【正文】 遠遠不能滿足國民經(jīng)濟的發(fā)展需要。因此人們預言能量巨大、分布廣泛、可以再生、污染小的生物質能將成為第四代能源的主流能源。 生物質能是指直接或間接的通過綠色植物的光合作用，把太陽能轉化為化學能后固定和貯藏在生物體內的能量。自然狀態(tài)下的生物質如秸稈，枝條散碎、細軟、含水率高、能量密度低、燃燒強度小，傳統(tǒng)的秸稈利用方式，不僅造成了生物質資源的過度使用和浪費，還會造成環(huán)境污染。生物質秸稈氣化和集中 供氣技術不僅實現(xiàn)了農(nóng)村用能燃氣化，而且還實現(xiàn)了生物資源的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。 本文通過對生物秸稈氣化工程的參觀、研究、結合國內外已發(fā)表的有關資料比較系統(tǒng)的講解了生物質氣化原理、工藝流程、氣化裝置及氣化氣的凈化等問題，并設計了下吸式氣化爐。 2 生物質秸稈氣化技術 生物質能 概述 生物質能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能。據(jù)估計，植物每年貯存的能量約相當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，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。事實上，生物質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總量第四位的能源，在整個能源系統(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作為生活能源。生物質燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下，而且勞動強度大，污染嚴重。通過生物質能轉換技術可以高效地利用生物質能源，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。減少對礦物能源的依賴，保護國家能源資源，減輕能源消費給環(huán)境造成的污染。專家認為 ，生物質能源將成為未來可持續(xù)能源的重要部分，到 2022年，全球總能耗將有 40%來自生物質能源。 生物質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總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。 生物質的利用對我國的發(fā)展有重大的意義：我國是一個人口大國，又是一個經(jīng)濟迅速發(fā)展的國家， 21世紀將面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力。因此改變能源生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質能等可再生的清潔能源資源對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。開發(fā)利用生物質能對中 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，但生物質能仍占有重要地位。 1998 年農(nóng)村生活用能總量 ，其中秸稈和薪柴為 ，占 %。因此發(fā)展生物質能技術，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，實現(xiàn)小康目標的一項重要任務。 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行光合作用轉化為化學能，而固定下來的一 種生物質能源。據(jù)不完全估計，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資源。植物學上把不能 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 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。我國生物質氣化技術在 10多年的發(fā)展中已取得了可喜的成果。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的 ND系列生物質氣化爐，氣化效率達 %，煤氣熱值達 ，被用于烘干加熱、溫室供暖、動力發(fā)電等取得了較好的經(jīng)濟效益。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)作物秸稈轉化成使用方便、干凈衛(wèi)生的可燃氣，并集中向農(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 生物質氣化的基本原理是將生物質原料加熱，生物質 原料進入氣化爐后被干燥，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（空氣、氧氣、水蒸氣等）發(fā)生氧化反應并燃燒，燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應，最終生成了含有一定量 CO、 H CH CmHn的混合氣體，去除焦油等雜質后即可燃用。（其原理如圖 1 所示）。 圖 1 氣化反應過程原理 13 氣化過程包括三個階段：干燥、干餾、氧化和還原。實質上是 燃料 的燃燒過程，下面就重點闡述 燃料 的燃燒過程。 燃料的燃燒 過程可以分作預熱、水分蒸發(fā) 、析出揮發(fā)物和焦炭燃燒等幾個階段。 C + O2 = CO2 + 408860 2C + O2 = 2CO + 246447 實際上在高溫下，當氧與熾熱焦炭表面接觸時，一氧化碳與二氧化碳同時產(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℃時主要按前式進行 反應，在 1450 當溫度較高 (超過 700℃時 )，生成的一氧化碳向外擴散時，遇到空氣中氧氣會繼續(xù)燃燒 2CO + O2 = 2CO2 + 570865千焦 若溫度更高，則生成的二氧化碳在擴散過程中遇到熾熱的碳就會產(chǎn)生碳的氣化反應，這是一 CO2 + C = 2CO 162297 由于灶膛中尚有水蒸汽存在，它也會向焦碳表面擴散，當它與熾熱焦炭相遇時，也會產(chǎn)生碳的氣化，產(chǎn) C + 2H2O = CO2 + 2H2 C + H2O = CO + H2 C + 2H2 = CH4 水蒸汽對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，可促進固定 14 碳的燃燒 這種方法改變了生物質原料的形態(tài)，使用更加方便，而且能量轉化效率比固態(tài)生物質的直接燃燒有較大的提高。 氣化技術是目前生物質能利用技術研究的熱門方向。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。 生物質氣化工藝 生物質氣化技術的一般工藝過程主要有四大組成系統(tǒng)，分別進料系統(tǒng)、氣化反應器（氣化爐）、氣化氣凈化系統(tǒng)、氣化氣處理系統(tǒng)。進料系統(tǒng)包括生物質進料、空氣進料、水蒸氣進料及其控制系統(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，常用設備有旋風分離器，水浴清洗及生物質過濾器。后處理系統(tǒng)主要是氣化氣進一步轉化利用的裝置。 3 秸稈氣化的參數(shù)及影響產(chǎn)氣質量的因素分析 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等的可燃氣體 。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，由旋風分離器將其分離，它的含量與物料密度、氣流速度有很大關系；當物料密度大時，粉塵少。氣化爐的不同種類也對它的產(chǎn)生量有重要影響。一般灰分含量在 5%以內，氣化 爐就能可靠地運行；對于固定床氣化爐來說，降低秸稈燃氣的氣流速度，從灰渣層上方側壁負壓吸出燃氣都可以減少灰分。表 5說明了生物質燃料種類不同，其氣化所產(chǎn)灰分的變化。 燃氣成分 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 各種生物質原料氣化后氣體的熱值 焦油： 焦油是生物質氣化中不可避免的產(chǎn)物，它的生成量與溫度有很大關系，在 500。C時焦油產(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，當含水量大于 30%時，焦油的含量時顯增加。另外氣化爐的種類不同，同種物料參與氣化反應所產(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系，當物料含水量低于 10%時， H2 的含量將下降。 CH4： CH4在氣化氣中是含量最大的可燃氣組成成分，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。對于下吸式氣化爐而言，進風量的大小和喉口直徑大小及有無均對 CH4含量有很大關系。 氣化爐各部位結構尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣質量。下吸式氣化爐由于具有結構簡單，易于操作，產(chǎn)出氣的焦油含量低等優(yōu)點得到了廣泛應用。 4 秸稈氣化的設備 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：秸稈的氣化機組，燃氣輸配系統(tǒng)和用戶燃氣系統(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； 2 氣化爐 3 旋風分離器 4 噴淋凈化器 5 氣水分離器 6過濾器 7鼓風機 8 水封 9 灶具 10 儲氣柜 鍘成小段的秸稈送入氣化器中經(jīng)過熱解氣化反應轉換成為可燃氣體，在凈化器中除去燃氣中含有的灰塵和焦油等雜質，由風機送至氣 柜中。氣化器、燃氣凈化器和風機組成了秸稈氣化機組。氣柜的作用是儲存一定量的燃氣以平衡系統(tǒng)燃氣負荷的波動，并提供一個始終恒定的壓力保證用戶燃氣灶具的穩(wěn)定燃燒。離開氣柜的燃氣通過敷設在地下的塑料管網(wǎng)分配到系統(tǒng)中的每一用戶。用戶打開燃氣用具的閥門，就可以方便地使用燃氣。系統(tǒng)中包括原料處理（鍘草機）、上料裝置、氣化機組、風機、氣柜、安全裝置、管網(wǎng)和灶具等設備。生物質燃氣的燃燒需用專用的灶具。經(jīng)過氣化，每公斤秸稈能產(chǎn)約2m3可燃氣，一戶 4口之家每天需燃氣約 5— 6 立方米，燃氣成本約 。 秸稈氣化工程從煤氣 發(fā)生爐機組到用戶，全部工程主要有以下兩大部分：第一部分燃氣發(fā)生爐機組，機組主要由以下三部分組成： (1) 上料部分 經(jīng)過粉碎達到一定要求的秸稈，經(jīng)上料機送入氣化爐，上料機通常采用密封絞籠，對上料機的開啟和關閉，可以根據(jù)發(fā)生爐的用料要求，實現(xiàn)自動落料。 (2) 氣化爐 即氣化的反應室，被粉碎的秸稈在這里進行受控燃燒和還原反應，發(fā)生爐產(chǎn)生的燃氣，含有大量的焦油和灰分，應對其進行凈化處理。 (3) 燃氣的凈化 主要是清除氣體中的焦油和灰份