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北方地区秸秆捆烧清洁供暖关键技术,入选2021年农业农村部主推技术

时间:2021-07-14 15:08:07 信息来源: 点击:8584次

一、技术概述

(一)技术基本情况

北方地区清洁取暖是习近平总书记2016年亲自部署的6件民生实事之一,目前我国北方农村地区清洁取暖率约31%。北方地区供暖年消耗煤炭约4亿吨标准煤,其中散烧煤约2亿吨标准煤,主要分布在农村地区,颗粒物、SO2、NOx等污染物排放严重,在碳达峰、碳中和的背景下,亟需构建农村清洁供暖体系。我国北方地区秸秆资源丰富,可收集资源量4.15亿吨,占全国资源量61.6%。扣除还田、饲料等利用途径,预测每年北方地区秸秆可能源化利用潜力达到9314万吨,折合0.47亿吨标准煤,可替代北方农村地区60%左右的取暖用能。


长期以来,秸秆一直是北方农村取暖的主要燃料,但传统利用方式效率低、污染物排放高,亟需清洁高效供暖技术替代。秸秆捆烧技术(又称为“秸秆打捆直燃”)是北方农村清洁供暖的有效技术路径,具有成本低、原料适应性强等优点。本项目围绕秸秆打捆、高效燃烧、污染物脱除等关键技术开展攻关,创新研发了秸秆捆烧清洁供暖技术装备,提出了北方农村清洁供暖保障体系,并开展示范应用和产业化推广,推动了农村人居环境改善和农民生活品质提高。


(二)技术示范推广情况

通过搭建秸秆半气化捆烧仿真平台,研发出高效低排放燃烧技术,开展捆烧设备小试、中试,并与企业联合,开发出秸秆捆烧清洁供暖锅炉,建立了示范工程,据第三方检测,锅炉热效率可达85%左右,颗粒物、二氧化硫、氮氧化物分别在30mg/m3、10mg/m3、200 mg/m3以下,与燃煤锅炉相比,减排颗粒物5%、二氧化硫86%、氮氧化物50%,明显优于GB 13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》。该技术已在辽宁、黑龙江、河北、山西、吉林等省开展示范推广应用,建立秸秆捆烧清洁供暖工程259处,供暖面积约725万平方米,保障了农村社区、乡镇机关单位、学校、农业园区等清洁取暖,具有非常好的应用效果。通过画册、挂图及视频等群众喜闻乐见的方式进行宣传,进一步推动了该技术在农村地区的普及和推广。


(三)提质增效情况

降低取暖成本。在辽宁铁岭示范工程实际运行中,供暖面积1万平米,秸秆捆烧供暖的取暖费约18元/m2,煤炭取暖费约24元/m2,比煤炭取暖成本低33%。


减少污染物排放。目前,北方农村地区采暖以散煤为主,年利用量约2亿吨标准煤,污染严重。秸秆中硫含量极低,显著减少了二氧化硫的排放,同时秸秆捆烧供暖技术的二氧化碳排放仅为煤炭供暖的1/10,在农村碳减排、碳中和贡献巨大作用。


增加农民收入。使原本废弃的秸秆资源变成可以买卖的商品,从秸秆的收集、储存和运输等环节,直接和间接农民提供了就业机会,促进农民增收,有效带动了当地社会经济的发展。


促进秸秆综合利用。该技术作为秸秆能源化利用技术之一,在北方地区进行推广应用,杜绝了秸秆随意堆弃和田间焚烧的现象,改善了村容村貌、农户的生活条件,提高了农村居民健康水平,有力促进了秸秆综合利用。


(四)技术获奖情况

未申报科技奖励。


二、技术要点

针对秸秆捆含土量大、燃烧效率低、烟气污染物排放高等瓶颈问题,突破秸秆打捆、高效燃烧、污染物脱除等关键技术,创新研发了秸秆捆烧清洁供暖技术装备,提出了北方农村清洁供暖保障体系。


1. 秸秆除土打捆。针对秸秆收集打捆过程中含水量高、尘土多等问题,提出以振动方式去除秸秆中粘附和夹杂土壤的技术路径,明确了玉米秸秆整株铺放、切碎铺放振动去土的更优 工艺,研制出捡拾机构、翻抛机构、去土机构、输送机构和机架等振动除土捡拾装置,集成秸秆打捆技术,研发出秸秆地表捡拾、输送打捆、振动去土和收集的一体化秸秆打捆设备(图1)。该设备在整株打捆时,振动去土的更优 参数组合为振幅15 mm,振动频率4.5 Hz,振动时长14 s;在切碎秸秆打捆时,振动去土更优 参数组合为振幅20 mm,振动频率4 Hz,振动时长12 s。

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图1振动除土一体化秸秆捡拾打捆设备


2. 秸秆高效捆烧。搭建秸秆半气化捆烧仿真平台,揭示出稳态和非稳态条件下,秸秆捆分层燃烧、焰面递进等传播规律,探明了配风量、烟气温度、秸秆捆密度等因子对秸秆半气化捆烧特性的影响机制。研发层进预混和三室分级捆烧技术(图2),模拟捆烧燃烧室的空气动力场,研发出三次进风与逐层析出的可燃气预混燃烧、多向脉动扩散燃烧技术,强化捆烧过程原料燃烧阶段、挥发分燃烧阶段和秸秆炭燃烧阶段等配风调节和温度调控。创制了配风方式、速率以及结构等多因子协同调控配风机构和三室分级捆烧装置。针对含水率为30%的秸秆捆,燃烧效果较优的工艺参数为初级燃烧室过量空气系数0.8,初级燃烧室温度900°C,三次配风比例1:0.5:0.3。

 

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图2秸秆捆烧多级配风原理图


3. 污染物高效脱除。提出了秸秆捆烧过程氮氧化物源头减控技术工艺,研究了三级精准配风燃烧和燃烧室控温技术,避免了捆烧过程中热应力集中,将燃烧初期形成的NOx还原为N2,实现烟气中NOx排放量减少37.64%。创新提出秸秆捆烧烟气耦合净化工艺,研究颗粒物的负载电荷和粒径分布特性,基于离心力和库伦兹力的作用原理,研发出旋风-高压静电-水膜一体化烟气净化设备(图3),较优的工艺参数为鱼骨针程90°或60°交错排列,相邻的间距80 mm,静电场强度2~3 kV/dm,颗粒物脱除效率提升56%。

 

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图3 旋风-高压静电-水膜一体化烟气净化设备


4.秸秆捆烧供暖。集成捆烧烟气多级换热、自动排渣和智能调控等技术,研制出连续式和序批式两大系列秸秆捆烧供暖锅炉(图4和图5),能够用于集中社区、农业园区、乡镇中小学等区域供暖。经第三方检测,锅炉热效率可达84.6%,颗粒物排放为22 mg/m3,NOX排放133.6 mg/m3,SO2排放<3 mg/m3,林格曼黑度<1级,实现了秸秆高效、低排放的清洁供暖。

 

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图4连续式秸秆捆烧清洁供暖锅炉

 

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图5 序批式秸秆捆烧清洁供暖锅炉


5.保障体系。构建秸秆可持续供应模型,提出了“田间打捆-分区码放-起脊堆垛-安全防控”的秸秆安全存储规范,实现存储站投资减少25%、秸秆供应成本降低4.6%,保障了原料安全存储和稳定低成本供应。研究提出了秸秆能源化利用技术标准化体系,制定了5项标准,促进产业技术的标准化、系列化。


三、适宜区域

北方秸秆资源丰富、农村供暖需求量大的地区,包括北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、陕西、甘肃、宁夏、新疆、青海等14个省以及河南省部分地区。

四、注意事项

秸秆捆存储注意防火、防水等,应设置消防通道;供暖要采用专用捆烧锅炉,配以除尘设备,由专业人员操作使用。应熟练掌握清灰、清渣、保养维修及故障排除等操作方法。


五、技术依托单位 

1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

联系地址:北京市海淀区中关村南大街12号

邮政编码:100081

联系人:赵立欣、姚宗路

联系电话:010-82106785,13811216507

电子邮箱:yaozonglu@caas.cn

2. 农业农村部农业生态与资源保护总站

联系地址:北京市朝阳区麦子店街24号

邮政编码:100125

联系人:李慧斌、任雅薇

联系电话:010-59196390,13811336678

电子邮箱:yaweiren@163.com

3. 吉林大学

联系地址:吉林省长春市人民大街5988号

邮政编码:130022

联系人:付君

联系电话:0431-85095713,13843122197

电子邮箱:fu_jun@jlu.edu.cn


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