基于秸秆能源的黑龙江省村镇生活热能复合供应模式研究

【摘要】：黑龙江省秸秆资源十分丰富,具有推广秸秆能源化利用技术的资源条件。利用秸秆可再生能源在农村及小城镇地区构建供暖、供燃气基础设施,是符合城乡一体化建设方向,体现小城镇“服务农村、带动周边”功能的发展理念,也是秸秆可再生能源“因地制宜,多能互补”的利用策略。本文以黑龙江省村镇地区为研究区域,在农村居民生活用热量化研究的基础上,研究省内各地秸秆可用量与村镇地区生活热需求之间的供需关系,进而提出采用秸秆能源化利用技术的小城镇与农村地区生活热能供应模式,并对其中的供暖系统以适宜的评价指标进行能源、经济、环境等方面效益的研究。首先,在黑龙江省农村地区进行生活用能情况实地调查,分析农村居民的生活用能特征并计算相应的炊事与供暖年热需求指标,进而获得黑龙江省农村地区生活用热的年需求量。调查结果显示,秸秆是黑龙江省农村地区最主要的生活能源,在绝大多数农户中均有使用,但生物质燃料的综合效率仅为27.4%。黑龙江省农村供暖年热需求指标为364MJ/(m2·a),约等于当地城镇1-3层节能建筑的368MJ/(m2·a);农村炊事年热需求指标为935MJ/(人·a),低于城镇的1036MJ/(人·a)。黑龙江省农村居民的供暖年热需求总量为1.76×1011MJ/a,为炊事年热需求的近10倍。第二,提出秸秆能源化供应能力的概念,用以评价不同秸秆能源化利用技术下区域秸秆资源与生活热需求之间的能量供需关系,在黑龙江省13个地级行政区的农村地区进行秸秆供需关系的分区评估。结果表明各农村地区均适宜采用秸秆固化技术,其中7地同时具有采用秸秆干馏气化技术的资源条件。固化供暖、干馏气化供炊事的技术组合方式在除七台河外的各农村地区具有资源供应可行性,其中10地供应能力达1.5以上,将有丰富的剩余秸秆。第三,基于以上秸秆资源在农村地区的供需关系研究结果,结合黑龙江省小城镇与农村地区生活用能现状及国家城乡一体化发展要求,提出一种以小城镇为中心覆盖周边农村地区,以秸秆干馏气化供应炊事燃气,以燃煤热电机组/燃煤锅炉和秸秆锅炉为集中供暖热源,辅以固化户燃供暖的村镇生活热能复合供应模式,并以秸秆能源化供应能力为指标对该模式在黑龙江省村镇地区的资源供应可行性进行分区评估。分析结果表明,村镇生活热能复合供应模式的供应能力在黑龙江省10个地区均大于1,在耕地集中、秸秆资源丰富的松嫩平原和三江平原地区则达1.5以上,具有很好的资源供应可行性。第四,以采用燃煤热电厂和秸秆调峰锅炉房形式的村镇复合集中供暖热源子系统为研究对象,根据系统特点,提出化石能源相对节约率作为热源化石能源替代效益的评价指标,并以该指标和一次能源相对节约率为优化目标建立优化模型,对热源的合理配置及能源效益进行分析。分析结果表明,村镇复合集中供暖系统以B12、B25型背压式热电机组为适宜的基本热源,热源子系统相对当前供暖、供电形式可节约10.9~32.7%的化石能源(燃煤)和22.1~33.1%的一次能源(燃煤和秸秆),且B12机组配置的综合能源效益高于B25机组。第五,以村镇复合集中供暖热网子系统为研究对象,进行如下两项研究:1)分析不同形式热网在供暖期内热媒温度、流量的变化特征,发现农村二级网调峰系统中城镇、农村一级网各自的流量变化趋势和回水温度均有较大差异,需分别监控并采取联合调节;2)提出平均耗电输热比作为热量输送能耗的评价指标,基于该指标对村镇复合集中供暖系统的热量输送能耗及适宜供暖半径进行分析,得出适宜供暖半径一般在7km以内,当系统为农村二级网调峰且城镇热负荷占总热负荷比例不小于0.7,或系统为一级网集中调峰且城镇热负荷占总热负荷比例不小于0.8时,适宜半径原则上可扩大至13km。第六,以黑龙江省某典型的村镇体系为例,分析村镇复合集中供暖系统在不同方案下的经济效益。分析结果表明:采用秸秆固化燃料、农村二级网调峰、农村热力站近村布置的方案具有最佳经济效益,年计算费用为10926.0万元/a,相对于村镇体系内当前年供暖费用之和可降低271.3万元/a。该方案单位面积单位热量的供暖成本分别为26.66元/(m2·a)和56.73元/GJ,同城镇既有集中供暖系统相比分别降为其81.6%和85.7%;同农村当前分户供暖形式相比分别升为其2.6倍和2倍,但可免除农村居民供暖所需的时间和劳动量,提高供暖质量并改善室内空气环境。最后,利用新一代大气环境影响评价法规模型AERMOD对村镇复合集中供暖系统的环境效益进行分析评价。评价结果显示,村镇复合集中供暖系统的SO2、NOx、TSP日均浓度极值分别为4.71、11.01和4.49μg/m3,仅分别为当前供暖模式的3%、19%和7%,且当前供暖模式下SO2日均浓度的极值达162.53μg/m3,超过国家标准规定的限值150μg/m3。村镇复合集中供暖系统环境效益显著,且不同的系统设计方案间无明显差异。 【关键词】：农村地区 可再生能源 固化 干馏气化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 物理量名称及符号表10-20
• 第1章 绪论20-38
• 1.1 课题来源及研究目的20
• 1.2 课题的背景及意义20-21
• 1.3 秸秆能源化利用技术概述21-26
• 1.3.1 秸秆能源的加工或转化技术21-25
• 1.3.2 秸秆能源的燃烧技术25-26
• 1.4 国内外研究现状26-36
• 1.4.1 村镇地区能源供需关系的研究26-30
• 1.4.2 村镇区域能源规划方案的研究30-34
• 1.4.3 可再生能源系统效益评价指标的研究34-35
• 1.4.4 国内外研究现状的总结35-36
• 1.5 论文研究内容36-38
• 第2章 黑龙江省农村生活热需求研究38-52
• 2.1 黑龙江省农村生活用能调查38-41
• 2.1.1 研究区域概况38
• 2.1.2 调查方案38-41
• 2.2 黑龙江省农村居民生活用能主要特征41-44
• 2.2.1 农村居民生活用能特征的主要参数41-42
• 2.2.2 农村居民生活用能特征分析结果42-44
• 2.3 黑龙江省农村居民生活年热需求指标44-49
• 2.3.1 生活年热需求指标的计算及检验方法45-47
• 2.3.2 生活年热需求指标的计算结果与分析47-49
• 2.4 黑龙江省农村年生活热需求49-51
• 2.5 本章小结51-52
• 第3章 黑龙江省秸秆能源化供应能力及村镇生活热能复合供应模式的提出52-69
• 3.1 秸秆能源化利用技术的有效热供应率52-53
• 3.2 黑龙江省农村地区秸秆能源化供应能力53-59
• 3.2.1 秸秆能源化供应能力的计算模型54-55
• 3.2.2 黑龙江省农村地区秸秆资源量分析55-58
• 3.2.3 农村地区复合供应方式的资源供应可行性分析58-59
• 3.3 村镇生活热能复合供应模式的提出与资源供应可行性分析59-67
• 3.3.1 农村与小城镇当前生活热能供应模式60-61
• 3.3.2 村镇生活热能复合供应模式的提出61-64
• 3.3.3 黑龙江省村镇生活热能复合供应模式的资源供应可行性分析64-67
• 3.4 本章小结67-69
• 第4章 村镇复合集中供暖热源子系统配置及能源效益研究69-98
• 4.1 村镇地区当前供暖模式及复合集中供暖系统的能量平衡69-76
• 4.1.1 村镇当前供暖模式的能量平衡69-72
• 4.1.2 村镇复合集中供暖系统的能量平衡72-76
• 4.2 村镇复合集中供暖热源子系统能源效益评价指标76-78
• 4.2.1 热源子系统的一次能源节约效益评价指标76-77
• 4.2.2 热源子系统的化石能源替代效益评价指标的提出77-78
• 4.3 村镇复合集中供暖热源的配置要求78-80
• 4.3.1 对热源子系统热化系数的要求78-79
• 4.3.2 对热源子系统秸秆利用率的要求79-80
• 4.4 村镇复合集中供暖系统热源配置多目标优化模型80-85
• 4.4.1 热源配置多目标优化模型的结构81-82
• 4.4.2 模型求解方法82-85
• 4.5 村镇复合集中供暖系统的热源配置及能源效益分析85-97
• 4.5.1 模型参数的确定85-89
• 4.5.2 不同机组配置的可行域89-91
• 4.5.3 热源配置的单一能源效益91-94
• 4.5.4 热源配置的综合能源效益94-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第5章 村镇复合集中供暖热网子系统运行调节特性及能源效益研究98-127
• 5.1 村镇复合集中供暖热网子系统的适宜形式98-101
• 5.2 村镇复合集中供暖系统运行调节方案及特性101-115
• 5.2.1 村镇复合集中供暖系统的运行调节方案101-102
• 5.2.2 村镇复合集中供暖系统的热平衡102-110
• 5.2.3 村镇复合集中供暖系统的热网运行调节特性110-115
• 5.3 村镇复合集中供暖热网子系统热量输送能耗模型115-122
• 5.3.1 平均耗电输热比的提出及一般模型115-117
• 5.3.2 村镇复合集中供暖系统的平均耗电输热比计算模型117-122
• 5.4 村镇复合集中供暖热网子系统热量输送能耗及适宜半径122-126
• 5.4.1 相关参数取值及情景设定122-124
• 5.4.2 村镇复合热网的热量输送能耗及适宜半径分析124-126
• 5.5 本章小结126-127
• 第6章 村镇复合集中供暖系统经济效益研究127-147
• 6.1 村镇复合集中供暖系统年计算费用模型127-134
• 6.1.1 秸秆燃料制备子系统年计算费用127-129
• 6.1.2 热源子系统年计算费用129-133
• 6.1.3 热网子系统年计算费用133-134
• 6.2 农村与城镇当前供暖年计算费用模型134-136
• 6.2.1 城镇既有集中供暖系统的年计算费用134-136
• 6.2.2 当前农村分散供暖的年计算费用136
• 6.3 村镇复合集中供暖系统的经济效益分析136-145
• 6.3.1 算例基本情况136-142
• 6.3.2 村镇复合集中供暖系统各方案的供暖成本对比分析142-144
• 6.3.3 村镇复合集中供暖系统与当前供暖模式的经济效益对比分析144-145
• 6.4 本章小结145-147
• 第7章 村镇复合集中供暖系统环境效益研究147-165
• 7.1 村镇复合集中供暖系统环境效益评价方案设计147-148
• 7.2 村镇复合集中供暖系统环境效益分析工具148-153
• 7.2.1 分析工具的选择148-149
• 7.2.2 AERMOD模式介绍149-153
• 7.3 村镇复合集中供暖系统环境效益分析的基本数据153-157
• 7.3.1 模拟期气象资料153
• 7.3.2 地形资料及网格划分153-154
• 7.3.3 污染源参数154-157
• 7.4 村镇复合集中供暖系统大气污染物扩散模拟结果与分析157-164
• 7.4.1 模拟期内区域污染物浓度总体特征157-159
• 7.4.2 各情景下污染物浓度极值159-161
• 7.4.3 区域内污染物浓度分布161-164
• 7.5 本章小结164-165
• 结论165-167
• 参考文献167-178
• 附录178-186
• 附录A 黑龙江省农村生活用能调查结果178-182
• 附录B 气象及建筑物耗热量参数182-184
• 附录C 村镇复合集中供暖系统经济效益算例相关参数184-186
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果186-188
• 致谢188-189
• 个人简历189

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