利用太陽能和秸稈生物質能的農村除塵煙囪設計

陳靜雯 呂奇 劉昂 姜宇鑫 翟春妍 王新詞 劉軒辰

摘? ?要：目前，我國廣泛應用各種生物質能進行能源轉換，同時配合不同生物質能還能形成全新的環保技術內容體系，有效應對當前頗為嚴重的工農業生態污染現象問題。本文從生物質能層面展開分析，分別分析了太陽能和秸稈兩種生物質能，希望體現生物質能的有效價值，主要結合多種方法實現對生物質能的轉化優化（例如并燃燒、生物化學法、熱化學法以及物理化學法），進而將其轉化為可利用的二次能源，合理應用于電力生產、燃氣以及成型燃料制作過程中。而像秸稈等則利用燃燒發電技術轉化為生物肥料、肥料灰等等，主要用于涵養土壤、參與退耕還田綠色環保活動，發揮它們的固有價值，最后本文還將結合案例探討它們在農村除塵煙囪設計中的具體技術配合應用流程。

關鍵詞：生物質能? 太陽能? 秸稈? 農村除塵煙囪? 設計方案

中圖分類號：TU834? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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計結果，結合當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超過200年。換言之，人類未來將面臨著無能源可用的尷尬發展局面，所以盡量減少對非可再生能源的使用，而大力發展可再生能源，優化生物質能體系將成為人類持續發展下去的重要出路。

1? 關于生物質能

1.1 生物質能的基本概念

根據國際能源署（International Energy Agency）所給出的定義內容，人類目前正在發展并應用的生物質能可劃分為固體生物質、城市固體廢棄物、木炭、生物液態燃料以及沼氣，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，它們也可轉化為人類可用的常規化固體燃料、氣體燃料以及液體燃料，可取代大規模的常規化石能源并起到同樣的能源供給作用。

1.2 生物質能的基本特征

生物質能作為一種資源它的總量較大、污染較低、分布較廣、可實現大規模存儲運輸、存在易燃特點。在全球范圍內，生物質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能大約在1800億t左右。在我國，生物質能相當豐富，結合我國煤炭、石化能源的使用情況、生物質能資源的轉化情況兩點來看，我國每年的生物質能轉化率大約在7億t左右。這些生物質能可有效應用于國內的工農業生產等各個領域中，例如代替燃煤進行生產，或者代替傳統飼料養殖畜禽等等，總體來說，在我國生物質能具有著相對簡單易取的途徑，理論上可實現多種生物質能的有效循環，理論上不會產生任何溫室氣體。

2? 太陽能與秸稈的應用

太陽能屬于可再生能源，取之不盡用之不竭，而秸稈在我國農業生產中產生數量較大，兩種不同類型的物質都可被作為生物質能發揮自身作用。

在日照條件良好的條件下，可建設生物質能——太陽能互補供熱系統。該系統中太陽能主要負責提供熱量和除塵。供熱是太陽能的“本職工作”，而除塵則具有一定的技術應用特殊性。太陽能供熱過程中可保證生物質顆粒少運行或不運行，而太陽能會將這些存在于空氣中的生物質顆粒經過加熱轉化為太陽能互補供熱系統中采暖的重要且唯一媒介，實現換熱器與蓄熱水箱中水的熱量交換，提高系統的整體供熱循環效率，滿足綠色供熱環境優化需求，同時可確保水質與水量均達到標準。

而農作物秸稈作為比較常見的生物質能它的危險性偏小且易于管理，在20世紀80年代由德國所提出的NOX排放燃料控制分級燃燒技術中就提到了秸稈—煤粉的混燒方案。由于秸稈本身在焚燒揮發率方面可達到至少70%以上，所以它也成為了目前全球生物質能應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用[1]。

3? 基于太陽能與秸稈生物質能的農村除塵煙囪設計方案提出

3.1 傳統農村除塵煙囪使用問題分析

傳統農村煙囪在除塵效果上表現不佳，不但對空氣造成嚴重污染，形成霧霾，同時也浪費了大量的秸稈生物質能資源，客觀講它的除塵效果形同虛設，完全不符合專業環保技術要求。所以當前人們就在思考如何創新設計擁有除塵功能的新型煙囪，有效解決秸稈等生物質能焚燒所帶來的嚴重污染問題。

3.2 基于太陽能與秸稈生物質能的創新煙囪設計方案分析

（1）基本工作原理分析。

農村地區需要對傳統煙囪的內部結構與排煙技術進行創新分析，例如可在煙囪內部結構中配置溫差發電裝置、負離子裝置以及太陽能發電裝置，最大限度利用秸稈這一生物質能的能量對煙囪結構中所產生的微小固體顆粒物進行遏制，減少其排放量，確保實現對農村煙囪的創新設計優化調整（見圖1）。結合新型除塵煙囪的基本工作原理展開分析。

第一，要實現除塵煙囪的減排功能。例如農家在烹飪過程中會產生大量煙氣，煙氣中攜帶大量熱量，所以煙囪內壁與外部自然會存在較大溫差。此時要發揮溫差發電裝置的功能效用，利用電力激活存在于煙囪內壁的負離子發生器，有效實現對粉塵的沉降處理。

第二，要實現除塵煙囪的節能功能。可在煙囪頂層上端位置設置一層太陽能電池板，配合煙囪內壁的溫差發電裝置，利用太陽能為煙囪的負離子除塵裝置提供充足的電能保障。同時剩余電能也足夠農戶日常生活使用。

第三，要保證除塵煙囪的整體承重安全性。在煙囪內壁設計鋁板，配合外壁磚墻設計。主要通過鋁板快速傳遞太陽能供應熱量并設計輔助除塵裝置，而煙囪磚墻則擁有良好的隔熱保溫功能，保護溫差發電裝置，同時實現該裝置與太陽能電池板之間的更好配合，確保整個裝置都具有相對優秀的安全承重能力。

（2）發電性能理論計算。

結合太陽能電池板、除塵煙囪的溫差發電裝置以及秸稈燃燒煙氣溫度（30℃～80℃），需要對該煙囪的發電性能進行理論計算。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部的負離子除塵功能正常運行，同時滿足其用電要求。一般來講，在煙囪產生煙氣過程中，煙囪內外的最低溫差一般都要保持在30℃～35℃左右，此時溫差發電裝置會產生6V的開路電壓，產生大約700mA的發電電流。此時要在煙囪內部設計大約20塊溫差發電裝置電片，并配合一塊升壓模塊提高煙囪內負離子除塵裝置的除塵電力水平[2]。

4? 結語

綜上所述，本文利用太陽能和秸稈生物質能設計了農村除塵煙囪，充分合理發揮了生物質能的各項基本效能，合理利用太陽能電池板實現了對粉塵的有效清除，是針對農村舊式煙囪在功能與結構上的絕對創新。

參考文獻

[1] 喬巨仲.生物質能的利用與發展[J].化工設計通訊，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能的農村除塵煙囪設計[J].中國戰略新興產業，2018 （6X）：16.