一種新型車載式秸稈焚燒發電裝置的內部結構及工作原理分析

徐克錚，呂雙羽，王維辰，王承陽

（東北大學，遼寧 沈陽 110819）

焚燒秸稈是農民一直采用的秸稈處理方式，但是直接焚燒不僅會造成嚴重的空氣污染，產生巨大的環境負荷，而且容易釀成火災，造成不可估量的經濟損失。

用最小代價將秸稈進行處理并產生能量符合可持續發展的基本要求，滿足能源結構調整政策的需要。自2021 年1月1 日起實行的綠色電力證書交易，企業通過綠證交易獲得收入相應替代財政補貼，對不成熟的生物質發電技術是巨大的政策支持[1]。充分利用好國家的優惠政策，從源頭解決秸稈焚燒問題，是解決秸稈問題的重要一環。隨著環境保護法的出臺以及普通民眾對于環境要求的提高，一種高能效、低污染的新型秸稈處理方式亟待發明。

1 目前處理秸稈的措施

目前，秸稈的處理方式主要有秸稈堆肥發酵和生物質熱解氣化、直接焚燒等。但堆肥發酵會改變土壤溫度，殺滅土壤微生物；生物質熱解氣化在經濟上還無法達到產生收益的程度，直接焚燒污染空氣環境。因此，可以另辟蹊徑，在秸稈產生的源頭對秸稈進行處理并對產物還田，實現對秸稈的就地處理。

目前，秸稈的焚燒大多利用固定式焚燒裝置，但固定式裝置存在收集和運輸成本過高等缺點。為滿足秸稈等生物質的燃燒，還需要較高的設備改造成本，只能在產出秸稈的短時間內運行發電等。因此，目前固定式焚燒裝置雖已投入使用，但效果并不理想。

車載式雖然有良好的前景，但只存在概念且不完善。因此，提出車載秸稈焚燒發電裝置的概念并加以完善，對日后徹底解決秸稈焚燒產生污染的問題有重要意義。

2 裝置的特色

車載式秸稈焚燒發電裝置（見圖1）是有效處理秸稈的方式之一。裝置通過焚燒秸稈產生熱量推動工質做功從而進行發電。車載秸稈焚燒裝置優點如下：首先，能解決由秸稈露天焚燒而導致的森林和農田火災，避免煙氣排放影響民航機場、鐵路、高速公路交通運營的問題，并且能大幅降低煙氣排放，減少有毒氣體對人的侵害。其次，該裝置能基本實現全過程自動化，具有良好的移動性。目前，通過對固定式車載式熱解裝置和移動式車載式熱解裝置進行比較，發現運輸和儲存因素對效益的影響最大，車載式熱解裝置能夠降低原料的運輸距離，從而降低運輸成本。同時，車載式熱解裝置還在環保效益上超過固定式[2]。類比在車載式秸稈焚燒發電裝置上，車載式裝置能對大面積秸稈田進行就地處理，解決秸稈高運輸和儲存成本的問題，實用性強，能夠產生一定的經濟效益。再次，通過秸稈爐內焚燒的方式能將生物質能轉化為熱能，最后轉化為電能，避免了由于露天焚燒造成的能量浪費。最后，焚燒后所產生的草木灰可以均勻播撒到田里，使之得以充分利用。

圖1 車載式秸稈焚燒發電裝置Fig.1 The vehicle mounted straw incineration power generation device

3 具體物質在系統中的流動過程分析

秸稈：秸稈粉碎機→焚燒爐→排風機→低位排放煙道對農田直排，堆積的草木灰由灰渣排放口均勻播撒到田里。（煙氣由燃燒產物和草木灰組成，在農田中草木灰屬于農家肥，不屬于污染物）。

助燃空氣：鼓風機→焚燒爐→排風機→低位排放煙道。

主要能量：秸稈→低沸點工質→低沸點工質汽輪機轉子→發電機→蓄電池充電管理裝置→蓄電池、裝置自用電。

部分能量：尾部煙道→秸稈。

工質：在焚燒爐中吸熱成為過熱蒸汽→汽輪機做功→空氣冷卻式凝汽器→工質泵→回到焚燒爐。

自用電包括鼓風機、排風機、秸稈粉碎機、工質泵、電子系統、車輛行駛。

4 秸稈的預處理

2015 年我國主要農作物秸稈年產量超過9×108t，位居世界第一位。其中小麥、玉米、水稻秸稈占比超過85%[3]。通過對不同種類的秸稈進行收集和粉碎，完成秸稈的預處理，不僅能夠更好地將秸稈中的生物質能轉化為高品位的能量，還能夠加快后續燃燒速度，提高整體秸稈處理速度。

通過機械粉碎研磨，將木質纖維切割成合適的尺寸，降低纖維素的結晶度[4]。選擇不同尺寸、可拆卸的硬質或軟質的拔禾輪和切割器，來對不同種類的秸稈進行切割。秸稈粉碎程度的不同影響之后的焚燒過程，所以需要選擇適合鍋爐的秸稈尺寸。

粉碎后的秸稈通過密閉的傳送帶傳送至鍋爐內，避免粉碎后的小而輕的秸稈被吹飛，從而避免產生秸稈碎屑阻礙視線及空氣污染問題。

5 秸稈燃燒部分

車載式秸稈焚燒發電裝置主要目的是為了解決秸稈露天焚燒帶來的環境污染問題，同時發電并儲存電力。因此，在裝置使用的初期，對生物質轉化為電能的轉化率要求較低或生物質轉化為電能的需要較小。隨著裝置的不斷完善和技術的不斷成熟，在能量轉化效率上會不斷提升。

對秸稈進行燃燒處理的部分由鍋爐、泵、鼓風機、排風機、熱泵、低沸點工質容器組成。

考慮到車載鍋爐的體積和啟動時間的問題，車載鍋爐采用小型的增壓燃燒鍋爐。首先，車載裝置的體積本身有限，再加上電池倉等裝置所占一定的空間，導致選取的車載鍋爐體積更加有限。而增壓鍋爐的燃燒效率及傳熱強度大于一般鍋爐，爐膛容積熱負荷高，使得容積大大減小，控制了鍋爐的尺寸，從而節約空間，節省鋼材，降低成本。其次，由于裝置工作時時常間斷，需要啟動時間較短的鍋爐。而增壓鍋爐尺寸小使得蓄熱能力較低，運轉的機動性好[5]。增壓鍋爐通過增壓使傳熱面積減少，兩者共同作用降低了啟動時間，滿足了田間秸稈焚燒對啟動時間的要求。

由于含有除塵裝置，所以采用機械通風。考慮到由于秸稈持續輸入并燃燒所需空氣量大，以及所需鍋爐安全系數高的要求，所以采用機械通風中的平衡通風。

將秸稈分成不同段進行熱值分析，能夠確定整根秸稈中能量較高的部分。

取長2.2 m 的秸稈樣本從秸稈頂部每隔0.55 m 在秸稈對應位置將其截斷，秸稈從頂部到底部被分為5 部分依次記為1、2、3、4、5。分別將5 部分粉碎成相同大小的顆粒并根據相關國家標準測量換算對應的理論熱值[6-7]，不同秸稈理論熱值，見表1。

表1 不同秸稈理論熱值Tab.1 The theoretical calorific value of different straw

由圖2 可見，秸稈靠近頂部的熱值較高更適合燃燒。考慮收割裝置的限制，取秸稈從頂部開始前4 部分熱值的平均值得14.471 75 MJ/kg。

圖2 秸稈不同部位熱值變化圖Fig.2 The variation of calorific value of different parts of straw

中國煤炭分類按煤的熱值高低，將所有煤的種類分為六級[8]（見表2），實際煤的熱值受諸多實際情況的影響，這里取相關國家標準下不同種類煤的熱值與秸稈燃燒的熱值進行對比，發現秸稈的熱值處于中低熱值煤的范圍內。而目前常見的用于燃燒發電的褐煤、煙煤、無煙煤的發熱量一般處于中熱值煤及以上的范圍[7]。

表2 不同煤炭熱值Tab.2 The calorific value of different coals

分析不同部分的秸稈熱值折線圖并與燃煤的熱值作比較，可以得出到秸稈的熱值有限，所以可以根據實際情況選擇利用率相對高的部分進行燃燒發電，而利用率較低的部分舍棄。

借鑒地熱發電系統中采用低沸點工質推動汽輪機做功的方法，將其應用于秸稈焚燒裝置。由于秸稈燃燒產生的溫度不高，屬于中低溫熱能，可以循環利用低沸點工質進行發電[9]。低沸點工質在同等沸點溫度下具有比常規工質更高的壓力。根據沸點有機工質的這種特點，就可以利用秸稈在鍋爐中焚燒產生的熱量來加熱低沸點工質，利用低沸工質充分吸收秸稈焚燒而產生的低品位熱能，使他產生具有較高壓力的蒸汽來推動汽輪機做功，帶動發電機發電。同時，低沸點工質的?效率比水蒸氣的?效率高，減少了由低品位生物質能向高品位電能轉化過程中損失的能量[10]，所以采用緊湊型低沸點工質參與循環提高了低品位熱能的利用率，解決了秸稈熱值低的問題。同時，低沸點工質容器可以很方便地更換工質，甚至可以充分利用不同工質的不同優點，將不同工質進行混合。這樣面對不同的農作物秸稈，可以根據其不同的發熱情況選擇效果最好的工質。

6 電力產生與儲存部分

電力產生與存儲部分包括汽輪機、發電機、變壓整流器、電池艙。

由于車載裝置空間有限，所以汽輪機采用小型汽輪機；由于參與循環的工質為低沸點工質，所以為滿足要求，需開發專用低沸點工質汽輪機。低沸點工質相較于水蒸氣有等熵焓降小等特點，決定了工質汽輪機的相對內效率高于以水蒸氣為工質的汽輪機。同時，相同條件下的工質汽輪機在尺寸上要小于水蒸氣為工質的汽輪機，但極限功率卻更大[10]。雖然前期汽輪機所投入的研發制造成本較高，但在空間大小、工質和能量的傳遞上與車載式秸稈焚燒發電裝置更為契合。

發電機產生的電能輸入到變壓整流器中進行處理，生成穩定的直流電，對整車進行供電，產生的多余電量可存入電池艙中。

7 煙、灰處理部分

煙、灰處理部分包括除塵器、尾部煙道熱交換裝置、灰渣排放口、低位排放煙道。

秸稈等生物質燃燒產生的煙氣與煤炭燃燒產生的煙氣相比存在很大區別。生物質燃燒產生的煙氣顆粒90%處于直徑0.5～2.5 μm[11]。靜電除塵器有效捕集粒徑處于0.01～100 μm，相較于其他除塵器，更能滿足所需處理的煙氣的要求。因此，通過在尾部設置靜電除塵器，對秸稈燃燒產生的煙氣進行除塵。考慮到裝置容納的體積的局限性，除塵器采用節省占地面積的小型靜電除塵器。雖然相較于其他除塵器，小型靜電除塵器前期投資和維護成本較高，但有效捕集粒徑更小，凈化效率更高，更適合裝配在為解決秸稈燃燒問題而研制的裝置中。除塵后的煙氣經低位排放煙道對農田直排。

秸稈燃燒產物灰渣的主要成分為草木灰，通過灰渣排放口均勻播撒到田里，使之成為肥料。灰渣里大量元素中的K、P 元素總含量超過13%；中量元素中的Ca、Mg 總含量超過13%；微量元素中的Fe、Zn、Mn 總含量超過7%。在產生的灰渣中，營養元素和有益元素總含量超過73%，且具有良好的水溶性和枸溶性，具有良好的肥料效應[12]。同時，土壤孔隙度隨著灰渣施用量的增加而增大。孔隙良好的土壤能滿足作物對水分和空氣的需求，改善土壤物理性能[13]。秸稈燃燒后產生的灰渣被撒入田中，不再進入裝置系統，降低了被視為廢棄物的灰渣的處理成本。

8 控制裝備

設置智能控制系統解決秸稈原料變化、工作環境變化等條件下機組工況優化的問題。

智能控制系統包括可以擺放多個電池的電池艙、變壓整流設備和中央控制單元。中央控制單元檢測電池艙內的所有電池，指示燈和控制面板報告電池艙內的電量情況，組織對缺電電池充電。控制面板可以控制電池同時充電，當需要充電的電池過多時也可以有選擇地充電。

通過建立各個部分協調機制，讓各部分的智能優化控制與整體的智能優化控制相關聯，從而提高整體控制系統的全局性能[14]。在中央控制單元的控制下，使得電池艙、變壓整流設備等各部分協調運行，從而適應工況的變化。

9 車輛移動

考慮工作環境及運輸等條件，選擇履帶式或多軸輪式車輛。

履帶式車輛對地面的附著力強，在田間的通過性較好，能夠在不利的氣候和地面條件下平穩行駛[15]，但履帶式車輛需要運輸車，調用運輸車不夠便捷，同時也增加了成本投入。

輪式車輛機動性相較于履帶式車輛更好，能夠高速遠距離自行轉場，且多軸輪式車輛能夠提高對地面的附著力，但外部的行駛阻力相較于履帶式車輛要大許多，需要增大輪胎直徑來降低行駛阻力[16]。

車輛的行駛可以采用自帶的動力，最好能夠將電池艙的電能轉化為驅動所需能量。最高行駛速度不必很大（功率可以小，借鑒自行式農機如收割機等的動力系統）。

10 結語

本文給出了一種結構相對完整的、能夠在解決秸稈焚燒問題的同時，最大限度地利用秸稈中生物質能的一種裝置。通過對裝置各部分的組成及物質能量流動進行研究，從而盡可能地回收利用秸稈的生物質能，并使之轉換為品位較高的電能，同時讓其更加適合在環境情況不明的田間進行工作。文中給出的車載式秸稈焚燒發電裝置填補了市場上在秸稈處理裝置方面的空白，為今后秸稈的焚燒處理提供了新的思路。