秸稈捆包氣化解耦燃燒集中供暖技術(shù)及應(yīng)用

李惠斌，張 財(cái)，劉昱英男，別如山，李冰峰，孫 勇，王 文，朱 偉，黃冠宇，陳 劼，萬顯君

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；2.黑龍江省農(nóng)村能源總站，哈爾濱 150008；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；5.海倫利民節(jié)能鍋爐制造有限公司，綏化 152300)

1 引 言

在我國雙碳目標(biāo)要求緊迫的形勢下[1]，在煤炭供應(yīng)緊張的情況下，可再生的秸稈成了替代煤炭燃料的一種新能源。黑龍江省農(nóng)作物種植面積大，秸稈產(chǎn)量多，約占全國秸稈總量的1/8[2]，可收集量達(dá)1.1億噸/年[3]。海北村位于黑龍江省綏化市海倫市海北鎮(zhèn)，全村共2 720戶，總?cè)丝? 935人，下轄兩個(gè)自然屯，17個(gè)村民小組，現(xiàn)有土地面積31 278畝，林地面積1 237畝，機(jī)動(dòng)地面積1 292畝，主要以玉米及大豆作物種植為主，其中玉米種植面積9 678畝、水稻2 400畝、大豆19 200畝，年產(chǎn)秸稈量約18 800 t。海北村原來用一臺(tái)10 t老式燃煤鍋爐為農(nóng)戶供暖，農(nóng)戶取暖支出較大。從抽樣調(diào)查看，該村農(nóng)戶日常生活能源及其他項(xiàng)目開銷主要包括電、液化氣、采暖費(fèi)及垃圾污水處理等費(fèi)用支出，戶均生活用電約1 150°，液化氣48 kg，采暖費(fèi)用為36.2元/平方米，戶均冬季采暖費(fèi)約2 700元，占用能總支出的74%。用能情況詳見表1。

表1 海北村農(nóng)戶用能情況抽樣調(diào)查表

針對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)無霜期短、供暖期長、煤炭供應(yīng)緊張及價(jià)格偏高的實(shí)際情況，如何開展清潔取暖，實(shí)現(xiàn)區(qū)域采暖煤改秸稈示范，拉動(dòng)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化和秸稈能源化利用工作，改善生態(tài)和生活環(huán)境。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、黑龍江省農(nóng)村能源總站支持指導(dǎo)下，2020年7月，海倫市利民節(jié)能鍋爐制造有限公司在海倫市海北村進(jìn)行了秸稈捆包氣化解耦燃燒集中供暖項(xiàng)目試點(diǎn)工作。依托秸稈捆燒氣化解耦燃燒集中供暖技術(shù)，提升清潔取暖比重，即可有效解決農(nóng)村地區(qū)冬季取暖問題，也能解決大量秸稈利用難題[4]，還能夠有效替代燃煤、緩解能源供應(yīng)短缺，環(huán)境污染問題也得到一定程度上的緩解[5-6]。

海北村針對(duì)集中供暖鍋爐及其附屬設(shè)施、廠房場地等進(jìn)行全面改造，項(xiàng)目總投資約435萬。采用秸稈捆包氣化解耦燃燒技術(shù)(哈工大及海倫利民鍋爐兩項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù))，新上一臺(tái)14 MW捆包生物質(zhì)鍋爐，替代了10 t老式燃煤鍋爐，同時(shí)，增設(shè)秸稈生物質(zhì)收儲(chǔ)場地1處，改造秸稈上料系統(tǒng)，鍋爐運(yùn)行智能監(jiān)測，電機(jī)、風(fēng)機(jī)、除塵器等配套設(shè)施一套。項(xiàng)目實(shí)施后，全村及所在地鎮(zhèn)政府所有企事業(yè)單位、街面商服等納入集中清潔供暖，清潔采暖面積達(dá)到23.5萬平方米。其中戶用住宅采暖面積約為16.5萬平米，商服及其他公共設(shè)施采暖面積達(dá)近7萬平米。

圖1 14 MW生物質(zhì)秸桿捆包氣化解耦燃燒鍋爐

2 技術(shù)要求

2.1 技術(shù)原理

秸稈捆包氣化解耦燃燒技術(shù)就是把整包秸稈(200 kg左右)通過輸送帶分次直接入爐，秸稈整包進(jìn)入鍋爐后，進(jìn)行爐內(nèi)破包，該鍋爐把爐膛分為氣化室和燃燒室，秸稈在缺氧的條件下，氣化生成可燃?xì)夂桶虢惯M(jìn)入燃燒室燃燒，從而達(dá)到抑制氮氧化物(NOx)排放的目的。燃燒室的半焦物料和氣化氣，在燃燒室內(nèi)維持高溫燃燒，使燃料充分燃燼[7]。

2.2 技術(shù)路線

生物質(zhì)燃料首先在氣化室底部料層進(jìn)行缺氧燃燒，缺氧燃燒提供的熱量完成氣化室生物質(zhì)燃料的熱解耦過程，之后，氣化室熱解產(chǎn)生的還原性氣體通過半焦層進(jìn)入主燃燒室，并在生物質(zhì)半焦層的催化作用下，使得還原性氣體CO、H2、CH4等與NOx經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)，將NOx還原成無害的N2，配合分級(jí)燃燒，使得可燃?xì)怏w燃盡，提高燃燒效率。

2.3 指標(biāo)檢測

經(jīng)檢測，該鍋爐與傳統(tǒng)鍋爐相比，性能指標(biāo)優(yōu)異：(1)氮氧化物(NOx)排放減少40%～50%，排放濃度低于200 mg/m3；(2)煙塵排放減少，配合布袋除塵，煙塵排放濃度低于30 mg/m3；(3)林格曼黑度小于1；(4)煙塵和氮氧化物(NOx)及二氧化硫(SO2)排放達(dá)到國家《生物質(zhì)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求；(5)鍋爐熱效率達(dá)到86%。所用秸稈捆包氣化解耦燃燒生物質(zhì)鍋爐經(jīng)有關(guān)專業(yè)部門分別于2020年11月18日和2020年11月16日對(duì)能效和排放物進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2(報(bào)告編號(hào)：HZJC-HJ-2020-1116-17)。

表2 檢測報(bào)告

表3 能效測試結(jié)果

經(jīng)過示范運(yùn)行，改善了區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境，村民幸福指數(shù)提高了，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著的提升。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

從一個(gè)供熱期運(yùn)行情況看，按180天計(jì)算；該鍋爐每天約消耗84 t秸稈，一個(gè)供熱期消耗打包秸稈15 000 t，每噸秸稈150元，一個(gè)供熱期燃料費(fèi)用225萬，加之水(0.1元/平方米)、電(2.5元/平方米、人工(15人×3 000元/月)、設(shè)備折舊2萬等費(fèi)用約115.8萬，秸稈捆包氣化解耦燃燒鍋爐集中供暖一個(gè)采暖季的運(yùn)行成本為340.8萬元，每平米供暖成本為14.5元/平方米。按原有燃煤鍋爐運(yùn)行成本計(jì)算，燃料價(jià)格為650元/t，料費(fèi)用為534.6萬元，單位面積供暖成本為27.8元/平方米，年供熱成本達(dá)653.3萬元，相比燃煤鍋爐供暖，使用秸稈捆包氣化解耦燃燒鍋爐具有更好的經(jīng)濟(jì)性和市場競爭優(yōu)勢，運(yùn)行成本降低47.8%，節(jié)支金額共312.5萬元。

表4 秸稈捆燒氣化解耦燃燒鍋爐與燃煤鍋爐運(yùn)行成本核算對(duì)比表

4 生態(tài)性分析

海倫市海北村秸稈捆燒氣化解耦燃燒集中供暖項(xiàng)目清潔能源使用率達(dá)到89%，一個(gè)采暖期利用秸稈1.5萬t，替代約7 500 t標(biāo)煤，相當(dāng)于減排二氧化碳1.87萬t，二氧化硫77.7 t、氮氧化物16.8 t、顆粒物1 134 t，節(jié)能減排效果顯著。通過實(shí)施秸稈捆燒氣化解耦燃燒鍋爐集中供暖項(xiàng)目，燃燒效率高，污染物排放低。配合布袋除塵器，煙塵、SO2及NOx排放濃度自然達(dá)標(biāo)，配置脫硫、脫硝設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放，實(shí)現(xiàn)清潔供暖替代燃煤，消除了冬季供暖煙氣大量排放對(duì)區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境的影響。同時(shí)，解決了剩余秸桿出路問題，一個(gè)采暖季可消耗區(qū)域內(nèi)秸稈1.5萬t，占示范村秸稈總量約70%，徹底解決了農(nóng)村秸稈隨意堆放或露天焚燒對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響，村鎮(zhèn)環(huán)境干凈整潔。

同時(shí)，秸稈捆包供暖產(chǎn)生的灰渣，可作為土壤調(diào)理劑或肥料原料還田使用，年產(chǎn)生秸桿炭灰1 480 t，可替代化肥43 t，減排CO2約300 t，有利于改善土壤環(huán)境，提升地力，促進(jìn)區(qū)域綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)的構(gòu)建發(fā)展。

5 社會(huì)性分析

農(nóng)戶居民生活品質(zhì)得到提升，消費(fèi)節(jié)支效果顯著。通過對(duì)項(xiàng)目收益情況進(jìn)行了對(duì)比分析可以看出，熱用戶每平米供熱費(fèi)用由36.2元降至32元，減少了農(nóng)戶每年熱費(fèi)開支。農(nóng)戶普遍反映，采暖期供熱穩(wěn)定，供暖溫度保持在20 ℃以上，燃煤供暖煙氣顆粒物沉降影響周邊環(huán)境的現(xiàn)象得到有效解決，居民生活品質(zhì)得到進(jìn)一步提升。此外，極大促進(jìn)了秸稈綜合利用，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、機(jī)械等相關(guān)行業(yè)發(fā)展。如村民戶均節(jié)省秸桿離田費(fèi)用2 000余元，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)營者一個(gè)秋季收入10余萬元，生物質(zhì)鍋爐制造廠家、供熱企業(yè)效益大幅增長，也為當(dāng)?shù)刎?cái)政增加更多的收入，帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的起到重要推動(dòng)作用。

6 結(jié)束語

海倫市海北村應(yīng)用秸稈捆包氣化解耦燃燒技術(shù)集中供暖，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村地區(qū)清潔取暖，切實(shí)改善農(nóng)村人居環(huán)境和節(jié)能減排。在秸稈資源豐富、原料易獲得，秸稈打包、收儲(chǔ)運(yùn)較便捷的城郊鄉(xiāng)鎮(zhèn)或中心村開展區(qū)域性集中供熱的北方農(nóng)村地區(qū)具有廣泛的推廣應(yīng)用。目前已在黑龍江省望奎縣通江村、綏棱縣綏中鎮(zhèn)及遼寧、吉林等省市農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。