秸秆捆包气化解耦燃烧集中供暖技术及应用

李惠斌，张 财，刘昱英男，别如山，李冰峰，孙 勇，王 文，朱 伟，黄冠宇，陈 劼，万显君

(1.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；2.黑龙江省农村能源总站，哈尔滨 150008；3.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；4.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；5.海伦利民节能锅炉制造有限公司，绥化 152300)

1 引 言

在我国双碳目标要求紧迫的形势下[1]，在煤炭供应紧张的情况下，可再生的秸秆成了替代煤炭燃料的一种新能源。黑龙江省农作物种植面积大，秸秆产量多，约占全国秸秆总量的1/8[2]，可收集量达1.1亿吨/年[3]。海北村位于黑龙江省绥化市海伦市海北镇，全村共2 720户，总人口5 935人，下辖两个自然屯，17个村民小组，现有土地面积31 278亩，林地面积1 237亩，机动地面积1 292亩，主要以玉米及大豆作物种植为主，其中玉米种植面积9 678亩、水稻2 400亩、大豆19 200亩，年产秸秆量约18 800 t。海北村原来用一台10 t老式燃煤锅炉为农户供暖，农户取暖支出较大。从抽样调查看，该村农户日常生活能源及其他项目开销主要包括电、液化气、采暖费及垃圾污水处理等费用支出，户均生活用电约1 150°，液化气48 kg，采暖费用为36.2元/平方米，户均冬季采暖费约2 700元，占用能总支出的74%。用能情况详见表1。

表1 海北村农户用能情况抽样调查表

针对北方农村地区无霜期短、供暖期长、煤炭供应紧张及价格偏高的实际情况，如何开展清洁取暖，实现区域采暖煤改秸秆示范，拉动生物质产业化和秸秆能源化利用工作，改善生态和生活环境。在农业农村部农业生态与资源保护总站、哈尔滨工业大学、东北农业大学、黑龙江省农村能源总站支持指导下，2020年7月，海伦市利民节能锅炉制造有限公司在海伦市海北村进行了秸秆捆包气化解耦燃烧集中供暖项目试点工作。依托秸秆捆烧气化解耦燃烧集中供暖技术，提升清洁取暖比重，即可有效解决农村地区冬季取暖问题，也能解决大量秸秆利用难题[4]，还能够有效替代燃煤、缓解能源供应短缺，环境污染问题也得到一定程度上的缓解[5-6]。

海北村针对集中供暖锅炉及其附属设施、厂房场地等进行全面改造，项目总投资约435万。采用秸秆捆包气化解耦燃烧技术(哈工大及海伦利民锅炉两项发明专利技术)，新上一台14 MW捆包生物质锅炉，替代了10 t老式燃煤锅炉，同时，增设秸秆生物质收储场地1处，改造秸秆上料系统，锅炉运行智能监测，电机、风机、除尘器等配套设施一套。项目实施后，全村及所在地镇政府所有企事业单位、街面商服等纳入集中清洁供暖，清洁采暖面积达到23.5万平方米。其中户用住宅采暖面积约为16.5万平米，商服及其他公共设施采暖面积达近7万平米。

图1 14 MW生物质秸杆捆包气化解耦燃烧锅炉

2 技术要求

2.1 技术原理

秸秆捆包气化解耦燃烧技术就是把整包秸秆(200 kg左右)通过输送带分次直接入炉，秸秆整包进入锅炉后，进行炉内破包，该锅炉把炉膛分为气化室和燃烧室，秸秆在缺氧的条件下，气化生成可燃气和半焦进入燃烧室燃烧，从而达到抑制氮氧化物(NOx)排放的目的。燃烧室的半焦物料和气化气，在燃烧室内维持高温燃烧，使燃料充分燃烬[7]。

2.2 技术路线

生物质燃料首先在气化室底部料层进行缺氧燃烧，缺氧燃烧提供的热量完成气化室生物质燃料的热解耦过程，之后，气化室热解产生的还原性气体通过半焦层进入主燃烧室，并在生物质半焦层的催化作用下，使得还原性气体CO、H2、CH4等与NOx经过复杂的反应，将NOx还原成无害的N2，配合分级燃烧，使得可燃气体燃尽，提高燃烧效率。

2.3 指标检测

经检测，该锅炉与传统锅炉相比，性能指标优异：(1)氮氧化物(NOx)排放减少40%～50%，排放浓度低于200 mg/m3；(2)烟尘排放减少，配合布袋除尘，烟尘排放浓度低于30 mg/m3；(3)林格曼黑度小于1；(4)烟尘和氮氧化物(NOx)及二氧化硫(SO2)排放达到国家《生物质锅炉大气污染物排放标准》的要求；(5)锅炉热效率达到86%。所用秸秆捆包气化解耦燃烧生物质锅炉经有关专业部门分别于2020年11月18日和2020年11月16日对能效和排放物进行检测，结果见表2(报告编号：HZJC-HJ-2020-1116-17)。

表2 检测报告

表3 能效测试结果

经过示范运行，改善了区域内大气环境，村民幸福指数提高了，实现了节能减排，环境、社会和经济效益显著的提升。

3 经济性分析

从一个供热期运行情况看，按180天计算；该锅炉每天约消耗84 t秸秆，一个供热期消耗打包秸秆15 000 t，每吨秸秆150元，一个供热期燃料费用225万，加之水(0.1元/平方米)、电(2.5元/平方米、人工(15人×3 000元/月)、设备折旧2万等费用约115.8万，秸秆捆包气化解耦燃烧锅炉集中供暖一个采暖季的运行成本为340.8万元，每平米供暖成本为14.5元/平方米。按原有燃煤锅炉运行成本计算，燃料价格为650元/t，料费用为534.6万元，单位面积供暖成本为27.8元/平方米，年供热成本达653.3万元，相比燃煤锅炉供暖，使用秸秆捆包气化解耦燃烧锅炉具有更好的经济性和市场竞争优势，运行成本降低47.8%，节支金额共312.5万元。

表4 秸秆捆烧气化解耦燃烧锅炉与燃煤锅炉运行成本核算对比表

4 生态性分析

海伦市海北村秸秆捆烧气化解耦燃烧集中供暖项目清洁能源使用率达到89%，一个采暖期利用秸秆1.5万t，替代约7 500 t标煤，相当于减排二氧化碳1.87万t，二氧化硫77.7 t、氮氧化物16.8 t、颗粒物1 134 t，节能减排效果显著。通过实施秸秆捆烧气化解耦燃烧锅炉集中供暖项目，燃烧效率高，污染物排放低。配合布袋除尘器，烟尘、SO2及NOx排放浓度自然达标，配置脱硫、脱硝设备能够实现超低排放，实现清洁供暖替代燃煤，消除了冬季供暖烟气大量排放对区域内大气环境的影响。同时，解决了剩余秸杆出路问题，一个采暖季可消耗区域内秸秆1.5万t，占示范村秸秆总量约70%，彻底解决了农村秸秆随意堆放或露天焚烧对生态环境造成的影响，村镇环境干净整洁。

同时，秸秆捆包供暖产生的灰渣，可作为土壤调理剂或肥料原料还田使用，年产生秸杆炭灰1 480 t，可替代化肥43 t，减排CO2约300 t，有利于改善土壤环境，提升地力，促进区域绿色循环农业的构建发展。

5 社会性分析

农户居民生活品质得到提升，消费节支效果显著。通过对项目收益情况进行了对比分析可以看出，热用户每平米供热费用由36.2元降至32元，减少了农户每年热费开支。农户普遍反映，采暖期供热稳定，供暖温度保持在20 ℃以上，燃煤供暖烟气颗粒物沉降影响周边环境的现象得到有效解决，居民生活品质得到进一步提升。此外，极大促进了秸秆综合利用，带动农业、运输、机械等相关行业发展。如村民户均节省秸杆离田费用2 000余元，秸秆收储运经营者一个秋季收入10余万元，生物质锅炉制造厂家、供热企业效益大幅增长，也为当地财政增加更多的收入，带动地方经济发展的起到重要推动作用。

6 结束语

海伦市海北村应用秸秆捆包气化解耦燃烧技术集中供暖，实现了农村地区清洁取暖，切实改善农村人居环境和节能减排。在秸秆资源丰富、原料易获得，秸秆打包、收储运较便捷的城郊乡镇或中心村开展区域性集中供热的北方农村地区具有广泛的推广应用。目前已在黑龙江省望奎县通江村、绥棱县绥中镇及辽宁、吉林等省市农村地区推广应用，因此具有广阔的应用前景。