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，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，下轄兩個自然屯，17個村民小組，現(xiàn)有土地面積31 278畝，林地面積1 237畝，機動地面積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目開銷主要包括電、液化氣、采暖費及垃圾污水處理等費用支出，戶均生活用電約1 150°，液化氣48 kg，采暖費用為36.2元/平方米，戶均冬季采暖費約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)緊張及價格偏高的實際情況，如何開展清潔取暖，實現(xiàn)區(qū)域采暖煤改秸稈示范，拉動生物質(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行了秸稈捆包氣化解耦燃燒集中供暖項目試點工作。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]。

海北村針對集中供暖鍋爐及其附屬設(shè)施、廠房場地等進行全面改造，項目總投資約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發(fā)明專利技術(shù))，新上一臺14 MW捆包生物質(zhì)鍋爐，替代了10 t老式燃煤鍋爐，同時，增設(shè)秸稈生物質(zhì)收儲場地1處，改造秸稈上料系統(tǒng)，鍋爐運行智能監(jiān)測，電機、風(fēng)機、除塵器等配套設(shè)施一套。項目實施后，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，秸稈整包進入鍋爐后，進行爐內(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入燃燒室燃燒，從而達到抑制氮氧化物(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日對能效和排放物進行檢測，結(jié)果見表2(報告編號：HZJC-HJ-2020-1116-17)。

表2 檢測報告

表3 能效測試結(jié)果

經(jīng)過示范運行，改善了區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境，村民幸福指數(shù)提高了，實現(xiàn)了節(jié)能減排，環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益顯著的提升。

3 經(jīng)濟性分析

從一個供熱期運行情況看，按180天計算；該鍋爐每天約消耗84 t秸稈，一個供熱期消耗打包秸稈15 000 t，每噸秸稈150元，一個供熱期燃料費用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2萬等費用約115.8萬，秸稈捆包氣化解耦燃燒鍋爐集中供暖一個采暖季的運行成本為340.8萬元，每平米供暖成本為14.5元/平方米。按原有燃煤鍋爐運行成本計算，燃料價格為650元/t，料費用為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)濟性和市場競爭優(yōu)勢，運行成本降低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行成本核算對比表

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目清潔能源使用率達到89%，一個采暖期利用秸稈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。通過實施秸稈捆燒氣化解耦燃燒鍋爐集中供暖項目，燃燒效率高，污染物排放低。配合布袋除塵器，煙塵、SO2及NOx排放濃度自然達標(biāo)，配置脫硫、脫硝設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放，實現(xiàn)清潔供暖替代燃煤，消除了冬季供暖煙氣大量排放對區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境的影響。同時，解決了剩余秸桿出路問題，一個采暖季可消耗區(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生態(tài)環(huán)境造成的影響，村鎮(zhèn)環(huán)境干凈整潔。

同時，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，促進區(qū)域綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)的構(gòu)建發(fā)展。

5 社會性分析

農(nóng)戶居民生活品質(zhì)得到提升，消費節(jié)支效果顯著。通過對項目收益情況進行了對比分析可以看出，熱用戶每平米供熱費用由36.2元降至32元，減少了農(nóng)戶每年熱費開支。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)得到進一步提升。此外，極大促進了秸稈綜合利用，帶動農(nóng)業(yè)、運輸、機械等相關(guān)行業(yè)發(fā)展。如村民戶均節(jié)省秸桿離田費用2 000余元，秸稈收儲運經(jīng)營者一個秋季收入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)刎斦黾痈嗟氖杖耄瑤拥胤浇?jīng)濟發(fā)展的起到重要推動作用。

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，實現(xiàn)了農(nóng)村地區(qū)清潔取暖，切實改善農(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、收儲運較便捷的城郊鄉(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。