中國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，竹材消耗量也逐年上升，同時產(chǎn)生了越來越多的竹廢料無法得到有效利用。目前全世界面臨著能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力，大力開發(fā)生物質(zhì)能源是實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)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(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電項目存在的問題以及生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，可為產(chǎn)竹區(qū)、竹產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的竹廢料應(yīng)用于分布式生物質(zhì)熱電聯(lián)供提供一種高效、先進、可推廣的模式。

中國是全球竹資源最豐富的國家。近年來，中國竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，竹材消耗量逐年上升，同時產(chǎn)生了越來越多的竹廢料沒有得到有效的利用。與其他植物相比，竹類植物具有品種多、生長速度快、再生能力強、一次造林成功即可持續(xù)利用等特點。竹材的熱值明顯高于常見草本植物和農(nóng)作物秸稈，是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料。在當前全球面臨著能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力下，大力開發(fā)生物質(zhì)能源是實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)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?shù)刂癞a(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長點和帶動當?shù)孛撠氈赂坏男峦緩健?/span>

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(jié)能、惠農(nóng)等優(yōu)點，是除石油、煤炭、天然氣之后的第4大能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。隨著全球變暖趨勢加劇、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，成為人類社會發(fā)展所依賴的主要能源。將生物質(zhì)原料用于發(fā)電也是目前生物質(zhì)能源應(yīng)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(nóng)民收入等方面發(fā)揮著重要作用，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(jié)能減排重要手段

自20世紀80年代以來，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(shè)越來越重視。特別是近年來，國家越來越注重低碳經(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發(fā)的重要途徑，加大了對生物質(zhì)能開發(fā)的政策支持和資金投入。隨著《中華人民共和國可再生能源法》和相關(guān)能源電價補貼政策的出臺和實施，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)還有很長的路要走，具有廣闊的市場空間。

1.3 生物質(zhì)發(fā)電有利于降低農(nóng)村和農(nóng)業(yè)污染

相比石油化工燃料，生物質(zhì)資源種類繁多、儲藏量巨大、廣泛分布。其主要有竹木廢料、農(nóng)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(guī)模處理農(nóng)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kJ/kg，相當于標準煤的50%，可以有效替代煤電，加快改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)；其次，生物質(zhì)發(fā)電環(huán)保，可以有效避免農(nóng)民焚燒秸稈造成的嚴重空氣污染，發(fā)電過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(nóng)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）、并允許其無限制電量上網(wǎng)”的鼓勵機制。如果能在農(nóng)村地區(qū)廣泛開展直燃秸稈電站建設(shè)，對廣大農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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。據(jù)統(tǒng)計，中國有竹類植物39屬500多種，分布廣泛，以珠江流域和長江流域最多；全國16個主要產(chǎn)竹省（區(qū)）的竹林面積約672.73萬 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)品類型日益豐富，除傳統(tǒng)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)品已進入日常生活中。同時，竹產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展也拉動了下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著全球經(jīng)濟一體化，國內(nèi)外市場對竹產(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6 000萬人直接從事竹產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動，其中從事加工商貿(mào)的有755萬人，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。中國已開發(fā)出竹家具、竹建材、竹類生活用品、竹纖維制品、竹炭和竹醋液、竹食品、竹景觀等10大類幾千個品種的竹產(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，竹類植物具有品種多、生長速度快、再生能力強、一次造林成功即可持續(xù)利用等特點。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，明顯高于常見的草本植物和農(nóng)作物秸稈，是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料。而且，以竹類為原料發(fā)電還具有相對農(nóng)作物秸稈組成更簡單、熱值更穩(wěn)定、對環(huán)境污染更低等優(yōu)點。

目前，我國在竹材加工環(huán)節(jié)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，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(qū)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，無人砍伐，利用不充分。2017年宜賓市有竹片加工廠132家，合計產(chǎn)能90萬t，每天消耗竹材約2500 t。竹材生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中約有60%為加工剩余物，隨著國內(nèi)竹產(chǎn)業(yè)的快速增長，這部分廢料數(shù)量也越來越龐大。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?shù)刂癞a(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長點和帶動當?shù)孛撠氈赂坏男峦緩健?/span>

2.3 竹產(chǎn)業(yè)集中區(qū)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)電廠效益。可就近收集竹林砍伐階段的旁支、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(jié)的各類廢料。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(shù)草本植物和農(nóng)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(nóng)肥加工企業(yè)。相比現(xiàn)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(qū)域建設(shè)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(nóng)林廢料，解決秸稈散亂焚燒污染環(huán)境的問題。

3、生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電項目存在的問題

傳統(tǒng)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(shè)備投資巨大，往往電站周邊的生物質(zhì)原料不能滿足生產(chǎn)，需要從較遠距離運輸生物質(zhì)原料，這也是目前傳統(tǒng)的生物質(zhì)發(fā)電電價較高的重要原因。

1）原材料成本高。相比風能、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(zhuǎn)化。在生物質(zhì)原料的獲取和加工過程中需要額外投入人力和物力，導致原料成本較高。

2）單位造價高。傳統(tǒng)的生物質(zhì)電站的特點決定了其項目投資巨大和建設(shè)周期長。目前單位千瓦投資超過1萬元以上，首個投產(chǎn)的國家級示范項目——國能單縣項目單位千瓦造價高達1.3萬元。

3）原料距離遠，物流成本高。與傳統(tǒng)工業(yè)原料不同，生物質(zhì)原料除了購買成本外，原材料分散在農(nóng)村的千家萬戶，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50km，否則在遠距離收購過程中車損、燃油及人力消耗會大大增加原料成本。另外，目前尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，缺少專業(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收購，少部分是直接向分散的農(nóng)戶收購。

3.2 竹廢料用于生物質(zhì)發(fā)電的現(xiàn)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(nóng)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(jù)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(qū)竹資源豐富，加納和埃塞俄比亞將竹類資源作為可再生能源的重要部分，這2個國家竹產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展促進了非洲其他國家對竹類生物質(zhì)燃料的投資和開發(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(shù)以農(nóng)作物秸稈、果木等為原材料，主要集中在水稻、小麥、花生等農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)。由于發(fā)電設(shè)備技術(shù)沒有新的突破，國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)發(fā)電項目建設(shè)規(guī)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(nóng)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(zhèn)級的分布式熱電聯(lián)供能源站的建設(shè)，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(jié)構(gòu)基于美國NASA自由活塞式斯特林發(fā)動機（圖1），主要參數(shù)見表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、動密封技術(shù)、多缸非均勻加熱的穩(wěn)定輸出等多項核心技術(shù)專利。設(shè)備經(jīng)過2000 h不間斷運行，性能穩(wěn)定可靠。

4.1 技術(shù)攻關(guān)

直燃式熱氣機（斯特林發(fā)動機）攻克了以下技術(shù)難點：

1）發(fā)動機密封技術(shù)。為保證發(fā)動機實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出，發(fā)動機的氣密性要求十分苛刻。

2）活塞制造工藝。為提升發(fā)動機效率，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。由于燃燒過程不可控，造成發(fā)動機氣缸表面溫度分布極不均勻，發(fā)動機氣缸缸壓不平均，影響發(fā)動機效率和壽命。

4）發(fā)動機裝配和調(diào)試工藝。裝配和調(diào)試工藝直接影響發(fā)動機運行參數(shù)，是發(fā)動機制造的核心技術(shù)，需要長期的技術(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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量比其他發(fā)動機減少了60%，采用模塊化設(shè)計，大幅降低發(fā)動機制造成本，比同類產(chǎn)品制造成本下降50%。

2）壽命長。活塞和氣缸有0.2 mm的氣隙，避免氣缸和活塞之間的摩擦，延長了設(shè)備壽命。

3）可靠性高。多缸聯(lián)動技術(shù)可以確保缸體受熱不均勻時各氣缸內(nèi)缸壓相同，提高了設(shè)備可靠性。

4）效率高。活塞輕量化設(shè)計，活塞質(zhì)量減輕80%，提升了發(fā)動機效率。

4.3 行業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢

直燃式熱氣機應(yīng)用與生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)，區(qū)別于大型汽輪機組，可實現(xiàn)100千瓦級的小規(guī)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%；且無需水源，對場地要求低，特別適合于沙漠干旱地區(qū)或者生物質(zhì)原料集中地區(qū)做分布式生物質(zhì)電站。

在竹產(chǎn)區(qū)建設(shè)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(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電中的原料運輸成本較高的問題，將竹廢料變廢為寶轉(zhuǎn)化為清潔能源。此外，一個分布式電站的運轉(zhuǎn)和維護需要多名具有一定相關(guān)知識或?qū)W習能力的勞動力，可以為當?shù)赝宋檐娙恕？茖W校畢業(yè)生等提供新的工作機會。在產(chǎn)業(yè)化的過程中，能源轉(zhuǎn)型類項目的應(yīng)用和推廣將有效地吸納就業(yè)，特別是農(nóng)村人口、退伍軍人等重點群體；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踐和引領(lǐng)作用，有利于推動區(qū)域竹產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，帶動當?shù)刂褶r(nóng)增收致富。