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具有自动送料功能的秸秆压块燃料户用采暖装备

具有自动送料功能的秸秆压块燃料户用采暖装备一、项目简介在教育部科学技术研究重点项目和河北省科技支撑计划项目的资助下，河北工业大学能源与环境工程学院（暨天津市建筑供能技术工程中心）基于对北方农作物秸秆燃料燃烧特性的研究，开发了具有自动送料功能的秸秆压块燃料户用采暖装备。农作物秸秆的燃烧特性与燃煤显著不同，秸秆燃料的挥发分含量高达70%，固定碳含量仅有15%左右，灰分含量低于10%。秸秆燃烧放热集中于挥发分的气相燃烧过程，而燃煤以固定碳固相燃烧放热为主，因此，套用燃煤炉结构（尤其是配风方面）来设计秸秆压块采暖炉是不可行的。秸秆燃料灰熔点低、富含钠钾等碱金属化合物，采用常规层燃方式易于造成燃料层板结、受热面结渣和碱金属腐蚀，并导致燃烧效率和热效率降低。煤块的燃烧周期长达2小时，而秸秆压块的燃烧周期仅有25分钟，人工添加燃料势必造成炉内燃烧工况波动和污染物排放提高。秸秆燃料低温、缺氧情况下将产生大量焦油，夜间封火将形成焦油污染，并将因烟气中的水蒸气冷凝而形成污水二次污染。本项目所涉及的秸秆压块燃料户用采暖装备匹配了自动送料装置，内置“日间供热”和“夜间供热”两种模式，可实现12小时无人值守，不仅提高了燃烧稳定性、燃烧效率和热效率，同时彻底摆脱了夜间封火工艺，可有效保证用户的夜间室内温度，舒适度大大提高，劳动强度显著降低。二、项目技术成熟程度具有自动送料功能的秸秆压块燃料户用采暖装备在技术上已经完全成熟，目前已在遵化和张家口分别完成了热负荷10kW（供热面积80-100m2）和15kW（供热面积150-200m2）采暖装备的示范运行工作，其各项污染物排放指标均满足《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2013）的要求，燃尽灰可直接作为生物肥料还田。户用采暖装备示范样机照片见下文图1。三、技术指标（包括鉴定、知识产权专利、获奖等情况）本项目所涉及的采暖装备已获得国家发明专利授权1项，另有1项发明专利正处于审查过程中。秸秆压块燃料户用采暖装备示范样机监测结果显示，其各项污染物排放指标均满足《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2013）的要求，其热效率达到80%以上。四、市场前景（应用领域、市场分析等）应用领域：具有自动送料功能的秸秆压块燃料户用采暖装备主要适用于北方农村地区农村住房的冬季供暖过程，同时可用于城郊别墅冬季供暖、蔬菜种植大棚的供热、以及养殖建筑的冬季供热。市场分析：2013年，京津冀地区农民生活生产燃煤消耗高达4224万吨/年，占到社会总煤耗量的11%，而农村地区燃煤的污染物排放却占环境统计烟尘排放总量的23.2%、二氧化硫排放总量的15.2%，氮氧化物排放总量的4.4%。上述统计数据说明，燃烧等量的煤炭，农村用能过程较工业燃烧过程对环境污染的贡献率更大。2014年，北京可持续发展促进会针对京津冀农村地区7795个农户的生活用能情况进行了调查，农民的用能以“散煤+电+液化石油气”方式为主，户平均生活能耗折合2.5-3吨标准煤/年，其中，冬季燃煤采暖用能所占比例高于60%、生活用电能耗约占20%、炊事用能约占15%（以秸秆等生物质能和液化石油气为主）；并且农户生活用能的85-90%为商品能源，户均能源购置成本3500元/年。上述调查结果说明，污染物排放严重的燃煤燃烧在农村用能过程中占据着主导地位，而农村地区丰富的生物质能并未得到有效利用。近十年来，我国在生物质能的规模化利用（秸秆直燃发电、生物制油制乙醇、秸秆集中气化等）领域，完成了各种类型的示范工程建设。但值得注意的是，由于秸秆收集半径过大、燃料运输成本过高等原因，已建成的数十座秸秆直燃电站并没有彻底改变农村地区秸秆田间焚烧或废弃的现状。目前，农村地区均使用技术水平较低的、未配备除尘脱硫装置的燃煤采暖炉散烧劣质原煤，从技术角度而言，市场上现有的户用燃煤采暖炉根本无法克服周期性的人工添加燃料和夜间封火工艺所造成的燃烧不稳定和燃烧不完全现象，而上述周期性燃烧和不完全燃烧，是造成农村地区燃烧污染物排放严重超标的主要原因。2014年，京津冀三地针对农村地区冬季采暖燃煤排放问题相继出台“推广民用无烟煤炉具”、“控制散烧劣质原煤，强制燃用无烟煤或型煤”、“推广秸秆压块民用采暖炉”等政策，并计划在2017年之前投入数千万元用于补贴农户购置无烟煤炉具或秸秆压块采暖炉。但这不过是一时权宜之策，目前市场上销售的无烟煤炉具和秸秆压块采暖炉，均因缺乏专业设计而无法克服人工加料和夜间封火所造成的燃烧不稳定和燃烧不完全现象，不能从根本上控制燃烧污染物的超标排放；尤其是秸秆压块采暖炉，封火期间的低温燃烧过程将产生大量的碳烟、焦油和冷凝水，室内空气污染异常严重，影响用户的身体健康。河北省年产秸秆6200万吨（全国年产秸秆7亿吨，天津市230万吨），其中能源化利用的仅有74万吨，直接还田和废弃的秸秆折合标准煤2300万吨。但是由于缺少专用的燃烧设备，导致大量秸秆于田间焚烧，能源浪费和大气污染严重。因此，在农村地区推广以秸秆燃料取代燃煤采暖具有可行性，而技术先进的秸秆压块燃料户用采暖装备在农村地区具有广阔的应用前景，其需求量巨大。五、规模与投资需求（资金需求、场地规模、人员等需求）北方农村地区冬季供热多采用燃煤采暖炉+土暖气模式，是一种分布式供能系统。由于燃煤采暖炉的技术水平较低，热效率仅有65%左右，故导致其燃料消耗量较高；并且，常规燃煤采暖炉在夜间必须封火，低温、缺氧燃烧不仅降低了室内温度，同时也显著提高了燃烧污染物排放量，并且煤气中毒的可能性增大。目前，农村地区100m2供热面积年消耗燃煤3-5吨，燃煤购置成本3000-5000元/采暖期。利用农村废弃的农作物秸秆、树枝等加工而成秸秆压块燃料取代燃煤用于冬季采暖过程，是符合国家中长期发展战略和京津冀地方政府农村政策的。值得注意的是，秸秆和秸秆压块属于地方燃料，收集和运输半径过大势必提高其燃料成本，因此，建议采用“就地生产、就近利用”的模式，来推广秸秆压块采暖装备和秸秆压块燃料。企业需要以能源供应商的身份介入秸秆压块采暖装备和秸秆压块燃料生产销售过程，以“分户采暖/集中监控”的商业模式运行；需要在农村地区建设辐射半径10公里（1000-2000家左右的用户）的中心服务站，一方面负责秸秆收集以及压块燃料的生成、销售工作，另一方面负责燃烧装备的生成、销售工作，同时还要负责燃烧装备的运行监控、维护及维修服务工作。以服务1000家农户（预计秸秆压块燃料总消耗量5000吨/采暖期）的中心站建设为例，其投资规模为150万元左右，场地规模3000m2左右，人员10-13人（其中专业技术人员和管理人员3-4人，装备生产加工人员3-4人，燃料加工人员4-5人）。投资预算包括：秸秆压块装备购置成本25万元（2台套）；燃烧装备加工设备购置成本15万元（年生产能力2000台套）；土地购置成本20万，厂房和燃料仓库建设成本30万元、露天储料场建设成本5万元；控制终端设备购置成本10万元；人员工资成本30-40万元/年。等等。六、生产设备秸秆压块燃料生产需要购置秸秆压块机，生产能力1-1.5吨/小时的秸秆压块机械，目前市场售价12万左右。采暖装备加工需要卷板机、电焊机、磨具等基本机械加工设备。七、效益分析下文将从用户和能源供应商两方面进行效益分析。1、秸秆压块、燃煤和燃气采暖的经济性分析以采暖面积200平米的民居为例，采暖热指标取70W/m2，若选用NK15.0-IY型户用采暖装备，售价以4000元/台计算；秸秆压块发热量3500-3700kcal/kg，市场售价450-550元/吨。初投资（不包括室内管网）和运行成本见下表：采用秸秆压块采暖装备进行冬季采暖，其初期投资为4210元，运行成本包括秸秆压块购置4140-5160元、自动送料装置和循环水泵电耗180元，折合采暖费用为22-26.5元/平米。若农户自产5吨秸秆，则采暖成本可降低至15元/平米以下。同样供热面积的燃煤采暖炉市场售价1500-2000元/台，其热效率约为65%；燃煤发热量5600kcal/kg，目前市场售价650-800元/吨左右。初投资（不包括室内管网）和运行成本见下表：采用燃煤炉具进行冬季采暖，其初期初投资为1710-2210元，较秸秆压块采暖装备初投资低2000元左右，考虑国家补贴的1500元后，两者相差500元左右。其运行成本包括燃煤购置费用4916-6050元，循环泵电耗50元，折合采暖费用为24.8-30.5元/平米，较秸秆压块全部购置采暖成本高10%左右。但是，采用秸秆压块采暖装备的劳动强度更低、室内舒适度（尤其是夜间）更高，灰渣处理量更少，环保效益更为显著。同样供热面积的燃气壁挂炉市场售价8500-15000元/台，可同时解决采暖和热水供应问题；单户燃气壁挂炉采暖有很大的调节灵活性，使用完全独立，采暖温度以自主调节，采暖时间可自行控制。天然气价格按3元/立方米计算，其运行成本见下表：燃气壁挂炉采暖的初期投资为8500-15000元，其运行成本包括燃气费用9504元，折合采暖费用为47.5元/平米；尽管燃气壁挂炉采暖系统兼具热水供应功能，但如此高的投资成本和运行成本，是普通农户难以接受的。综上所述，对于农户而言，使用秸秆压块采暖装备进行冬季采暖，具有良好的经济性；同时可以降低商品能源的使用，可提高户用供能自给程度到60%以上。2、能源供应商的投资效益本项目推广实施过程中，企业将以能源供应商和服务商角色介入，负责建立辐射半径5-10公里（用户1000家左右，秸秆压块消耗量5000吨/采暖期）的区域中心工作站（投资规模150万元左右），负责采暖装备的生产、销售、日常维护和年度检修，负责秸秆收集、运输以及压块燃料生产、销售和运输，负责区域供热系统的集中监控和运行保障。而农民用户则负责秸秆生产、采暖装备上料（12小时一次）和供热模式切换、以及室内暖气系统日常调节。在这种商业运作模式下，能源价格将主要由秸秆原料价格（150元/吨）、秸秆压块成型成本（150元/吨）、秸秆和压块燃料收集运输成本（50元/吨）、服务成本（50元/吨）和利润（100-150元/吨）等组成。企业每年可通过秸秆压块燃料销售获得利润50-75万。采暖装备的生产与销售也是企业利润的来源之一，单台采暖装备的生产成本可控制在3000元以下，若销售价格为3400-3500元的话，以年销售1000台计算，企业每年可通过采暖装备销售获得利润40-50万。目前各级政府对于大规模利用秸秆燃料进行了补贴，在利用规模高于5000吨/年情况下，国家财政补贴一般为150元/吨，因此，企业每年可获得的财政补贴为75万。值得注意的是，企业只有以能源供应商角色介入，方可达到如此大的销售和利用规模，而以单个农户每年消耗几吨秸秆燃料的模式运作，是无法获得国家补贴的。综上所述，依托本技术建立一个中心服务站每年可获得的利润为90-125万，可获得的国家补贴为75万，一年即可收回投资。因此，对于企业而言，本项目具有良好的经济效益。八、合作方式专利转让、技术入股均可，面议。九、项目具体联系人及联系方式（包括电子邮箱）联系人：刘联胜电话：13802036623Email: lane812@163.com

河北工业大学 2021-04-11