劉慶玉

一秸稈氣化技術(shù)概述

1引言

氣化技術(shù)是將農(nóng)林廢棄物在缺氧或厭氧條件下，經(jīng)過熱化學(xué)反應(yīng)，生成CH₄、CO、H₂等可燃?xì)怏w，用于農(nóng)村居民的炊事及采暖，亦可用于發(fā)電。

該技術(shù)使秸稈在作為燃料使用時(shí)的熱效率大大提高，使能量得到更充分地利用，并減少了環(huán)境污染，對開展節(jié)能減排具有重要的意義。

上世紀(jì)90年代，在國家支持下曾在山東和河南兩省進(jìn)行了“秸稈氣化集中供氣工程”試點(diǎn)建設(shè)，但終因技術(shù)、系統(tǒng)配置等問題曾一度中斷。

隨著新農(nóng)村建設(shè)，以村為單元的秸稈氣化集中供氣工程近年來在全國相繼展開。

截至2007年底，全國已建設(shè)了秸稈集中供氣站886處。其中遼寧省累計(jì)建264處。

根據(jù)農(nóng)業(yè)部《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(2007～2015)；到2010年，結(jié)合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，全國建成1000處左右秸稈氣化集中供氣站，年產(chǎn)秸稈燃?xì)?.65億m³；到2015年，建成2000處左右秸稈氣化集中供氣站，年產(chǎn)秸稈燃?xì)?.3億m³。

2技術(shù)原理

3工藝流程

系統(tǒng)組成：切碎機(jī)、上料裝置、氣化爐、旋風(fēng)分離器、冷卻器、過濾器、風(fēng)機(jī)、水封器、貯氣罐等。(圖5)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的工藝流程，圖6。

4存在問題

(1)燃?xì)鉄嶂档?/p>

《2)焦油含量高：焦油會(huì)堵塞、污染和腐蝕燃?xì)夤艿?、燃?xì)庠罹摺?/p>

5焦油去除技術(shù)簡介

(1)焦油產(chǎn)生原因

在氣化過程中，隨著熱量的投入，生物質(zhì)溫度不斷升高。當(dāng)溫度升到200℃時(shí)，生物質(zhì)開始熱解，并有焦油產(chǎn)生。隨著溫度的升高，熱解產(chǎn)物的焦油增加，當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，焦油的含量達(dá)到最高。溫度繼續(xù)升高伴隨著停留時(shí)間的增長，當(dāng)溫度達(dá)到600℃以后，焦油會(huì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并發(fā)生熱解，焦油的含量呈下降趨勢。

在秸稈氣化過程中，焦油的最終含量與氣化爐結(jié)構(gòu)和氣體后期處理工藝有關(guān)。

在逆流式氣化工藝中，即氣化原料由氣化爐上部加入，氣化劑由下部送風(fēng)口進(jìn)入。熱解過程中生成的含

有焦油的揮發(fā)分未經(jīng)過高溫區(qū)發(fā)生裂解，燃?xì)庵械慕褂秃枯^高。在順流式工藝中氣化原料和氣化劑均由氣化爐上部送入，燃?xì)鈴南虏恳?，燃?xì)庵械母绅s產(chǎn)物在經(jīng)過高溫燃燒區(qū)時(shí)會(huì)發(fā)生裂解，故燃?xì)庵薪褂秃枯^低。

總的看來，最終還是由于溫度的影響，導(dǎo)致焦油的含量不同。

(2)焦油去除技術(shù)

秸稈氣化焦油去除技術(shù)主要可分為：濕式除焦法、干式除焦法、催化裂解法、熱裂解法

①濕式除焦法

濕式除焦法又稱為水洗法，是秸稈氣化燃?xì)鈨艋夹g(shù)中最普遍的方法。

濕式除焦法會(huì)產(chǎn)生大量的廢水(包括大量的有機(jī)不溶物、無機(jī)酸、NH₃和金屬等)，不能隨意排放，而且其后續(xù)處理過程非常繁瑣，操作費(fèi)用也較高。

②干式除焦法

干式除焦法利用過濾原理，也稱為過濾法。是將吸附性強(qiáng)的材料(活性炭、濾紙、陶瓷芯、粉碎的玉米芯等)裝在容器中，當(dāng)燃?xì)獯┻^吸附材料，把其中的焦油過濾出來。利用精密過濾材料分離可將0.1～1μm的微粒有效捕集下來。除焦油效率高(94.9％～98％)，但其成本高，維護(hù)困難。

③熱裂解法

由于焦油在較高的溫度下會(huì)發(fā)生深度裂解。高溫下，大分子化合物轉(zhuǎn)化成小分子氣態(tài)化合物。這種處理方法對焦油的去除效果很好。但是由于熱裂解一般在溫度大于1100℃以上，對設(shè)備材質(zhì)的要求很高，且裂解能耗

大、費(fèi)用高。因此，單獨(dú)用熱裂解去除焦油不現(xiàn)實(shí)。而且還容易生成焦炭。

在實(shí)際生產(chǎn)中常通過加入水蒸氣和氧化性物質(zhì)來降低焦油含量。其原理是利用水蒸氣或氧化性物質(zhì)與焦油中的某些組分反應(yīng)生成CO、H₂和CH₄等可燃?xì)怏w，從而減少焦炭的生成。

④催化裂解法

由于熱裂解需要較高的溫度，在實(shí)際生產(chǎn)中很難達(dá)到，采用添加催化劑的方法來降低焦油轉(zhuǎn)化所需活化能，從而使焦油在較低的溫度(700～900℃)下就能去除。催化裂解焦油去除效率可以達(dá)到90％以上，因此是目前最有潛力一種焦油脫除方法，已經(jīng)成為該領(lǐng)域中研究的重點(diǎn)。

6焦油回收利用

焦油經(jīng)過提煉，得到焦油瀝青，可以用作瀝青油漆、吸附劑、防腐涂料等；焦油中還可以提取萘、炭黑等；焦油可用作防水材料或化工原料。

二項(xiàng)目情況介紹

1項(xiàng)目來源

近年來，隨著技術(shù)的不斷完善和市場的廣，焦油除去技術(shù)已得到了進(jìn)一步提高。為更好地推廣秸稈氣化工程，掌握現(xiàn)有的氣化設(shè)備焦油去除效果以及焦油去除技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對該技術(shù)進(jìn)行評(píng)估和篩選，為政府有關(guān)部門制定發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)政策提供參考依據(jù)，為此沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院承擔(dān)了2008年農(nóng)村能源綜合建設(shè)項(xiàng)目“秸稈氣化工程焦油去除技術(shù)評(píng)估”(農(nóng)財(cái)發(fā)[2008]55號(hào)文，項(xiàng)目編號(hào)2008011)。

2項(xiàng)目的主要內(nèi)容

(1)對目前技術(shù)上具有代表性的秸稈氣化設(shè)備生產(chǎn)廠家、相關(guān)的科研院所調(diào)研。目的在于考察秸稈氣化設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)水平，比較分析各種焦油去除技術(shù)特點(diǎn)，評(píng)價(jià)秸稈氣化設(shè)備焦油去除技術(shù)水平。

(2)針對秸稈氣化工程應(yīng)用比較集中的遼寧、山西、北京、天津、江蘇、黑龍江、山東、河南等8個(gè)省區(qū)不同焦油去除技術(shù)的秸稈氣化站進(jìn)行現(xiàn)場考察。評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果，找出建設(shè)中存在的問題。

3項(xiàng)目實(shí)施方案

目前全國有一定規(guī)模的秸稈氣化設(shè)備生產(chǎn)廠家約有100余家。截至2007年底，全國已建設(shè)了秸稈集中供氣站886處，主要分布在遼寧、山西、北京、天津、江蘇、黑龍江、山東、河南等省市?？紤]到秸稈氣化設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)不同的地域分布和工藝類型特點(diǎn)，選擇了有代表性的10家秸稈氣化設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和12個(gè)秸稈氣化站進(jìn)行調(diào)研。同時(shí)組織了中國科學(xué)院廣州能源研究所和遼寧省能源研究所的有關(guān)專家進(jìn)行了研討。

(1)調(diào)查樣本的選擇原則

企業(yè)的專業(yè)性：設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力、施工能力。

氣化工藝特點(diǎn)：有代表性的工藝類型。

(2)技術(shù)指標(biāo)確定

系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)包括戶用規(guī)模、技術(shù)類型、技術(shù)特點(diǎn)、額定產(chǎn)氣量、氣化效率、燃?xì)獾臀粺嶂?、氣化溫度、產(chǎn)物成分、技術(shù)的更新情況、焦油的含量等。

氣化效率、燃?xì)獾牡臀粺嶂蛋碞Y／T12—1985和GB12206-1990規(guī)定進(jìn)行測定：氧、硫化氫、一氧化碳的含量按GB／T12205-1990和GB／T12211—1990規(guī)定進(jìn)行測定：焦油含量按GB12208-1990規(guī)定進(jìn)行測定。

三項(xiàng)目結(jié)果分析

1氣化工藝選擇

由于下吸式固定床氣化過程可以二次裂解焦油，可有效地降低產(chǎn)物中焦油的含量。因此目前應(yīng)用的工藝以

下吸式固定床式發(fā)生器為主。

2氣化效率

氣化效率均達(dá)到70％以上，符合NY／T12-1985和GB12206-1990的規(guī)定，其中氣化設(shè)備氣化效率最高可達(dá)(87.2％)。(圖7)

3氣化介質(zhì)及原料

介質(zhì)：主要有空氣和水蒸氣兩種，以空氣介質(zhì)為主。

原料：秸稈氣化技術(shù)使用的原料比較廣泛，主要以農(nóng)作物秸稈和林業(yè)廢棄物為主。原料除稻殼、木屑外大都采用了粉碎或成型等工藝，以粉碎為主，粒徑在5mm～30mm之間。原料預(yù)處理對秸稈燃?xì)庵械慕褂秃坑绊戄^小，主要影響氣化效率。

4焦油去除工藝選擇

目前秸稈氣化焦油去除工藝大都采用傳統(tǒng)方式，其中以混合工藝為主。但在干式過濾工藝中有較大的改進(jìn)。尤其是過濾材料的選擇上。催化裂解工藝尚不成熟，有待進(jìn)一步開發(fā)。(圖8)

5爐體出口焦油含量

由于氣化工藝的選擇不同，氣化爐出口處的焦油含量差別很大，提高反應(yīng)溫度或進(jìn)行二次裂解處理的氣化爐焦油含量顯著降低。爐體出口焦油含量最低達(dá)到25rag／Nm3。(圖9)

6灶前焦油含量

灶前燃?xì)庵薪褂秃孔畲鬄?5mg／Nm³，70％系統(tǒng)灶前燃?xì)庵薪褂偷暮康扔诨虻陀?0mg／Nm³。(圖10)

7焦油去除率

采用干式、濕式及熱裂解相結(jié)合的去除方式可達(dá)焦油去除率80％以上，大都在70％以上。(圖11)

8焦油回收情況

除干餾氣化工藝以焦油做副產(chǎn)品回收外，焦油目前存放的方式為自然堆放；未經(jīng)無害化處理直接填埋；焦油水，未經(jīng)處理采用滲漏補(bǔ)水的方式較多，有處理設(shè)備較少(用處理設(shè)備更少)。

四項(xiàng)目效益分析(表1)

1經(jīng)濟(jì)效益

運(yùn)行成本，燃?xì)獍闯杀举M(fèi)0.26元／m³。如以成本價(jià)出售，每戶每年需支出燃?xì)忾_支468元，每月平均39.0元。但考慮到氣站所用原料均由各戶收取。各戶出售秸稈的收入應(yīng)折抵部分燃?xì)赓M(fèi)，平均每戶交售秸稈收入為54元，因此平均每戶每年實(shí)際燃?xì)庵С鰹?14元，平均每月34.5元。相比之下：使用液化氣時(shí)，每戶每月50元(按一瓶用兩個(gè)月計(jì)算)。

2社會(huì)和環(huán)境效益

生物質(zhì)直接燃燒應(yīng)用的熱能利用率在10％左右，而秸稈氣化可將能量利用率提高到20％～35％：按每立方米秸稈燃?xì)馓娲?.25Kg標(biāo)煤計(jì)算，每年每戶用氣2190m³，可替代547.5kg標(biāo)煤，200戶一年可減少煤炭消耗近109.5噸標(biāo)煤，對于二氧化硫和二氧化碳的減排的環(huán)境效益具有更重要的意義。

五存在的問題及建議

1秸稈氣化設(shè)備生產(chǎn)、工程建設(shè)等環(huán)節(jié)缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

(1)目前關(guān)于秸稈氣化的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中只有：《NY／T443-2001秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗(yàn)收規(guī)范》，“焦油含量不大于50mg／Nm³”的標(biāo)準(zhǔn)焦油含量明顯偏大?！禢YT1017-2006秸稈氣化裝置和系統(tǒng)測試方法》涉及焦油含量。而《GB12208-1990城市燃?xì)庵薪褂秃突覊m含量的測定方法》規(guī)定的焦油測定方法，由于秸稈燃?xì)馐苋拥攸c(diǎn)《爐體出口、氣柜前、氣柜后、灶前)及取樣時(shí)間(運(yùn)行中還是停爐后)都有很大的不同，不適合秸稈氣化。

(2)缺乏相關(guān)的設(shè)備生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致氣化設(shè)備良莠不齊。存在質(zhì)量和安全方面隱患。

(3)缺乏相應(yīng)的施工規(guī)范，導(dǎo)致建設(shè)質(zhì)量的控制。

2焦油及其廢水排放引起的環(huán)境污染問題

由于焦油收集、處理方式目前存在一定的困難，隨著技術(shù)的推廣應(yīng)用對環(huán)境必將產(chǎn)生新的污染。

3秸稈氣化的安全問題

秸稈燃?xì)馐且兹家妆瑲?，需要采取避雷、防爆等措施，特別是秸稈氣化站目前不納入消防管理范圍內(nèi)，給秸稈氣化站的消防安全帶來很大困難。

CO中毒：CO是一種無色無味的氣體，不易察覺，極易使人中毒，空氣中含量0.1％時(shí)，一小時(shí)就會(huì)覺頭痛，嘔吐：含量達(dá)到0.5％時(shí)，30分鐘就會(huì)造成人員死亡，含量達(dá)到1％時(shí)。兩分鐘就會(huì)致人死亡。

4秸稈氣化工藝形式單一

秸稈氣化技術(shù)工藝仍以下吸式固定床為主，比較單一。介質(zhì)主要是空氣，秸稈氣化燃?xì)鉄嶂递^低(6000kJ／m³左右)。

5工程建設(shè)質(zhì)量保障問題

遼寧省秸稈氣化工程采用監(jiān)理制，可為項(xiàng)目發(fā)展提供借鑒。