原材料的運輸成本在其中占很大比例。所以，降低原料的運輸距離，是提高生物質(zhì)電廠(chǎng)效益的有效途徑。
2）污染物排放少，發(fā)電成本低。竹廢料的熱值高于多數草本植物和農作物秸稈。竹廢料燃燒后的灰分含鉀較高可以直接回田作為肥料，也可出售給農肥加工企業(yè)。相比現有的垃圾發(fā)電排放的污染物更少，發(fā)電成本更低。
3）減少環(huán)境污染。在竹產(chǎn)業(yè)集中區域建設生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目可以為周邊的加工企業(yè)提供供電和供熱服務(wù)，也可以吸收消化周邊村莊的其他農林廢料，解決秸稈散亂焚燒污染環(huán)境的問(wèn)題。
3 生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現狀
3.1 傳統生物質(zhì)發(fā)電項目存在的問(wèn)題
傳統生物質(zhì)發(fā)電項目能源利用率低，占地面積大，裝機容量較大，設備投資巨大，往往電站周邊的生物質(zhì)原料不能滿(mǎn)足生產(chǎn)，需要從較遠距離運輸生物質(zhì)原料，這也是目前傳統的生物質(zhì)發(fā)電電價(jià)較高的重要原因。
1）原材料成本高。相比風(fēng)能、光能直接獲取利用的便利性，生物質(zhì)能其原料不能直接利用，需要再次加工轉化。在生物質(zhì)原料的獲取和加工過(guò)程中需要額外投入人力和物力，導致原料成本較高。
2）單位造價(jià)高。傳統的生物質(zhì)電站的特點(diǎn)決定了其項目投資巨大和建設周期長(cháng)。目前單位千瓦投資超過(guò)1萬(wàn)元以上，首個(gè)投產(chǎn)的國家級示范項目——國能單縣項目單位千瓦造價(jià)高達1.3萬(wàn)元。
3）原料距離遠，物流成本高。與傳統工業(yè)原料不同，生物質(zhì)原料除了購買(mǎi)成本外，原材料分散在農村的千家萬(wàn)戶(hù)，加工、儲運和損耗成本占燃料總成本的比重較大。以秸稈發(fā)電為例，經(jīng)濟收購半徑不宜超過(guò)50km，否則在遠距離收購過(guò)程中車(chē)損、燃油及人力消耗會(huì )大大增加原料成本。另外，目前尚未形成大規模的產(chǎn)業(yè)鏈，缺少專(zhuān)業(yè)的原材料收購和運輸從業(yè)人員。生物質(zhì)電站的大部分原材料是定點(diǎn)收購，少部分是直接向分散的農戶(hù)收購。
3.2 竹廢料用于生物質(zhì)發(fā)電的現狀
自20世紀90年代，直燃式生物質(zhì)項目在歐美等發(fā)達國家備受推崇。在丹麥和瑞典等歐洲國家，以生物質(zhì)為燃料的小型熱電聯(lián)產(chǎn)已成為重要的發(fā)電和供熱方式，但歐美國家竹資源并不豐富，所使用的生物質(zhì)原料多為農作物秸稈和果木枝等原料。巴西、印度和部分東南亞國家，根據氣候條件和自身情況使用甘蔗渣、稻殼、棕櫚殼等為燃料發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電。非洲地區竹資源豐富，加納和埃塞俄比亞將竹類(lèi)資源作為可再生能源的重要部分，這2個(gè)國家竹產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了非洲其他國家對竹類(lèi)生物質(zhì)燃料的投資和開(kāi)發(fā)。但目前尚未有建成使用竹廢料為生物質(zhì)原料的分布式熱電聯(lián)供發(fā)電站。
目前我國建成的生物質(zhì)發(fā)電項目多數以農作物秸稈、果木等為原材料，主要集中在水稻、小麥、花生等農作物主產(chǎn)區。由于發(fā)電設備技術(shù)沒(méi)有新的突破，國內現有的生物質(zhì)發(fā)電項目建設規模都較大，生物質(zhì)原料需要遠距離運輸供給，導致生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)推廣較慢，也無(wú)使用竹廢料用于分布式熱電聯(lián)供。
4 生物質(zhì)發(fā)電新技術(shù)的研發(fā)
為了解決目前生物質(zhì)發(fā)電項目存在的弊端，啟迪控股旗下公司研發(fā)了一種直燃式熱氣機。該熱氣機可依靠燃燒農林廢料和竹林廢棄物等釋放的熱量直接發(fā)電，適用于村鎮級的分布式熱電聯(lián)供能源站的建設，為打造村級能源互聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)支持。
熱氣機原理及結構基于美國NASA自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機（圖1），主要參數見(jiàn)表1。該機型有效降低了氣體泄漏率，大幅降低了制造難度和制造成本。目前已擁有包括活塞制造工藝、動(dòng)密封技術(shù)、多缸非均勻加熱的穩定輸出等多項核心技術(shù)專(zhuān)利。設備經(jīng)過(guò)2000 h不間斷運行，性能穩定可靠。
4.1 技術(shù)攻關(guān)
直燃式熱氣機（斯特林發(fā)動(dòng)機）攻克了以下技術(shù)難點(diǎn)：
1）發(fā)動(dòng)機密封技術(shù)。為保證發(fā)動(dòng)機實(shí)現持續穩定的功率輸出，發(fā)動(dòng)機的氣密性要求十分苛刻。
2）活塞制造工藝。為提升發(fā)動(dòng)機效率，需要讓活塞在28MPa的高壓下盡可能做到輕量化，活塞一般為因科鎳合金制造的多孔介質(zhì)材料，制造工藝復雜。
3）燃燒工藝。由于燃燒過(guò)程不可控，造成發(fā)動(dòng)機氣缸表面溫度分布極不均勻，發(fā)動(dòng)機氣缸缸壓不平均，影響發(fā)動(dòng)機效率和壽命。
4）發(fā)動(dòng)機裝配和調試工藝。裝配和調試工藝直接影響發(fā)動(dòng)機運行參數，是發(fā)動(dòng)機制造的核心技術(shù)，需要長(cháng)期的技術(shù)積累才能掌握。
4.2 直燃式熱氣機的技術(shù)優(yōu)勢
1）成本低。設備結構簡(jiǎn)單，零件數量比其他發(fā)動(dòng)機減少了60%，采用模塊化設計，大幅降低發(fā)動(dòng)機制造成本，比同類(lèi)產(chǎn)品制造成本下降50%。
2）壽命長(cháng)?；钊蜌飧子?.2 mm的氣隙，避免氣缸和活塞之間的摩擦，延長(cháng)了設備壽命。
3）可靠性高。多缸聯(lián)動(dòng)技術(shù)可以確保缸體受熱不均勻時(shí)各氣缸內缸壓相同，提高了設備可靠性。
4）效率高?；钊p量化設計，活塞質(zhì)量減輕80%，提升了發(fā)動(dòng)機效率。
4.3 行業(yè)應用優(yōu)勢
直燃式熱氣機應用與生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)，區別于大型汽輪機組，可實(shí)現100千瓦級的小規模發(fā)電，從而大幅降低燃料運輸成本，降低電站運維費用，因為燃料成本每變化10%，運維成本即變化15%；且無(wú)需水源，對場(chǎng)地要求低，特別適合于沙漠干旱地區或者生物質(zhì)原料集中地區做分布式生物質(zhì)電站。
5 小結
在竹產(chǎn)區建設分布式熱電聯(lián)供能源站，不僅可以收集處理周邊竹加工企業(yè)產(chǎn)生的竹廢料，還能通過(guò)燃燒竹廢料為竹加工企業(yè)提供生產(chǎn)所需的電能和蒸汽。直燃式熱氣機技術(shù)的運用能夠避免傳統生物質(zhì)發(fā)電中的原料運輸成本較高的問(wèn)題，將竹廢料變廢為寶轉化為清潔能源。此外，一個(gè)分布式電站的運轉和維護需要多名具有一定相關(guān)知識或學(xué)習能力的勞動(dòng)力，可以為當地退伍軍人、專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)生等提供新的工作機會(huì )。在產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，能源轉型類(lèi)項目的應用和推廣將有效地吸納就業(yè)，特別是農村人口、退伍軍人等重點(diǎn)群體；在資源綜合利用、低碳減排等生態(tài)方面，更是做到了充分的實(shí)踐和引領(lǐng)作用，有利于推動(dòng)區域竹產(chǎn)業(yè)規?；l(fā)展，帶動(dòng)當地竹農增收致富。
