壽光市育苗溫室供熱現(xiàn)狀及生物質(zhì)燃燒供熱探討

趙文濤 閆升太尹德政 羅 冰 何 芳*

（1山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049；2山東華電節(jié)能技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250014）

供熱是全球最大的能源終端消費(fèi)領(lǐng)域，約占全球總能耗的50%[1]。2018年，我國北方地區(qū)建筑供熱總面積超過200萬hm2，溫室大棚供熱面積128萬hm2[2]。2020年，《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快推進(jìn)設(shè)施種植機(jī)械化發(fā)展的意見》指出，到2025年我國溫室種植設(shè)施總面積將達(dá)200萬hm2，溫室供熱將在供熱領(lǐng)域中占據(jù)更為重要的位置。

溫室作為我國農(nóng)業(yè)設(shè)施的重要組成部分，解決了冬春季蔬菜產(chǎn)量供應(yīng)不足的問題，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展和務(wù)農(nóng)人員的收入增長，提高了土地利用效率，其建筑規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大[3-4]。目前應(yīng)用和發(fā)展較多的溫室有日光溫室、塑料大棚和連棟溫室，以日光溫室應(yīng)用最為廣泛。但在較為寒冷的地區(qū)，日照強(qiáng)度弱，溫室對外散熱量大，內(nèi)部氣溫較低，無法滿足果蔬生長需求，須采取其他措施補(bǔ)充供熱[5]。溫室供熱技術(shù)能夠有效調(diào)控室內(nèi)溫度和濕度，對農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量及培育周期具有重要影響[6]。因此，掌握溫室供熱情況，對解決蔬菜溫室供熱問題和推動溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

壽光市是濰坊市代管縣級市，擁有大規(guī)模蔬菜大棚種植產(chǎn)業(yè)。溫室蔬菜種植技術(shù)的發(fā)展解決了我國冬春季蔬菜種植難題，推動了蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2019年初，壽光市設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)4萬hm2，年產(chǎn)蔬菜450萬t。其中，使用補(bǔ)充設(shè)施進(jìn)行供熱的溫室蔬菜種植面積1.3萬hm2，年產(chǎn)蔬菜約150萬t[7]。本次調(diào)研對象為黃瓜育苗溫室。通過對其設(shè)備、運(yùn)行現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行分析，探索壽光市溫室供熱的合理方案。

1 壽光市溫室供熱現(xiàn)狀

1.1 供熱管路散熱特點(diǎn)及運(yùn)行方式

一般每戶農(nóng)戶經(jīng)營4個黃瓜育苗溫室，每個溫室面積為1 200 m2。供熱季為11月至翌年3月（僅夜間），為期4個月，每5 d產(chǎn)出一批黃瓜苗，年利潤約為40萬元。

在供熱季，育苗溫室白天溫度達(dá)20℃以上可滿足黃瓜幼苗生長，但夜間溫度較低，需供熱。溫室內(nèi)裝有翅片散熱器（圖1），散熱器進(jìn)水溫度80℃，出水溫度60℃。當(dāng)室溫低于18℃時，啟動風(fēng)機(jī)，將散熱器周圍熱空氣吹至溫室各處；當(dāng)室溫超過22℃時，風(fēng)機(jī)停止工作。一般來說，每年供熱管路的運(yùn)行費(fèi)用為1萬元。

圖1 溫室內(nèi)管路供熱方式示意圖

1.2 溫室供熱設(shè)備類型及費(fèi)用

壽光市溫室供熱設(shè)備有4種，分別為燃煤、燃?xì)?、電熱鍋爐和空氣源熱泵，為4個育苗溫室內(nèi)的翅片散熱器提供熱水。本次對4種典型供熱設(shè)備用戶進(jìn)行調(diào)研，供熱設(shè)備參數(shù)及費(fèi)用如表1所示。

表1 溫室供熱設(shè)備參數(shù)及費(fèi)用

1.2.1 燃煤鍋爐。燃煤鍋爐功率為230 kW，采用人工喂料方式（每晚添加2次煤），投資成本1.5萬元。燃煤鍋爐配備16 m2鍋爐房；鍋爐房內(nèi)有供水、回水管道，水管直徑76 mm，并配有水泵；補(bǔ)水罐直徑約2 m、高4 m，用于井水增壓，補(bǔ)水管路直徑25 mm。燃煤鍋爐供熱季耗煤量約為30 t，燃煤費(fèi)用約1.8萬元。2021年煤價上升，供熱季燃煤費(fèi)用漲至5萬元左右。此外，燃煤鍋爐排放易超標(biāo)，根據(jù)《山東省大氣污染防治條例》，為防止大氣污染，按國家和省有關(guān)規(guī)定，要求淘汰、拆除小型、分散型和不能達(dá)標(biāo)排放的燃煤鍋爐。因此，燃煤鍋爐在當(dāng)?shù)匾驯恢饾u停用。

1.2.2 燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t功率為240 kW，投資成本為3萬元。鍋爐房配置與燃煤鍋爐相同，主要以壓力罐液化氣作為燃料，每月耗氣費(fèi)用為9 000元左右，供熱季總耗氣費(fèi)用為3.6萬元。燃?xì)忮仩t對安裝環(huán)境和操作要求較高，育苗企業(yè)一般難以滿足要求，在使用中會存在較大的安全隱患。因此，燃?xì)忮仩t在當(dāng)?shù)睾苌賾?yīng)用。

1.2.3 電熱鍋爐。電熱鍋爐電功率為150 kW，投資成本為2.2萬元。該鍋爐配備有4 m2配電鍋爐房，鍋爐配有相應(yīng)的供水、回水管路和補(bǔ)水罐、補(bǔ)水管路。當(dāng)?shù)仉妰r為0.55元/（kW·h），平均每月耗電費(fèi)用為2萬元，供熱季總耗電費(fèi)用約為8萬元。

1.2.4 空氣源熱泵?？諝庠礋岜幂敵龉β蕿?00 kW，在黃瓜育苗溫室內(nèi)安裝3臺空氣源熱泵，總投資成本約為20萬元。每月耗電費(fèi)用為6 000元，供熱季總耗電費(fèi)用為2.4萬元。因?yàn)闊岜猛顿Y成本很高且供熱過程不穩(wěn)定，難以滿足溫室蔬菜生產(chǎn)的供熱需求，所以在當(dāng)?shù)夭⑽幢淮笠?guī)模應(yīng)用。

1.3 供熱存在的問題

當(dāng)?shù)?種典型供熱設(shè)備均存在一定的問題：燃煤鍋爐的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用最低，但燃煤成本隨著化石能源的短缺而有所增加，鍋爐運(yùn)行需每晚人工添加煤料，并且鍋爐排放不達(dá)標(biāo)易造成空氣污染；燃?xì)忮仩t的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用比燃煤鍋爐稍高，設(shè)備安裝操作要求高且必須保證爐體和氣體輸送管路密封良好，安全隱患較大；電熱鍋爐的運(yùn)行費(fèi)用很高，在供熱季的運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)8萬元；空氣源熱泵投資成本很高且供熱過程不穩(wěn)定，難以滿足供熱需求。

根據(jù)大氣污染物治理政策及從農(nóng)戶自身安全角度出發(fā)，當(dāng)?shù)啬壳笆褂米疃嗟墓嵩O(shè)備是電熱鍋爐，但該設(shè)備的使用增加了農(nóng)戶對于溫室的投入費(fèi)用，影響經(jīng)濟(jì)效益。

2 壽光市溫室供熱建議和方案

為尋求更合適的溫室供熱應(yīng)對方案，既降低農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)投入，又減少空氣污染和安全隱患，根據(jù)溫室黃瓜秧充足的現(xiàn)狀，本文提出了應(yīng)用黃瓜秧燃燒供熱的方案。

2.1 溫室廢棄生物質(zhì)處理現(xiàn)狀

生物質(zhì)能源具有清潔、無污染和儲量巨大等優(yōu)點(diǎn)，成為繼煤、石油、天然氣后的第四大能源，在世界一次能源供應(yīng)量中占比約為10%[8]。自2016年以來，我國相繼出臺了一系列文件，加大了對生物質(zhì)等可再生能源的政策引導(dǎo)。2016年，國家能源局發(fā)布的《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中對中國分布式農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)和生活垃圾焚燒等生物質(zhì)能源供熱的發(fā)展制定了明確的目標(biāo)。2017年，中國《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021年）》中指出，到2021年中國生物質(zhì)能清潔供熱面積達(dá)到21億m2?？梢娚镔|(zhì)能在我國能源領(lǐng)域中的發(fā)展前景巨大。

研究資料顯示[9]，壽光市設(shè)施蔬菜種植面積大，每年可產(chǎn)生約蔬菜廢棄物120萬t，其中70%的廢棄物用于生產(chǎn)沼氣、秸稈還田、制作營養(yǎng)土等，仍有30%的廢棄物未得到有效處置，大量生物質(zhì)資源被浪費(fèi)。黃瓜秧和辣椒秸稈等溫室廢棄物被隨意堆放在路邊，每天由環(huán)衛(wèi)部門收集運(yùn)輸至指定場所堆埋，僅有部分廢棄物被小型電廠利用。若能將溫室廢棄物通過燃燒設(shè)備處理并為溫室供熱，將有利于解決當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)廢棄物處置難題，給農(nóng)戶帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 黃瓜秧燃燒供熱可行性分析

黃瓜生產(chǎn)溫室每年會產(chǎn)生大量的黃瓜秧，若能將其作為燃料為黃瓜育苗溫室供熱，將節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用。為驗(yàn)證該方案的可行性，對收集的黃瓜秧進(jìn)行試驗(yàn)分析和供熱量計算。

2.2.1 燃燒試驗(yàn)。將收集的黃瓜秧自然風(fēng)干，粉碎至＜1 mm的粉末狀顆粒，使用全自動工業(yè)分析儀（SDTGA8000），參照《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》（GB/T 28731—2012）對廢棄黃瓜秧進(jìn)行工業(yè)分析。結(jié)果表明，黃瓜秧含水分10.36%、灰分22.90%、揮發(fā)分54.00%、固定碳12.74%（空氣干燥基）。

黃瓜秧的低位熱值計算公式[10]如下：

式中，LHA為低位熱值，下標(biāo)ar表示收到基，F(xiàn)Car為固定碳，Var為揮發(fā)分，Mar為水分，Aar為灰分。

本次黃瓜秧工業(yè)分析原料為自然風(fēng)干的黃瓜秧，其空氣干燥基即為收到基。將工業(yè)分析所得的數(shù)據(jù)代入公式（1），計算得黃瓜秧的低位熱值約為12.39 MJ/kg。

為了解黃瓜秧的燃燒特性，將自然風(fēng)干的黃瓜秧粉碎至＜1 mm的粉末狀顆粒，使用同步熱分析儀（STA，TGA DSC1，Mettler TOLEDO）對樣品進(jìn)行熱重分析。試驗(yàn)之前進(jìn)行1次空白試驗(yàn)，以排除坩堝對試驗(yàn)結(jié)果的影響。稱取黃瓜秧樣品（6.4±0.1）mg，裝樣溫度為50℃，升溫速率為10℃/min，終溫為950℃。反應(yīng)氣為20 mL/min的空氣，以20 mL/min的氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣。試驗(yàn)重復(fù)性良好，黃瓜秧熱重試驗(yàn)中的質(zhì)量剩余及失重速率曲線、熱流曲線分別如圖2、3所示。

圖2 黃瓜秧質(zhì)量剩余及失重速率曲線

由圖2可知，黃瓜秧失重速率曲線有3個失重峰，分別對應(yīng)黃瓜秧燃燒過程的3個階段；第一階段為干燥階段（＜200℃），黃瓜秧在高溫作用下脫去自身的游離水，失重率約為10%；第二階段為脫揮發(fā)分階段（200～280℃），黃瓜秧中的纖維素、半纖維素等分解產(chǎn)生揮發(fā)性氣體和焦炭，該過程的失重率約為53%；第三階段為焦炭的燃燒階段（＞400℃），此時焦炭與氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，失重率約為14%。600℃左右時，黃瓜秧失重速率無明顯變化，說明焦炭燃燒基本結(jié)束。黃瓜秧熱重分析結(jié)果與其他生物質(zhì)燃料的熱重分析結(jié)果[11]相比，具有相似特征，可以推測黃瓜秧具有良好的燃燒特性，為實(shí)現(xiàn)其作為燃料供熱提供了一定的可行性。

圖3 黃瓜秧熱流曲線

2.2.2 燃燒供熱量計算。以燃煤鍋爐供熱為例，1個燃煤鍋爐為4個育苗溫室供熱，輸出功率為230 kW，在供熱季（約120 d）每天供熱10 h。利用公式（2）可以得出整個供熱季溫室所需總熱量（Q1）。

式中，p 為鍋爐功率（kW），t為時間（h）。

經(jīng)過計算可知，總熱量Q1=27.6萬kW·h，大約為99.4萬MJ，每個育苗溫室內(nèi)所需供熱量為24.8 萬 MJ。

以生物質(zhì)鍋爐燃燒供熱為例，1個黃瓜育苗溫室每5 d產(chǎn)出一批苗，可供6～7個面積為1 200 m2的黃瓜生產(chǎn)溫室進(jìn)行種植，每個黃瓜生產(chǎn)溫室內(nèi)種植黃瓜約6 000株。經(jīng)稱量，每株干黃瓜秧的質(zhì)量約為50 g，1個溫室可產(chǎn)生約300 kg的干黃瓜秧。黃瓜育苗溫室在供熱季（約120 d）產(chǎn)出的幼苗可供144～168個黃瓜生產(chǎn)溫室種植（平均值為156個）。一般生物質(zhì)鍋爐的熱效率在80%以上，保守計算取80%。根據(jù)公式（3）可以得出156個黃瓜生產(chǎn)溫室在供熱季產(chǎn)生的黃瓜秧通過生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的總熱量（Q2）。

式中，n為1個黃瓜育苗溫室在整個供熱季對應(yīng)的黃瓜溫室數(shù)量（個），m為1個黃瓜生產(chǎn)溫室產(chǎn)生的干黃瓜秧總重量（kg），q為黃瓜秧的低位熱值（MJ/kg），η為生物質(zhì)鍋爐熱效率（%）。經(jīng)計算可知，總熱量（Q2）為 46.4 萬 MJ。

由此可見，1個育苗溫室匹配的黃瓜生產(chǎn)溫室產(chǎn)生的黃瓜秧，其燃燒產(chǎn)生的熱量約為育苗溫室所需供熱量的2倍。由黃瓜秧試驗(yàn)分析和供熱量計算結(jié)果可知，將黃瓜秧作為燃料為溫室供熱具有可行性。

2.3 生物質(zhì)陰燃供熱設(shè)備方案

相比于煤炭等其他傳統(tǒng)能源，生物質(zhì)中含有較多的鉀、鈉、鈣等元素，這些元素會影響燃燒過程并改變灰分特性[12]。含有堿類物質(zhì)和二氧化硅組分的生物質(zhì)燃燒可形成硅酸鉀，導(dǎo)致傳統(tǒng)生物質(zhì)鍋爐結(jié)垢、結(jié)渣和積灰的燒結(jié)，影響燃燒效率，導(dǎo)致灰肥性失效，不能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[13]。針對上述情況，本項目組提出一種基于固相低溫、氣相高溫的生物質(zhì)陰燃供熱設(shè)備，其原理如圖4所示。

圖4 生物質(zhì)堆積陰燃供熱原理和設(shè)備

2.3.1 設(shè)備原理。陰燃是一種緩慢的燃燒方式[14]，能夠?qū)⑷剂系臒崮芫徛尫懦鰜恚浅＿m合農(nóng)村地區(qū)家庭、溫室大棚等冬季供暖。該設(shè)備基于生物質(zhì)陰燃技術(shù)，避免因鉀、氯化合物逸出導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢結(jié)焦，并利用高溫燃盡煙氣，使排放可以滿足國家相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備運(yùn)行時，將溫室廢棄生物質(zhì)（含水率低于80%）裝填至陰燃室內(nèi)，通過明火引燃，一次裝料可滿足多天的供熱需求。排放出的煙氣經(jīng)過電加熱裝置預(yù)熱后，進(jìn)入高溫?zé)煔馊急M室內(nèi)，使煙氣中的揮發(fā)性有機(jī)物和CO燃盡，煙氣通過換熱器將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水升溫后進(jìn)入溫室供熱，供熱后的冷卻水繼續(xù)進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱，處理后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。

2.3.2 工藝優(yōu)勢。以黃瓜育苗溫室為例，生物質(zhì)堆積陰燃供熱設(shè)備的投資成本約為3萬元。1個育苗溫室匹配的黃瓜生產(chǎn)溫室產(chǎn)生的黃瓜秧足夠育苗溫室供熱季應(yīng)用，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。與當(dāng)?shù)?種典型供熱設(shè)備相比，本設(shè)備的工藝優(yōu)勢在于本設(shè)備采用批式裝料、一次清灰，減少了人工成本；可避免結(jié)焦、結(jié)渣現(xiàn)象，熱效率較高；煙氣排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)，不會造成環(huán)境污染；燃盡后的灰分可作鉀肥使用，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的無公害處理。

應(yīng)用該設(shè)備進(jìn)行溫室供熱，既可緩解當(dāng)?shù)販厥覐U棄生物質(zhì)處置問題，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢棄物的資源化利用，也可給當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 調(diào)研結(jié)果

2021年對壽光市個體農(nóng)戶4個面積為1 200 m2的黃瓜育苗溫室供熱情況進(jìn)行調(diào)查，并對黃瓜秧的燃燒特性和燃燒供熱量進(jìn)行了分析。由此得出：育苗溫室為間歇供熱（僅夜間），自每年11月至翌年3月，典型溫室（1 200 m2）供熱配備功率50 kW。溫室供熱設(shè)備有燃煤、燃?xì)?、電熱鍋爐和空氣源熱泵。由于燃煤成本增加和環(huán)境污染治理力度加大，燃煤鍋爐被逐步停用，燃?xì)忮仩t本身存在較大的安全隱患，在當(dāng)?shù)睾苌賾?yīng)用；空氣源熱泵投資成本很高且供熱情況不穩(wěn)定，因而并未大規(guī)模應(yīng)用；目前應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備是電熱鍋爐，但運(yùn)行費(fèi)用很高、經(jīng)濟(jì)效益低。工業(yè)分析和熱重分析結(jié)果表明，黃瓜秧具有良好的燃燒特性，1個黃瓜育苗溫室匹配的黃瓜生產(chǎn)溫室所產(chǎn)生的黃瓜秧，其燃燒產(chǎn)生的熱量是育苗溫室所需供熱量的2倍；基于上述情況，提出以黃瓜秧為燃料，采用批式堆積方式，應(yīng)用固相低溫、氣相高溫燃燒技術(shù)為黃瓜育苗溫室供熱，兼具經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

3 結(jié)語

在節(jié)能減排政策引導(dǎo)的大背景下，壽光市溫室供熱尚存在一定問題，影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益，而當(dāng)?shù)孛磕戤a(chǎn)生的溫室蔬菜廢棄物也并未得到有效處理。為改善此現(xiàn)狀，需要改善農(nóng)戶獲得清潔能源的成本[15]。當(dāng)?shù)貞?yīng)加大力度支持溫室廢棄物的資源化利用，使大量生物質(zhì)廢棄物滿足溫室生產(chǎn)需求。本文提出的以黃瓜秧為燃料的生物質(zhì)堆積陰燃供熱設(shè)備可以燃燒含水率80%以下的廢棄生物質(zhì)，大大降低了溫室供熱運(yùn)行成本，對于改善壽光市溫室供熱和緩解溫室廢棄物處置問題具有一定的借鑒意義。