農村秸稈燃燒集中供暖系統的設計

孟慶軍，趙蒙瑞

（1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.佳木斯市郊區沿江鎮政府，黑龍江 佳木斯 154011）

我國是一個農業大國，農村人口占全國總人數的一半以上，而在城市化進程中，農村大量的秸稈被擱置，不僅浪費了土地資源，而且對環境造成的污染也非常嚴重。隨著國家對環保的重視程度的提高和人民生活水平的不斷提升，人們越來越關注環境保護問題。為了響應黨的“十八大”號召，進一步加強了生態環境建設，這就要求我們要加快轉變發展方式，大力推進城鄉一體化的步伐；同時，要加大對農村地區的基礎性設施的投入力度，改善農民的居住條件，使其不再成為阻礙經濟增長的主要因素。在供暖方面，由于集中供熱系統的設計比較簡單，且成本較低，因此具有很高的實用性。

1 農村秸稈燃燒的背景和現狀

1.1 國內外農村秸稈燃燒的研究現狀及發展趨勢

供暖系統是將室內的熱量通過熱交換的形式傳遞到用戶的過程中，其目的是為人們提供舒適的居住環境。在我國，由于人口基數大，人均占有資源少，所以對能源的需求也就越來越大，而隨著城市的發展以及工業的進步和生活水平的提高等因素，對供暖的要求也就越發地高了。為了滿足農村地區的居民對于采暖的基本需要，在城鎮化進程不斷加快的背景下，國家開始大力地扶持農村的經濟建設，尤其是在一些貧困的山區、丘陵的地帶、山地等地方，都修建了大量的采熱鍋爐房，而這些都離不開給排水系統，因此給排熱水的管道已經成為整個供熱系統的一部分。同時，隨著城市化的快速推進，城鄉一體化的趨勢也日益明顯，這使得農村的空余空間被壓縮，這就為集中供熱的產生創造了條件，并且使其得到進一步的推廣與應用[1]。

農村是我國農業生產的主要組成部分，是以糧食為主要經濟來源的地區和國家的重要保障。在過去的十幾年中，由于人口的不斷增加和資源的有限性，農村發展的速度越來越快。尤其在一些大城市，隨著城市的快速擴張，大量耕地被征用，土地被破壞，導致土壤的嚴重退化水土流失，生態環境惡化，對人類健康造成了極大的威脅。另一方面，近年來能源的日益緊缺，使得人們開始思考到如何節約用電、提高用電效率，減少燃煤量，改善環境質量，這也成為當前的一個熱點話題。秸稈燃燒，是指將農作物秸稈或薪柴作為燃料，通過熱解產生沼氣，利用熱值較低的余熱，將其轉化為可燃的氣體或者液體，然后再通過管道輸送至各供暖系統。

國外的很多國家在很早之前就開始對秸稈進行研究，并且取得了一定的成果和進展。1970年，美國、澳大利亞等發達國家已經成功研制出了一種可燃性的小型燃氣鍋爐，并將其安裝在大型的農用機械中。我國的一些學者也對該課題做了大量的研究工作，他們主要針對的是農村地區的秸稈的燃燒問題，并提出了相應的解決方法。例如：張玉龍等人通過對不同的供暖方式的分析比較，認為應采用低溫低壓的供暖模式，即在室內設置一個排煙機，使室外的熱量能夠充分地利用起來，從而達到節約能源的目的；周亮的研究表明，應選用低輻射的熱源作為燃料，這樣既能減少環境污染，又能提高設備的熱效率，而且還可以降低系統的運行費用。目前，國內對于農村的農作物秸稈的燃燒方面的技術還是相對落后，尤其是關于如何有效地處理和回收這些生物質的相關技術的研究不夠成熟[2]。

1.2 生物質燃燒的主要特點及技術經濟性與優勢

生物質燃燒是一種典型的能源利用方式，它具有以下特點：（1）燃燒時產生的熱量可以回收，不會造成環境的污染和浪費。（2）在使用過程中，其熱效率較高，能有效地對空氣進行循環。（3）在對秸稈的處理方面，其成本較低，且容易實現機械化的操作；在對秸稈的焚燒方面，其技術也比較成熟，能更好地將垃圾轉化為可燃氣體。因此，對于農村的發展來說，采用生物質燃燒技術是非常有必要的：首先，它能夠將大量的熱能轉換為化學能，其次還可提高設備的運行速度，降低了相關的費用支出。此外還可以減少了運輸的距離和燃料的消耗量，節約了人力物力。所以說，應用該方法，不僅有利于我國農業的進一步推廣，而且也符合國家的節能減排政策。同時還大大地改善了農民居住條件，使人們生活更加舒適。

2 農村秸稈燃燒集中供暖系統的設計

目前，我國農村地區的供暖系統主要以鍋爐房為主，而鍋爐房的建設是城市的基礎設施之一，也是城鄉居民生活水平提高的重要保障。隨著城市化進程的加快和工業的發展以及人們對環境保護意識的增強等，農村中的環保問題也越來越受到重視。為解決當前農村能源短缺的現狀和實現農民增收，本設計采用了太陽能供熱系統，其具有以下優點：（1）在沒有使用前，可以直接將熱能轉化為電能，減少了大量的資源浪費；（2）該系統的設計充分考慮到了當地的地理環境，不需要進行大規模的投資；（3）該系統的設計不僅僅要滿足于現有的供暖方式，還能根據不同的季節、天氣等因素，靈活地改變其運行模式，從而達到節能減排的效果；（4）該系統的設計能夠使整個村鎮的負荷分布更加均勻，并且能有效地節約有限的電力供應。同時還能在一定程度上減輕市區的熱島效應，改善空氣質量。

2.1 農村秸稈燃燒集中供暖系統設計方案

由于我國的供暖方式主要是以集中供熱為主，因此在進行系統的設計時，要考慮到不同的地區、不同的季節、不同時間段的需求情況，要根據當地的實際狀況來對整個系統的設計方案作出相應的調整和修改。本設計中的供暖系統采用的是單級式的集中式的分布式分體的形式來對其進行設計，該分體的布置是由中央空調配電室，地源熱泵房，地源熱泵站，排煙塔，排煙風機房，抽氣立管等組成。在本次的設計中，為了使該系統能更好地發揮出它的優勢和特點，所以本方案的設計也采取了雙級分區的形式來劃分各個區域的功能與作用。即從最開始的集中制，到現在的分散化，再到集中化的過程[3]。

2.2 生物質燃燒速率的計算

空氣中的氧氣含量是影響生物質燃燒的重要因素，當溫度達到一定值時，氣體就會從大氣中釋放出來，此時由于氧的氧化作用，使生物質的化學能增加，從而使其燃燒。在不同的情況下，對含氧量的要求也有所不同。（1）當含氧量較高時，在相同條件下，對含氧率的需求也會比較高，因此需要在較低的含氣率的環境下，提高供暖系統的效率；（2）當含氣量較大，且為低碳時，則需降低供暖系統的效率；（3）冬季低溫的地區煤的利用率比夏季的煤更高，這時需將熱量傳遞給水，以保持鍋爐的熱工性能。如果將其能量轉換為熱能，則可以通過增大爐膛內的容積來實現。同時還可節約燃水，減少排煙污染。所以要想使燃氣的熱效應與燃氣的熱化學反應結合起來，必須采用高效的技術手段，才能保證整個系統的運行效果。

3 農村秸稈燃燒集中供暖系統的設計分析

3.1 農村秸稈燃燒集中供暖系統的工藝流程

通過對現有供暖系統的分析和研究，我們可以知道，在農村地區，由于經濟條件的限制以及人們的環保意識的淡薄，再加上農民的節約能源的需求量較小，因此采用集中供暖的方式是一種非常好的方法來解決這些問題。在集中供熱的過程中，首先要進行預熱，然后將預熱后的秸稈先經過預熱器加熱至300℃，再進入到鍋爐中，最后再送入集氣站。該系統主要由三個部分組成：燃氣熱水器、集氣站和散熱器。其中燃氣熱水器為燃煤發電廠提供的燃料；集氣站為空氣源的壓縮機；熱量的收集是由貯存罐的溫度控制，并將儲存的氣體經管道輸送到各房間。該系統的特點如下：在整個集中供熱的過程中，其工作原理是：先利用汽包的壓力差，使蒸汽從低溫水箱排出，并向集氣管導入除塵管道，使之與貯存的灰水接觸，以除去積灰。

3.2 農村秸稈燃燒集中供暖系統的設備

為了保證系統的正常運行，在系統的設計和設備的選型方面都要進行嚴格的審核和論證。（1）壓縮機：在供暖系統中，壓縮機是主要的執行機構，它負責將鍋爐的燃氣壓力轉變為蒸氣，并將其輸送到各管網。（2）換熱器：換熱站的熱交換器是用來實現熱量的傳遞、分配的裝置；換熱站的傳熱設備有很多，如翅片管、翅片管等。其中翅片管式的優點是傳熱效率高，缺點就是對周圍的環境要求較高，而且對設備的材料也有一定的限制；而翅片式的傳冷效果則比較好，但是它的制造難度較大，并且成本較貴，因此一般用于大型的供暖系統。（3）管道：由于本工程的需要采用的是水管，所以選用了水封的材質來滿足其工作的需求以及經濟性的原則來完成該部分的設計計算[4]。

4 結果與分析

經過以上的統計分析，可以看出，在不同的時間段內，秸稈的燃燒情況并沒有表現出明顯的差異性。但是在同一時期內，秸稈的燃燒程度卻表現出了較大的差別性。這主要是由于以下幾個方面的因素造成的：（1）從采樣時的溫度來看，從采集到的樣品中，其產生的熱態的熱功率最大，而煤的熱功最小。因此在這個階段，應該采取相應的措施對樣煤的進行處理。（2）從采樣時的環境來說，共發生的熱態的熱量和碎裂的熱量是呈現出負相關的關系；而碎裂的熱能則與碎裂的能量呈正方向的正比例的負相關性。所以要對其影響加以控制。（3）從采樣后的數據看，其發生的高溫、低溫以及空氣中的水分含量較高，這兩種氣體會吸收大量的熱量從而使其揮發性比較強，導致其揮發分較高。

4.1 能量投入產出

能量的投入方式有兩種，一種是直接投入，還有一種是間接的投入．第1種能量的投入形式主要是通過物理的方法進行的轉換．（1）機械式的轉化：將秸稈從燒結的上方運送到粉碎室，然后經過風的吹掃，篩子的作用下，把秸稈中的水分和灰分分離，再利用風機的風力和動能，將其送入烘干室。（2）熱電聯產：熱電聯產就是把熱量傳給了風機，再由加熱爐的下部排出。這種熱能的回收與處理，不僅可以節約能源，還能提高效率。

4.2 經濟效益

通過以上分析，可知秸稈的綜合利用具有較好的經濟效益。首先從農作物秸稈的燃燒性能來看，玉米、小麥等作物的燃燒較為劇烈，而這些物質的化學性質均與土壤中的礦物質有關，所以在進行堆肥時，可以將這些有機物充分地分解。其次從微生物的生長特性來說，玉米、花生等的菌類，在發酵過程中會產生大量的廢棄物，其中含有的蛋白酶和淀粉酶，對植物的生長發育有著重要的作用。最后，秸稈的堆肥，對于環境的保護也有一定的好處：一是有利于改善空氣質量，減少了農藥的使用量，二是降低了生產成本，三是提高農民的收入水平，四是促進農業的可持續發展。綜上所述，采用經濟性的指標對農場的供暖方式的可行性和環保的合理性的評價研究，不僅能為政府提供參考，而且還能為企業帶來可觀的經濟效益[5]。

4.3 溫室氣體排放

由于秸稈燃燒的溫度較高，且秸稈中的碳元素主要是以C6-C7-C6為主，因此在進行烘烤時，會產生少量的煙氣，而煙氣中的一氧化碳和硫化氫含量相對較多，所以在進行烘烤時，會對大氣造成二次污染。同時還會使空氣的能見度降低，影響人們的出行和工作。對于溫室氣體的排放問題，目前國內外專家學者的研究較少，不同地區的氣候條件也不盡相同，但是大都采用了以下幾種方法：（1）通過對當地的氣象資料分析，選擇適合該地區的溫濕度為最佳的溫、發光強度的值；（2）利用風機將室內的風速提高到一定的范圍后，再將室外的風力減弱到最小，然后再將室外的風量增加至最大。這樣就可以減少二氧化碳的排放量。（3）使用通風設備，使其能夠有效地排出廢氣。如果不能及時處理，就會導致空氣污染，從而威脅人的健康；若無法解決，還可采取其他措施。

4.4 供暖負荷對供暖成本的影響

供暖是為了滿足人們生活的需要而進行的一項系統工程，在這個過程中，會消耗大量的能源資源，例如：電能、燃氣等。在這些電力的使用中，主要是以煤為主要燃料，然后經過一系列的工藝制成的煤粉和燃煤，最后再把煤炭燃燒，產生了的熱量用于用戶的用電。我國的供暖方式有三種，一種是采用直接采暖，另一種就是通過熱源，利用從城市到鄉村的取熱，第三種即靠自然、水采，還有綜合采暖。但是由于不同地區的環境條件的差異性，所以不可能全部都用第一種方法。在實際的生產運行中，我們會發現，如果要達到一定的溫度時，就必須采取一些措施，比如提高鍋爐的效率來降低單位產品的能耗，這樣就可以減少不必要的費用支出。

5 結語

綜上所述，目前全國的農村地區的主要供暖方式為燃煤供熱和電煤配送。燃煤供應熱是指將空氣中的灰渣直接燃燒，然后將其化為可利用的電能；電煤配送則是指將煤炭等清潔能源通過鍋爐的形式送到用戶的手中。秸稈燃燒集中供暖則屬于“氣生物質”資源的再分配，它可以有效地解決當前的“三農問題”，實現了城鄉一體化的目標。由于農村的環境污染嚴重，農民對環境保護的意識不強，所以要大力推廣綠色環保的新型生活燃料，這也有利于改善人們的居住條件。隨著國家對新技術的不斷開發與應用，以及新的材料、新的設備和工藝的出現使得傳統的供暖模式已經不能滿足于現在的社會需求，因此在這種背景下，研究一種符合時代要求的節能高效的供熱系統就顯得尤為必要。