引言近年来，北方农村散煤供暖引起的环境污染问题越发受到关注［1］。国家发改委在2017年发布了《北方地区冬季清洁取暖规划》，提出“农村地区优先利用生物质等清洁能源供暖，有条件的发展天然气或电供暖”［2］。生物质能源在农村以直燃或沼气等方式用于供暖时，具有就近收集原料、就地加工转换、就近消费等特点，还能促进解决秸秆废弃物的处理及其露天焚烧等问题。国家能源局在2019年7月的《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》中明确提出了“农村地区重点发展生物质能供暖”的要求［3］。河北省作为我国的农业生产大省和农村人口大省，有条件且有必要在农村地区发展生物质能源供暖。然而，河北省气候、地形等自然条件多样，农业人口以及不同农作物的区域分布也有较大的差异，在进行农村生物质能源规划之前，应首先掌握生物质能源化利用潜力的区域性分布特征。本文以河北省农村地区为研究区域，以地级市为区划单位分析各类生物质的资源量与能源化可用量，对河北省生物质资源的能源化利用潜力做出分区评估。1研究方法本文以生物质的“资源量”和“能源化可用量”作为生物质的资源丰富程度和能源化可利用潜力的评估指标。资源量指生物质每年的产生量，能源化可用量指去除各类损耗和其他形式利用的量（以下统称非能源化利用量）之后，可用做农村供暖能源的资源量。二者均以能量单位（标准煤）计量，相互关系可表示为：A=R-U (1)或A=R×1-u=R×a (2)式中：A——能源化可用量；R——资源量；U——非能源化利用量；u——非能源化利用量占资源量的比例；a——能源化可用量占资源量的比例。1.1生物质资源量及其能源化可用量评估农村地区的生物质资源主要包括农业剩余物（如茎叶、果壳等）、林业剩余物（如修剪下的枝杈、林产品加工产生的余料、废旧木制品等）和畜牧业剩余物（畜禽粪便）。用于供暖时，前两者主要以燃烧方式加以利用，后者则主要作为沼气原料。农业剩余物的资源量RC可计算为：RC=∑iIRC,i=∑i=1IYi×si×λi (3)式中：i——农作物种类，i=1，2，……，I；Yi——第i种农作物的年产量（t）；si——第i种农作物剩余物的草谷比（指剩余物产量与粮食产量的比率）；λi——第i种农作物剩余物的折标煤系数（千克标准煤/kg）。除用作能源外，农业剩余物的利用途径还包括肥料化（又称还田）、饲料化、基料化、原料化等。对单位面积的耕地而言，还田的秸秆肥料不宜过多或过少［4］。而近年来，随着秸秆禁烧政策的加强，秸秆过量还田的现象十分普遍［5］。根据可用资料的数据形式，本文在理论计算中对农业剩余物的饲料化、基料化、原料化利用量以公式（2）形式处理，对肥料化利用量则基于适宜还田量以公式（1）形式处理，则农业剩余物的能源化可用量AC可计算为：AC=∑i=1n(1-um,i-us,i-up,i)×RC,i-Fi×δi×λi (4)式中：um，i、us，i和up，i——分别为第i种农作物剩余物每年用作饲料、食用菌基料和工业原料的量占资源量的比例，根据近年统计资料分别取22.71%、1.39%、0.96%［6］；Fi——第i种农作物的播种面积（hm2）；δi——第i种农作物剩余物的适宜还田量［kg/（hm2•a）］。林业剩余物主要包括林木生长剩余物、林产品生产加工剩余物以及废旧木制品，其资源量RF和能源化可用量AF均为上述三者的求和形式：RF=RF1+RF2+RF3 (5)其中：RF1=∑k=1KRF1,k=∑k=1KCk× νF1,k×λF  (6)RF2=L×νF2×λF (7)RF3=N×νF3×λF (8)AF=AF1+AF2+AF3=∑k=1KRF1,k×aF1,k+RF2×aF2+RF3×aF3 （9）式中：F1、F2、F3——分别为林木生长剩余物、林产品生产加工剩余物以及废旧木制品；k——林木的种类，k=1，2，……，K；Ck为第k种林木的总量（株）或面积（hm2）；L——用于林产品生产加工的木材消耗量（m3）；N——研究地区的人口数（人）；ν——林木剩余物的折合系数（kg/株）或（kg/hm2）或（kg/人）；λF——林业剩余物的折标煤系数，取0.57千克标准煤/kg［7］。畜牧业剩余物资源量RD是指人工养殖的各类畜禽产生的粪便总量：RD=∑j=1Jnj×Mj×Tj×λD （10）式中：j——畜禽种类，j=1，2，……，J；nj——第j种畜禽的数量（只）；Mj——第j种畜禽的日排泄系数［kg/（d·只）］；Tj——第j种畜禽的饲养期（d）；λD——畜禽粪便的折标煤系数，取0.5千克标准煤/kg［7］。一般情况下，农村地区的畜禽粪便首先用作耕地肥料。对某区域而言，若畜禽粪便产量小于可负担的动物肥料量，则当地畜牧业剩余物的能源化可用量应视为0，即AD的计算公式如下：AD=max0,RD-F0×μ×λD (11)式中：F0——研究地区的耕地面积（hm2）；μ——每年每公顷耕地能够接受的畜禽粪便量，根据既有研究取值为3×104 kg/hm2［8］。1.2数据来源本文的研究地区包括河北省下辖的十一个地级市。各地区主要农林生物质的种类、种植面积、产量以及畜禽饲养量等采用2018年的统计数据［6］，各种生物质的折标准煤系数取自《中国能源统计年鉴2018》［7］。主要农作物的草谷比及剩余物适宜还田量如表1所示。林业剩余物的资源量和能源化可用量计算中涉及的折算系数和能源化利用系数按表2取值。畜禽每年的排泄系数和饲养期数据如表3所示，其中出栏量和存栏量分别指每年作为商品售卖和仍在喂养的畜禽。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T001表1农作物草谷比、剩余物适宜还田量及折标煤系数[9]农作物品种玉米小麦花生棉花马铃薯谷子水稻剩余物品种茎叶玉米芯茎叶茎叶花生壳茎叶茎叶茎叶茎叶稻壳草谷比1.100.211.301.500.285.000.961.400.950.21适宜还田量/[kg/(hm2•a)]4 50003 0003 00003 0003 0003 0003 0000折标煤系数/(千克标准煤/kg）0.5290.5290.50.5430.5430.5430.5430.4290.4290.42910.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T002表2林业剩余物折算系数以及能源化利用系数[10]剩余物类型折算系数能源化利用系数林木生长剩余物灌木林平茬3 300 kg/hm20.56经济林抚育修枝7 200 kg/hm20.2“四旁”、疏林抚育修枝2 kg/株0.33中幼林抚育与间伐7 200 kg/hm20.22苗木修枝、定杆及截杆0.125 kg/株0.67林产品生产加工剩余物200 kg/m30.26废旧木制品21.58 kg/人0.5010.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T003表3畜禽的日排泄系数及饲养周期[11]类别牛猪羊家禽存栏出栏存栏出栏饲养期/d36536518036518055排泄系数/[kg/(d•只)]3343.53.253.250.102结果与分析根据公式（3）、公式（5）~公式（8）、公式（10），得到河北省各地级市内各类生物质的资源量如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T004表4河北省各地级市各类生物质资源量/（109千克标准煤）地区农业剩余物林业剩余物畜牧业剩余物合计石家庄3.330.9410.6814.96唐山2.230.3511.2513.83秦皇岛0.610.264.145.00邯郸3.790.338.2412.37邢台3.440.484.718.63保定3.820.6510.6315.10张家口1.970.957.6410.56承德1.650.7110.4612.82沧州2.970.385.578.93廊坊0.990.303.755.04衡水2.970.505.448.91全省27.785.8682.51116.14由表4可知：（1）河北省生物质资源量的空间分布存在明显的不均匀性。其中，保定、石家庄、唐山、承德、邯郸、张家口6个地级市的生物质资源量占全省总量的69%，而沧州、衡水、邢台、廊坊、秦皇岛5个地级市的资源量仅占31%。（2）在河北全省范围内，畜牧业剩余物的资源量最丰富，占总量的71%，而林业剩余物的资源量仅占总量的5%。（3）在河北省各地，畜牧业剩余物占总资源量的比例均在50%以上；而林业剩余物占总量的比例则都在10% 以下，说明河北省各地的生物质资源量均具有“畜牧业剩余物农业剩余物林业剩余物”的特点。根据公式（4）、（11），计算得到河北省各地级市内各类生物质的能源化可用量，如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T005表5河北省各地级市各类生物质能源化可用量地区农业剩余物林业剩余物畜牧业剩余物合计石家庄1.000.251.943.19唐山0.720.112.883.72秦皇岛0.220.081.321.62邯郸1.240.120.001.36邢台0.960.140.001.09保定1.090.240.001.34张家口0.870.310.001.18承德0.730.204.455.39沧州0.440.120.000.56廊坊0.150.090.000.24衡水0.780.140.000.91全省8.191.8010.5920.58109千克标准煤由表5可知：（1）河北省生物质能源化利用潜力的空间分布存在明显的不均匀性。其中，承德、唐山、石家庄3个地级市的生物质资源量占全省总量的60%，而秦皇岛、邯郸、保定、张家口、邢台、衡水、沧州、廊坊8个地级市的资源量仅占40%。（2）在河北全省范围内，畜牧业剩余物的能源化利用潜力最大，占总量的51%，而林业剩余物的资源量仅占总量的9%。（3）各地级市的农业剩余物能源化利用潜力差异明显，其中潜力最大的邯郸市农业剩余物能源化可用量达1.24×109千克标准煤，潜力最小的廊坊市农业剩余物能源化可用量仅为0.15×109千克标准煤，前者为后者的8倍。对照统计年鉴中的原始数据可知，这主要是各地级市的耕地面积以及农作物种类不同所导致的。（4）各地级市的林业剩余物能源化利用潜力存在一定差异，但由于各地级市林业剩余物能源化可用量较小，其对于各地级市的生物质能源化可用量的影响较小。（5）承德、石家庄以及唐山地区的畜牧业剩余物能源化利用潜力在河北省位列前三。对照统计年鉴中的原始数据发现，这些地区的畜禽饲养量较大，畜牧业剩余物资源丰富，从而导致畜牧业剩余物能源化可用量较大。（6）与其他地区不同的是，秦皇岛地区的畜禽饲养量并不大，畜牧业剩余物资源量在河北省位列第10，但其畜牧业剩余物能源化利用潜力位列第4。这主要是由于该地区耕地面积小，畜牧业剩余物的肥料化需求很少，从而使当地可用作能源的畜牧业剩余物较多。（7）邯郸、邢台、保定、张家口、沧州、廊坊以及衡水7个地级市的畜牧业剩余物能源化可用量都为0，主要是因为这些地区的耕地面积较大，其所需要的肥料量超过了畜牧业剩余物的资源量。为了反映各地区生物质能源化利用潜力的分布特征，提出农村地区生物质能源利用策略的建议，对河北省的生物质能源化可用量进行区划。由于农业和林业剩余物（AC和AF）均属植物生物质，能源化利用技术大致相同，因此在分区中将二者综合考虑，具体分区标准如表6所示，区划结果如图1所示。除省会石家庄的动、植物生物质均具有可观的能源化利用潜力外，动物生物质的利用潜力集中于河北省东北部，而沿太行山一线的西部地区则有较大的植物（包括农业和林业）生物质利用潜力。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.T006表6河北省生物质能源化利用潜力区划/（×109千克标准煤）序号区划分区标准地区Ⅰ区动植物双重潜力区AC+AF110且AD1×10石家庄Ⅱ区动物生物质潜力区AC+AF1×10且AD1×10唐山、秦皇岛、承德Ⅲ区植物生物质潜力区AC+AF1×10且AD1×10邯郸、保定、邢台、张家口Ⅳ区潜力有限区AC+AF1×10且AD1×10衡水、沧州、廊坊10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.001.F001图1河北省生物质能源化利用潜力区划根据图1显示的生物质能源化利用潜力区划特征，结合《北方地区冬季清洁取暖规划》［2］、《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》［12］、《关于促进生物质能供热发展的指导意见》［13］等文件对农村清洁供暖和生物质能利用的技术路线指导，对河北省的生物质能源利用策略提出如下建议：（1）Ⅰ区（石家庄）的动、植物剩余物能源化利用潜力均较大，可以考虑将农业剩余物以固化成型等技术加工为供暖燃料，结合生物质燃料特性设计的专用采暖炉，以实现供暖散煤替代。可以将畜牧业和农业剩余物相结合制取生物天然气（即沼气），建设村级燃气供应站及小规模管网，以实现农村地区清洁供热。（2）Ⅱ区（唐山、秦皇岛、承德）具有较大的畜牧业剩余物利用潜力，可发展生物天然气，实现生物质的能源化和肥料化综合利用。在有条件的地区可考虑建设大中型沼气工程为周边居民供气，并将符合入网标准的生物天然气并入城镇燃气管网。此外，还应加快生物天然气工业化、商业化的开发建设，并建立健全生物天然气的产业体系，使之最大化的替代不可再生能源。（3）Ⅲ区（邯郸、保定、邢台、张家口）具有较大的农、林生物质利用潜力，可以考虑开展秸秆气化、固化等技术。在当前的社会、经济发展状况下，尤其应重点发展生物质锅炉供热，特别是在热力管网、天然气管道无法覆盖的农村地区推进中小型生物质锅炉项目建设，在用户侧替代散煤进行清洁供暖。（4）相对其他地区，Ⅳ区（衡水、沧州、廊坊）的生物质能源化利用潜力最小，在发展生物质能源时应结合下级行政区（乡、镇甚至具体的自然村）的实际情况，在有条件的地方建设试点。3结语本文以生物质的资源量和能源化可用量为指标，评价了河北省各地区的生物质资源丰富度及其能源化利用潜力，得到结论包括：（1）各地区的生物质资源量差异很大，但普遍具有“畜牧业剩余物农业剩余物林业剩余物”的特点；（2）各地区的生物质能源化利用潜力也具有较大差异，且林业剩余物的能源化利用潜力普遍较小，畜牧业剩余物能源化利用潜力区域差异很大；（3）省会石家庄的动、植物生物质均具有可观的能源化利用潜力，东北部和沿太行山一线的西部地区分别具有较大的动物、植物生物质利用潜力。针对河北省农村地区的清洁供暖和生物质利用策略，提出：①在石家庄地区，采用农林剩余物固化燃烧以及生物天然气的供热方式；②在唐山、秦皇岛、承德地区，发展大中型沼气工程；③在邯郸、保定、邢台、张家口地区，推进生物质锅炉供热；④衡水、沧州、廊坊地区，应结合实际适度开展生物质能源清洁供暖的试点建设。