秸稈氣化技術(shù)及集中供氣系統(tǒng)

1、秸稈氣化技術(shù)及集中供氣系統(tǒng)秸稈氣化技術(shù)及集中供氣系統(tǒng)山東省科學(xué)院能源研究所）我國秸稈資源大量消費和農(nóng)村商品能源緊張的局面， 已引起政府和社會的關(guān)注。 這個問題又 與農(nóng)民生活質(zhì)量的提高及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的改善緊密相連。尋求秸稈利用的新模式，改變農(nóng)村燃料結(jié) 構(gòu)，改進農(nóng)民炊事方式，已成為廣大科技人員研究的重要課題。山東省科學(xué)院能源研究所致力于生物質(zhì)熱解氣化和農(nóng)戶燃料的研究工作，承擔國家“七五”、“八五”科技攻關(guān)課題，得到了農(nóng)業(yè)部、國家科委的支持。研制成功的XFF型生物質(zhì)氣化 機組及集中供氣系統(tǒng)的配套技術(shù)已進入商品化階段并被列入山東省“星火”示范工程。從 1994 年開始，我們已建成桓臺縣陳莊鄉(xiāng)東潘村、章

2、丘市普集鎮(zhèn)普西村等集中供氣試點。連續(xù)運行表明，秸稈 氣化集中供氣技術(shù)對處理大量的農(nóng)作物秸稈、改善環(huán)境、提高農(nóng)民生活水平、實現(xiàn)低質(zhì)能源的高檔 次利用是可行的模式之一，有良好的推廣開發(fā)前景。生物質(zhì)氣化技術(shù)， 是生物質(zhì)原料在缺氧狀態(tài)下燃燒和還原反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換過程，它可以將固體生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成為使用方便而且清潔的可燃氣體。生物質(zhì)由碳、氫、氧等元素和灰分組成。當 它們被點燃，只供應(yīng)少量空氣，并且控制其反應(yīng)過程，使碳、氫元素變成由一氧化碳、氫氣、甲烷 等組成的可燃氣體， 秸稈中大部分能量都轉(zhuǎn)移到氣體中， 這就是氣化過程。 去除可燃氣體中的灰分、 焦油等雜質(zhì)，通過供氣系統(tǒng)將其送入農(nóng)戶家中，用戶打開閥門，點燃

3、燃氣灶具，就可以燒水做飯了。世界性的能源危機、 環(huán)境污染以及生態(tài)平衡的破壞， 使人類認識到不能無節(jié)制地向自然界索 取能源，而應(yīng)盡快建立能源利用的平衡機制。在世界范圍內(nèi)，人們已達成共識：以高新技術(shù)開發(fā)和 利用生物質(zhì)能源，代替石油、煤炭等礦物質(zhì)能源，是解決能源與環(huán)境問題的重要途徑之一。所以， 生物質(zhì)利用技術(shù)的研究與開發(fā)，受到世界各國政府與科學(xué)家的關(guān)注。近期國內(nèi)外學(xué)者的研究方向主 要是利用木材工業(yè)廢棄物，產(chǎn)生可燃氣體用于加熱、烘干或發(fā)電。我們的研究與其他學(xué)者的不同之處在于：（1）以農(nóng)村量大面廣的各種秸稈為主要氣化原料；（2）以向農(nóng)戶供應(yīng)炊事燃氣為主要目的。通過“八五”期間的工作，在秸稈類低質(zhì)生物質(zhì)原

4、料的 熱解氣化技術(shù)方面形成了技術(shù)優(yōu)勢，證明這一研究方向技術(shù)上的可行性，并獲得了進行經(jīng)濟分析的 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1 秸稈類低質(zhì)生物原料的熱解氣化從化學(xué)性質(zhì)上來說，秸稈的元素組成和木質(zhì)類原料相比，除灰份較高因而熱值稍低外，并無顯著區(qū)別。其主要元素成份：炭、氫、氧含量基本相同，具有相當穩(wěn)定的原子量比率。CH1-4O0-6，這個式子一般也作為氣化反應(yīng)時的生物質(zhì)分子式。生物質(zhì)熱解氣化包括一系列復(fù)雜的燃燒、 還原、 裂解乃至聚合反應(yīng)。 這些反應(yīng)變化在復(fù)雜的 相平衡條件下相互影響，以至尚未有完善的反應(yīng)模型進行描述。但在以空氣為介質(zhì)的固定床反應(yīng)器 中，其總的反應(yīng)式可寫成： CH1-4O0-6 0.4O2+（1.5N

5、2）?/FONT>0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+（1.5N2）下吸式固定床反應(yīng)器的燃燒 （氧化）反應(yīng)和氣化 （還原）反應(yīng)之間，存在著自平衡機制。即當 燃燒反應(yīng)強烈時，釋放的熱量提高了反應(yīng)區(qū)溫度，而這正巧提高了吸熱的氣化反應(yīng)的速率，從而維 持離開還原區(qū)的氣體成份、溫度基本穩(wěn)定。下吸式反應(yīng)器工藝設(shè)計的關(guān)鍵在于保證燃燒的條件和燃 燒層、氣化層的穩(wěn)定。因此，秸稈氣化從理論上說并不困難。過去之所以不能將氣化工藝用于秸稈，主要是因為：（1）秸稈的堆積密度太小，使按體積計算的供料量太大，并使反應(yīng)區(qū)熱容小而且量 較不穩(wěn)定；（2）反應(yīng)區(qū)易于搭橋、穿孔等；（3）炭粒細而散，影響反應(yīng)區(qū)的

6、透氣性。研究工作 的重點是通過大量實驗，尋求合理的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式和操作條件，提高反應(yīng)區(qū)的熱容量，以克服秸 稈物理特性的缺點，保證穩(wěn)定的反應(yīng)床層和燃燒條件。通過實驗和改進，所研究的氣化反應(yīng)器成功地氣化了玉米秸、麥秸等低質(zhì)生物原料，并在實驗中擴展到棉秸、玉米芯和木質(zhì)原料等，且均取得較滿意的結(jié)果。經(jīng)過氣化，每公斤秸稈可以產(chǎn)約 2立方米可燃氣。 一戶4 口家每天約需燃氣 56立方米。 我們生產(chǎn)的XFF型機組正在形成系列產(chǎn)品，能夠滿足各種規(guī)模村莊的供氣。表 1 XFF 氣化機特性參數(shù)機組型號XFF-1000XFF-2500輸岀功率（ MJ/h ）10002500產(chǎn)熱量（ m3/h ）200500燃氣熱值

7、（ KJ/m3 ）50005000氣化效率（ %）72722 集中供氣系統(tǒng)由于生物質(zhì)燃氣在常溫下不能液化， 必須通過輸氣管網(wǎng)送至用戶， 因此集中供氣系統(tǒng)的基本 模式為：以自然村為單元，設(shè)置氣化站（氣柜設(shè)在氣化站內(nèi)），敷設(shè)宇航局網(wǎng)。系統(tǒng)中包括原料處 理機（鍘 草機）、上料裝置、氣化機組、風機、氣柜、安全裝置、管網(wǎng)和灶具等設(shè)備。氣柜的作用 是貯存一定量燃氣，調(diào)整炊事高峰時的用氣，并保持恒定的壓力，使燃氣灶穩(wěn)定工作，管網(wǎng)由埋于 地下的主、支管路組成，采用硬質(zhì)塑料可降低造價。進入廚房的管線用鋼管。因燃氣特性不同，生 物質(zhì)燃氣的燃燒需用專用灶具。秸稈氣化機組和集中供氣系統(tǒng)的流程如圖1所示。3 低熱值燃氣

8、的應(yīng)用在燃氣燃燒方面，人們往往存在一種模糊的觀念，認為燃氣的熱值越高，燃燒越旺， 釋放出來的熱量越多。 許多人認為，秸稈氣化所產(chǎn)生的可燃氣體，因其熱值低，不適用于炊事用氣，其實這是一種誤解。根據(jù)燃燒學(xué)的理論，可燃氣體的燃燒其實是可燃氣與空氣的混合物燃燒，而不僅僅 是可燃氣體本身的燃燒，真正燃燒的是燃氣一空氣混合物的熱值。要實現(xiàn)完全燃燒，熱值高的可燃 氣要相應(yīng)地混合較多的空氣，因此燃氣一空氣混合物的熱值并不像大家想像的那么高。表2列出了 幾種典型燃氣的低位熱值、燃氣完全燃燒所需的理論空氣量以及混合氣體的低位熱值。從中我們可 以看岀，雖然天然氣的低位熱值是下吸式氣化爐產(chǎn)生的秸稈燃氣的7倍，但是其混

9、合氣的低位熱值 僅比其高 23%；用作城市煤氣的混合煤氣，其低位熱值是秸稈煤氣的2 倍，但是其混合氣的低位熱值卻僅比其高 18%。這就是說，在供給各種可燃氣體適當?shù)目諝饬浚蠢碚摽諝饬康那闆r下，它們 燃燒所釋放的熱量相差不多。所以，我們必須做的工作是設(shè)計專門的灶具，在一定的供氣壓力下， 準確計算灶具上燃氣噴口的直徑及配風板的尺寸，使燃氣與空氣量合理匹配， 滿足對熱負荷的要求?，F(xiàn)在我們已研制岀專用的低熱值燃氣灶具。 實踐證明， 利用這種灶具， 低熱值燃氣完全能夠滿足蒸、 煮、炒等炊事要求。表2 幾種典型燃氣及燃一空混合氣的低位熱值理論燃燒溫度燃 - 空混合氣低位熱值 （ KJ/m3 ）氣體低位熱

10、值 理論空氣量（ KJ/m3 ）（ m3/m3）0C)秸稈煤氣 5316 0.918102798天然氣365869.6419703438焦爐煤氣176154.2119983381混合煤氣138583.1819863315發(fā)生爐煤氣57351.1916002618沼氣 21223 5.5631914秸稈資源和農(nóng)村炊事燃料需求我國每年生產(chǎn)各種秸稈 6 億噸，農(nóng)林產(chǎn)品及以生物質(zhì)為原料的工業(yè)企業(yè)也產(chǎn)生數(shù)以億噸計的 采伐加工殘余物和有機固體垃圾。這是由太陽能轉(zhuǎn)換而來的巨大的可再生資源，它的利用將會產(chǎn)生 巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，而不會像礦物燃料的利用那樣帶來日益嚴重的污染。我國生物質(zhì)能源的利用，主要是以

11、效率較低的直接燃燒方式獲取農(nóng)民和林區(qū)居民的炊事熱 能，沼氣技術(shù)則受到原料品種和氣候條件的限制。目前，大量的秸稈和林業(yè)剩余物以及有機固體垃 圾白白浪費掉。每到收獲季節(jié)，田間地頭烽煙四起，燒掉了寶貴的資源，造成嚴重的大氣污染，與 此對應(yīng)的是我國農(nóng)村的商品能源依然緊缺而價高，電力供應(yīng)嚴重不足。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高， 農(nóng)民產(chǎn)生了提高生活質(zhì)量的強烈要求。 作為生活方 式的一個重要方面，燃料結(jié)構(gòu)的改變，用能方式的改進，將為他們提供更加方便、文明而舒適的生 活，這也是近年來秸稈大量過剩的原因之一。但是，完全由礦物能源解決8-9 億農(nóng)民的生活需求，則是國力和環(huán)境所不能負擔的。與其它可再生能源的利

12、用相比，生物質(zhì)能源來源穩(wěn)定可靠，能源密度大，不受地域、 氣候的限制。而在各種生物質(zhì)能技術(shù)中，熱解氣化技術(shù)具有效率較高、原料適應(yīng)性好、設(shè)備簡單、投資較 低的優(yōu)點，比較適合于我國農(nóng)村現(xiàn)階段的技術(shù)、經(jīng)濟水平。5系統(tǒng)投資及燃氣開支民用燃氣工程的單位投資受許多因素的影響， 其中的重要因素是燃氣熱值、 用氣負荷集中程 度和管網(wǎng)規(guī)模。民用燃氣系統(tǒng)負荷的集中程度取決于人口居住密度。 我國農(nóng)民以自然村的形式集中居住， 形 成星羅棋布的大小村莊。近年來各地普遍重視新村規(guī)劃工作，整齊劃一的新村開始取代老式村莊， 還出現(xiàn)了一批小康型的樓群建筑。除極特殊地形外，居住區(qū)的最大布局尺寸在 400 米以內(nèi)。與城市 燃氣管網(wǎng)相

13、比，這已屬于微型管網(wǎng)，或者說它僅相當于城市管網(wǎng)中用戶部分，因而省去了造價昂貴的主支干管。而且由于輸送距離短，阻力損耗僅為30004000Pa,降低了輸送成本和對管材的要求。根據(jù)試點建設(shè)的經(jīng)驗和投資核算，100 戶和 200 戶規(guī)模的集中供氣系統(tǒng)的投資如表 3所示。表3集中供氣系統(tǒng)的投資機組型號 供氣戶數(shù)（戶）XFF-1000130XFF-2500220氣化站房建筑（ m2）7070建筑要求11*6*3.513*7*4氣化站占地（ m2）12001200氣化站需動力（ kW）4.57.0氣柜容積（ m3）200300氣柜材料（鋼材）1926機組價格（萬元）7.810.2氣化站配套附件費0.40.

14、6管網(wǎng)材料福建費3.97.6戶內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng)投資3.46.8這樣的投資， 相當于戶用沼氣建設(shè)投資的 2倍左右， 低于集中供氣的沼氣工程投資， 也低于 城市煤氣管網(wǎng)的投資。在較大范圍內(nèi)進行碉研結(jié)果表明，這一投資處于較富裕的農(nóng)民可以接受的范 圍內(nèi)。當然，這一技術(shù)只能伴隨著農(nóng)村經(jīng)濟實力的增長逐步推廣。集中供氣系統(tǒng)的經(jīng)營運作方式可有以下兩種： 既可作為村辦福利事業(yè)， 又可作為一個小型企 業(yè)獨立經(jīng)營。按照每公斤秸稈 0.06 元計算，燃氣成本約為 0.11 元 /m3。應(yīng)該指出， 上述兩種經(jīng)營運作方式均需要較完善的管理制度和計量手段， 包括燃料收購、 保 管、系統(tǒng)運行、燃氣計量、收費制度等。6社會效益和環(huán)境效益以熱解氣化方式實現(xiàn)低質(zhì)生物質(zhì)原料的高檔次利用， 其社會效益主要是使農(nóng)民用上方便清潔 的氣體燃料， 生活方式發(fā)生較大進步， 從而提高生活舒適文明程度， 節(jié)省用于炊事的勞動量和時間， 并使環(huán)境和庭院衛(wèi)生有一定改善。生物質(zhì)燃氣用作炊事燃料，能源利用率為35%，比直接燃用秸稈提高 2 倍左右，可惜在目前大量秸稈被廢棄的情況下，無法體現(xiàn)它的直接經(jīng)濟效益。但在我國林區(qū)，目前仍有大量木材當做炊 事燃料燒掉，若采用這項技術(shù)利用林區(qū)殘余物，則可能產(chǎn)生相當可觀的經(jīng)濟效益。生物質(zhì)資源的高