秸稈氣化工程技術評估

劉慶玉

一秸稈氣化技術概述

1引言

氣化技術是將農林廢棄物在缺氧或厭氧條件下，經過熱化學反應，生成CH₄、CO、H₂等可燃氣體，用于農村居民的炊事及采暖，亦可用于發電。

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

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

隨著新農村建設，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，全國已建設了秸稈集中供氣站886處。其中遼寧省累計建264處。

根據農業部《農業生物質能產業發展規劃》(2007～2015)；到2010年，結合解決農村基本能源需要和改變農村用能方式，全國建成1000處左右秸稈氣化集中供氣站，年產秸稈燃氣3.65億m³；到2015年，建成2000處左右秸稈氣化集中供氣站，年產秸稈燃氣7.3億m³。

2技術原理

3工藝流程

系統組成：切碎機、上料裝置、氣化爐、旋風分離器、冷卻器、過濾器、風機、水封器、貯氣罐等。(圖5)生物質氣化系統的工藝流程，圖6。

4存在問題

(1)燃氣熱值低

《2)焦油含量高：焦油會堵塞、污染和腐蝕燃氣管道、燃氣灶具。

5焦油去除技術簡介

(1)焦油產生原因

在氣化過程中，隨著熱量的投入，生物質溫度不斷升高。當溫度升到200℃時，生物質開始熱解，并有焦油產生。隨著溫度的升高，熱解產物的焦油增加，當溫度達到500℃時，焦油的含量達到最高。溫度繼續升高伴隨著停留時間的增長，當溫度達到600℃以后，焦油會從液態轉化為氣態，并發生熱解，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構和氣體后期處理工藝有關。

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

有焦油的揮發分未經過高溫區發生裂解，燃氣中的焦油含量較高。在順流式工藝中氣化原料和氣化劑均由氣化爐上部送入，燃氣從下部引出，燃氣中的干餾產物在經過高溫燃燒區時會發生裂解，故燃氣中焦油含量較低。

總的看來，最終還是由于溫度的影響，導致焦油的含量不同。

(2)焦油去除技術

秸稈氣化焦油去除技術主要可分為：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，是秸稈氣化燃氣凈化技術中最普遍的方法。

濕式除焦法會產生大量的廢水(包括大量的有機不溶物、無機酸、NH₃和金屬等)，不能隨意排放，而且其后續處理過程非常繁瑣，操作費用也較高。

②干式除焦法

干式除焦法利用過濾原理，也稱為過濾法。是將吸附性強的材料(活性炭、濾紙、陶瓷芯、粉碎的玉米芯等)裝在容器中，當燃氣穿過吸附材料，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，維護困難。

③熱裂解法

由于焦油在較高的溫度下會發生深度裂解。高溫下，大分子化合物轉化成小分子氣態化合物。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，對設備材質的要求很高，且裂解能耗

大、費用高。因此，單獨用熱裂解去除焦油不現實。而且還容易生成焦炭。

在實際生產中常通過加入水蒸氣和氧化性物質來降低焦油含量。其原理是利用水蒸氣或氧化性物質與焦油中的某些組分反應生成CO、H₂和CH₄等可燃氣體，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，在實際生產中很難達到，采用添加催化劑的方法來降低焦油轉化所需活化能，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到90％以上，因此是目前最有潛力一種焦油脫除方法，已經成為該領域中研究的重點。

6焦油回收利用

焦油經過提煉，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。

二項目情況介紹

1項目來源

近年來，隨著技術的不斷完善和市場的廣，焦油除去技術已得到了進一步提高。為更好地推廣秸稈氣化工程，掌握現有的氣化設備焦油去除效果以及焦油去除技術的應用現狀，并對該技術進行評估和篩選，為政府有關部門制定發展規劃和相關政策提供參考依據，為此沈陽農業大學工程學院承擔了2008年農村能源綜合建設項目“秸稈氣化工程焦油去除技術評估”(農財發[2008]55號文，項目編號2008011)。

2項目的主要內容

(1)對目前技術上具有代表性的秸稈氣化設備生產廠家、相關的科研院所調研。目的在于考察秸稈氣化設備的生產技術水平，比較分析各種焦油去除技術特點，評價秸稈氣化設備焦油去除技術水平。

(2)針對秸稈氣化工程應用比較集中的遼寧、山西、北京、天津、江蘇、黑龍江、山東、河南等8個省區不同焦油去除技術的秸稈氣化站進行現場考察。評價其應用效果，找出建設中存在的問題。

3項目實施方案

目前全國有一定規模的秸稈氣化設備生產廠家約有100余家。截至2007年底，全國已建設了秸稈集中供氣站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。考慮到秸稈氣化設備生產企業不同的地域分布和工藝類型特點，選擇了有代表性的10家秸稈氣化設備生產企業和12個秸稈氣化站進行調研。同時組織了中國科學院廣州能源研究所和遼寧省能源研究所的有關專家進行了研討。

(1)調查樣本的選擇原則

企業的專業性：設計能力、生產能力、施工能力。

氣化工藝特點：有代表性的工藝類型。

(2)技術指標確定

系統的技術指標包括戶用規模、技術類型、技術特點、額定產氣量、氣化效率、燃氣低位熱值、氣化溫度、產物成分、技術的更新情況、焦油的含量等。

氣化效率、燃氣的低位熱值按NY／T12—1985和GB12206-1990規定進行測定：氧、硫化氫、一氧化碳的含量按GB／T12205-1990和GB／T12211—1990規定進行測定：焦油含量按GB12208-1990規定進行測定。

三項目結果分析

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，可有效地降低產物中焦油的含量。因此目前應用的工藝以

下吸式固定床式發生器為主。

2氣化效率

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

3氣化介質及原料

介質：主要有空氣和水蒸氣兩種，以空氣介質為主。

原料：秸稈氣化技術使用的原料比較廣泛，主要以農作物秸稈和林業廢棄物為主。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。原料預處理對秸稈燃氣中的焦油含量影響較小，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。尤其是過濾材料的選擇上。催化裂解工藝尚不成熟，有待進一步開發。(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，提高反應溫度或進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到25rag／Nm3。(圖9)

6灶前焦油含量

灶前燃氣中焦油含量最大為15mg／Nm³，70％系統灶前燃氣中焦油的含量等于或低于10mg／Nm³。(圖10)

7焦油去除率

采用干式、濕式及熱裂解相結合的去除方式可達焦油去除率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品回收外，焦油目前存放的方式為自然堆放；未經無害化處理直接填埋；焦油水，未經處理采用滲漏補水的方式較多，有處理設備較少(用處理設備更少)。

四項目效益分析(表1)

1經濟效益

運行成本，燃氣按成本費0.26元／m³。如以成本價出售，每戶每年需支出燃氣開支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折抵部分燃氣費，平均每戶交售秸稈收入為54元，因此平均每戶每年實際燃氣支出為414元，平均每月34.5元。相比之下：使用液化氣時，每戶每月50元(按一瓶用兩個月計算)。

2社會和環境效益

生物質直接燃燒應用的熱能利用率在10％左右，而秸稈氣化可將能量利用率提高到20％～35％：按每立方米秸稈燃氣替代0.25Kg標煤計算，每年每戶用氣2190m³，可替代547.5kg標煤，200戶一年可減少煤炭消耗近109.5噸標煤，對于二氧化硫和二氧化碳的減排的環境效益具有更重要的意義。

五存在的問題及建議

1秸稈氣化設備生產、工程建設等環節缺少標準規范

(1)目前關于秸稈氣化的現行標準中只有：《NY／T443-2001秸稈氣化供氣系統技術條件及驗收規范》，“焦油含量不大于50mg／Nm³”的標準焦油含量明顯偏大。《NYT1017-2006秸稈氣化裝置和系統測試方法》涉及焦油含量。而《GB12208-1990城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法》規定的焦油測定方法，由于秸稈燃氣受取樣地點《爐體出口、氣柜前、氣柜后、灶前)及取樣時間(運行中還是停爐后)都有很大的不同，不適合秸稈氣化。

(2)缺乏相關的設備生產標準，導致氣化設備良莠不齊。存在質量和安全方面隱患。

(3)缺乏相應的施工規范，導致建設質量的控制。

2焦油及其廢水排放引起的環境污染問題

由于焦油收集、處理方式目前存在一定的困難，隨著技術的推廣應用對環境必將產生新的污染。

3秸稈氣化的安全問題

秸稈燃氣是易燃易爆氣，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，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，一小時就會覺頭痛，嘔吐：含量達到0.5％時，30分鐘就會造成人員死亡，含量達到1％時。兩分鐘就會致人死亡。

4秸稈氣化工藝形式單一

秸稈氣化技術工藝仍以下吸式固定床為主，比較單一。介質主要是空氣，秸稈氣化燃氣熱值較低(6000kJ／m³左右)。

5工程建設質量保障問題

遼寧省秸稈氣化工程采用監理制，可為項目發展提供借鑒。