【正文】 依靠這些能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要。因此人們預(yù)言能量巨大、分布廣泛、可以再生、污染小的生物質(zhì)能將成為第四代能源的主流能源。 生物質(zhì)能是指直接或間接的通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量。自然狀態(tài)下的生物質(zhì)如秸稈，枝條散碎、細(xì)軟、含水率高、能量密度低、燃燒強(qiáng)度小，傳統(tǒng)的秸稈利用方式，不僅造成了生物質(zhì)資源的過 度使用和浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染。生物質(zhì)秸稈氣化和集中供氣技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村用能燃?xì)饣?，而且還實(shí)現(xiàn)了生物資源的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。 本文通過對(duì)生物秸稈氣化工程的參觀、研究、結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)資料比較系統(tǒng)的講解了生物質(zhì)氣化原理、工藝流程、氣化裝置及氣化氣的凈化等問題，并設(shè)計(jì)了下吸式氣化爐。 2 生物質(zhì)秸稈氣化技術(shù) 生物質(zhì)能 概述 生物質(zhì)能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能。據(jù)估計(jì)，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的 10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的 l%。這些未加以利用 的生物質(zhì)，為完成自然界的碳循環(huán)，其絕大部分由自然腐蝕將能量和碳素釋放回到自然界中。事實(shí)上，生物質(zhì)能源是人類利用最早、最多、最直接的能源，也是人 10 類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。至今，世界上仍有 15億以上的人口以生物質(zhì)作為生活能源。生物質(zhì)燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以高效地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔燃料，替代煤炭，石油和天然氣等燃料和生產(chǎn)電力。減少對(duì)礦物能源的依賴，保護(hù) 國家能源資源，減輕能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。專家認(rèn)為，生物質(zhì)能源將成為未來可持續(xù)能源的重要部分，到 2021 年，全球總能耗將有 40%來自生物質(zhì)能源。 生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。 生物質(zhì)的利用對(duì)我國的發(fā)展有重大的意義：我國是一個(gè)人口大國，又是一個(gè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的國家， 21世紀(jì)將面臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源對(duì)建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國民 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。開發(fā)利用生物質(zhì)能對(duì)中國農(nóng)村更具特殊意義。中國 80%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料。盡管煤炭等商品能源在農(nóng)村的使用迅速增加，但生物質(zhì)能仍占有重要地位。 1998 年農(nóng)村生活用能總量 億噸標(biāo)煤，其中秸稈和薪柴為 億噸標(biāo)煤，占 %。因此發(fā)展生物質(zhì)能技術(shù)，為農(nóng)村地區(qū)提供生活和生產(chǎn)用能，是幫助這些地區(qū)脫貧致富，實(shí)現(xiàn)小康目標(biāo)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 秸稈資源 秸稈是農(nóng)作物的剩余物，它是小麥、玉米、水稻等綠色植物在太陽輻射能的作用下吸收空氣中的二氧化碳 和土壤的水分進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而固定下來的一種生物質(zhì)能源。據(jù)不完全估計(jì)，全世界每年可產(chǎn)生近 20 億噸秸稈，作為農(nóng)業(yè)大國的中國，每年秸稈產(chǎn)量也有近 7億噸，其中產(chǎn)量最大的是稻秸，占總量的 %，主要分布在中南（如湖南、湖北、廣東、廣西）和華東地區(qū)（如江蘇、江西、浙江和安徽）及西南的部分省份（如四川等），其次是玉米秸，占總量的 %，主要分布在東北和華北（如河北、內(nèi)蒙古等）地區(qū)的各省及華東（如山東）和中南（如河南）的部分省份，小麥占總量的 %，主要分布在華東（如山東、江蘇、安徽）和中南（ 如河南）及華北（如河北）等地區(qū)，豆類秸稈占總量的 %，薯秧類占總量的 3 .47%，油料占總量的 %[1]。在中國農(nóng)村，秸稈被用作重要的生活資源，是一種重要的生物質(zhì)資源。植物學(xué)上把不能 11 食用的農(nóng)作物根、葉、莖統(tǒng)稱為秸稈，如玉米秸、高粱秸、棉花秸、豆秸、麥秸、稻秸等。其元素組成如表 1所示 ； 通常情況下含碳越高的秸稈發(fā)熱量越大，秸稈現(xiàn)階段的用途大致有以下幾個(gè)方面： （ 1）作為工業(yè)原料，主要用于工業(yè)造紙 （ 2）作為畜牧飼料 （ 3）造肥還田 （ 4）農(nóng)村生活能源 表 1 秸稈中元素組成及各自含量 表 2 1999年中國農(nóng)作物資源量 碳 氫 氧 氮 硫 磷 40— 60% 5— 6% 43— 50% — % — % — % 作物種類 產(chǎn)量 秸稈：糧食 秸稈數(shù)量 占秸稈總量比例 % 水稻 小麥 玉米 高粱 谷子 其它雜糧 大豆 薯類 花生 油菜 芝麻 向日葵 棉花 麻類 甘蔗 總計(jì) 100 12 其中牲畜飼料和農(nóng)村生活用能仍是秸稈利用的主要方面。分別占到秸稈總產(chǎn)出量的40%和 45%，秸稈還田及其它損失也占到總產(chǎn)出量的 %[1] ?，F(xiàn)將 1999 年中國秸稈農(nóng)作物資源量表（如表 2）。 秸稈資源分布及其特征如下：（ 1）總儲(chǔ)量大而人均占有量小。（ 2）地區(qū)分布不平衡，一半以上的秸稈資源集中在四川、河南、山東、安徽、江蘇、湖南、浙江、湖北等 9 個(gè)省，廣大的西北地區(qū)和其它省區(qū)秸稈量較少。（ 3）種類集中，水稻、小麥、玉米秸稈產(chǎn)量占總量的 %。 農(nóng)作物秸稈是生物質(zhì)的主要組 成部分，隨著科技的發(fā)展，秸稈氣化集中供氣為用農(nóng)作物秸稈解決農(nóng)村生產(chǎn)用能開辟了道路。我國生物質(zhì)氣化技術(shù)在 10多年的發(fā)展中已取得了可喜的成果。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的 ND 系列生物質(zhì)氣化爐，氣化效率達(dá) %，煤氣熱值達(dá) ，被用于烘干加熱、溫室供暖、動(dòng)力發(fā)電等取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。山東省能源研究所研制的 XFL— 600 型秸稈氣化爐和農(nóng)村集中供氣裝置，很好的解決了把農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化成使用方便、干凈衛(wèi)生的可燃?xì)猓⒓邢蜣r(nóng)戶供氣，既利用了過剩的秸稈，又改善了農(nóng)民的生活條件。 氣化 原理 生物質(zhì)氣化的基本原理是將生物質(zhì)原料加熱，生物質(zhì)原料進(jìn)入氣化爐后被干燥，伴隨著溫度的升高，析出揮發(fā)物，并在高溫下熱解，熱解后的氣體和炭，在氣化爐的氧化區(qū)與供入的氣化介質(zhì)（空氣、氧氣、水蒸氣等）發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒，燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應(yīng)，最終生成了含有一定量 CO、 H CH CmHn的混合氣體，去除焦油等雜質(zhì)后即可燃用。（其原理如圖 1所示）。 圖 1 氣化反應(yīng)過程原理 13 氣化過程包括三個(gè)階段：干燥、干餾、氧化和還原。實(shí)質(zhì)上是 燃料 的 燃燒過程，下面就重點(diǎn)闡述 燃料 的燃燒過程。 燃料的燃燒過程可以分作預(yù)熱、水分蒸發(fā) 、析出揮發(fā)物和焦炭燃燒等幾個(gè)階段。 C + O2 = CO2 + 408860 2C + O2 = 2CO + 246447 實(shí)際上在高溫下，當(dāng)氧與熾熱焦炭表面接觸時(shí)，一氧化碳與二氧化碳同時(shí)產(chǎn)生，基 4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO 3C + 2O2 = 2CO + CO2 這二種氣體產(chǎn)生量的多少由溫度的高低和空氣 供給量的多少而定， 9001200℃時(shí)主要按前式進(jìn)行反應(yīng)，在 1450 當(dāng)溫度較高 (超過 700℃時(shí) )，生成的一氧化碳向外擴(kuò)散時(shí)，遇到空氣中氧氣會(huì)繼續(xù)燃燒 2CO + O2 = 2CO2 + 570865 千焦 若溫度更高，則生成的二氧化碳在擴(kuò)散過程中遇到熾熱的碳就會(huì)產(chǎn)生碳的氣化反應(yīng)，這是一 CO2 + C = 2CO 162297 由于灶膛中尚有水蒸汽存在，它也會(huì)向焦碳 表面擴(kuò)散，當(dāng)它與熾熱焦炭相遇時(shí)，也 C + 2H2O = CO2 + 2H2 C + H2O = CO + H2 C + 2H2 = CH4 水蒸汽對(duì)碳的氣化比二氧化碳的作用快，所以灶膛中有適量的水蒸汽，可促進(jìn)固定 14 碳的燃燒 這種方法改變了生物質(zhì)原料的形態(tài)，使用更加方便，而且能量轉(zhuǎn)化效率比固態(tài)生物質(zhì)的直接燃燒有較大的提高。 氣化技術(shù)是目前生物質(zhì)能利用技術(shù)研究的熱門方向。典型的氣化工藝有以下 3種：干餾工藝、快速熱解工藝、氣化工藝。其中前兩 種適用于木材或木屑的熱解；后一種適用于作物（如玉米、棉花等）秸稈的氣化。 生物質(zhì)氣化工藝 生物質(zhì)氣化技術(shù)的一般工藝過程主要有四大組成系統(tǒng)，分別進(jìn)料系統(tǒng)、氣化反應(yīng)器（氣化爐）、氣化氣凈化系統(tǒng)、氣化氣處理系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)包括生物質(zhì)進(jìn)料、空氣進(jìn)料、水蒸氣進(jìn)料及其控制系統(tǒng)。氣化氣體凈化系統(tǒng)主要是除去產(chǎn)出氣體中的固體顆粒，可冷凝物及焦油，常用設(shè)備有旋風(fēng)分離器，水浴清洗及生物質(zhì)過濾器。后處理系統(tǒng)主要是氣化氣進(jìn)一步轉(zhuǎn)化利用的裝置。 3 秸稈氣化的參數(shù)及影響產(chǎn)氣質(zhì)量的因素分析 秸稈氣化參數(shù)及影響因素 秸稈氣化氣的主要成分是 CO、 H CH4等的可燃?xì)怏w。它們各自含量如下表： 表 3 氣化氣的主要成分及其含量 秸稈氣化的參數(shù)主要有粉塵灰分、熱值、焦油含量、 H2 、 CH4的含量等?，F(xiàn)就它們的影響因素做如下歸納： 粉塵、灰分：在氣化過程中，產(chǎn)生的大部分灰分由柵落入灰室，由旋風(fēng)分離器將其分離，它的含量與物料密度、氣流速度有很大關(guān)系；當(dāng)物料密度大時(shí)，粉塵少。氣化爐的不同種類也 對(duì)它的產(chǎn)生量有重要影響。一般灰分含量在 5%以內(nèi)，氣化爐就能可靠地運(yùn)行；對(duì)于固定床氣化爐來說，降低秸稈燃?xì)獾臍饬魉俣?，從灰渣層上方?cè)壁負(fù)壓吸出燃?xì)舛伎梢詼p少灰分。表 5說明了生物質(zhì)燃料種類不同，其氣化所產(chǎn)灰分的變化。 燃?xì)獬煞? H2 CH4 O2 CO CO2 % 15 20 20 12 15 表 4 不同原料氣化氣中灰分的含量 生物質(zhì)物料 木材 玉米秸稈 玉米芯 麥秸 棉柴 稻秸 灰分 % 3 1623 熱值：它是用來衡量每單位立方米氣體燃燒所放出熱量的多少。它受很多因素影響，如秸稈種類、物料含水量、物料密度、氣化爐種類等都能影響氣化氣的熱 值。 表 5 各種生物質(zhì)原料氣化后氣體的熱值 焦油： 焦油是生物質(zhì)氣化中不可避免的產(chǎn)物，它的生成量與溫度有很大關(guān)系，在 500。C時(shí)焦油產(chǎn)量是最高的。其次物料的含水量也是影響焦油的產(chǎn)量的重要因素，當(dāng)含水量大于 30%時(shí)，焦油的含量時(shí)顯增加。另外氣化爐的種類不同，同種物料參與氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的焦油量也不相同， H2： H2是氣化氣中可燃成分之一，在氣化氣中的含量占 15%左右 ，它含量的多少直接影響到氣化氣熱值。它與氣化爐種類，氣化原料的種類，以及物料含水量等的直接的關(guān)系，當(dāng)物料含水量低于 10%時(shí)， H2 的含量將下降。 CH4： CH4在氣化氣中是含量最大的可燃?xì)饨M成成分，同 H2一樣，它也受到氣化爐種類，氣化原料，物料含水量的影響。對(duì)于下吸式氣化爐而言，進(jìn)風(fēng)量的大小和喉口直徑大小及有無均對(duì) CH4含量有很大關(guān)系。 氣化爐各部位結(jié)構(gòu)尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣質(zhì)量。下吸式氣化爐由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，產(chǎn)出氣的焦油含量低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。 4 秸稈氣化 的設(shè)備 秸稈氣化集中供氣系統(tǒng) 燃 料 品 種 氣體低位熱值 kJ/m3 玉 米 秸 5405 棉 秸 5790 玉 米 芯 5351 麥 秸 3967 16 秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)基本模式為：以自然村為單元，系統(tǒng)規(guī)模為數(shù)十戶至上千戶，系統(tǒng)由三部分組成：秸稈的氣化機(jī)組，燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)和用戶燃?xì)庀到y(tǒng)。（工藝系統(tǒng)如圖2所示） 圖 2 系統(tǒng)工藝流程圖 1 螺旋輸送機(jī)； 2 氣化爐 3 旋風(fēng)分離器 4 噴淋凈化器 5 氣水分離器 6過濾器 7鼓風(fēng)機(jī) 8 水封 9 灶具 10 儲(chǔ)氣柜 鍘成小段的秸稈送入氣化器中經(jīng)過熱解氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)換成為可燃?xì)怏w，在凈 化器中除去燃?xì)庵泻械幕覊m和焦油等雜質(zhì)，由風(fēng)機(jī)送至氣柜中。氣化器、燃?xì)鈨艋骱惋L(fēng)機(jī)組成了秸稈氣化機(jī)組。氣柜的作用是儲(chǔ)存一定量的燃?xì)庖云胶庀到y(tǒng)燃?xì)庳?fù)荷的波動(dòng)，并提供一個(gè)始終恒定的壓力保證用戶燃?xì)庠罹叩姆€(wěn)定燃燒。離開氣柜的燃?xì)馔ㄟ^敷設(shè)在地下的塑料管網(wǎng)分配到系統(tǒng)中的每一用戶。用戶打開燃?xì)庥镁叩拈y門，就可以方便地使用燃?xì)?。系統(tǒng)中包括原料處理（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。生物質(zhì)燃?xì)獾娜紵栌脤Ｓ玫脑罹摺＝?jīng)過氣化，每公斤秸稈能產(chǎn)約2m3可燃?xì)?，一?4 口之家每天需燃?xì)饧s 5— 6立方 米，燃?xì)獬杀炯s 。 秸稈氣化工程從煤氣發(fā)生爐機(jī)組到用戶，全部工程主要有以下兩大部分：第一部分燃?xì)獍l(fā)生爐機(jī)組，機(jī)組主要由以下三部分組成： (1) 上料部分 經(jīng)過粉碎達(dá)到一定要求的秸稈，經(jīng)上料機(jī)送入氣化爐，上料機(jī)通常采用密封絞籠，對(duì)上料機(jī)的開啟和關(guān)閉，可以根據(jù)發(fā)生爐的用料要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落料。 (2) 氣化爐 即氣化的反應(yīng)室，被粉碎的秸稈在這里進(jìn)行受控燃燒和還原反應(yīng)，發(fā)生爐產(chǎn)生的燃?xì)猓写罅康慕褂秃突曳?，?yīng)對(duì)其進(jìn)行凈化處理。 (3) 燃?xì)獾膬艋? 主要