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具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備

具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備一、項目簡介在教育部科學技術研究重點項目和河北省科技支撐計劃項目的資助下，河北工業大學能源與環境工程學院（暨天津市建筑供能技術工程中心）基于對北方農作物秸稈燃料燃燒特性的研究，開發了具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備。農作物秸稈的燃燒特性與燃煤顯著不同，秸稈燃料的揮發分含量高達70%，固定碳含量僅有15%左右，灰分含量低于10%。秸稈燃燒放熱集中于揮發分的氣相燃燒過程，而燃煤以固定碳固相燃燒放熱為主，因此，套用燃煤爐結構（尤其是配風方面）來設計秸稈壓塊采暖爐是不可行的。秸稈燃料灰熔點低、富含鈉鉀等堿金屬化合物，采用常規層燃方式易于造成燃料層板結、受熱面結渣和堿金屬腐蝕，并導致燃燒效率和熱效率降低。煤塊的燃燒周期長達2小時，而秸稈壓塊的燃燒周期僅有25分鐘，人工添加燃料勢必造成爐內燃燒工況波動和污染物排放提高。秸稈燃料低溫、缺氧情況下將產生大量焦油，夜間封火將形成焦油污染，并將因煙氣中的水蒸氣冷凝而形成污水二次污染。本項目所涉及的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備匹配了自動送料裝置，內置“日間供熱”和“夜間供熱”兩種模式，可實現12小時無人值守，不僅提高了燃燒穩定性、燃燒效率和熱效率，同時徹底擺脫了夜間封火工藝，可有效保證用戶的夜間室內溫度，舒適度大大提高，勞動強度顯著降低。二、項目技術成熟程度具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備在技術上已經完全成熟，目前已在遵化和張家口分別完成了熱負荷10kW（供熱面積80-100m2）和15kW（供熱面積150-200m2）采暖裝備的示范運行工作，其各項污染物排放指標均滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2013）的要求，燃盡灰可直接作為生物肥料還田。戶用采暖裝備示范樣機照片見下文圖1。三、技術指標（包括鑒定、知識產權專利、獲獎等情況）本項目所涉及的采暖裝備已獲得國家發明專利授權1項，另有1項發明專利正處于審查過程中。秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備示范樣機監測結果顯示，其各項污染物排放指標均滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2013）的要求，其熱效率達到80%以上。四、市場前景（應用領域、市場分析等）應用領域：具有自動送料功能的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備主要適用于北方農村地區農村住房的冬季供暖過程，同時可用于城郊別墅冬季供暖、蔬菜種植大棚的供熱、以及養殖建筑的冬季供熱。市場分析：2013年，京津冀地區農民生活生產燃煤消耗高達4224萬噸/年，占到社會總煤耗量的11%，而農村地區燃煤的污染物排放卻占環境統計煙塵排放總量的23.2%、二氧化硫排放總量的15.2%，氮氧化物排放總量的4.4%。上述統計數據說明，燃燒等量的煤炭，農村用能過程較工業燃燒過程對環境污染的貢獻率更大。2014年，北京可持續發展促進會針對京津冀農村地區7795個農戶的生活用能情況進行了調查，農民的用能以“散煤+電+液化石油氣”方式為主，戶平均生活能耗折合2.5-3噸標準煤/年，其中，冬季燃煤采暖用能所占比例高于60%、生活用電能耗約占20%、炊事用能約占15%（以秸稈等生物質能和液化石油氣為主）；并且農戶生活用能的85-90%為商品能源，戶均能源購置成本3500元/年。上述調查結果說明，污染物排放嚴重的燃煤燃燒在農村用能過程中占據著主導地位，而農村地區豐富的生物質能并未得到有效利用。近十年來，我國在生物質能的規模化利用（秸稈直燃發電、生物制油制乙醇、秸稈集中氣化等）領域，完成了各種類型的示范工程建設。但值得注意的是，由于秸稈收集半徑過大、燃料運輸成本過高等原因，已建成的數十座秸稈直燃電站并沒有徹底改變農村地區秸稈田間焚燒或廢棄的現狀。目前，農村地區均使用技術水平較低的、未配備除塵脫硫裝置的燃煤采暖爐散燒劣質原煤，從技術角度而言，市場上現有的戶用燃煤采暖爐根本無法克服周期性的人工添加燃料和夜間封火工藝所造成的燃燒不穩定和燃燒不完全現象，而上述周期性燃燒和不完全燃燒，是造成農村地區燃燒污染物排放嚴重超標的主要原因。2014年，京津冀三地針對農村地區冬季采暖燃煤排放問題相繼出臺“推廣民用無煙煤爐具”、“控制散燒劣質原煤，強制燃用無煙煤或型煤”、“推廣秸稈壓塊民用采暖爐”等政策，并計劃在2017年之前投入數千萬元用于補貼農戶購置無煙煤爐具或秸稈壓塊采暖爐。但這不過是一時權宜之策，目前市場上銷售的無煙煤爐具和秸稈壓塊采暖爐，均因缺乏專業設計而無法克服人工加料和夜間封火所造成的燃燒不穩定和燃燒不完全現象，不能從根本上控制燃燒污染物的超標排放；尤其是秸稈壓塊采暖爐，封火期間的低溫燃燒過程將產生大量的碳煙、焦油和冷凝水，室內空氣污染異常嚴重，影響用戶的身體健康。河北省年產秸稈6200萬噸（全國年產秸稈7億噸，天津市230萬噸），其中能源化利用的僅有74萬噸，直接還田和廢棄的秸稈折合標準煤2300萬噸。但是由于缺少專用的燃燒設備，導致大量秸稈于田間焚燒，能源浪費和大氣污染嚴重。因此，在農村地區推廣以秸稈燃料取代燃煤采暖具有可行性，而技術先進的秸稈壓塊燃料戶用采暖裝備在農村地區具有廣闊的應用前景，其需求量巨大。五、規模與投資需求（資金需求、場地規模、人員等需求）北方農村地區冬季供熱多采用燃煤采暖爐+土暖氣模式，是一種分布式供能系統。由于燃煤采暖爐的技術水平較低，熱效率僅有65%左右，故導致其燃料消耗量較高；并且，常規燃煤采暖爐在夜間必須封火，低溫、缺氧燃燒不僅降低了室內溫度，同時也顯著提高了燃燒污染物排放量，并且煤氣中毒的可能性增大。目前，農村地區100m2供熱面積年消耗燃煤3-5噸，燃煤購置成本3000-5000元/采暖期。利用農村廢棄的農作物秸稈、樹枝等加工而成秸稈壓塊燃料取代燃煤用于冬季采暖過程，是符合國家中長期發展戰略和京津冀地方政府農村政策的。值得注意的是，秸稈和秸稈壓塊屬于地方燃料，收集和運輸半徑過大勢必提高其燃料成本，因此，建議采用“就地生產、就近利用”的模式，來推廣秸稈壓塊采暖裝備和秸稈壓塊燃料。企業需要以能源供應商的身份介入秸稈壓塊采暖裝備和秸稈壓塊燃料生產銷售過程，以“分戶采暖/集中監控”的商業模式運行；需要在農村地區建設輻射半徑10公里（1000-2000家左右的用戶）的中心服務站，一方面負責秸稈收集以及壓塊燃料的生成、銷售工作，另一方面負責燃燒裝備的生成、銷售工作，同時還要負責燃燒裝備的運行監控、維護及維修服務工作。以服務1000家農戶（預計秸稈壓塊燃料總消耗量5000噸/采暖期）的中心站建設為例，其投資規模為150萬元左右，場地規模3000m2左右，人員10-13人（其中專業技術人員和管理人員3-4人，裝備生產加工人員3-4人，燃料加工人員4-5人）。投資預算包括：秸稈壓塊裝備購置成本25萬元（2臺套）；燃燒裝備加工設備購置成本15萬元（年生產能力2000臺套）；土地購置成本20萬，廠房和燃料倉庫建設成本30萬元、露天儲料場建設成本5萬元；控制終端設備購置成本10萬元；人員工資成本30-40萬元/年。等等。六、生產設備秸稈壓塊燃料生產需要購置秸稈壓塊機，生產能力1-1.5噸/小時的秸稈壓塊機械，目前市場售價12萬左右。采暖裝備加工需要卷板機、電焊機、磨具等基本機械加工設備。七、效益分析下文將從用戶和能源供應商兩方面進行效益分析。1、秸稈壓塊、燃煤和燃氣采暖的經濟性分析以采暖面積200平米的民居為例，采暖熱指標取70W/m2，若選用NK15.0-IY型戶用采暖裝備，售價以4000元/臺計算；秸稈壓塊發熱量3500-3700kcal/kg，市場售價450-550元/噸。初投資（不包括室內管網）和運行成本見下表：采用秸稈壓塊采暖裝備進行冬季采暖，其初期投資為4210元，運行成本包括秸稈壓塊購置4140-5160元、自動送料裝置和循環水泵電耗180元，折合采暖費用為22-26.5元/平米。若農戶自產5噸秸稈，則采暖成本可降低至15元/平米以下。同樣供熱面積的燃煤采暖爐市場售價1500-2000元/臺，其熱效率約為65%；燃煤發熱量5600kcal/kg，目前市場售價650-800元/噸左右。初投資（不包括室內管網）和運行成本見下表：采用燃煤爐具進行冬季采暖，其初期初投資為1710-2210元，較秸稈壓塊采暖裝備初投資低2000元左右，考慮國家補貼的1500元后，兩者相差500元左右。其運行成本包括燃煤購置費用4916-6050元，循環泵電耗50元，折合采暖費用為24.8-30.5元/平米，較秸稈壓塊全部購置采暖成本高10%左右。但是，采用秸稈壓塊采暖裝備的勞動強度更低、室內舒適度（尤其是夜間）更高，灰渣處理量更少，環保效益更為顯著。同樣供熱面積的燃氣壁掛爐市場售價8500-15000元/臺，可同時解決采暖和熱水供應問題；單戶燃氣壁掛爐采暖有很大的調節靈活性，使用完全獨立，采暖溫度以自主調節，采暖時間可自行控制。天然氣價格按3元/立方米計算，其運行成本見下表：燃氣壁掛爐采暖的初期投資為8500-15000元，其運行成本包括燃氣費用9504元，折合采暖費用為47.5元/平米；盡管燃氣壁掛爐采暖系統兼具熱水供應功能，但如此高的投資成本和運行成本，是普通農戶難以接受的。綜上所述，對于農戶而言，使用秸稈壓塊采暖裝備進行冬季采暖，具有良好的經濟性；同時可以降低商品能源的使用，可提高戶用供能自給程度到60%以上。2、能源供應商的投資效益本項目推廣實施過程中，企業將以能源供應商和服務商角色介入，負責建立輻射半徑5-10公里（用戶1000家左右，秸稈壓塊消耗量5000噸/采暖期）的區域中心工作站（投資規模150萬元左右），負責采暖裝備的生產、銷售、日常維護和年度檢修，負責秸稈收集、運輸以及壓塊燃料生產、銷售和運輸，負責區域供熱系統的集中監控和運行保障。而農民用戶則負責秸稈生產、采暖裝備上料（12小時一次）和供熱模式切換、以及室內暖氣系統日常調節。在這種商業運作模式下，能源價格將主要由秸稈原料價格（150元/噸）、秸稈壓塊成型成本（150元/噸）、秸稈和壓塊燃料收集運輸成本（50元/噸）、服務成本（50元/噸）和利潤（100-150元/噸）等組成。企業每年可通過秸稈壓塊燃料銷售獲得利潤50-75萬。采暖裝備的生產與銷售也是企業利潤的來源之一，單臺采暖裝備的生產成本可控制在3000元以下，若銷售價格為3400-3500元的話，以年銷售1000臺計算，企業每年可通過采暖裝備銷售獲得利潤40-50萬。目前各級政府對于大規模利用秸稈燃料進行了補貼，在利用規模高于5000噸/年情況下，國家財政補貼一般為150元/噸，因此，企業每年可獲得的財政補貼為75萬。值得注意的是，企業只有以能源供應商角色介入，方可達到如此大的銷售和利用規模，而以單個農戶每年消耗幾噸秸稈燃料的模式運作，是無法獲得國家補貼的。綜上所述，依托本技術建立一個中心服務站每年可獲得的利潤為90-125萬，可獲得的國家補貼為75萬，一年即可收回投資。因此，對于企業而言，本項目具有良好的經濟效益。八、合作方式專利轉讓、技術入股均可，面議。九、項目具體聯系人及聯系方式（包括電子郵箱）聯系人：劉聯勝電話：13802036623Email: lane812@163.com

河北工業大學 2021-04-11

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