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摘要：秸稈能源的清潔利用對治理霧霾、發展可再生能源意義重大。河北省秸稈資源豐富，掌握農村地區的能源需求和秸稈資源分布是充分、合理利用秸稈資源的前提。本文在河北省農村地區進行實地調查，結合統計資料，獲取農村家庭生活用能和秸稈資源分布等特征，對各類秸稈能源化利用技術的資源適宜性進行分區評價。河北省各地區的秸稈能源化利用區域適宜性評價結果表明：衡水中部、邢臺中部等地區適宜性非常高，適宜發展秸稈固化戶燃和干餾氣化的利用方式；石家莊東部、衡水北部等地區適宜性較高，適宜發展秸稈固化戶燃的利用方式，同時也可以考慮秸稈干餾氣化；保定東部、石家莊中部等地區的適宜性一般，適宜發展秸稈固化戶燃的利用方式；唐山中部、秦皇島南部等地區適宜性較低，可以考慮發展秸稈固化戶燃的利用方式；張家口北部、承德北部等地區適宜性非常低，暫不適宜推行秸稈能源化利用技術。-河北省大氣污染嚴重，2020 年全省平均霧霾日 16 天，部分地區超過 50 天，因此亟須在農村地區通過替代供暖散煤、杜絕秸稈露天焚燒等措施改善大氣質量。河北省是一個農業大省，糧食年產量排名全國第五位，豐富的秸稈資源用則為利，棄則為害。此外，河北省農村人口達 5829.24 萬人，位居全國第四位，但農村地區普遍缺乏清潔供暖等基礎設施。針對這些情況，河北省發改委在《河北省秸稈綜合利用實施方案（2021-2023 年）》中指出，要著力增加秸稈能源化利用。由此可見，在河北省農村地區發展秸稈能源化利用是重要且有必要的。然而，河北省各地區農業人口和不同農作物秸稈資源情況差異較大。因此，對各類秸稈能源化利用技術在河北省農村地區的區域資源適宜性進行評價，是河北省農村地區充分、合理利用秸稈資源的必要前提條件。本文在河北省農村地區進行實地調查，結合統計資料，獲取農村家庭生活用能和秸稈資源分布等特征，對各類秸稈能源化利用技術的資源適宜性進行分區評價。
1. 河北省農村家庭生活能源需求分析
通過對河北省農村家庭的抽樣問卷調查，得到家庭能源的種類以及各類能源的年消耗量。本文以各樣本家庭的人均年炊事有效熱的平均值作為河北省各地區農村居民炊事能源需求指標，計算公式如公式（1）所示。各樣本家庭的單位建筑面積年供暖有效熱的平均值分別作為河北省各地區農村居民供暖能源需求指標，計算公式如公式（2）所示。其中農村主要生活能源的熱值及熱效率參考現有研究。 式中，ht——樣本家庭的單位面積年供暖有效熱（kgce/（m2?a））；mt，i——供暖能源年消耗量（kg/a）；a——住宅建筑面積（m2）；hc——人均年炊事有效熱（kgce/（人?a））；mc，i——第 i 種炊事能源年消耗量（kg/a）；νi——某種能源的熱值（kgce/kg）；ηi——某種能源的熱效率；n——家庭人口（人）?；谏钅茉葱枨竽Ｐ?，得到農村居民供暖、炊事能源需求，如公式（3）公式（4）所示。式中，Ht、Hc——研究區域的供暖、炊事有效熱需求（kgce/a）；ht——研究地區供暖能源需求指標（kgce/（m2?a））；hc——該地區炊事能源需求指標（kgce/（人?a））；N——該地區農村人口（人）；a——該地區人均住房面積（m2/ 人）。根據公式（1）~（4）得到各調查地區的家庭生活能源需求，部分結果如表 1 所示。根據表 1 可以看出：（1）河北省各地區農村居民的供暖能源需求差異較大。其中需求量最大的為 21.69×106 kgce/a，位于承德市隆化縣；最小的為 3.15×106 kgce/a，位于衡水市桃城縣；中位值為 10.46×106 kgce/a，與石家莊市趙縣、秦皇島市昌黎縣等地最為接近。（2）河北省農村居民的炊事能源需求差異明顯。其中需求量最大的為 10.46×106 kgce/a，位于石家莊市趙縣；最小的為 0.42×106 kgce/a，位于衡水市桃城縣；中位值為 1.20×106 kgce/a，與廊坊市霸州市、滄州市鹽山縣等地最為接近。（3）河北省各區縣供暖能源需求分布總體呈現“南低北高”的規律；炊事能源需求較高的地區集中在唐山和張家口，炊事能源需求較低的地區集中在邢臺、邯鄲、保定 3 個地區。
2. 河北省農村秸稈能源化可用量評估
某種秸稈的能源化可用量，表示該種秸稈可以作為能源使用的資源量，即秸稈年總產量中去除用于肥料化、飼料化、基料化、原料化后的剩余量。其中，用于飼料化的秸稈資源大多轉化成動物糞便，用于還田，因此將其包含用于肥料化的秸稈資源內。用于肥料化的秸稈資源不宜過多或過少，因此使用單位面積最小適宜還田量來計算秸稈肥料化的資源量。此外，河北省秸稈基料化和原料化的比例不足 5%，可忽略不計。本文以各樣本家庭的人均年能源化可用量的平均值作為河北省各地區農村居民秸稈能源化可用量指標值，如公式（5）所示。某地區農村的秸稈能源化可用量可按公式（6）計算：式中，r——樣本家庭的人均年秸稈能源化可用量（kg/（人?a））；j——農作物秸稈的種類，j=1，2，……J；Yj——第 j 種農作物的年產量（kg/a）；sj——第 j 種農作物秸稈的草谷比（指秸稈產量與糧食產量的比率）；Fj——第j 種秸稈所對應作物的種植面積（hm2）；δj——第 j 種秸稈的年最小適宜還田量（kg/（hm2?a））；n——家庭人口（人）；R——研究地區年秸稈能源化可用量（kg/a）；N——該地區農村居民人口（人）。河北省各地級市農村人口和農作物產量參考《河北農村統計年鑒》中的統計數據。主要農作物的草谷比和最小適宜還田量參考已有研究。根據公式（5）~（6）得到各調查地區的秸稈能源化可用量，部分結果如表 2 所示。根據表 2 可以看出：（1）秸稈能源化可用量最大的為 637.65×106 kg/a，位于邢臺市寧晉縣；最小的為 0.41 ×106 kg/a，位于張家口市張北縣；中位值為 119.53 ×106 kg/a，與廊坊市固安縣等地的秸稈能源化可用量最為接近。（2）河北省各地區秸稈能源化可用量分布不均，資源最豐富的地區在石家莊東部和衡水南部，資源最貧瘠的地區在張家口和承德的最北部。
3. 河北省農村地區秸稈能源化利用區域適宜性評價
3.1 秸稈能源化供應能力
秸稈能源化利用區域適宜性評價以“秸稈能源化供應能力”為評價指標，即某區域可用作能源的秸稈量與生活用能所需秸稈量的比值。其定義式如公式（7）所示。式中，?——某種秸稈能源化利用方式供應能力；R——秸稈能源化可用量（kg/a）；S——生活用能所需的秸稈量（kg/a）。某種生活用能的秸稈年需求量為該種有效熱需求與對應的有效熱供應率之比。本文只考慮供暖和炊事的用能需求，因此各類生活用能所需的秸稈量如公式（8）所示。式中，Ht、Hc——研究區域的供暖、炊事有效熱需求（kgce/a）；kcr—— 秸 稈 原 料 利 用 系 數（kg/kg 或 m3/kg）；ν——產品燃料的熱值（kgce/kg 或 kgce/m3）；η——用能設備的熱效率。綜上所述，某種秸稈能源化利用方式的供應能力如公式（9）所示。公式中固化戶燃、干餾氣化、鍋爐直燃三種技術的原料利用系數和熱效率通過已有研究獲得。
3.2 河北省秸稈能源化利用適宜性區劃
通過公式（9）計算得到河北省各農村地區的供應能力，如圖 1 所示。根據圖 1，可做出如下分析： （1）秸稈固化戶燃技術供應能力最高，除秦皇島和廊坊地區外，其余各地級市均大于 0.3，表明該技術可以滿足河北省大部分地區農村居民 30% 以上的生活能源需求。秸稈固化戶燃技術在石家莊、邯鄲、邢臺、衡水的供應能力大于 0.5，表明該技術可以滿足這 4 個地區農村居民 50% 以上的生活能源需求。因此，可以在河北省農村地區發展秸稈固化戶燃技術，在充分利用秸稈資源的同時滿足農村居民更多的生活能源需求。（2）秸稈干餾氣化供應能力最低，河北省有 8 個地區根據圖 1 的結果，可按照表 3 所示的標準將河北省各地區劃分為不適宜區（I）、較不適宜區（II）、一般適宜區（III）、較適宜區（IV）、適宜區（V）。利用 Arc GIS 的空間差值分析得到河北省秸稈能源化利用適宜性區劃圖，如圖 2 所示。小于 0.2，所有地區均小于 0.4，表明該技術在河北省大部分地區僅能供應農村居民不足 20% 的生活能源需求。但秸稈干餾氣化生產出很多副產品，在實現秸稈資源綜合利用的同時增加經濟效益。（3）秸稈分戶直燃方式的供應能力低于固化戶燃，但高于干餾氣化。石家莊、邯鄲、邢臺、張家口、衡水這 5 個地區的供應能力達到 0.3 以上，表明該技術可以滿足這 5 個地區農村居民 30% 以上的生活能源需求。然而，分戶直燃方式存在污染大、燃燒效率低、使用性能差等缺陷，不適宜在農村地區推廣應用，因此有必要采用秸稈能源化利用技術替代秸稈分戶直燃。根據圖 2 可做出如下分析：（1）適宜區（V）包括衡水中部、邢臺中部等地區，可以實行秸稈固化戶燃或者干餾氣化的利用方式，使用固化戶燃可至少滿足 50% 以上的生活能源需求，使用干餾氣化可滿足 30% 以上的生活能源需求。（2）較適宜區（IV）包括石家莊東部、衡水北部等地區，優先推行秸稈固化戶燃。使用固化戶燃可至少滿足 50% 以上的生活能源需求。（3）一般適宜區（III）包括保定東部、石家莊中部等地區，使用秸稈固化戶燃可滿足 40%~50% 的生活能源需求，可以實行秸稈固化戶燃技術。（4）較不適宜區（II）包括唐山中部、秦皇島南部等地區，使用秸稈固化戶燃可滿足 30%~40% 的生活能源需求，可以考慮實行秸稈固化戶燃技術。（5）不適宜區（I）包括張家口北部、承德北部等地區，這些地區各類秸稈能源供應方式的供應能力都比較小，暫不適宜推行秸稈能源化利用。
4. 結語
河北省秸稈資源較為豐富，農村生活用能需求很大，具有發展秸稈能源化利用的基礎條件。本文以河北省農村地區為研究區域，對農村家庭生活用能和秸稈資源情況展開調查，分析得到河北農村家庭生活用能和秸稈資源特征，進而提出秸稈能源化供應能力，并以此為評價指標對河北省各區縣進行秸稈能源化利用區域適宜性評價。本文的主要研究結論如下：（1）河北省各區縣供暖能源需求分布總體呈現“南低北高”的規律；炊事能源需求較高的地區集中在唐山和張家口，炊事能源需求較低的地區集中在邢臺、邯鄲、保定 3 個地區。（2）河北省各地區秸稈能源化可用量分布不均，資源最豐富的地區在石家莊和衡水，資源最貧瘠的地區在張家口和承德。（3）針對河北省各地區的秸稈能源化利用區域適宜性評價結果表明：衡水中部、邢臺中部等地區適宜性非常高，適宜發展秸稈固化戶燃和干餾氣化的利用方式；石家莊東部、衡水北部等地區適宜性較高，適宜發展秸稈固化戶燃的利用方式，同時也可以考慮秸稈干餾氣化；保定東部、石家莊中部等地區的適宜性一般，適宜發展秸稈固化戶燃的利用方式；唐山中部、秦皇島南部等地區適宜性較低，可以考慮發展秸稈固化戶燃的利用方式；張家口北部、承德北部等地區適宜性非常低，暫不適宜推行秸稈能源化利用技術。
作者：黃超 郭銘昕 劉宜波 馬秀琴 單位：河北工業大學能源與環境工程學院 黎明化工研究設計院有限責任公司
