利用太陽能和秸稈生物質(zhì)能的農(nóng)村除塵煙囪設(shè)計(jì)

陳靜雯 呂奇 劉昂 姜宇鑫 翟春妍 王新詞 劉軒辰

摘? ?要：目前，我國廣泛應(yīng)用各種生物質(zhì)能進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，同時(shí)配合不同生物質(zhì)能還能形成全新的環(huán)保技術(shù)內(nèi)容體系，有效應(yīng)對當(dāng)前頗為嚴(yán)重的工農(nóng)業(yè)生態(tài)污染現(xiàn)象問題。本文從生物質(zhì)能層面展開分析，分別分析了太陽能和秸稈兩種生物質(zhì)能，希望體現(xiàn)生物質(zhì)能的有效價(jià)值，主要結(jié)合多種方法實(shí)現(xiàn)對生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化優(yōu)化（例如并燃燒、生物化學(xué)法、熱化學(xué)法以及物理化學(xué)法），進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為可利用的二次能源，合理應(yīng)用于電力生產(chǎn)、燃?xì)庖约俺尚腿剂现谱鬟^程中。而像秸稈等則利用燃燒發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物肥料、肥料灰等等，主要用于涵養(yǎng)土壤、參與退耕還田綠色環(huán)?；顒?dòng)，發(fā)揮它們的固有價(jià)值，最后本文還將結(jié)合案例探討它們在農(nóng)村除塵煙囪設(shè)計(jì)中的具體技術(shù)配合應(yīng)用流程。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能? 太陽能? 秸稈? 農(nóng)村除塵煙囪? 設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：TU834? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0071-02

按照全世界對非可再生能源的使用效率與使用年限統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前人類對能源的消耗速度可以判斷出可供人類使用的石油、煤炭剩余總量均不會(huì)超過200年。換言之，人類未來將面臨著無能源可用的尷尬發(fā)展局面，所以盡量減少對非可再生能源的使用，而大力發(fā)展可再生能源，優(yōu)化生物質(zhì)能體系將成為人類持續(xù)發(fā)展下去的重要出路。

1? 關(guān)于生物質(zhì)能

1.1 生物質(zhì)能的基本概念

根據(jù)國際能源署（International Energy Agency）所給出的定義內(nèi)容，人類目前正在發(fā)展并應(yīng)用的生物質(zhì)能可劃分為固體生物質(zhì)、城市固體廢棄物、木炭、生物液態(tài)燃料以及沼氣，其中還有一些能源或直接、或間接的源自于植物的光合作用，它們也可轉(zhuǎn)化為人類可用的常規(guī)化固體燃料、氣體燃料以及液體燃料，可取代大規(guī)模的常規(guī)化石能源并起到同樣的能源供給作用。

1.2 生物質(zhì)能的基本特征

生物質(zhì)能作為一種資源它的總量較大、污染較低、分布較廣、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模存儲(chǔ)運(yùn)輸、存在易燃特點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)，生物質(zhì)能的消耗量是僅僅次于煤炭、石油、天然氣這樣的主流能源位居第四位的。平均每年地球上所消耗的生物質(zhì)能大約在1800億t左右。在我國，生物質(zhì)能相當(dāng)豐富，結(jié)合我國煤炭、石化能源的使用情況、生物質(zhì)能資源的轉(zhuǎn)化情況兩點(diǎn)來看，我國每年的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化率大約在7億t左右。這些生物質(zhì)能可有效應(yīng)用于國內(nèi)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中，例如代替燃煤進(jìn)行生產(chǎn)，或者代替?zhèn)鹘y(tǒng)飼料養(yǎng)殖畜禽等等，總體來說，在我國生物質(zhì)能具有著相對簡單易取的途徑，理論上可實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)能的有效循環(huán)，理論上不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體。

2? 太陽能與秸稈的應(yīng)用

太陽能屬于可再生能源，取之不盡用之不竭，而秸稈在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生數(shù)量較大，兩種不同類型的物質(zhì)都可被作為生物質(zhì)能發(fā)揮自身作用。

在日照條件良好的條件下，可建設(shè)生物質(zhì)能——太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)中太陽能主要負(fù)責(zé)提供熱量和除塵。供熱是太陽能的“本職工作”，而除塵則具有一定的技術(shù)應(yīng)用特殊性。太陽能供熱過程中可保證生物質(zhì)顆粒少運(yùn)行或不運(yùn)行，而太陽能會(huì)將這些存在于空氣中的生物質(zhì)顆粒經(jīng)過加熱轉(zhuǎn)化為太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中采暖的重要且唯一媒介，實(shí)現(xiàn)換熱器與蓄熱水箱中水的熱量交換，提高系統(tǒng)的整體供熱循環(huán)效率，滿足綠色供熱環(huán)境優(yōu)化需求，同時(shí)可確保水質(zhì)與水量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

而農(nóng)作物秸稈作為比較常見的生物質(zhì)能它的危險(xiǎn)性偏小且易于管理，在20世紀(jì)80年代由德國所提出的NOX排放燃料控制分級(jí)燃燒技術(shù)中就提到了秸稈—煤粉的混燒方案。由于秸稈本身在焚燒揮發(fā)率方面可達(dá)到至少70%以上，所以它也成為了目前全球生物質(zhì)能應(yīng)用中的最佳燃料選擇，在北歐、美國、日本以及我國都有大量應(yīng)用[1]。

3? 基于太陽能與秸稈生物質(zhì)能的農(nóng)村除塵煙囪設(shè)計(jì)方案提出

3.1 傳統(tǒng)農(nóng)村除塵煙囪使用問題分析

傳統(tǒng)農(nóng)村煙囪在除塵效果上表現(xiàn)不佳，不但對空氣造成嚴(yán)重污染，形成霧霾，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的秸稈生物質(zhì)能資源，客觀講它的除塵效果形同虛設(shè)，完全不符合專業(yè)環(huán)保技術(shù)要求。所以當(dāng)前人們就在思考如何創(chuàng)新設(shè)計(jì)擁有除塵功能的新型煙囪，有效解決秸稈等生物質(zhì)能焚燒所帶來的嚴(yán)重污染問題。

3.2 基于太陽能與秸稈生物質(zhì)能的創(chuàng)新煙囪設(shè)計(jì)方案分析

（1）基本工作原理分析。

農(nóng)村地區(qū)需要對傳統(tǒng)煙囪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與排煙技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新分析，例如可在煙囪內(nèi)部結(jié)構(gòu)中配置溫差發(fā)電裝置、負(fù)離子裝置以及太陽能發(fā)電裝置，最大限度利用秸稈這一生物質(zhì)能的能量對煙囪結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的微小固體顆粒物進(jìn)行遏制，減少其排放量，確保實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村煙囪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整（見圖1）。結(jié)合新型除塵煙囪的基本工作原理展開分析。

第一，要實(shí)現(xiàn)除塵煙囪的減排功能。例如農(nóng)家在烹飪過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，煙氣中攜帶大量熱量，所以煙囪內(nèi)壁與外部自然會(huì)存在較大溫差。此時(shí)要發(fā)揮溫差發(fā)電裝置的功能效用，利用電力激活存在于煙囪內(nèi)壁的負(fù)離子發(fā)生器，有效實(shí)現(xiàn)對粉塵的沉降處理。

第二，要實(shí)現(xiàn)除塵煙囪的節(jié)能功能?？稍跓焽桧攲由隙宋恢迷O(shè)置一層太陽能電池板，配合煙囪內(nèi)壁的溫差發(fā)電裝置，利用太陽能為煙囪的負(fù)離子除塵裝置提供充足的電能保障。同時(shí)剩余電能也足夠農(nóng)戶日常生活使用。

第三，要保證除塵煙囪的整體承重安全性。在煙囪內(nèi)壁設(shè)計(jì)鋁板，配合外壁磚墻設(shè)計(jì)。主要通過鋁板快速傳遞太陽能供應(yīng)熱量并設(shè)計(jì)輔助除塵裝置，而煙囪磚墻則擁有良好的隔熱保溫功能，保護(hù)溫差發(fā)電裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)該裝置與太陽能電池板之間的更好配合，確保整個(gè)裝置都具有相對優(yōu)秀的安全承重能力。

（2）發(fā)電性能理論計(jì)算。

結(jié)合太陽能電池板、除塵煙囪的溫差發(fā)電裝置以及秸稈燃燒煙氣溫度（30℃～80℃），需要對該煙囪的發(fā)電性能進(jìn)行理論計(jì)算。如果外界自然溫度條件為30℃，則可保證在合理溫差下煙囪內(nèi)部的負(fù)離子除塵功能正常運(yùn)行，同時(shí)滿足其用電要求。一般來講，在煙囪產(chǎn)生煙氣過程中，煙囪內(nèi)外的最低溫差一般都要保持在30℃～35℃左右，此時(shí)溫差發(fā)電裝置會(huì)產(chǎn)生6V的開路電壓，產(chǎn)生大約700mA的發(fā)電電流。此時(shí)要在煙囪內(nèi)部設(shè)計(jì)大約20塊溫差發(fā)電裝置電片，并配合一塊升壓模塊提高煙囪內(nèi)負(fù)離子除塵裝置的除塵電力水平[2]。

4? 結(jié)語

綜上所述，本文利用太陽能和秸稈生物質(zhì)能設(shè)計(jì)了農(nóng)村除塵煙囪，充分合理發(fā)揮了生物質(zhì)能的各項(xiàng)基本效能，合理利用太陽能電池板實(shí)現(xiàn)了對粉塵的有效清除，是針對農(nóng)村舊式煙囪在功能與結(jié)構(gòu)上的絕對創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬巨仲.生物質(zhì)能的利用與發(fā)展[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（1）：223.

[2] 孟凡哲，魏君康，侯汪敦，等.利用太陽能和秸稈生物質(zhì)能的農(nóng)村除塵煙囪設(shè)計(jì)[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018 （6X）：16.