合肥工业大学马培勇教授发明分级均匀燃烧装备

                 

                中国秸秆网综合报道，秸秆是农业生产过程衍生的大宗农业废弃物，具有丰富且稳定的产出。通过合理的转化利用技术，可以将秸秆变废为宝，转化为燃料与材料。合肥工业大学机械工程学院生物质低碳技术与装备研究所技术团队针对秸秆生物质转化利用过程中普遍存在的自动化程度低、能耗高、污染物排放量大、产品性能差等问题，对生物质的成型、燃烧、热解炭化规律及相关装备进行研发探索。先后开发出生物质高效成型、热解与燃烧调控技术及装备，切实提高了秸秆生物质的产业化应用的清洁性、高效性、经济性。

背景与意义

生物质是由绿色植物光合作用直接或间接产生的有机物，具有可再生、储量大、分布广等优势。由于生物质利用过程所释放的碳，源于其光合作用所吸收的碳，因此生物质被视为一种重要的清洁能源/资源。在“双碳”战略的大背景下，生物质的“碳中性”完美契合国家战略需求，利用生物质替代传统化石原料用于供能及生产，可以在减少碳排放，保护生态环境的同时，降低中国对石油、煤炭等不可再生资源的依赖，实现可持续发展。在诸多生物质中，农作物秸秆是我国农村农业生产系统持续稳定产出的一种废弃物（每年产生约8亿吨），但大量的农作物秸秆没有得到充分的利用，致使生物质资源浪费严重。

目前秸秆生物质的主要利用方式有肥料化、饲料化、基料化以及能源化。其中能源化利用是将秸秆类原料转化为成型燃料、可燃气、生物油等利用途径，具有技术手段多样、利用量大、经济效益高等优势。但是，秸秆生物质的能源化利用同样存在诸多技术难点。首先，由于秸秆资源具有产地分散、能量密度低、容重小、运输不方便等缺陷，在转化利用前往往需要先进行提质改性预处理（如压缩、炭化等）。而目前的生物质成型/炭化设备面临着粉尘大、能耗高、自动化程度低等问题。同时，在秸秆燃烧利用过程中，传统的燃烧方法在较低温度下会产生大量焦油，导致能量利用率降低，而在高温下燃烧又会出现氯碱腐蚀，结渣、氮氧化物排放高等问题。此外，秸秆的不完全燃烧产物生物炭，由于孔隙率低、应用性能（如吸附性能）较差，难以得到有效的利用，导致了生物炭资源的严重浪费。

背后的科研

为了解决秸秆生物质成型/炭化设备所面临的粉尘大、能耗高、自动化程度低等问题，合肥工业大学机械工程学院生物质低碳技术与装备研究所团队研究了生物质破碎、干燥、成型、炭化过程机制与抑尘控制方法，通过正交实验探索物料粒径、压缩速率、预热温度等成型参数及升温速率、炭化温度、保温时间等炭化参数的影响。并在此基础上设计密闭自动化生产工艺流程，开发出“破碎-粉碎-烘干-成型-包装-炭化”成套设备，实现了全系统工业化、清洁化运行，颗粒成型电耗从70+ kWh/t降低至57 kWh/t，炭化产物热值显著提高(＞5500kCal/kg)。项目依托的国家科技支撑计划研究任务“生物质成型燃料与生物煤炭的技术开发与工业示范”与省重大专项“高效农林生物质固化成型燃料成套设备研制与清洁自动化生产线示范”顺利通过验收。联合安徽省农业农村厅、安徽省生态环境厅等单位制定了秸秆成型燃料清洁化生产与利用地方标准，指导安徽省完成了100多处成型燃料清洁化生产，实现了大规模产业化与应用。

针对秸秆传统高温燃烧过程中存在的腐蚀，结渣、氮氧化物排放的问题，本团队开展了燃烧温度、添加剂对秸秆碱迁移及气体产物影响的探索实验研究，根据实验结果所得的产物生成临界温度，设计了一套分级均匀燃烧装备，通过空气流量控制热解燃烧温度，避免NOx与磷酸盐、氯盐的生成。经测试，该装置的生物质燃烧效率为99.9%，锅炉热效率可达92%以上，未经净化的烟气NOx含量符合直接排放标准（＜180mg/Nm3），实现了生物质高效清洁燃烧。目前在安徽省揭榜挂帅项目的资助下，与安徽省海螺集团合作，开展水泥生产大比例（大于40%）燃料替代研究，用来降低水泥生产的碳排放。

高比表面积碳材料因其良好的吸附性能被广泛应用于环境治理。然而传统方法制备的生物质碳材料，存在孔隙率低、吸附性能差的问题，利用价值较低。本团队为了实现生物质的高价值化利用，对生物质碳材料的活化造孔机理及污染物吸附机制进行探究，开发了磷酸水热预处理联合热解技术制备碳材料，所得碳材料的比表面积可达2400 m2/g，远高于市售活性炭（~1000 m2/g），且可通过调节活化温度改变活性炭的微孔/介孔的占比，实现孔径调控。所得的介孔活性炭的介孔率高达93.9%，亚甲基蓝（MB）吸附量约为市售活性炭的三倍（486mg/g）。

研究成果应用

本团队于2015年与安徽环态生物能源科技开发有限公司建立了产学研合作关系，进行生物质颗粒机系列产品的研发、制造工作。合作开发的生物质清洁固化成型技术与装备，主要性能指标居国内同类产品先进水平。近三年为生物质成型燃料生产企业新增销售22.47亿元，新增利润4.01亿元；生产成型燃料约185万吨，减少CO2排放259万吨、SO2排放7400吨、烟尘1.85万吨。获2018安徽省科技进步二等奖。

本团队基于在秸秆、生活垃圾等生物质气化、燃烧过程反应机理，污染元素迁移转化特性与控制方法的研究，发明了秸秆中温气化耦合高温贫氧燃烧、生活垃圾自持高温清洁燃烧技术与装备，实现了生物质高效燃烧和超低排放，通过了多名院士组成的专家组技术鉴定，整体技术处于国际先进水平。近三年实现产值15.78亿元，利润2.88亿元，节约标煤约90万吨，减排CO2约224万吨。获2021年安徽省技术发明一等奖。形成了基于零碳生物质能源工业、农业供热成套技术与装备，契合国家乡村振兴和碳中和发展战略。

基于生物质热解制备碳材料的调控机制、污染物吸附构效关系研究成果，发明了生物质高效制备生物炭和高比表面活性炭技术与装备，并将其应用于土壤修复、废水与废气处理、CO2捕集与利用等。目前在开展规模化生产与推广应用，可实现碳封存，形成绿色、清洁的“负碳”技术。

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作者简介

马培勇，博士，合肥工业大学机械工程学院教授，安徽省学术和技术带头人后备人选。现任过程装备与控制工程专业负责人、生物质低碳技术与装备研究所所长；全国环保设备及工程专业规划教材编委、全国有机固废学术委员会委员、全国生物质能专业委员会委员、安徽省农作物秸秆综合利用专家委员委员、安徽省生物质能源技术研发（实验）中心副主任、安徽省节能减排及循环经济标准化技术委员会委员、安徽省机械工程学会压力容器分会理事、安徽省可再生能源协会副监事长。主持或参加国家863项目，国家科技支撑项目，国家重点研发计划、国家自然科学基金，省自然科学基金，省科技攻关和企业委托项目30余项；发表学术论文60余篇；申请专利50余项，已授权第一发明人发明专利20余项，已转化应用15项；参与制定地方标准和企业标准10余项。获省技术发明一等奖、省科技进步二等奖等科技奖励。