無焦油秸稈氣化爐的研發與應用

劉明義 吳長有 劉金堂

營口市虹信節能燃具開發有限公司（營口 115000）

據相關資料統計，我國絕大多數居住在廣大鄉村和小城鎮的農民，能源消耗量的 80%以上主要是直接燃燒生物質能源產生的，而且越往西部地區生物質能耗所占比重越大。在經濟落后的偏遠山區，生物質能源更是農村居民的主要能源，開發研究高效的家用生物質氣化爐。以向用戶供應炊事燃氣取替煤氣罐，冬季取暖取替煤碳為主要目的。以分散的用戶應對分散的資源為方法，對提高偏遠地區農民的生活水平，尋求生物質資源利用的新模式，改變農村燃料結構，改進農民炊事方式，對消除污染，減少有害氣體排放具有十分重要意義。

家用秸稈氣化爐是面對居住在廣大鄉村和小城鎮居民的新型環保節能產品。家用秸稈氣化爐以農作物秸稈、農林廢棄物為主要氣化原料。家用秸稈氣化爐成本不高，使用成本更低。對農民來說，這是一項繼沼氣技術后最值得推廣的技術。該技術在農村的應用前景廣闊，在改變農村傳統炊事習慣，減少農民生活開支，提高農民生活質量等方面，具有較大的推廣價值。按我國目前農村近9億人口，平均4口之家，全國約有2.2億戶，如果全部使用秸稈氣化爐的話，需要2億多臺。因此，秸稈氣化爐有著巨大的潛在市場和開發前景。目前，我國秸稈氣化爐制造商比較多，秸稈氣化爐技術水平在不斷進步，市場需求量逐年上升。秸稈氣化爐的研發將對我國節能減排事業做出巨大貢獻。

1 秸稈氣化爐國內外研發現狀

生物質能利用在美國、瑞典和奧地利等國家的基本能源消費中，已分別占到 40%、16%和10%。在歐盟國家中，開發利用的所有新能源和可再生能源中，生物質能源已占59.6%。國外生物質氣化裝置一般規模較大，自動化程度高，工藝較復雜，以發電和供熱為主。如加拿大摩爾公司設計和研發的固定床式氣化裝置，加拿大通用燃料氣化裝置有限公司設計制造的流化床氣化裝置，美國標準固體燃料公司設計制造的炭化氣化術煤氣發生系統，法國茵貝爾特能源公司制造的下引式氣化爐——內燃機發電機組系統等，氣化率可達60%～90%，可燃氣熱值為1.7～2.5×103KJ /m3。目前，在該領域具有領先水平的國家有瑞典、意大利、美國、法國等。美國近年來在生物質熱解氣化技術方面有所突破，研制出了生物質綜合氣化裝置—燃氣輪機電系統成套設備，為大規模發電提供了樣板。

從80年代初開始，經過20多年的努力，我國生物質氣化技術日趨完善。我國自行研制的生物質氣化集中供氣系統和戶用氣化爐產品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多系列的爐型，可滿足多種原料的氣化要求，在生產生活用能、發電、干燥、供暖等領域得到了利用。其主要成果有：中國農業機械化科學研究院研制的ND系列生物質氣化爐，其中ND-600型氣化爐已進行較長時間的生產運行，取得一定的效益；江蘇吳江縣生產的稻殼氣化爐，利用碾米廠的下腳料稻殼氣化驅動發電機組，功率可達160 kW，已達到實用階段；中科院廣州能源所對上吸式生物質氣化爐的氣化原理、原料反應性能作了大量試驗，研制出GSQ型氣化爐；山東省科學院能源研究所研制的XFL系列下吸式秸稈氣化爐在農村集中供氣應用中獲得了一定的社會效益和經濟效益；大連市環境科學設計研究院利用研制的LZ系列生物質干餾熱解氣化裝置建成了可為1 000戶農民提供生活用燃氣的生物質熱解加工廠；云南省研制的QL-50.60型民用生物質氣化爐已通過技術鑒定并在農村進行試驗示范。

近年來，我國已將煤氣化技術引入到生物質氣化方面來，如沸騰流化床技術可用于細粒狀的生物質氣化，克服了此類原料在固定床連續加料的困難。在氣化、凈化技術方面，遼寧省能源研究所與意大乎科研人員合作研制出填料式旋風除塵器，其原理是：大顆料飛灰在旋風離心力作用下被分離，輕質飛灰為填料所捕集，比采用的金屬填料冷卻效果好，可降低產出氣的溫度。減輕后級凈化設備的負擔沉重；河南農業大學設計出的YN04型生物質燃氣脫焦機樣機，把生物質燃氣快速冷凝到一定溫度，在冷卻的過程中，利用生物質燃氣中所攜帶的固體顆粒（灰塵）作為焦油和水蒸汽的凝結核，加大焦油、水蒸汽及灰塵的顆粒直徑，以達到利用物理懸浮分離方法，同時沉降去除多種雜質的目的。在河南新鄭市高班莊和官劉莊兩個秸稈氣化示范點進行運行試驗，達到了預期的目標，已通過了專家技術鑒定。

2 目前國內外秸稈氣化爐存在的缺點和問題

目前國內外秸稈氣化爐普遍存在的問題和缺點如下。

⑴生物質在氣化成可燃燒氣體的過程中產生的焦油，容易粘附和腐蝕秸稈氣化爐的爐體，影響生物質氣化和爐體的使用壽命，需要經常清除，非常麻煩。

⑵普通的秸稈爐產生的可燃氣在通過輸出管路輸出時，為了避免堵塞管路時，通常采用戶外凈化裝置凈化焦油、灰分、水分等，凈化效果差，輸氣管路和燃具也容易堵塞，清理十分困難，而且凈化器的污水往往對環境造成二次污染。

國外正在研究的焦油裂解新技術主要有：

⑴具有內部裂解氣預燒的下吸式氣化爐。它在氣化爐中心有一個獨立的燃燒室，裂解氣進入燃燒室內燃燒，通過調整裂解氣循環流量與空氣流量之比，焦油差不多完全轉化。

⑵BTG采用一項新穎的技術，將逆流操作反應器用于燃氣凈化，焦油裂解反應器采用絕熱的填充床，上下充滿惰性鋁土礦，中間為燃燒后的白云石，與傳統的通過部分裂解氣氧化燃燒的氣體凈化相比，該工藝系統簡單，裂解溫度高，能量需求低，而焦油轉化率高。這種工藝的缺點是需要精密、密封好、能耐高溫的切換閥門。

⑶兩段凈化系統，從氣化爐出來的氣體先進入一個裝有白云石的固定床焦油裂解器，接著進入含鎳基催化劑的催化床，通過兩次凈化，焦油含量最終達到1—100 mg/Nm3。盡管在生物質氣化過程中采取各種措施控制焦油的含量，氣化氣中焦油的含量仍遠遠超出允許的標準。所以對焦油進行有效的處理，是有效利用生物質氣化氣必不可少的過程，其中焦油的催化裂解是目前國內最有效，最先進的辦法。使用裂解催化劑，降低了焦油裂解溫度（約750 900 ℃），并提高轉化效率，使焦油在很短時間內裂解率達99%以上，這樣就既可提高生物質能源的利用率，又能徹底消除二次污染，是很有發展前途的除焦技術。國外對催化裂解的研究主要集中于白云石和鎳基催化劑，而我國現在在該領域的研究非常欠缺。

3 新型無焦油秸稈氣化爐創新點

營口市虹信節能燃具開發有限公司自主研發生產的無焦油秸稈氣化爐從2007年10月開始研發。研發人劉明義先生在對市場進行充分調研的基礎上，借鑒了國內外戶用秸稈氣化爐的各項技術，自主研發了該項技術，開發出無焦油秸稈氣化爐新產品，現已完成中試，產品試銷省內外。

3.1 研制的主要內容

⑴普通的秸稈氣化爐爐體內都是直接用耐火材料做襯里，容易受焦油等沾附及腐蝕，需要經常清除，影響爐體的使用壽命。本公司的產品，使用內外雙層金屬板材，夾層內充填隔熱保溫材料的爐膽，內壁光滑，不易沾附雜物，使用壽命長。

⑵普通的秸稈氣化爐產生的可燃氣通過輸出管路輸出，通常采用爐外凈化裝置凈化焦油、灰分、水分等，凈化效果差，輸氣管路和燃具容易堵塞，清理困難，凈化器的污水往往造成對環境的二次污染。本公司的產品，一次產生的可燃氣將自動導入凈化分離管，能夠將其中的焦油析出并重新進入氧化層，使焦油得到二次充分燃燒或裂解，變成可燃氣，不僅增加了熱值，而且輸出的可燃氣幾乎不含有焦油。

⑶悶火過程采用爐體全部密封，保持悶爐時間的延長，當爐內壓力過高時，配有過壓安全閥會自動泄壓，保證氣化爐安全。

⑷爐體上部裝有螺旋桿，帶動爐內的料面壓盤，使爐內料保持緊密，不會出現架空現象，產生的可燃氣穩定。

3.2 無焦油秸稈氣化爐的主要創新點

①采用了料筒復合內膽，內膽由內外金屬板形成夾層，在夾層內充填耐火保溫材料，內坦不易結灰，能夠提高使用壽命至十年以上；②設有燃氣凈化分離管，能夠使產生的可燃氣通過凈化分離管析出焦油，焦油重新進入氧化層，得到二次充分燃燒，增加熱值，使潔凈的可燃氣進入輸氣管路，達到輸出的可燃氣幾乎不含焦油；③悶火過程采用爐體密封，配有壓力安全閥。

該項新產品技術通過省科技情報研究所查新檢索結論是：國內外分別已有無焦油或紅外線秸稈氣化爐的文獻報道，本委托單位研制的“無焦油紅外線秸稈氣化爐”未見國內文獻報道。

4 產品的應用與市場競爭優勢

目前國內生產戶用秸稈氣化爐的企業較多，市場競爭壓力較大，很多企業的產品由于技術落后，主要技術指標達不到規定要求，產品沒有競爭力，造成部分企業停產。技術比較先進的產品是采用爐外增設凈化裝置，進行焦油凈化處理，焦油的熱值沒有得到利用，同時處理過程中排出的污水還會對環境造成二次污染。因此，市場需求量不大，產品缺乏競爭力。但是比較好的產品市場需求還是很大，隨著國家政策支持和鼓勵，生物質能源的開發利用是一項具有非常意義的項目，前景十分廣闊。

秸稈氣化爐在我國的市場潛力是巨大的，其主要用途有以下幾個方面。

(1)烘干：木材、煙草、茶葉、橡膠、糧食、食用菌、中藥材、果蔬脫水平；

(2)供熱供暖：種植大棚、暖房、養殖保溫、居民采暖；

(3)供氣：集體炊事、熱水洗浴、有條件地區村鎮居民供氣；

(4)高溫熱源：陶瓷、制磚、窯爐等燒制業等應用領域十分廣泛。