壽光市育苗溫室供熱現狀及生物質燃燒供熱探討

趙文濤 閆升太尹德政 羅 冰 何 芳*

（1山東理工大學交通與車輛工程學院，山東淄博 255049；2山東華電節能技術有限公司，山東濟南 250014）

供熱是全球最大的能源終端消費領域，約占全球總能耗的50%[1]。2018年，我國北方地區建筑供熱總面積超過200萬hm2，溫室大棚供熱面積128萬hm2[2]。2020年，《農業農村部關于加快推進設施種植機械化發展的意見》指出，到2025年我國溫室種植設施總面積將達200萬hm2，溫室供熱將在供熱領域中占據更為重要的位置。

溫室作為我國農業設施的重要組成部分，解決了冬春季蔬菜產量供應不足的問題，促進了農業發展和務農人員的收入增長，提高了土地利用效率，其建筑規模也在逐漸擴大[3-4]。目前應用和發展較多的溫室有日光溫室、塑料大棚和連棟溫室，以日光溫室應用最為廣泛。但在較為寒冷的地區，日照強度弱，溫室對外散熱量大，內部氣溫較低，無法滿足果蔬生長需求，須采取其他措施補充供熱[5]。溫室供熱技術能夠有效調控室內溫度和濕度，對農作物品質、產量及培育周期具有重要影響[6]。因此，掌握溫室供熱情況，對解決蔬菜溫室供熱問題和推動溫室產業發展具有重要的指導意義。

壽光市是濰坊市代管縣級市，擁有大規模蔬菜大棚種植產業。溫室蔬菜種植技術的發展解決了我國冬春季蔬菜種植難題，推動了蔬菜產業發展。2019年初，壽光市設施蔬菜種植面積達4萬hm2，年產蔬菜450萬t。其中，使用補充設施進行供熱的溫室蔬菜種植面積1.3萬hm2，年產蔬菜約150萬t[7]。本次調研對象為黃瓜育苗溫室。通過對其設備、運行現狀及存在的問題進行分析，探索壽光市溫室供熱的合理方案。

1 壽光市溫室供熱現狀

1.1 供熱管路散熱特點及運行方式

一般每戶農戶經營4個黃瓜育苗溫室，每個溫室面積為1 200 m2。供熱季為11月至翌年3月（僅夜間），為期4個月，每5 d產出一批黃瓜苗，年利潤約為40萬元。

在供熱季，育苗溫室白天溫度達20℃以上可滿足黃瓜幼苗生長，但夜間溫度較低，需供熱。溫室內裝有翅片散熱器（圖1），散熱器進水溫度80℃，出水溫度60℃。當室溫低于18℃時，啟動風機，將散熱器周圍熱空氣吹至溫室各處；當室溫超過22℃時，風機停止工作。一般來說，每年供熱管路的運行費用為1萬元。

圖1 溫室內管路供熱方式示意圖

1.2 溫室供熱設備類型及費用

壽光市溫室供熱設備有4種，分別為燃煤、燃氣、電熱鍋爐和空氣源熱泵，為4個育苗溫室內的翅片散熱器提供熱水。本次對4種典型供熱設備用戶進行調研，供熱設備參數及費用如表1所示。

表1 溫室供熱設備參數及費用

1.2.1 燃煤鍋爐。燃煤鍋爐功率為230 kW，采用人工喂料方式（每晚添加2次煤），投資成本1.5萬元。燃煤鍋爐配備16 m2鍋爐房；鍋爐房內有供水、回水管道，水管直徑76 mm，并配有水泵；補水罐直徑約2 m、高4 m，用于井水增壓，補水管路直徑25 mm。燃煤鍋爐供熱季耗煤量約為30 t，燃煤費用約1.8萬元。2021年煤價上升，供熱季燃煤費用漲至5萬元左右。此外，燃煤鍋爐排放易超標，根據《山東省大氣污染防治條例》，為防止大氣污染，按國家和省有關規定，要求淘汰、拆除小型、分散型和不能達標排放的燃煤鍋爐。因此，燃煤鍋爐在當地已被逐漸停用。

1.2.2 燃氣鍋爐。燃氣鍋爐功率為240 kW，投資成本為3萬元。鍋爐房配置與燃煤鍋爐相同，主要以壓力罐液化氣作為燃料，每月耗氣費用為9 000元左右，供熱季總耗氣費用為3.6萬元。燃氣鍋爐對安裝環境和操作要求較高，育苗企業一般難以滿足要求，在使用中會存在較大的安全隱患。因此，燃氣鍋爐在當地很少應用。

1.2.3 電熱鍋爐。電熱鍋爐電功率為150 kW，投資成本為2.2萬元。該鍋爐配備有4 m2配電鍋爐房，鍋爐配有相應的供水、回水管路和補水罐、補水管路。當地電價為0.55元/（kW·h），平均每月耗電費用為2萬元，供熱季總耗電費用約為8萬元。

1.2.4 空氣源熱泵?？諝庠礋岜幂敵龉β蕿?00 kW，在黃瓜育苗溫室內安裝3臺空氣源熱泵，總投資成本約為20萬元。每月耗電費用為6 000元，供熱季總耗電費用為2.4萬元。因為熱泵投資成本很高且供熱過程不穩定，難以滿足溫室蔬菜生產的供熱需求，所以在當地并未被大規模應用。

1.3 供熱存在的問題

當地4種典型供熱設備均存在一定的問題：燃煤鍋爐的投資成本和運行費用最低，但燃煤成本隨著化石能源的短缺而有所增加，鍋爐運行需每晚人工添加煤料，并且鍋爐排放不達標易造成空氣污染；燃氣鍋爐的投資成本和運行費用比燃煤鍋爐稍高，設備安裝操作要求高且必須保證爐體和氣體輸送管路密封良好，安全隱患較大；電熱鍋爐的運行費用很高，在供熱季的運行費用高達8萬元；空氣源熱泵投資成本很高且供熱過程不穩定，難以滿足供熱需求。

根據大氣污染物治理政策及從農戶自身安全角度出發，當地目前使用最多的供熱設備是電熱鍋爐，但該設備的使用增加了農戶對于溫室的投入費用，影響經濟效益。

2 壽光市溫室供熱建議和方案

為尋求更合適的溫室供熱應對方案，既降低農戶的經濟投入，又減少空氣污染和安全隱患，根據溫室黃瓜秧充足的現狀，本文提出了應用黃瓜秧燃燒供熱的方案。

2.1 溫室廢棄生物質處理現狀

生物質能源具有清潔、無污染和儲量巨大等優點，成為繼煤、石油、天然氣后的第四大能源，在世界一次能源供應量中占比約為10%[8]。自2016年以來，我國相繼出臺了一系列文件，加大了對生物質等可再生能源的政策引導。2016年，國家能源局發布的《生物質能發展“十三五”規劃》中對中國分布式農林生物質熱電聯產和生活垃圾焚燒等生物質能源供熱的發展制定了明確的目標。2017年，中國《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》中指出，到2021年中國生物質能清潔供熱面積達到21億m2?？梢娚镔|能在我國能源領域中的發展前景巨大。

研究資料顯示[9]，壽光市設施蔬菜種植面積大，每年可產生約蔬菜廢棄物120萬t，其中70%的廢棄物用于生產沼氣、秸稈還田、制作營養土等，仍有30%的廢棄物未得到有效處置，大量生物質資源被浪費。黃瓜秧和辣椒秸稈等溫室廢棄物被隨意堆放在路邊，每天由環衛部門收集運輸至指定場所堆埋，僅有部分廢棄物被小型電廠利用。若能將溫室廢棄物通過燃燒設備處理并為溫室供熱，將有利于解決當地生物質廢棄物處置難題，給農戶帶來更高的經濟效益。

2.2 黃瓜秧燃燒供熱可行性分析

黃瓜生產溫室每年會產生大量的黃瓜秧，若能將其作為燃料為黃瓜育苗溫室供熱，將節約大量的運行費用。為驗證該方案的可行性，對收集的黃瓜秧進行試驗分析和供熱量計算。

2.2.1 燃燒試驗。將收集的黃瓜秧自然風干，粉碎至＜1 mm的粉末狀顆粒，使用全自動工業分析儀（SDTGA8000），參照《固體生物質燃料工業分析方法》（GB/T 28731—2012）對廢棄黃瓜秧進行工業分析。結果表明，黃瓜秧含水分10.36%、灰分22.90%、揮發分54.00%、固定碳12.74%（空氣干燥基）。

黃瓜秧的低位熱值計算公式[10]如下：

式中，LHA為低位熱值，下標ar表示收到基，FCar為固定碳，Var為揮發分，Mar為水分，Aar為灰分。

本次黃瓜秧工業分析原料為自然風干的黃瓜秧，其空氣干燥基即為收到基。將工業分析所得的數據代入公式（1），計算得黃瓜秧的低位熱值約為12.39 MJ/kg。

為了解黃瓜秧的燃燒特性，將自然風干的黃瓜秧粉碎至＜1 mm的粉末狀顆粒，使用同步熱分析儀（STA，TGA DSC1，Mettler TOLEDO）對樣品進行熱重分析。試驗之前進行1次空白試驗，以排除坩堝對試驗結果的影響。稱取黃瓜秧樣品（6.4±0.1）mg，裝樣溫度為50℃，升溫速率為10℃/min，終溫為950℃。反應氣為20 mL/min的空氣，以20 mL/min的氮氣為保護氣。試驗重復性良好，黃瓜秧熱重試驗中的質量剩余及失重速率曲線、熱流曲線分別如圖2、3所示。

圖2 黃瓜秧質量剩余及失重速率曲線

由圖2可知，黃瓜秧失重速率曲線有3個失重峰，分別對應黃瓜秧燃燒過程的3個階段；第一階段為干燥階段（＜200℃），黃瓜秧在高溫作用下脫去自身的游離水，失重率約為10%；第二階段為脫揮發分階段（200～280℃），黃瓜秧中的纖維素、半纖維素等分解產生揮發性氣體和焦炭，該過程的失重率約為53%；第三階段為焦炭的燃燒階段（＞400℃），此時焦炭與氧氣反應，產生大量的熱，失重率約為14%。600℃左右時，黃瓜秧失重速率無明顯變化，說明焦炭燃燒基本結束。黃瓜秧熱重分析結果與其他生物質燃料的熱重分析結果[11]相比，具有相似特征，可以推測黃瓜秧具有良好的燃燒特性，為實現其作為燃料供熱提供了一定的可行性。

圖3 黃瓜秧熱流曲線

2.2.2 燃燒供熱量計算。以燃煤鍋爐供熱為例，1個燃煤鍋爐為4個育苗溫室供熱，輸出功率為230 kW，在供熱季（約120 d）每天供熱10 h。利用公式（2）可以得出整個供熱季溫室所需總熱量（Q1）。

式中，p 為鍋爐功率（kW），t為時間（h）。

經過計算可知，總熱量Q1=27.6萬kW·h，大約為99.4萬MJ，每個育苗溫室內所需供熱量為24.8 萬 MJ。

以生物質鍋爐燃燒供熱為例，1個黃瓜育苗溫室每5 d產出一批苗，可供6～7個面積為1 200 m2的黃瓜生產溫室進行種植，每個黃瓜生產溫室內種植黃瓜約6 000株。經稱量，每株干黃瓜秧的質量約為50 g，1個溫室可產生約300 kg的干黃瓜秧。黃瓜育苗溫室在供熱季（約120 d）產出的幼苗可供144～168個黃瓜生產溫室種植（平均值為156個）。一般生物質鍋爐的熱效率在80%以上，保守計算取80%。根據公式（3）可以得出156個黃瓜生產溫室在供熱季產生的黃瓜秧通過生物質鍋爐產生的總熱量（Q2）。

式中，n為1個黃瓜育苗溫室在整個供熱季對應的黃瓜溫室數量（個），m為1個黃瓜生產溫室產生的干黃瓜秧總重量（kg），q為黃瓜秧的低位熱值（MJ/kg），η為生物質鍋爐熱效率（%）。經計算可知，總熱量（Q2）為 46.4 萬 MJ。

由此可見，1個育苗溫室匹配的黃瓜生產溫室產生的黃瓜秧，其燃燒產生的熱量約為育苗溫室所需供熱量的2倍。由黃瓜秧試驗分析和供熱量計算結果可知，將黃瓜秧作為燃料為溫室供熱具有可行性。

2.3 生物質陰燃供熱設備方案

相比于煤炭等其他傳統能源，生物質中含有較多的鉀、鈉、鈣等元素，這些元素會影響燃燒過程并改變灰分特性[12]。含有堿類物質和二氧化硅組分的生物質燃燒可形成硅酸鉀，導致傳統生物質鍋爐結垢、結渣和積灰的燒結，影響燃燒效率，導致灰肥性失效，不能實現可持續發展[13]。針對上述情況，本項目組提出一種基于固相低溫、氣相高溫的生物質陰燃供熱設備，其原理如圖4所示。

圖4 生物質堆積陰燃供熱原理和設備

2.3.1 設備原理。陰燃是一種緩慢的燃燒方式[14]，能夠將燃料的熱能緩慢釋放出來，非常適合農村地區家庭、溫室大棚等冬季供暖。該設備基于生物質陰燃技術，避免因鉀、氯化合物逸出導致設備結垢結焦，并利用高溫燃盡煙氣，使排放可以滿足國家相應排放標準。設備運行時，將溫室廢棄生物質（含水率低于80%）裝填至陰燃室內，通過明火引燃，一次裝料可滿足多天的供熱需求。排放出的煙氣經過電加熱裝置預熱后，進入高溫煙氣燃盡室內，使煙氣中的揮發性有機物和CO燃盡，煙氣通過換熱器將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水升溫后進入溫室供熱，供熱后的冷卻水繼續進入換熱器進行換熱，處理后的煙氣經引風機排入大氣。

2.3.2 工藝優勢。以黃瓜育苗溫室為例，生物質堆積陰燃供熱設備的投資成本約為3萬元。1個育苗溫室匹配的黃瓜生產溫室產生的黃瓜秧足夠育苗溫室供熱季應用，節約了運行費用。與當地4種典型供熱設備相比，本設備的工藝優勢在于本設備采用批式裝料、一次清灰，減少了人工成本；可避免結焦、結渣現象，熱效率較高；煙氣排放符合國家標準，不會造成環境污染；燃盡后的灰分可作鉀肥使用，從而實現生物質燃料的無公害處理。

應用該設備進行溫室供熱，既可緩解當地溫室廢棄生物質處置問題，實現生物質廢棄物的資源化利用，也可給當地農戶帶來更高的經濟效益。

2.4 調研結果

2021年對壽光市個體農戶4個面積為1 200 m2的黃瓜育苗溫室供熱情況進行調查，并對黃瓜秧的燃燒特性和燃燒供熱量進行了分析。由此得出：育苗溫室為間歇供熱（僅夜間），自每年11月至翌年3月，典型溫室（1 200 m2）供熱配備功率50 kW。溫室供熱設備有燃煤、燃氣、電熱鍋爐和空氣源熱泵。由于燃煤成本增加和環境污染治理力度加大，燃煤鍋爐被逐步停用，燃氣鍋爐本身存在較大的安全隱患，在當地很少應用；空氣源熱泵投資成本很高且供熱情況不穩定，因而并未大規模應用；目前應用最為廣泛的設備是電熱鍋爐，但運行費用很高、經濟效益低。工業分析和熱重分析結果表明，黃瓜秧具有良好的燃燒特性，1個黃瓜育苗溫室匹配的黃瓜生產溫室所產生的黃瓜秧，其燃燒產生的熱量是育苗溫室所需供熱量的2倍；基于上述情況，提出以黃瓜秧為燃料，采用批式堆積方式，應用固相低溫、氣相高溫燃燒技術為黃瓜育苗溫室供熱，兼具經濟性和環保性。

3 結語

在節能減排政策引導的大背景下，壽光市溫室供熱尚存在一定問題，影響農戶的經濟效益，而當地每年產生的溫室蔬菜廢棄物也并未得到有效處理。為改善此現狀，需要改善農戶獲得清潔能源的成本[15]。當地應加大力度支持溫室廢棄物的資源化利用，使大量生物質廢棄物滿足溫室生產需求。本文提出的以黃瓜秧為燃料的生物質堆積陰燃供熱設備可以燃燒含水率80%以下的廢棄生物質，大大降低了溫室供熱運行成本，對于改善壽光市溫室供熱和緩解溫室廢棄物處置問題具有一定的借鑒意義。