設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效清潔供暖技術(shù)與示范

趙洪剛，王海苗，司 碩，宋令坡，劉忠攀 ，楊曉輝，王振平

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 273500；2.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273599；3.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100；4.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 273500)

1 概 述

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)不僅面臨著人均占有資源量少以及生態(tài)環(huán)境差等問題，同時(shí)也面臨著從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)到現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)調(diào)整的挑戰(zhàn)[1-2]。作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重要標(biāo)志的設(shè)施農(nóng)業(yè)，由于具有提高土地利用率、節(jié)省勞動力等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了快速發(fā)展，成為調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、吸納農(nóng)民屬地就業(yè)、促進(jìn)農(nóng)民增收和保障國家糧食安全的重要手段。隨著“菜藍(lán)子”工程的實(shí)施，溫室和蔬菜大棚得到廣泛應(yīng)用。 但是，在北方的部分地區(qū)，冬春兩季氣溫低，在室內(nèi)無強(qiáng)制供暖的情況下，蔬菜、植物生長無法得到保障，極大影響了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益[3]。因此，溫室大棚供暖是保障設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康發(fā)展的必要措施。

目前溫室大棚供暖主要有太陽能、燃煤爐具、燃?xì)鉅t等幾種形式。這幾種供暖形式在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的問題。日光大棚主要以日光或太陽能供暖為主，由于受天氣影響大，棚內(nèi)晝夜溫差大，夜間大棚內(nèi)溫度不足8 ℃[4]，無法有效滿足不同作物的生長需求。傳統(tǒng)燃煤爐具供暖，無論是正燒或反燒方式，均存在燃燒效率低，污染物排放高，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[5]。隨著國家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，某些地方推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚用燃?xì)饣螂姽幔媾R著基礎(chǔ)設(shè)施投入大、使用成本高、資源供給不足等實(shí)際困難[6]，這不僅影響了菜農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，也增加了消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)。農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)如何能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、低成本、清潔化供暖是當(dāng)前需要解決的主要問題。煤炭作為我國資源最豐富，供給最可靠，成本最低的能源，如果能高效、清潔利用，與設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供暖進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，應(yīng)當(dāng)是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚供暖問題的一種有效途徑。

鑒于此，兗礦集團(tuán)開發(fā)了以潔凈型煤+多段分級燃煤爐爐具+尾部干法靜置式脫硫脫硝一體化的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了小型燃煤爐具低成本、低污染、高效率的目標(biāo)，并于2017年冬季在山東菏澤市某農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚進(jìn)行了清潔供暖工程示范，效果良好。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用爐具為兗礦集團(tuán)開發(fā)的多段分級燃燒節(jié)能環(huán)保爐具。圖1為350 kW常壓熱水爐具燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)流程，包括350 kW常壓熱水爐及配套靜置式低溫?zé)o水無氨煙氣凈化器、熱水交換系統(tǒng)、二次熱水管網(wǎng)系統(tǒng)。在爐膛出口處(靜置式環(huán)保島前)和靜置式環(huán)保島后各設(shè)置1處煙氣測點(diǎn)，分別檢測燃煤煙氣的原始排放濃度和經(jīng)過環(huán)保島后的排放濃度，以此評價(jià)爐內(nèi)及靜置式脫硫脫硝裝置的污染物控制效果。此外，為了有效降低煙塵、SO2的排放，燃用兗礦集團(tuán)研發(fā)的含有復(fù)合添加劑的潔凈型煤，有效降低了爐內(nèi)SO2、NOx、煙塵的原始排放濃度[7-8]。對小型燃煤爐具以爐內(nèi)型煤固灰、固硫、多段分級燃燒方式抑制氮氧化物排放減排技術(shù)，國內(nèi)外均未有報(bào)道。

圖1 清潔燃燒試驗(yàn)平臺示意

為了進(jìn)一步降低煙氣污染物排放濃度，實(shí)現(xiàn)煙氣超凈排放目標(biāo)，針對小型爐具的技術(shù)和用戶特點(diǎn)，采用尾部煙氣低溫、干法、無氨凈化系統(tǒng)。 該系統(tǒng)脫硫采用固定床技術(shù)，將脫硫脫硝劑成型顆粒裝于固定床反應(yīng)器中，煙氣通過后，其中的SO2、NOx被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或吸收，同時(shí)脫硫脫硝劑顆粒輔助除灰降塵，最終實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2和NOx的超凈排放。該過程耗電低、無運(yùn)動部件、不用水、無二次污染，可以在較低、較寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)煙氣干法同時(shí)脫硫脫硝和除塵，已在工業(yè)鏈條排爐煙氣凈化中得到應(yīng)用[9]。

2.2 試驗(yàn)方法

本系統(tǒng)包括多段分級燃燒爐具及配套靜置式低溫?zé)煔鈨艋鞯?。在爐膛出口處和靜置式低溫?zé)煔鈨艋骱蟾髟O(shè)置1處煙氣測點(diǎn)，分別檢測燃煤煙氣的原始排放濃度和靜置式低溫?zé)煔鈨艋骱蟮呐欧艥舛?，以此評價(jià)凈化器對污染物的控制效果，污染物脫除效率按下式計(jì)算：

ηi=(Cin，i-Cout，i)/Cin，i

式中，ηi——污染物的脫除效率，%；

i——污染物種類；

Cin，i——任意污染物原始排放濃度，mg/m3；

Cout，i——任意污染物經(jīng)過靜置式低溫?zé)煔鈨艋骱蟮呐欧艥舛?，mg/m3。

爐具熱功率按照GB/T 3166—2004《熱水鍋爐參數(shù)系列》的要求，在試驗(yàn)爐具進(jìn)、出水兩端安裝K型熱電偶，測定爐具進(jìn)出口水溫t1、t2，在進(jìn)水處安裝渦輪質(zhì)量流量計(jì)測定進(jìn)水流量Q(t/h)，則試驗(yàn)爐具熱功率P(kW)=C×Q×Δt×1000/3600。其中：C表示比熱容，J/(kg·K)；Δt表示變化的溫度(t2-t1)，℃。

爐具燃煤熱效率按GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒損失、散熱損失以及灰渣物理熱損失計(jì)算，按鍋爐反平衡法計(jì)算熱效率η，%。

η=1-(q2+q3+q4+q5+q6)

式中：q2——排煙熱損失，%；

q3——?dú)怏w不完全燃燒熱損失，%；

q4——固體不完全燃燒損失，%；

q5——散熱損失，%；

q6——灰渣物理熱損失，%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以兗礦潔凈型煤為原料，對相同熱功率傳統(tǒng)正燒爐具、反燒式水冷固定爐排熱水爐具及多段分級燃燒節(jié)能環(huán)保爐具等3種爐具進(jìn)行了大量燃燒試驗(yàn)。圖2為3種不同型式爐具在不同負(fù)荷下燃燒層溫度的對比，可以看出，在相同爐具負(fù)荷下，多段分級燃燒爐具燃燒層內(nèi)溫度最低，說明通過合理設(shè)計(jì)，優(yōu)化供風(fēng)方式，合理調(diào)整空氣燃料比，優(yōu)化燃燒區(qū)溫度及其熱工環(huán)境，能夠降低爐膛半焦區(qū)燃燒區(qū)溫度，將爐具燃燒層溫度降低至1 200 ℃以下，大大降低了型煤結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 不同型式爐具同負(fù)荷下燃燒層溫度的比較

排煙溫度、 CO排放濃度和底渣燃盡率等指標(biāo)均是影響爐具熱效率的重要因素，圖3對比了3種不同類型爐具的排煙溫度和CO排放濃度，而表1對比了潔凈型煤在3種爐具燃燒后的底渣含碳量。從圖3可以看出，排煙溫度從高到低依次是：正燒爐>反燒爐>多段分級燃燒爐具，CO排放濃度從高到低依次是：下反燒爐>正燒爐>多段分級燃燒爐具。結(jié)果說明，多級配風(fēng)技術(shù)和煙道多回程熱交換技術(shù)的應(yīng)用，有效提高了煙氣預(yù)熱的回收率和CO等可燃污染物的燃盡率。同時(shí)，多段分級燃燒爐具燃燒效率高，底渣含碳量大幅減小至2.8%(表1)，有效提高了爐具熱效率。

圖3 不同爐具排煙溫度和煙氣CO排放濃度的比較

表1 不同類型爐具底渣含碳量

圖4為以潔凈型煤為原料，3種類型爐具煙氣污染物原始排放濃度的比較。由圖4可見，多段分級燃燒爐具SO2、NOx、CO排放濃度均最低，具有更好的污染物控制效果，說明多級分段燃燒技術(shù)，通過多段分級配風(fēng)與分級燃燒，優(yōu)化了爐內(nèi)氣氛，強(qiáng)化了煙氣的混合，發(fā)揮了爐具降低氮氧化物和型煤固硫固灰的優(yōu)勢，從而有效降低了爐內(nèi)SO2、NOx、CO的生成和排放。

圖4 3種類型爐具污染物排放對比

圖5為靜置式低溫、干法煙氣凈化系統(tǒng)出口煙氣污染物的變化趨勢?？梢?，經(jīng)過靜置式低溫、干法煙氣凈化系統(tǒng)，煙氣污染物排放得到進(jìn)一步降低。通過168 h運(yùn)行測試，SO2、CO排放濃度均能夠穩(wěn)定低于50 mg/m3，NOx排放在100 mg/m3左右，脫硫脫硝效率分別達(dá)到90%和60%以上，煙氣排放滿足GB 13271—2014《鍋爐污染物大氣排放標(biāo)準(zhǔn)》中重點(diǎn)地區(qū)大氣污染物排放特別限值(SO2≤200 mg/m3，NOx≤200 mg/m3)以及山東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 37/2374—2018《鍋爐污染物大氣排放標(biāo)準(zhǔn)》中重點(diǎn)地區(qū)新建鍋爐大氣污染物排放濃度限值 (SO2≤50 mg/m3，NOx≤100 mg/m3)。

圖5 168 h連續(xù)檢測的煙氣凈化系統(tǒng)出口煙氣污染物排放變化

4 清潔供暖工程示范

4.1 清潔供暖示范系統(tǒng)

山東菏澤市巨野縣獨(dú)山鎮(zhèn)菌包培育工程是山東省科技廳的精準(zhǔn)扶貧項(xiàng)目。該菌棚基地養(yǎng)殖2 400 m2黑木耳等菌類。黑木耳、毛木耳菌包在20 ℃左右的環(huán)境下適于生菌。為滿足菌包培育大棚2017年冬季供暖需求，采用上述清潔供暖技術(shù)進(jìn)行了示范。作為農(nóng)業(yè)大棚高效清潔智能化供暖的試點(diǎn)，該清潔供暖工程分清潔熱源系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)、棚內(nèi)溫控系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)4部分。圖6為清潔供暖系統(tǒng)示意圖。

圖6 菌包培育清潔供暖示范系統(tǒng)

4.2 示范結(jié)果和分析

圖7為工程示范期間經(jīng)靜置式煙氣凈化裝置處理后煙氣中SO2、NOx排放情況。可以看出，SO2指標(biāo)能夠穩(wěn)定降低至50 mg/m3以下，NOx指標(biāo)能夠穩(wěn)定降低至150 mg/m3以下，脫硫、脫硝效率分別能夠達(dá)到90%、60%以上，實(shí)現(xiàn)了中小型燃煤爐具長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。

圖7 靜置式煙氣凈化裝置出口煙氣中SO2、NOx含量

表2為在示范期間測得的不同負(fù)荷下煙塵(PM)排放指標(biāo)。由表2可以看出，在穩(wěn)定運(yùn)行期間，不同負(fù)荷下煙氣煙塵排放最高為21.89 mg/m3，林格曼黑度小于1，系統(tǒng)降塵效率達(dá)到90%以上，本爐具基本實(shí)現(xiàn)了無煙無塵排放。

表2 多段分級燃燒節(jié)能環(huán)保爐具煙塵排放

圖8為2018年1月所測4個(gè)大棚內(nèi)實(shí)際溫度。示范期間爐具供暖面積為4個(gè)大棚共計(jì)2 400 m2，可以看出，在爐具運(yùn)行清潔供暖期間，大棚內(nèi)溫度較為均勻、穩(wěn)定、波動較小。大棚內(nèi)溫度可以通過自動溫控儀自動調(diào)節(jié)，最高可達(dá)到30 ℃。

圖8 大棚內(nèi)實(shí)際溫度曲線

示范結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)清潔供暖技術(shù)完全可滿足北方冬季大棚供暖需求，可以作為北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域性清潔供暖的選擇方案。

5 結(jié) 語

基于煤炭清潔燃燒和清潔排放技術(shù)，研發(fā)和示范了1套適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的清潔供暖一體化系統(tǒng)。通過大量基礎(chǔ)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用示范，說明采用多級燃燒，分段布風(fēng)等技術(shù)，優(yōu)化了小型燃煤爐具爐內(nèi)氣氛，結(jié)合潔凈型煤固硫固灰，以及簡易、可靠的尾部低溫?zé)煔鈨艋夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)高效燃燒，煙氣無煙和煙塵、SO2、NOx等污染物的達(dá)標(biāo)排放。因此，該技術(shù)不僅可完全滿足北方冬季蔬菜、花卉、菇類及其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚供暖需求，而且環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益顯著，可作為設(shè)施農(nóng)業(yè)高效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)供暖的選擇。