农村秸秆燃烧集中供暖系统的设计

孟庆军，赵蒙瑞

（1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.佳木斯市郊区沿江镇政府，黑龙江 佳木斯 154011）

我国是一个农业大国，农村人口占全国总人数的一半以上，而在城市化进程中，农村大量的秸秆被搁置，不仅浪费了土地资源，而且对环境造成的污染也非常严重。随着国家对环保的重视程度的提高和人民生活水平的不断提升，人们越来越关注环境保护问题。为了响应党的“十八大”号召，进一步加强了生态环境建设，这就要求我们要加快转变发展方式，大力推进城乡一体化的步伐；同时，要加大对农村地区的基础性设施的投入力度，改善农民的居住条件，使其不再成为阻碍经济增长的主要因素。在供暖方面，由于集中供热系统的设计比较简单，且成本较低，因此具有很高的实用性。

1 农村秸秆燃烧的背景和现状

1.1 国内外农村秸秆燃烧的研究现状及发展趋势

供暖系统是将室内的热量通过热交换的形式传递到用户的过程中，其目的是为人们提供舒适的居住环境。在我国，由于人口基数大，人均占有资源少，所以对能源的需求也就越来越大，而随着城市的发展以及工业的进步和生活水平的提高等因素，对供暖的要求也就越发地高了。为了满足农村地区的居民对于采暖的基本需要，在城镇化进程不断加快的背景下，国家开始大力地扶持农村的经济建设，尤其是在一些贫困的山区、丘陵的地带、山地等地方，都修建了大量的采热锅炉房，而这些都离不开给排水系统，因此给排热水的管道已经成为整个供热系统的一部分。同时，随着城市化的快速推进，城乡一体化的趋势也日益明显，这使得农村的空余空间被压缩，这就为集中供热的产生创造了条件，并且使其得到进一步的推广与应用[1]。

农村是我国农业生产的主要组成部分，是以粮食为主要经济来源的地区和国家的重要保障。在过去的十几年中，由于人口的不断增加和资源的有限性，农村发展的速度越来越快。尤其在一些大城市，随着城市的快速扩张，大量耕地被征用，土地被破坏，导致土壤的严重退化水土流失，生态环境恶化，对人类健康造成了极大的威胁。另一方面，近年来能源的日益紧缺，使得人们开始思考到如何节约用电、提高用电效率，减少燃煤量，改善环境质量，这也成为当前的一个热点话题。秸秆燃烧，是指将农作物秸秆或薪柴作为燃料，通过热解产生沼气，利用热值较低的余热，将其转化为可燃的气体或者液体，然后再通过管道输送至各供暖系统。

国外的很多国家在很早之前就开始对秸秆进行研究，并且取得了一定的成果和进展。1970年，美国、澳大利亚等发达国家已经成功研制出了一种可燃性的小型燃气锅炉，并将其安装在大型的农用机械中。我国的一些学者也对该课题做了大量的研究工作，他们主要针对的是农村地区的秸秆的燃烧问题，并提出了相应的解决方法。例如：张玉龙等人通过对不同的供暖方式的分析比较，认为应采用低温低压的供暖模式，即在室内设置一个排烟机，使室外的热量能够充分地利用起来，从而达到节约能源的目的；周亮的研究表明，应选用低辐射的热源作为燃料，这样既能减少环境污染，又能提高设备的热效率，而且还可以降低系统的运行费用。目前，国内对于农村的农作物秸秆的燃烧方面的技术还是相对落后，尤其是关于如何有效地处理和回收这些生物质的相关技术的研究不够成熟[2]。

1.2 生物质燃烧的主要特点及技术经济性与优势

生物质燃烧是一种典型的能源利用方式，它具有以下特点：（1）燃烧时产生的热量可以回收，不会造成环境的污染和浪费。（2）在使用过程中，其热效率较高，能有效地对空气进行循环。（3）在对秸秆的处理方面，其成本较低，且容易实现机械化的操作；在对秸秆的焚烧方面，其技术也比较成熟，能更好地将垃圾转化为可燃气体。因此，对于农村的发展来说，采用生物质燃烧技术是非常有必要的：首先，它能够将大量的热能转换为化学能，其次还可提高设备的运行速度，降低了相关的费用支出。此外还可以减少了运输的距离和燃料的消耗量，节约了人力物力。所以说，应用该方法，不仅有利于我国农业的进一步推广，而且也符合国家的节能减排政策。同时还大大地改善了农民居住条件，使人们生活更加舒适。

2 农村秸秆燃烧集中供暖系统的设计

目前，我国农村地区的供暖系统主要以锅炉房为主，而锅炉房的建设是城市的基础设施之一，也是城乡居民生活水平提高的重要保障。随着城市化进程的加快和工业的发展以及人们对环境保护意识的增强等，农村中的环保问题也越来越受到重视。为解决当前农村能源短缺的现状和实现农民增收，本设计采用了太阳能供热系统，其具有以下优点：（1）在没有使用前，可以直接将热能转化为电能，减少了大量的资源浪费；（2）该系统的设计充分考虑到了当地的地理环境，不需要进行大规模的投资；（3）该系统的设计不仅仅要满足于现有的供暖方式，还能根据不同的季节、天气等因素，灵活地改变其运行模式，从而达到节能减排的效果；（4）该系统的设计能够使整个村镇的负荷分布更加均匀，并且能有效地节约有限的电力供应。同时还能在一定程度上减轻市区的热岛效应，改善空气质量。

2.1 农村秸秆燃烧集中供暖系统设计方案

由于我国的供暖方式主要是以集中供热为主，因此在进行系统的设计时，要考虑到不同的地区、不同的季节、不同时间段的需求情况，要根据当地的实际状况来对整个系统的设计方案作出相应的调整和修改。本设计中的供暖系统采用的是单级式的集中式的分布式分体的形式来对其进行设计，该分体的布置是由中央空调配电室，地源热泵房，地源热泵站，排烟塔，排烟风机房，抽气立管等组成。在本次的设计中，为了使该系统能更好地发挥出它的优势和特点，所以本方案的设计也采取了双级分区的形式来划分各个区域的功能与作用。即从最开始的集中制，到现在的分散化，再到集中化的过程[3]。

2.2 生物质燃烧速率的计算

空气中的氧气含量是影响生物质燃烧的重要因素，当温度达到一定值时，气体就会从大气中释放出来，此时由于氧的氧化作用，使生物质的化学能增加，从而使其燃烧。在不同的情况下，对含氧量的要求也有所不同。（1）当含氧量较高时，在相同条件下，对含氧率的需求也会比较高，因此需要在较低的含气率的环境下，提高供暖系统的效率；（2）当含气量较大，且为低碳时，则需降低供暖系统的效率；（3）冬季低温的地区煤的利用率比夏季的煤更高，这时需将热量传递给水，以保持锅炉的热工性能。如果将其能量转换为热能，则可以通过增大炉膛内的容积来实现。同时还可节约燃水，减少排烟污染。所以要想使燃气的热效应与燃气的热化学反应结合起来，必须采用高效的技术手段，才能保证整个系统的运行效果。

3 农村秸秆燃烧集中供暖系统的设计分析

3.1 农村秸秆燃烧集中供暖系统的工艺流程

通过对现有供暖系统的分析和研究，我们可以知道，在农村地区，由于经济条件的限制以及人们的环保意识的淡薄，再加上农民的节约能源的需求量较小，因此采用集中供暖的方式是一种非常好的方法来解决这些问题。在集中供热的过程中，首先要进行预热，然后将预热后的秸秆先经过预热器加热至300℃，再进入到锅炉中，最后再送入集气站。该系统主要由三个部分组成：燃气热水器、集气站和散热器。其中燃气热水器为燃煤发电厂提供的燃料；集气站为空气源的压缩机；热量的收集是由贮存罐的温度控制，并将储存的气体经管道输送到各房间。该系统的特点如下：在整个集中供热的过程中，其工作原理是：先利用汽包的压力差，使蒸汽从低温水箱排出，并向集气管导入除尘管道，使之与贮存的灰水接触，以除去积灰。

3.2 农村秸秆燃烧集中供暖系统的设备

为了保证系统的正常运行，在系统的设计和设备的选型方面都要进行严格的审核和论证。（1）压缩机：在供暖系统中，压缩机是主要的执行机构，它负责将锅炉的燃气压力转变为蒸气，并将其输送到各管网。（2）换热器：换热站的热交换器是用来实现热量的传递、分配的装置；换热站的传热设备有很多，如翅片管、翅片管等。其中翅片管式的优点是传热效率高，缺点就是对周围的环境要求较高，而且对设备的材料也有一定的限制；而翅片式的传冷效果则比较好，但是它的制造难度较大，并且成本较贵，因此一般用于大型的供暖系统。（3）管道：由于本工程的需要采用的是水管，所以选用了水封的材质来满足其工作的需求以及经济性的原则来完成该部分的设计计算[4]。

4 结果与分析

经过以上的统计分析，可以看出，在不同的时间段内，秸秆的燃烧情况并没有表现出明显的差异性。但是在同一时期内，秸秆的燃烧程度却表现出了较大的差别性。这主要是由于以下几个方面的因素造成的：（1）从采样时的温度来看，从采集到的样品中，其产生的热态的热功率最大，而煤的热功最小。因此在这个阶段，应该采取相应的措施对样煤的进行处理。（2）从采样时的环境来说，共发生的热态的热量和碎裂的热量是呈现出负相关的关系；而碎裂的热能则与碎裂的能量呈正方向的正比例的负相关性。所以要对其影响加以控制。（3）从采样后的数据看，其发生的高温、低温以及空气中的水分含量较高，这两种气体会吸收大量的热量从而使其挥发性比较强，导致其挥发分较高。

4.1 能量投入产出

能量的投入方式有两种，一种是直接投入，还有一种是间接的投入．第1种能量的投入形式主要是通过物理的方法进行的转换．（1）机械式的转化：将秸秆从烧结的上方运送到粉碎室，然后经过风的吹扫，筛子的作用下，把秸秆中的水分和灰分分离，再利用风机的风力和动能，将其送入烘干室。（2）热电联产：热电联产就是把热量传给了风机，再由加热炉的下部排出。这种热能的回收与处理，不仅可以节约能源，还能提高效率。

4.2 经济效益

通过以上分析，可知秸秆的综合利用具有较好的经济效益。首先从农作物秸秆的燃烧性能来看，玉米、小麦等作物的燃烧较为剧烈，而这些物质的化学性质均与土壤中的矿物质有关，所以在进行堆肥时，可以将这些有机物充分地分解。其次从微生物的生长特性来说，玉米、花生等的菌类，在发酵过程中会产生大量的废弃物，其中含有的蛋白酶和淀粉酶，对植物的生长发育有着重要的作用。最后，秸秆的堆肥，对于环境的保护也有一定的好处：一是有利于改善空气质量，减少了农药的使用量，二是降低了生产成本，三是提高农民的收入水平，四是促进农业的可持续发展。综上所述，采用经济性的指标对农场的供暖方式的可行性和环保的合理性的评价研究，不仅能为政府提供参考，而且还能为企业带来可观的经济效益[5]。

4.3 温室气体排放

由于秸秆燃烧的温度较高，且秸秆中的碳元素主要是以C6-C7-C6为主，因此在进行烘烤时，会产生少量的烟气，而烟气中的一氧化碳和硫化氢含量相对较多，所以在进行烘烤时，会对大气造成二次污染。同时还会使空气的能见度降低，影响人们的出行和工作。对于温室气体的排放问题，目前国内外专家学者的研究较少，不同地区的气候条件也不尽相同，但是大都采用了以下几种方法：（1）通过对当地的气象资料分析，选择适合该地区的温湿度为最佳的温、发光强度的值；（2）利用风机将室内的风速提高到一定的范围后，再将室外的风力减弱到最小，然后再将室外的风量增加至最大。这样就可以减少二氧化碳的排放量。（3）使用通风设备，使其能够有效地排出废气。如果不能及时处理，就会导致空气污染，从而威胁人的健康；若无法解决，还可采取其他措施。

4.4 供暖负荷对供暖成本的影响

供暖是为了满足人们生活的需要而进行的一项系统工程，在这个过程中，会消耗大量的能源资源，例如：电能、燃气等。在这些电力的使用中，主要是以煤为主要燃料，然后经过一系列的工艺制成的煤粉和燃煤，最后再把煤炭燃烧，产生了的热量用于用户的用电。我国的供暖方式有三种，一种是采用直接采暖，另一种就是通过热源，利用从城市到乡村的取热，第三种即靠自然、水采，还有综合采暖。但是由于不同地区的环境条件的差异性，所以不可能全部都用第一种方法。在实际的生产运行中，我们会发现，如果要达到一定的温度时，就必须采取一些措施，比如提高锅炉的效率来降低单位产品的能耗，这样就可以减少不必要的费用支出。

5 结语

综上所述，目前全国的农村地区的主要供暖方式为燃煤供热和电煤配送。燃煤供应热是指将空气中的灰渣直接燃烧，然后将其化为可利用的电能；电煤配送则是指将煤炭等清洁能源通过锅炉的形式送到用户的手中。秸秆燃烧集中供暖则属于“气生物质”资源的再分配，它可以有效地解决当前的“三农问题”，实现了城乡一体化的目标。由于农村的环境污染严重，农民对环境保护的意识不强，所以要大力推广绿色环保的新型生活燃料，这也有利于改善人们的居住条件。随着国家对新技术的不断开发与应用，以及新的材料、新的设备和工艺的出现使得传统的供暖模式已经不能满足于现在的社会需求，因此在这种背景下，研究一种符合时代要求的节能高效的供热系统就显得尤为必要。