秸秆综合利用技术(与工艺).ppt

秸秆综合利用技术 与工艺 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状二 秸秆压缩成型与炭化技术三 秸秆热解气化技术四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术五 秸秆综合利用技术展望 1 可再生秸秆能简介 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 一次能源中秸秆能点 1 国内外秸秆利用发展状况 矿物能源危机和环保问题的日趋严重 可再生秸秆能 地球上最丰富 可储运 可转换 有矿物燃料属性 世界各国对可再生秸秆能的合理利用问题越来越重视 2050年 预测秸秆能将占全球燃料直接用量的38 全球电力的17 1990年 全世界的一次能源中 秸秆能点13 1年55 108J 处于第四位 2 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 目前 发展中国家38 的能源来自秸秆能 不少发达国家也大量使用秸秆能 农作物秸秆是秸秆能的重要组成部分 占秸秆能的50 以上 因而 得到世界各国广泛而有效的利用 美国 现在利用的秸秆能占全国能耗的4 差不多与核能相当 计划近几年增加到12 20 欧洲 能源消耗结构中秸秆能占到20 30 其中丹麦达35 38 芬兰达18 瑞典达16 奥地利达10 且有不断增长的趋势 利用方法 a 直接燃烧 b 转换成气体燃料 d 转换成高效固体成型燃料 g 做饲料等 c 转换成夜体燃料 f 机械化还田 e 厌氧发酵制取沼气 3 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 许多国家为了提高秸秆直接燃烧的热效率 研究出许多装置 美国研制的流化床式燃烧器 可以大大提高秸秆的燃烧效率 欧洲一些国家燃烧秸秆和其它秸秆能的锅炉已经商品化 中小型锅炉的热效率已达70 印度等一些发展中国家 在农村普遍推广节柴灶 热效率已达到30 以上 农作物秸秆的气化技术在国外越来越受到重视 加拿大投放市场的三种秸秆气化炉 M 8505 M 8010 M 8620 每小时可分别产生526 1053 2090万kJ的热量 它们可以利用秸秆 玉米芯 果壳 锯末 木片和粮食加工的下脚料为燃料 制取煤气替代燃气 驱动内燃机发电 一年可运行6000h 节省50 的费用 利用农牧物秸秆制取酒精或轻质燃油的技术在国外也发展很快 德国研制的两步秸秆液化装置 可以对秸秆 木屑等秸秆进行液化处理 生产中质 轻质燃油和酒精燃料 巴西用发酵的方法从秸秆中生产酒精的技术已达到实用阶段 处于世界先进行列 酒精产量已从原来的51万t 猛增到273万t 并在全国统一实施了汽油里掺入1 5酒精的混合燃料制 北欧的瑞典 挪威 芬兰等国造纸工业发达 采用亚硫酸盐纸废液发酵生产酒精的比例很大 4 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 秸秆等物质致密成型和炭化技术受到国外发达国家的普遍重视 这些国家投入大量的资金和技术力量研究开发致密成型和炭化技术及设备 并走在了该领域的前沿 美国建有9个生产能力250t d的生产厂 另有16个州兴建了日产量为300t的树皮成型燃料加工厂 日本截止1987年就有十几个颗粒燃料工厂投入运行 年产秸秆颗粒燃料十几万吨 其中具有代表性的企业及其生产性能状况表1 表1日本秸秆颗粒成型机产量及能耗 5 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 意大利 丹麦 法国 德国 瑞典 瑞士等欧洲国家建有秸秆颗粒燃料工厂30多家 机械冲压式成型燃料工厂40多家 意大利的阿基普公司开发出一种类似于玉米联合收割机那样的大型秸秆秸秆收获 致密 成型机械 能够直接在田间将秸秆收割 切碎 榨汁 烘干 成型 生产出瓦棱状固体成型燃料 其生产率可达1hm2 h 在产业发展的同时 国外开发出多种秸秆燃料成型机 见表2 表2国外部分秸秆压块成型机主要性能指标 6 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 续表2国外部分秸秆压块成型机主要性能指标 7 1 国外秸秆利用发展概况 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 利用农作物秸秆制取沼气的研究在许多国家取得了成果 美国研究的秸秆两步发酵工艺 先对秸秆进行酸化处理 然后再厌氧发酵制取沼气 不仅大大提高了沼气发酵装置的产气率 而且减少了秸秆在装置中的滞留时间 欧共体各国建有600多座大中型沼气工程 其中绝大多数可用秸秆产生沼气 国外秸秆还田大多采用机械化作业方式 在收获主产品的同时 将秸秆切成短截 均匀地撒在农田里 然后翻埋以增加土壤的有机质 秸秆氨化处理后作饲料 在一些国家得以广泛地推广 丹麦秸秆氨化率达20 推动了养殖业的发展 8 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 我国秸秆资源 我国地大物博 人口众多 农作物秸秆资源拥有量无疑在世界上是最多的 同时 我国秸秆资源具有显著特征 a 总储量大而人均占有量小 我国幅员辽阔 太阳能资源丰富 全国约有2 3以上的陆地面积日照时间长 辐射强度高 据全国近700个观测站的实测资料 全国各地太阳能年辐射总量在335 835kJ cm2之间 因此 通过光合作用产生的秸秆能 颗粒与秸秆 储量大 分布广 然而我国农村人口众多 如果按每人占有的秸秆量来计算 则全国许多地区均为秸秆资源贫乏区 b 地区分布不平衡 各省区分布不平衡 一半以上的秸秆资源集中在四川 河南 山东 安徽 河北 江苏 湖南 浙江 湖北等9个省 广大的西北地区等秸秆资源量较少 c 种类集中 水稻 小麦 玉米是我国的主要粮食作物 其秸秆产量占秸秆资源总是的74 76 其中稻草占31 26 玉米等秸秆占27 47 麦草占16 03 9 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 我国秸秆资源利用技术及其发展 在我国 秸秆能占农村能源消耗结构的68 7 其中秸秆 薪柴约占秸秆能的70 为了提高秸秆的燃烧效率和应用范围 我国在秸秆气化 固化 液化和高效燃烧领域加大了研究力度 取得了可喜的成果 农作物秸秆的气化技术 我国在80年代初 即已开展了对秸秆气化技术的研究 中国农业机械化科学研究院 简称中国农机院 研制的ND系列秸秆气化炉 气化效率达74 92 煤气热值达6192 67kJ m3 被用于烘干 加热 温室供暖 动力发电等 山东省能源研究所研制的XFL 600型秸秆气化炉和农村集中供气装置 很好地解决了把农作物秸秆转换成使用方便 干净卫生的可燃气 并集中向农户供气 在山东省胶州市前石龙村建立了中国第一个乡村秸秆燃气供应网 向100户农民供炊事燃气 该系统日供气量600 109m3 日供气时间6 8h 能源利用率高于30 每户投资624 78元 中国科学院广州能源所研制的上吸式秸秆气化炉对气化原理 物料反应性能做了大量试验 对流化床气化炉也做了实验 产气热值达到8360kJ以上 10 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 江苏省吴江县生产的稻壳气化炉 利用碾米厂的下脚料气化后驱动发电机组 功率达160kW 这种小型稻壳发电机组 已有30多台套出口 我国主要有三种型式的秸秆气化炉在实际中应用 它们的技术状况和应用的情况见表3 表3我国秸秆气化技术应用状况 11 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 我国研制的秸秆气化炉具有可靠 耐用 结构简单和适用多种燃料的特点 研究成果多表现为 最大限度地利用当地的农 林废弃物资源 化害为利 有利于环保 在功能上 适应多种作业需求 包括烘干 加热 炊事 供暖等 在设计上 采用一些特殊的结构 成功地解决了农 林废弃物水分和挥发分含量高 容量小 休止角大等因素给气化过程带来的困难 在结构上 强调可靠耐用 简易 采用固定床式 以空气为气化介质 实用性强 农作物秸秆的致密成型技术 中国林业科学院林产化工所通过对引进的样机消化吸收 系统完整地进行了成型工艺条件的试验 完成了木质成型燃料设备的试制 并建成了年产1000t棒状燃料的生产线 其后西北农业大学对该技术和成型工艺做了进一步的研究探讨 先后研制出了JX 7 5 JX 11和SZJ 80A三种型号的植物燃料成型机 为了使固体燃料升值 西北农业大学对植物成型燃料的炭化工艺进行了研究 并研制出TW 40型炭化炉 炭化后的固体炭可用于冶金工业和生活烘烤等领域 12 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 此外 中国农机院能源动力所 辽宁省能源所 中国林业科学院林产化工所 中国农业工程研究设计院等四院所 对秸秆冲压式压块技术及装置 挤压式压块技术及装置 烘烤技术及装置 多功能燃烧炉技术进行了攻关 解决了秸秆致密成型关键技术 使研究和开发水平上一个台阶 随着秸秆致密成型技术和炭化技术研究成果的出现 我国秸秆致密成型产业有了长足的发展 20世纪90年代以来 全国先后有多个中小型企业开展了这方面的工作 其中比较典型的秸秆致密成型设备和产品生产企业情况见表4和表5 表4我国秸秆致密成型设备研究和生产单位 13 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 表5我国秸秆致密成型和炭化产品生产企业 秸秆等致密成型原料丰富 取之不尽 用之不竭 成型后的固体燃料具有体积小 密度大 储运方便 品位较高 燃烧特性优良 使用方便 干净卫生等优点 可以替代矿物能源用于生产和生活领域 从未来能源消费形势看 加大秸秆能源利用是一种趋势 而秸秆致密成型燃料随着技术和规模的提高 其成本只会逐步降低 所以 其市场前景相当广阔 14 2 国内秸秆利用现状 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 1 国内外秸秆利用发展状况 秸秆燃料高效燃烧装置 中国农业工程研究设计院采用两段燃烧和离心惯性双级除尘原理 研制出41 8万 250万和500万J h的三种高效燃烧炉 这种装置可将压成捆的秸秆 果壳 玉米芯等加入燃烧室 经充分燃烧后得到的烟道气再经充分除尘 并鼓入冷空气调节温度 得到洁净和温度可调的热烟道气 把热道气引入与其配套的设备中 可直接进行粮食 木柴 火柴梗 饲料等的烘干 热效率高达85 烟道气含尘量小于200mg m3 经质检部门检测 用该设备烘干粮食与自然晾晒相比没有什么变化 有害物质含量低于自然晾晒 农作物秸秆的多层次利用技术 先把秸秆氨化制成饲料 然后经牲畜过腹后入沼气池生产沼气 最后用沼渣和沼液作高效有机肥料和养殖营养饵料 这种方法可以充分利用秸秆的营养成分 又能从饲料 燃料和肥料三方面实现良的生态性循环 15 1 黑龙江省秸秆资源统计 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源现状 2011 2013年统计显示 黑龙江省粮食作物总种植面积约21173万亩 总产量约1047亿斤 524亿公斤 其中 水稻 为5171万亩 亩产按0 5吨 亩计算 水稻产量为2586万吨 草谷比为1 2 秸秆产量为3100万吨 玉米 为10780万亩 含水率按14 折算 亩产按1 129吨 亩计算 玉米产量为12170万吨 草谷比为1 5 秸秆产量为18255万吨 大豆 为3105万亩 亩产按0 15吨 亩计算 大豆产量为465万吨 草谷比为1 6 秸秆产量为744万吨 小麦 为600万亩 亩产按0 3吨 亩计算 小麦产量为180万吨 草谷比为1 5 秸秆产量为270万吨 杂粮 为1500万亩 产量约为160万吨 草谷比为1 5 秸秆产量为240万吨 黑龙江省农作物秸秆每年生产量为22609万吨 平均发热值按4000大卡 公斤计算 折算成标准煤为12919万吨 2012年黑龙江省煤炭产量仅为8267万吨 农作物秸秆年产量是全省煤炭产量的1 56倍 16 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 燃烧 把柴薪 秸秆等固体秸秆 生物质 燃料的化学能转化为热能或电力 实例如图所示 生物质循环利用示意图 生物质循环流化床锅炉 美国 17 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 小型生物质供热系统 加拿大 国内生物质电厂 18 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 气化 将固体秸秆在缺乏空气的条件下加热至高温 分解出中热值可燃气 同时产生少量焦油和固体残留物 如图所示 家用秸秆气化炉 秸秆气化站 19 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 热解炭化 在隔绝空气的条件下加热木材 使固体秸秆分解 生成木炭和少量焦油及低热值可燃气 实例如图所示 秸秆炭化设备 秸秆成捆炭化 20 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 制沼气 通过厌氧微生物的作用 将有机物质转化为甲烷等 实例如图所示 秸秆沼气 新津秸秆沼气 21 2 黑龙江省秸秆资源利用的可行性途径 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 制乙醇 在厌氧条件下将单糖和二糖物质直接转化为乙醇 秸秆制乙醇工艺简图如下所示 秸秆类木质纤维制乙醇工艺简图 秸秆类木质纤维制乙醇工程例图 22 3 秸秆转化特点及应该考虑的因素 一 国内外秸秆综合利用技术 与工艺 发展现状 2 黑龙江省秸秆资源 秸秆转化特点 转换途径多样化 秸秆能资源可梯度利用 低品位能源向高品位能源转换 能源工程与环境工程紧密结合 秸秆转化应该考虑的因素 秸秆原料可获得性 秸秆以可持续的方式收获 秸秆获得可靠 安全 稳定 有长期合同 和质量 原料发热量和水份含量等 燃料的运输 储存和大型锅炉需要的空间 运输 储存和燃烧设施 必需有责任心和可靠的操作人员 燃料和灰渣处理运行控制 有关空气质量和灰处理的环境法规 当地空气污染物的排放 低硫含量减少酸雨 温室气体零净值排放 颗粒 煤烟 气体污染物 微量致癌物等控制 保险和安全问题 23 二 秸秆压缩成型与炭化技术 1 压缩成型机理 秸秆的压缩成型是指在一定的温度 压力等条件下 用机械压缩 加热或不加热 的方法 将松散细碎的无定形秸秆原料挤压成质地致密 形状规则的成型燃料 秸秆 稻壳 木屑等秸秆原料主要由纤维素 半纤维素和木质素等高分子组分组成 其中纤维素和半纤维是秸秆原料主要组分 木质素的含量则随植物木质化程度的高低而有一定的差别 在这三种组分中 纤维素本身在压力作用下即可固化成型 木质素在温度为70 110 时 发生软件 粘合力增加 起到粘结作用 因此 秸秆本身已具备了压缩固化成型所必需的基本条件 秸秆原料的结构通常都比较疏松 密度较小 这些质地松散的秸秆原料在受到一定的外部压力后 原料颗粒先后经历重新排列位置关系 颗粒机械变形和塑性流变阶段 体积大幅度减小 密度显著增大 由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和绞合 在去除外部压力后 一般不能再恢复原来的结构形状 24 二 秸秆压缩成型与炭化技术 1 压缩成型机理 对于木质素等粘弹性组分含量较高的原料 如果在成型温度达到木质素的软化点 则木质素就会发生塑性变形 从而将原料纤维紧密地粘结在一起 并维持既定的形状 成型燃料块经冷却降温后 强度增大 即可得到燃烧性能类似于木材的秸秆成型燃料块 对于木质素含量较低的原料 在压缩成型过程中 加入少量的诸如粘土 淀粉 废纸浆等无机 有机和纤维类粘结剂 也可以使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状 秸秆压缩成型机理如图所示 秸秆压缩成型机理简图 25 二 秸秆压缩成型与炭化技术 2 秸秆压缩成型过程中的主要影响因素 在秸秆压缩成型过程中 主要影响因素有 原料的种类 含水率 粒度 成型压力 压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等 1 原料的种类 在不加热条件下进行压缩成型时 较难压缩的木质废料 在压力作用下变形较小 不易成型 而容易压缩的纤维状植物秸秆和树皮 在压力作用下变形较大 原料成型也较为容易 但是在加热条件下进行压缩成型时 木材废料中含量较高的木质素在高温下能起粘结作用 因此 其成型反而容易 2 原料的粒度 粒度小的原料比较容易压缩 粒径越小 在相同的压力下 其粒子的延伸率或变形率越大 即粒径越小 越容易成型 粒径越大 压缩成型越困难 原料粒度对成型机的效率和成型物的质量也有影响 3 原料的含水率 原料的含水率过高过低都不能很好地成型 应与成型方式和设备相适应 对于颗粒成型燃料 一般要求原料的含水率为15 25 对于棒状成型燃料 要求原料的含水率不大于10 26 二 秸秆压缩成型与炭化技术 2 秸秆压缩成型过程中的主要影响因素 4 成型压力与模具尺寸 成型压力是植物材料压缩成型最基本的条件 只有施加足够的压力 原料才能被压缩成型 但是 成型压力与模具的形状尺寸有密切关系 成型机大都采用挤压和冲压成型方式 即原料从成型模具的一端连续压入 又从另一端连续挤出 原料挤压所需要的成型压力与容器内壁面的摩擦力相平衡 即机器只能产生和摩擦力相同大小的成型压力 而摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接关系 5 加热温度 秸秆原料压缩成型过程中的加热 一方面可使原料中含有的木质素软化 起到粘结剂的作用 另一方面还可以使原料本身变软 容易压缩 除此之外 加热温度 对成型机的工作效率也产生影响 对于棒状燃料成型机 当机器的结构尺寸确定后 加热温度就应该调整到一个合理的范围 温度过低 不但原料不能成型 而且功耗增加 温度增高 电机功耗减小 但成型压力减小 成型物挤压不实 密度变小 容易断裂破损 27 二 秸秆压缩成型与炭化技术 3 秸秆压缩成型工艺类型 秸秆压缩成型工艺类型的划分方法有多种 根据主要工艺特征的差别 可以从广义上将秸秆压缩成型工艺划分为冷压成型 热压成型 炭化成型和捆扎成型等四种主要形式 如下图所示 秸秆压缩成型工艺类型 28 二 秸秆压缩成型与炭化技术 3 秸秆压缩成型工艺类型 1 热压成型 热压成型是目前普遍采用的秸秆压缩成型工艺 其主要工艺流程为 原料粉碎 干燥混合 挤压成型 冷却包装 热压成型工艺采用的挤压成型设备主要有螺杆连续挤压成型机 机械或液压驱动活塞式成型机和压辊式颗粒成型机等几种形式 螺杆连续挤压成型机 29 二 秸秆压缩成型与炭化技术 3 秸秆压缩成型工艺类型 活塞冲压式成型部件结构示意图 驱动力 机械式或液压式 平板模压辊式颗粒成型机 压辊 可以是柱状也可以是圆锥状 30 二 秸秆压缩成型与炭化技术 3 秸秆压缩成型工艺类型 2 冷压成型 纤维类原料在常温下 浸泡数日水解处理后 纤维变得柔软 湿润 皱裂并部分降解 压缩成型特性明显改善 易于压缩成型 此工艺被广泛用于纤维板的生产 同样 利用简易成型木模和杠杆 将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出 即可形成低密度的压缩成型燃料块 3 捆扎成型 对于秸秆 杂草 树枝 树叶等比较松散的燃料 利用细绳 藤条及其它捆扎材料 经适当压缩后将其捆扎成燃料捆 是最原始 最简单的压缩技术 原料经捆扎后 在一定程度上方便了运输 储存和使用 因而在世界各国得到了比较普遍的采用 国外在进行大规模的捆扎作业时 往往采用台架式打捆机 并且根据需要对原料进行一定程度的干燥处理 31 二 秸秆压缩成型与炭化技术 4 秸秆固化工艺与应用案例 1 颗粒燃料生产工艺 以日本某木材废料成型燃料工厂的工艺流程为例 原料的一次和二次粉碎 该厂的原料主要是树皮和小径木 在改选前 用水压剥皮机及环状剥皮机剥下的树皮同时送入定量给料机 再送入侧刀式粉碎机进行一次粉碎 然后再由锤片式粉碎机完成二次粉碎 最后送入高水分原料储存仓 干燥和三次粉碎 采用卧式回转滚筒干燥机 干燥机入口空气温度为660 出口温度为55 60 干燥后的原料再用锤片式粉碎机进行第三次粉碎后送入干燥原料仓内 成型作业 原料经螺旋给料器送入成型机上方的调湿器进行加水调湿 加水量由操作者根据成型机的能力 成型颗粒的质量等判别后进行调节 后续作业 由成型机排出的成型颗粒及未成型的粉末 其温度在90 左右 所以后续作业采用冷却除湿机进行通风冷却后 用振动筛分选 成型颗粒由斗式提升机送到成品仓 未成型的粉末用气力输送回原料仓 32 二 秸秆压缩成型与炭化技术 4 秸秆固化工艺与应用案例 2 棒状燃料及机制炭生产工艺 我国目前的秸秆固化技术和工艺水平 主要是以秸秆 锯屑 稻壳等为原料 经过干燥 粉碎后 挤压成秸秆燃料棒 然后用炭化炉炭化成机制炭 辽宁省沈阳市郊区机制炭厂即采用这种生产工艺 该厂固定资产情况见表6 全年工作300d 日产燃料棒3t 年产燃料棒900t 3t燃料棒生产1t机制炭 年产机制炭300t 表6沈阳郊区机制炭厂初始投资 单位 万元 33 二 秸秆压缩成型与炭化技术 4 秸秆固化工艺与应用案例 2 棒状燃料及机制炭生产工艺 根据当地原料 电力 劳动力秸秆和设备折旧 维修及产品包装费用 生产1t机制炭的成本由表7构成 根据市场调查 机制炭在国内市场最低价为600元 t 最高价1500 2000元 t 国际市场上 离岸价170 200美元 t 沈阳郊区机制炭厂机制炭销售秸秆1200 1700元 全年销售毛利润36万 51万元 扣除生产成本和5 产品税 则年销售净利润为11 89万 26 14万元 表7沈阳郊区机制炭厂机制炭吨成本 34 二 秸秆压缩成型与炭化技术 5 秸秆炭化工程 秸秆 薪柴 木材加工剩余物和秸秆固化成型燃料经过干燥后 置于炭化设备中 在缺氧的条件下焖烧 即可得到炭粉或木炭 其反应式为 式中 为分解热 kJ 1 炭化工艺 秸秆等到秸秆炭化成型工艺主要有两种 先炭化后成型工艺 该工艺分为炭粉制备 粘结剂混合 挤压成型和成品干燥四大步骤 工艺流程下图所示 秸秆炭化成型工艺流程图 35 二 秸秆压缩成型与炭化技术 5 秸秆炭化工程 首先将秸秆原料炭化或部分炭化 然后再加入一定量的粘结剂挤压成一定规格和形状的成品木炭 由于原料纤维结构在炭化过程中受到破坏 高分子组分受热裂解转换成炭并释放出挥发分 包括可燃气体 木醋液和木焦油等 因而其挤压成型特性得到改善 成型部件的机械磨损和挤压成型过程中的能量消耗降低消耗2 3左右 与热压成型工艺比 但是 炭化后的炭粉在挤压成型后维持既定形状的能力较差 储运和使用时容易开裂或破碎 所以 压缩成型时一般都要加入一定量的粘结剂 先成型后炭化工艺 先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒 然后 用炭化炉将燃料棒炭化成机制木炭 其热值和品位可提高到31 35MJ kg 其工艺流程为 原料 粉碎 干燥 成型 炭化 冷却 包装 36 二 秸秆压缩成型与炭化技术 5 秸秆炭化工程 2 炭化设备与炭化方法 秸秆及其固化成型燃料通常采用炉中烧炭法进行炭化 采用的炭化设备为连续炭化炉和移动式炭化炉 连续炭化炉 适用于稻壳 锯末等散粒状秸秆原料的炭化 移动式炭化炉 可用于炭化秸秆燃料棒 3 炭化特性 秸秆原料不同 炭化后的机制木炭的组分含量也不同 用TW 40型炭化炉炭化几种常见秸秆成型燃料棒所得到的机制木炭的性能指标见表8 表8显示原料的木质素含量越高 灰分含量越小 其炭化产品的固定碳和热值也越高 灰分含量也越小 表8机制木炭的主要性能指标 37 二 秸秆压缩成型与炭化技术 5 秸秆炭化工程 机制木炭的产量和元素组成与炭化温度关系很大 其变化规律如表9所示 由表9可见 随着炭化温度的升高 木炭中固定碳含量增加 挥发分减少 H和O的含量降低 表9不同温度下机制木炭的组成和产量 38 二 秸秆压缩成型与炭化技术 5 秸秆炭化工程 4 炭化产品的应用 机制木炭和秸秆粉粒炭以其独特的性能可广泛应用于日常生活和工农业生产 日常生活 可作取暖 野炊 烘烤食品 火锅的燃料以及冰箱除味剂等 冶金行业 用作有色金属冶炼时的还原剂 均温剂 抗结剂和钢铁热处理的渗碳剂 化工行业 是制造二硫化碳 碳化钙 四氯化硅及水煤气的主要原料 可以用作油漆 涂料的添加剂 制造墨粉 火药和炸药 作橡胶的加固剂等 稻壳炭 作为硅质源 用于提取电子工业的单晶硅 制造四氯化硅 硅钢片 烧结玻璃 环保方面 制做活性炭 用作油污吸咐剂 除霜剂及干燥剂 建筑方面 作为混凝土中的填料 耐火材料 绝热材料 农林园艺 可以改良土壤 升高地温 熏炒茶叶 干燥浆果 药材等 畜禽养殖 用作畜禽圈除臭剂 除湿剂 39 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 秸秆固体燃料的气化就是利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂 将固体燃料中的碳氧化生成可燃气体的过程 气化过程包括固体燃料的干燥 干馏 还原和氧化过程 实现这一过程的设备称为气化炉 生物质气化炉分类如下图所示 生物质气化炉分类 40 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 1 上吸式气化炉 燃料从上面加入 在气化过程中逐步下降 最后变成灰渣由下部排出 气化剂从下部导入 经过燃料层 形成煤气和干馏产物 从上部导出 这样就形成了一个连续 稳定的气化过程 在此过程中 气化炉内大致可分为氧化层 还原层 干馏层和干燥层 各层分别进行着复杂的氧化 还原反应 上吸式气化炉工作原理 41 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 2 下吸式气化炉 燃料自气化炉上部加入 靠其重量逐渐下降 在炉身的一定高度处 空气自炉壁或炉中央送入 使燃料燃烧 煤气流过下面的还原层而从炉栅下吸出 因此 氧化层就位于空气入口处附近 而还原层反而在氧化层下面 因煤气是向下流动被吸出的 故称为下吸式气化炉 下吸式气化炉工作原理 42 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 3 平吸式气化炉 空气从位于炉身一定高度外的风嘴以高速送入炉内 所产生的煤气由对面炉栅处被吸到炉外 因煤气水平流动 故称做平吸式气化炉 平吸式气化炉工作简图 43 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 4 鼓泡床 单流 气化炉 鼓泡流化床气化炉是最简单的流化床气化炉 气化剂由布风板下部吹入炉内 与生物质原料混合并发生气化反应 生成的高温可燃气由上部排出 其特点是气流速度较慢 适用于颗粒较大的生物质原料 一般需增加热载体 由于飞灰和炭颗粒夹带严重 运行费用较高 因此较适用于大中型气化系统 鼓泡床气化炉工作原理 44 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 5 循环流化床气化炉 循环流化床气化炉相对于鼓泡床气化炉而言 流化速度相对较高 从流化床中携带的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气化反应 循环流化床气化炉有良好的混合特性和较高的气固反应率 适用于较小的生物质颗粒 通常情况下不需要热载体 运行简单 反应温度控制在700 900 循环流化床气化炉工作原理 45 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 6 双流化床气化炉 由两个并列的流化床组成 主要有气化炉和燃烧炉两部分组成 双流化床气化把气化和燃烧过程分开 碳转化率高 但气化炉构造复杂 两床的温度以及两床间热载体的循环速度的控制是双流化床气化最关键也是最难的技术 双流化床气化炉工作原理 46 三 秸秆热解气化技术 1 气化装置与工作原理 7 开心式固定床气化炉 由我国研制的 已投入商业应用多年 它类似于下吸式固定床气化炉 所不同的是 它的炉栅中间向上隆起 这种炉子多以稻壳作为气化原料 反应产生灰分较多 在工作过程中 炉栅绕它的中心垂直轴作水平的回转运动 目的在于防止灰分堵塞炉栅 保证气化反应连续进行 8 携带床气化炉 携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例 它不使用惰性材料砂子 气化剂直接吹动炉中生物质原料 原料人炉前需粉碎成细小颗粒 气化温度高达1100 以上 碳的转化率可达100 可燃气中焦油含量很低 但由于反应温度高而易烧结 因此选材较难 47 三 秸秆热解气化技术 2 气化反应过程机理与速度 1 机理 固体燃料的气化是气体 氧 和固体 碳 之间的多相反应过程 关于碳和氧之间的反应机理 主要有以下三种理论和观点 还原说 认为碳和氧的反应首先生成二氧化碳 而一氧化碳的存在是由于二氧化碳被燃料中的碳还原的结果 一氧化碳说 认为一氧化碳是碳和氧反应的初生物 一氧化碳进一步氧化时生成了二氧化碳 络合物说 认为碳和氧首先形成络合物 由于温度等条件的不同 这种络合物分解成不同比例的一氧化碳和二氧化碳 所以 一氧化碳和二氧化碳是同时形成的 目前认为第三种学说 络合物说 比较接近实际 48 三 秸秆热解气化技术 2 气化反应过程机理与速度 2 速度 气化反应是在固体表面上进行的 其过程主要有三个步骤 气化剂透过固体表面的气膜扩散到固体表面 气化剂和固体发生化学反应 反应产物透过固体表面的气膜扩散出来 因此 过程速度不仅决定于化学反应的速度 而且与气体在固体表面的扩散速度有关 化学反应的速度决定于反应物质的浓度 接触面积和反应速度常数 加大压力可以提高反应物质的浓度 采用细小的 孔隙度大的固体 可以增加接触面积 升高温度 可提高反应速度常数 扩散速度与扩散系数 接触面积和浓度梯度有关 扩散系数与压力成正比 与绝对温度的1 5 2次方成正比 增大气流速度 增加压力 可以使固体表面的气膜厚度减小 增大浓度梯度 可以加快扩散速度 气化温度增高时 化学反应速度增加得非常迅速 而扩散速度则增加不明显 49 三 秸秆热解气化技术 3 影响气化装置气化效果的因素及控制 评价气化装置气化效果和性能优劣的主要指标是 生成木煤气的品质 气化强度和热效率的大小 木煤气的品质一般指它的热值 是由其中可燃组分一氧化碳 氢的含量决定的 气化强度是指气化炉气每平方米的横断面在1h内所气化的燃料量 热效率是指生成煤气的发热量和加入燃料的发热量的比值 这三个指标因气化炉的控制因素的不同而变化 影响气化装置气化效果的主要因素有 1 热分解反应温度 热分解反应温度主要影响生成煤气的产量 质量和反应时间 温度越高 生成煤气的产量越大 质量越好 完成热分解反应所需时间越短 反应温度越高 气化过程进行得赶快 反需燃料层高度越小 因而一般来说 升高温度对气化炉效果大有好处 但也不能无限制地升高炉温 因为炉温越高 炉壁因辐射而损失的热量也会越多 而且由于生成煤气的温度升高 带出的显热损失也越大 50 三 秸秆热解气化技术 3 影响气化装置气化效果的因素及控制 2 通风速度 通风速度增加时 气化强度增大 特别是当反应处于扩散控制范围时 要加快反应速度 就应该提高通风速度 通风速度提高后 会使反应温度升高 气化强度更加增大 但通风速度增加时 木煤气在燃烧层中流速加大 减少了气体和燃料的接触时间 使二氧化碳的还原作用恶化 一般根据燃烧料的不同 通风速度控制在0 10 0 20m s之间为宜 3 燃料层的高度 为保证气化炉的正常运行 必须保持气体和燃料有适当的接触时间 即保持一定的燃料层高度 干燥层的高度决定于燃料的含水率和燃料块的大小 燃料越大 含水率越高 则干燥层的高度应当越大 若干燥层高度不够 就会使干馏不完全 使气化层冷却 造成干馏产物的损失 一般干燥层的高度为0 1 3 0m 干馏层的高度视燃料中挥发分的含量及燃料的大小而定 一般为0 3 2 0m 气化层的高度决定于该层温度 燃料的大小和反应能力 一般采用0 18 0 3m 燃料层的高度增加时 可以提高生成煤气的质量 同时降低煤气的排出温度 51 三 秸秆热解气化技术 3 影响气化装置气化效果的因素及控制 4 燃料的性质 燃料中的水分对气化是无益的 水分越多 需要的干燥层高度越大 干燥时消耗的热量也越多 这样就会降低气化炉的效率 增加耗氧量 燃料中的挥发分越多 生成煤气中的甲烷和焦油也越多 若不加以很好地回收利用 就易堵塞管道阀门 此外 燃料中的挥发分越多 相应的固体碳就越少 则由单位燃料产生的煤气量也越少 同时 挥发分在放出时 需吸收热量 也会降低热效率 燃料的反应能力越大 它和氧 二氧化碳或水的作用就越容易 则木煤气的质量越高 燃料的灰分含量越多 气化炉处理能力就越低 灰分的熔点决定了炉子的运行条件 燃料受热后粘结成大块时 将妨碍气体的流通 从而对气化不利 秸秆压块 木块 木炭等气化燃料没有粘结性 灰分熔点高 1400 左右 和二氧化碳 氧及水的反应能力强 所以在气化时不会引起任何困难 燃料的大小应该尽量均匀 才能保证气流分布均匀 从非均相反应的要求来看 燃料尺寸越小 接触面越大 对反应越有利 但燃料太小时 气体运动时的阻力较大 52 三 秸秆热解气化技术 4 秸秆煤气的应用 1 作民用生活燃料 由秸秆燃料转换的秸秆煤气 具有干净卫生 使用方便 热值较高 完全能满足民用生活用能的要求等优点 同时 与其它转换技术和新能源开发系统相比 投资少 见效快 是一条适合第三世界国家解决农村能源问题的有效途径 秸秆气化集中供气系统的基本模式为 以自然村为单元 设置气化站 储气柜设在气化站内 敷设管网 将煤气通过供气系统直接送入用户 用户打开阀门 点燃燃气灶具 就可以烧水做饭 2 烘干木材 谷物等农林产品 秸秆煤气用于烘干农林产品 对煤气的纯度和组成没有特殊要求 在保证空气供给的条件下 在各种类型的燃烧室中均可连续燃烧 无需净化和长距离输送 省去了复杂的净化设备和庞大的输气管道 整个系统投资小 回收期快 而且直接燃烧利用方式 减少了热量损失 使整个系统的热效率大为提高 3 作内燃发动机燃料 秸秆煤气作固定式或行走式内燃机组的燃料时 其中所含的焦油 酸和固体颗粒等会在气门和活塞中结焦 影响内燃机的正常工作 因此 必须采用生成煤气中焦油 酸和固体物质含量最小的气化炉 并对生成煤气进行净化处理 53 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 1 技术方案 生物质燃料由输送机从燃料库送进锅炉燃烧 锅炉产生3 82Mpa 450 过热蒸汽 推动蒸汽发电机组发电 产生12MW 6 3KV送至变电站 同时汽轮机抽汽20t h 0 49MPa饱和蒸汽 供给热用户使用 12MW生物质燃料蒸汽锅炉汽轮机发电工程要用到的设备 2台35t h 3 82 450锅炉 1台12MWC12 3 43 0 49抽汽凝汽式汽轮机发电机组 锅炉产生的灰渣直接送入灰渣精细化工厂制取精细化工产品 工艺系统主流程为 1 生物质燃料燃烧工艺流程包括生物质收集与贮存系统 燃料供应输送系统 热转换发电系统 高低压交变电供电系统 冷却循环水系统 化学水处理系统 除尘系统和除渣系统 烟气净化系统 污水处理系统 自动控制系统等 2 灰渣精细化工工艺流程包括灰渣收集与贮存系统 灰渣粉碎输送系统 化工反应系统 分离系统 干燥系统 产品包装系统等 54 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 1 技术方案 工艺系统流程图如下图所示 秸秆综合利用工艺系统流程图 55 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 2 发电机组型号 参数及主要技术规范 1 装机方案 2 35t h 3 82mpa 蒸气锅炉 1 12mw抽凝汽轮发电机组 c12 3 43 0 49 2 年发电量8000万度 年供电量7000万度 厂用电率10 15 年利用小时数6000h 3 额定发电情况下最大抽汽量20t h 可承担供热面积23万平方米 最大可承担30万平方米 最冷月时减少一部份发电量 4 年耗稻壳量为10万吨 5 热电总投资为12000万元 可研报告估算 6 经济效益 计算依据A 上网售价0 5元 度 国家生物质发电价格为上网电价0 25元 度 生物质发电补贴0 25元 度 实际上国家已经统一定价为0 75元 度 这里按最低上网售价计算 B 供热价为34 54元 平方米 供暖收费价格仍按最低价计算 C 税金 按8 计 D 稻壳费用计入化工产品部份 如果自带米厂 此项费用为零 56 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 2 发电机组型号 参数及主要技术规范 6 经济效益 利润主要来源A 售电 B 供热 表10主要利润来源 57 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 3 灰渣综合利用精细化工产品 本项目化工产品年产10000T 其中白碳黑2000T 疏水白碳黑4000T 木糖醇2000T 活性炭2000T 1 白炭黑 生产工艺过程 产品执行技术指标 执行中华人民共和国化工行业标准 HG T3061 1999 2 疏水白炭黑 生产工艺过程 58 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 3 灰渣综合利用精细化工产品 3 活性炭 生产工艺过程 产品执行技术指标 在白炭黑标准上加上疏水指标 产品漂浮于水上 不散 不沾 不亲水 产品执行技术指标目前活性炭的国标有 木质味精精制用颗粒活性炭 GB T 13803 1 1999 水质净水用活性炭 GB T13803 2 1999 糖液脱色用活性炭 GB T13803 3 1999 针剂用活性炭 GB T13803 4 1999 等等 用稻壳为原料生产活性炭在国内尚属首例 所以根据本产品的性能及特点 本产品执行水质净水用活性炭国家标准 GB T13803 2 1999 59 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 3 灰渣综合利用精细化工产品 4 木糖醇 生产工艺过程 产品执行技术指标本产品的技术指标执行中华人民共和国标准 GB13509 2005 60 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 4 化工产品应用和市场 1 白炭黑白碳黑可广泛应用于橡胶 塑料制品的补强剂 同时又可应用于农药 造纸 油漆 光缆 牙膏 灭火剂等 近年来在石油生产上也应用 目前国内主要以矿物为原料生产白碳黑 产量为7万T 市场需要量为15万T 而且又逐年增长 2 疏水白碳黑疏水白碳黑是白碳黑的高档次产品 主要应用于航天 航空等领域用的橡胶 塑料制品中 由于其疏水性的特点 极大的提高了加工的产品质量 目前国内产量不足1万T 而国内市场需求量为5万T 3 活性炭活性炭在石化 电力 化工 食品 黄金 环保等行业都具有很大的需求量 市场前景非常广阔 4 木糖醇木糖醇是一种新型的甜味剂 可广泛应用于医药 食品行业 特别适合用于糖尿病人的食品甜味剂 木糖醇也是一种化工原料和国防工业生产TNT的原料 目前国内产量为1 5万T 国内市场需求量为3万T 61 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 5 化工产品经济效益 投资8000万用于生物质灰渣制取精细化工产品的经济效益如表所示 表11化工产品经济效益 62 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 6 项目投资 项目总投资20000万元 其中热电部分12000万元 化工产品部分8000万元 资金来源 企业自筹2000万元 申请拨款6000万元 申请贷款12000万元 3 8年还清贷款 应注意问题 1 企业经济分析 根据国家有关企业经济效益的分析规定 对项目作具体的经济效益分析 2 动态指标 财务内部 FIRR 项目在整个计算期内 各年净现金流量现值累计等于零时 折现率反映项目所占资金的盈利率 投资回收期 3 不确定性分析 盈亏平衡分析 4 环境保护重视 排放的烟雾和烟雾携带的粉尘 噪音污染源 生产废水的排放 其他生活废物的排放 5 节约能源 项目是可再生能源利用项目 本身就是节能项目 6 安全卫生 根据国家的安全生产要求逐项落实 63 四 秸秆燃烧发电 供热 制取二氧化硅综合利用技术 7 结论 从项目的研发背景 必要性 建设条件 工艺技术方案 投资效益 资金配套 项目风险 环境影响等方面的分析论证表明 开发生物质燃料热电联产及灰渣精细化工项目 有利于可再生能源和资源的合理利用 有利于实现节能减排 符合我国的基本国策 利用我国自主知识产权建成以生物质为燃料热电联产及灰渣精细化工项目 集生物质发电 供热 联产生物质灰渣精细化工产品与一体的 清洁的 可再生资源综合利用的 循环经济项目 属国际空白 国内首创 非常必要 切实可行 项目建成后必然为企业和国家带来巨大的经济效益 社会效益和生态效益 节能减排 利国利民 1 项目符合国家 国务院关于加强节能减排工作的决定 节能中长期专项规划 可再生能源法 等政策 2 项目的指导思想明确 目标切合实际 布局合理 规模适中 节约能源 减少污染物排放 3 项目以生物质为原料 集生物质发电 供热 联产生物质灰渣精细化