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(guó)秸稈資源大量消費(fèi)和農(nóng)村商品能源緊張的局面，已引起政府和社會(huì)的關(guān)注。這個(gè)問(wèn)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(jìn)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(dān)國(guó)家“七五”、“八五”科技攻關(guān)課題，得到了農(nóng)業(yè)部、國(guó)家科委的支持。研制成功的ＸＦＦ型生物質(zhì)氣化機(jī)組及集中供氣系統(tǒng)的配套技術(shù)已進(jìn)入商品化階段并被列入山東省“星火”示范工程。從1994年開(kāi)始，我們已建成桓臺(tái)縣陳莊鄉(xiāng)東潘村、章丘市普集鎮(zhèn)普西村等集中供氣試點(diǎn)。連續(xù)運(yùn)行表明，秸稈氣化集中供氣技術(shù)對(duì)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(shí)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(kāi)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(guò)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?xì)怏w。生物質(zhì)由碳、氫、氧等元素和灰分組成。當(dāng)它們被點(diǎn)燃，只供應(yīng)少量空氣，并且控制其反應(yīng)過(guò)程，使碳、氫元素變成由一氧化碳、氫氣、甲烷等組成的可燃?xì)怏w，秸稈中大部分能量都轉(zhuǎn)移到氣體中，這就是氣化過(guò)程。去除可燃?xì)怏w中的灰分、焦油等雜質(zhì)，通過(guò)供氣系統(tǒng)將其送入農(nóng)戶家中，用戶打開(kāi)閥門，點(diǎn)燃燃?xì)庠罹?，就可以燒水做飯了?/p>

世界性的能源危機(jī)、環(huán)境污染以及生態(tài)平衡的破壞，使人類認(rèn)識(shí)到不能無(wú)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(jī)制。在世界范圍內(nèi)，人們已達(dá)成共識(shí)：以高新技術(shù)開(kāi)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(wèn)題的重要途徑之一。所以，生物質(zhì)利用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，受到世界各國(guó)政府與科學(xué)家的關(guān)注。近期國(guó)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?xì)怏w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?dú)饣?；（２）以向農(nóng)戶供應(yīng)炊事燃?xì)鉃橹饕康摹Ｍㄟ^(guò)“八五”期間的工作，在秸稈類低質(zhì)生物質(zhì)原料的熱解氣化技術(shù)方面形成了技術(shù)優(yōu)勢(shì)，證明這一研究方向技術(shù)上的可行性，并獲得了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(dāng)穩(wěn)定的原子量比率。CH1-4O0-6，這個(gè)式子一般也作為氣化反應(yīng)時(shí)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(jìn)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(xiě)成：CH1-4O0-6＋0.4O2+(1.5N2)?/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(jī)制。即當(dāng)燃燒反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，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(kāi)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(jì)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(shuō)并不困難。過(guò)去之所以不能將氣化工藝用于秸稈，主要是因?yàn)椋海ǎ保┙斩挼亩逊e密度太小，使按體積計(jì)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(xì)而散，影響反應(yīng)區(qū)的透氣性。研究工作的重點(diǎn)是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)，保證穩(wěn)定的反應(yīng)床層和燃燒條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，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(shí)驗(yàn)中擴(kuò)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(guò)氣化，每公斤秸稈可以產(chǎn)約2立方米可燃?xì)?。一?口家每天約需燃?xì)?～6立方米。我們生產(chǎn)的XFF型機(jī)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1XFF氣化機(jī)特性參數(shù)機(jī)組型號(hào)XFF-1000XFF-2500輸出功率（MJ/h）10002500產(chǎn)熱量（m3/h）200500燃?xì)鉄嶂担↘J/m3）50005000氣化效率（%）72722集中供氣系統(tǒng)

由于生物質(zhì)燃?xì)庠诔叵虏荒芤夯?，必須通過(guò)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(jī)（鍘草機(jī)）、上料裝置、氣化機(jī)組、風(fēng)機(jī)、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?xì)?，調(diào)整炊事高峰時(shí)的用氣，并保持恒定的壓力，使燃?xì)庠罘€(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(jià)。進(jìn)入廚房的管線用鋼管。因燃?xì)馓匦圆煌?，生物質(zhì)燃?xì)獾娜紵栌脤Ｓ迷罹?。秸稈氣化機(jī)組和集中供氣系統(tǒng)的流程如圖１所示。３低熱值燃?xì)獾膽?yīng)用

在燃?xì)馊紵矫?，人們往往存在一種模糊的觀念，認(rèn)為燃?xì)獾臒嶂翟礁撸紵酵?，釋放出?lái)的熱量越多。許多人認(rèn)為，秸稈氣化所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，因其熱值低，不適用于炊事用氣，其實(shí)這是一種誤解。根據(jù)燃燒學(xué)的理論，可燃?xì)怏w的燃燒其實(shí)是可燃?xì)馀c空氣的混合物燃燒，而不僅僅是可燃?xì)怏w本身的燃燒，真正燃燒的是燃?xì)庖豢諝饣旌衔锏臒嶂?。要?shí)現(xiàn)完全燃燒，熱值高的可燃?xì)庖鄳?yīng)地混合較多的空氣，因此燃?xì)庖豢諝饣旌衔锏臒嶂挡⒉幌翊蠹蚁胂竦哪敲锤摺１恚擦谐隽藥追N典型燃?xì)獾牡臀粺嶂?、燃?xì)馔耆紵璧睦碚摽諝饬恳约盎旌蠚怏w的低位熱值。從中我們可以看出，雖然天然氣的低位熱值是下吸式氣化爐產(chǎn)生的秸稈燃?xì)獾模繁?，但是其混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(shuō)，在供給各種可燃?xì)怏w適當(dāng)?shù)目諝饬?，即理論空氣量的情況下，它們?nèi)紵尫诺臒崃肯嗖畈欢?。所以，我們必須做的工作是設(shè)計(jì)專門的灶