秸秆气化技术及集中供气系统

秸秆气化技术及集中供气系统（山东省科学院能源研究所）

我国秸秆资源大量消费和农村商品能源紧张的局面，已引起政府和社会的关注。这个问题又与农民生活质量的提高及农村生态环境的改善紧密相连。寻求秸秆利用的新模式，改变农村燃料结构，改进农民炊事方式，已成为广大科技人员研究的重要课题。

山东省科学院能源研究所致力于生物质热解气化和农户燃料的研究工作，承担国家“七五”、“八五”科技攻关课题，得到了农业部、国家科委的支持。研制成功的ＸＦＦ型生物质气化机组及集中供气系统的配套技术已进入商品化阶段并被列入山东省“星火”示范工程。从1994年开始，我们已建成桓台县陈庄乡东潘村、章丘市普集镇普西村等集中供气试点。连续运行表明，秸秆气化集中供气技术对处理大量的农作物秸秆、改善环境、提高农民生活水平、实现低质能源的高档次利用是可行的模式之一，有良好的推广开发前景。

生物质气化技术，是生物质原料在缺氧状态下燃烧和还原反应的能量转换过程，它可以将固体生物质原料转换成为使用方便而且清洁的可燃气体。生物质由碳、氢、氧等元素和灰分组成。当它们被点燃，只供应少量空气，并且控制其反应过程，使碳、氢元素变成由一氧化碳、氢气、甲烷等组成的可燃气体，秸秆中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。去除可燃气体中的灰分、焦油等杂质，通过供气系统将其送入农户家中，用户打开阀门，点燃燃气灶具，就可以烧水做饭了。

世界性的能源危机、环境污染以及生态平衡的破坏，使人类认识到不能无节制地向自然界索取能源，而应尽快建立能源利用的平衡机制。在世界范围内，人们已达成共识：以高新技术开发和利用生物质能源，代替石油、煤炭等矿物质能源，是解决能源与环境问题的重要途径之一。所以，生物质利用技术的研究与开发，受到世界各国政府与科学家的关注。近期国内外学者的研究方向主要是利用木材工业废弃物，产生可燃气体用于加热、烘干或发电。

我们的研究与其他学者的不同之处在于：（１）以农村量大面广的各种秸秆为主要气化原料；（２）以向农户供应炊事燃气为主要目的。通过“八五”期间的工作，在秸秆类低质生物质原料的热解气化技术方面形成了技术优势，证明这一研究方向技术上的可行性，并获得了进行经济分析的基础数据。１秸秆类低质生物原料的热解气化从化学性质上来说，秸秆的元素组成和木质类原料相比，除灰份较高因而热值稍低外，并无显著区别。其主要元素成份：炭、氢、氧含量基本相同，具有相当稳定的原子量比率。CH1-4O0-6，这个式子一般也作为气化反应时的生物质分子式。

生物质热解气化包括一系列复杂的燃烧、还原、裂解乃至聚合反应。这些反应变化在复杂的相平衡条件下相互影响，以至尚未有完善的反应模型进行描述。但在以空气为介质的固定床反应器中，其总的反应式可写成：CH1-4O0-6＋0.4O2+(1.5N2)?/FONT>0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)

下吸式固定床反应器的燃烧(氧化)反应和气化（还原）反应之间，存在着自平衡机制。即当燃烧反应强烈时，释放的热量提高了反应区温度，而这正巧提高了吸热的气化反应的速率，从而维持离开还原区的气体成份、温度基本稳定。下吸式反应器工艺设计的关键在于保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定。因此，秸秆气化从理论上说并不困难。过去之所以不能将气化工艺用于秸秆，主要是因为：（１）秸秆的堆积密度太小，使按体积计算的供料量太大，并使反应区热容小而且量较不稳定；（２）反应区易于搭桥、穿孔等；（３）炭粒细而散，影响反应区的透气性。研究工作的重点是通过大量实验，寻求合理的反应器结构形式和操作条件，提高反应区的热容量，以克服秸秆物理特性的缺点，保证稳定的反应床层和燃烧条件。通过实验和改进，所研究的气化反应器成功地气化了玉米秸、麦秸等低质生物原料，并在实验中扩展到棉秸、玉米芯和木质原料等，且均取得较满意的结果。

经过气化，每公斤秸秆可以产约2立方米可燃气。一户4口家每天约需燃气5～6立方米。我们生产的XFF型机组正在形成系列产品，能够满足各种规模村庄的供气。表1XFF气化机特性参数机组型号XFF-1000XFF-2500输出功率（MJ/h）10002500产热量（m3/h）200500燃气热值（KJ/m3）50005000气化效率（%）72722集中供气系统

由于生物质燃气在常温下不能液化，必须通过输气管网送至用户，因此集中供气系统的基本模式为：以自然村为单元，设置气化站（气柜设在气化站内），敷设宇航局网。系统中包括原料处理机（铡草机）、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。气柜的作用是贮存一定量燃气，调整炊事高峰时的用气，并保持恒定的压力，使燃气灶稳定工作，管网由埋于地下的主、支管路组成，采用硬质塑料可降低造价。进入厨房的管线用钢管。因燃气特性不同，生物质燃气的燃烧需用专用灶具。秸秆气化机组和集中供气系统的流程如图１所示。３低热值燃气的应用

在燃气燃烧方面，人们往往存在一种模糊的观念，认为燃气的热值越高，燃烧越旺，释放出来的热量越多。许多人认为，秸秆气化所产生的可燃气体，因其热值低，不适用于炊事用气，其实这是一种误解。根据燃烧学的理论，可燃气体的燃烧其实是可燃气与空气的混合物燃烧，而不仅仅是可燃气体本身的燃烧，真正燃烧的是燃气一空气混合物的热值。要实现完全燃烧，热值高的可燃气要相应地混合较多的空气，因此燃气一空气混合物的热值并不像大家想像的那么高。表２列出了几种典型燃气的低位热值、燃气完全燃烧所需的理论空气量以及混合气体的低位热值。从中我们可以看出，虽然天然气的低位热值是下吸式气化炉产生的秸秆燃气的７倍，但是其混合气的低位热值仅比其高23%；用作城市煤气的混合煤气，其低位热值是秸秆煤气的2倍，但是其混合气的低位热值却仅比其高18%。这就是说，在供给各种可燃气体适当的空气量，即理论空气量的情况下，它们燃烧所释放的热量相差不多。所以，我们必须做的工作是设计专门的灶