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    北方地區秸稈捆燒清潔供暖關鍵技術,入選2021年農業農村部主推技術

    時間:2021-07-14 15:08:07 信息來源: 點擊:34380次

    一、技術概述

    (一)技術基本情況

    北方地區清潔取暖是習近平總書記2016年親自部署的6件民生實事之一,目前我國北方農村地區清潔取暖率約31%。北方地區供暖年消耗煤炭約4億噸標準煤,其中散燒煤約2億噸標準煤,主要分布在農村地區,顆粒物、SO2、NOx等污染物排放嚴重,在碳達峰、碳中和的背景下,亟需構建農村清潔供暖體系。我國北方地區秸稈資源豐富,可收集資源量4.15億噸,占全國資源量61.6%??鄢€田、飼料等利用途徑,預測每年北方地區秸稈可能源化利用潛力達到9314萬噸,折合0.47億噸標準煤,可替代北方農村地區60%左右的取暖用能。


    長期以來,秸稈一直是北方農村取暖的主要燃料,但傳統利用方式效率低、污染物排放高,亟需清潔高效供暖技術替代。秸稈捆燒技術(又稱為“秸稈打捆直燃”)是北方農村清潔供暖的有效技術路徑,具有成本低、原料適應性強等優點。本項目圍繞秸稈打捆、高效燃燒、污染物脫除等關鍵技術開展攻關,創新研發了秸稈捆燒清潔供暖技術裝備,提出了北方農村清潔供暖保障體系,并開展示范應用和產業化推廣,推動了農村人居環境改善和農民生活品質提高。


    (二)技術示范推廣情況

    通過搭建秸稈半氣化捆燒仿真平臺,研發出高效低排放燃燒技術,開展捆燒設備小試、中試,并與企業聯合,開發出秸稈捆燒清潔供暖鍋爐,建立了示范工程,據第三方檢測,鍋爐熱效率可達85%左右,顆粒物、二氧化硫、氮氧化物分別在30mg/m3、10mg/m3、200 mg/m3以下,與燃煤鍋爐相比,減排顆粒物5%、二氧化硫86%、氮氧化物50%,明顯優于GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》。該技術已在遼寧、黑龍江、河北、山西、吉林等省開展示范推廣應用,建立秸稈捆燒清潔供暖工程259處,供暖面積約725萬平方米,保障了農村社區、鄉鎮機關單位、學校、農業園區等清潔取暖,具有非常好的應用效果。通過畫冊、掛圖及視頻等群眾喜聞樂見的方式進行宣傳,進一步推動了該技術在農村地區的普及和推廣。


    (三)提質增效情況

    降低取暖成本。在遼寧鐵嶺示范工程實際運行中,供暖面積1萬平米,秸稈捆燒供暖的取暖費約18元/m2,煤炭取暖費約24元/m2,比煤炭取暖成本低33%。


    減少污染物排放。目前,北方農村地區采暖以散煤為主,年利用量約2億噸標準煤,污染嚴重。秸稈中硫含量極低,顯著減少了二氧化硫的排放,同時秸稈捆燒供暖技術的二氧化碳排放僅為煤炭供暖的1/10,在農村碳減排、碳中和貢獻巨大作用。


    增加農民收入。使原本廢棄的秸稈資源變成可以買賣的商品,從秸稈的收集、儲存和運輸等環節,直接和間接農民提供了就業機會,促進農民增收,有效帶動了當地社會經濟的發展。


    促進秸稈綜合利用。該技術作為秸稈能源化利用技術之一,在北方地區進行推廣應用,杜絕了秸稈隨意堆棄和田間焚燒的現象,改善了村容村貌、農戶的生活條件,提高了農村居民健康水平,有力促進了秸稈綜合利用。


    (四)技術獲獎情況

    未申報科技獎勵。


    二、技術要點

    針對秸稈捆含土量大、燃燒效率低、煙氣污染物排放高等瓶頸問題,突破秸稈打捆、高效燃燒、污染物脫除等關鍵技術,創新研發了秸稈捆燒清潔供暖技術裝備,提出了北方農村清潔供暖保障體系。


    1. 秸稈除土打捆。針對秸稈收集打捆過程中含水量高、塵土多等問題,提出以振動方式去除秸稈中粘附和夾雜土壤的技術路徑,明確了玉米秸稈整株鋪放、切碎鋪放振動去土的最優工藝,研制出撿拾機構、翻拋機構、去土機構、輸送機構和機架等振動除土撿拾裝置,集成秸稈打捆技術,研發出秸稈地表撿拾、輸送打捆、振動去土和收集的一體化秸稈打捆設備(圖1)。該設備在整株打捆時,振動去土的最優參數組合為振幅15 mm,振動頻率4.5 Hz,振動時長14 s;在切碎秸稈打捆時,振動去土最優參數組合為振幅20 mm,振動頻率4 Hz,振動時長12 s。

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    圖1振動除土一體化秸稈撿拾打捆設備


    2. 秸稈高效捆燒。搭建秸稈半氣化捆燒仿真平臺,揭示出穩態和非穩態條件下,秸稈捆分層燃燒、焰面遞進等傳播規律,探明了配風量、煙氣溫度、秸稈捆密度等因子對秸稈半氣化捆燒特性的影響機制。研發層進預混和三室分級捆燒技術(圖2),模擬捆燒燃燒室的空氣動力場,研發出三次進風與逐層析出的可燃氣預混燃燒、多向脈動擴散燃燒技術,強化捆燒過程原料燃燒階段、揮發分燃燒階段和秸稈炭燃燒階段等配風調節和溫度調控。創制了配風方式、速率以及結構等多因子協同調控配風機構和三室分級捆燒裝置。針對含水率為30%的秸稈捆,燃燒效果較優的工藝參數為初級燃燒室過量空氣系數0.8,初級燃燒室溫度900°C,三次配風比例1:0.5:0.3。

     

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    圖2秸稈捆燒多級配風原理圖


    3. 污染物高效脫除。提出了秸稈捆燒過程氮氧化物源頭減控技術工藝,研究了三級精準配風燃燒和燃燒室控溫技術,避免了捆燒過程中熱應力集中,將燃燒初期形成的NOx還原為N2,實現煙氣中NOx排放量減少37.64%。創新提出秸稈捆燒煙氣耦合凈化工藝,研究顆粒物的負載電荷和粒徑分布特性,基于離心力和庫倫茲力的作用原理,研發出旋風-高壓靜電-水膜一體化煙氣凈化設備(圖3),較優的工藝參數為魚骨針程90°或60°交錯排列,相鄰的間距80 mm,靜電場強度2~3 kV/dm,顆粒物脫除效率提升56%。

     

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    圖3 旋風-高壓靜電-水膜一體化煙氣凈化設備


    4.秸稈捆燒供暖。集成捆燒煙氣多級換熱、自動排渣和智能調控等技術,研制出連續式和序批式兩大系列秸稈捆燒供暖鍋爐(圖4和圖5),能夠用于集中社區、農業園區、鄉鎮中小學等區域供暖。經第三方檢測,鍋爐熱效率可達84.6%,顆粒物排放為22 mg/m3,NOX排放133.6 mg/m3,SO2排放<3 mg/m3,林格曼黑度<1級,實現了秸稈高效、低排放的清潔供暖。

     

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    圖4連續式秸稈捆燒清潔供暖鍋爐

     

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    圖5 序批式秸稈捆燒清潔供暖鍋爐


    5.保障體系。構建秸稈可持續供應模型,提出了“田間打捆-分區碼放-起脊堆垛-安全防控”的秸稈安全存儲規范,實現存儲站投資減少25%、秸稈供應成本降低4.6%,保障了原料安全存儲和穩定低成本供應。研究提出了秸稈能源化利用技術標準化體系,制定了5項標準,促進產業技術的標準化、系列化。


    三、適宜區域

    北方秸稈資源豐富、農村供暖需求量大的地區,包括北京、天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、陜西、甘肅、寧夏、新疆、青海等14個省以及河南省部分地區。

    四、注意事項

    秸稈捆存儲注意防火、防水等,應設置消防通道;供暖要采用專用捆燒鍋爐,配以除塵設備,由專業人員操作使用。應熟練掌握清灰、清渣、保養維修及故障排除等操作方法。


    五、技術依托單位 

    1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所

    聯系地址:北京市海淀區中關村南大街12號

    郵政編碼:100081

    聯系人:趙立欣、姚宗路

    聯系電話:010-82106785,13811216507

    電子郵箱:yaozonglu@caas.cn

    2. 農業農村部農業生態與資源保護總站

    聯系地址:北京市朝陽區麥子店街24號

    郵政編碼:100125

    聯系人:李慧斌、任雅薇

    聯系電話:010-59196390,13811336678

    電子郵箱:yaweiren@163.com

    3. 吉林大學

    聯系地址:吉林省長春市人民大街5988號

    郵政編碼:130022

    聯系人:付君

    聯系電話:0431-85095713,13843122197

    電子郵箱:fu_jun@jlu.edu.cn


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