生物質氣化多聯產技術應用研究

文 _ 曾國揆 云南省農村能源工作站 余東波 云南省科學技術情報研究院

生物質氣化是指生物質在高溫、無氧或缺氧條件下發生熱分解，產生可燃氣體的過程。國家農業部曾于20世紀90年代在全國多個省份開展了“秸稈氣化集中供氣工程”試點建設，云南昆明、普洱等地共建設秸稈氣化站8處，但據云南省農村能源工作站調查，目前基本都處于停運狀態，其主要原因在于氣化設備技術不成熟、焦油難以處理和綜合效益不明顯等。深入探索生物質合理利用的發展方向，改進利用方式與裝置，實現生物質清潔高效利用，目前已成為生物質能優化利用領域面臨的重要課題。生物質氣化多聯產集中供氣技術就是在傳統生物質氣化技術的基礎上開發出的一種新型生物質能源化利用模式。

本文以云南省普洱市思茅區曼窩村氣化站為例，在介紹思茅區曼窩村能源消費與資源現狀的基礎上，分析生物質氣化多聯產集中供氣技術的生產運行和效益情況，并對該技術在云南的發展前景進行了展望。

1 思茅區曼窩村能源消費與資源現狀

1.1 項目實施前能源消費情況

曼窩村位于普洱市思茅區思茅鎮，全村共有居民510戶。從圖1中可以看出，當地居民生活用能的消費結構主要以薪柴、秸稈等生物質能為主，約占能源消費總量的78%。為了保護當地森林資源，促進新農村建設，并有效解決當地農村秸稈等生物質大量過剩問題，云南省農村能源工作站和普洱市政府于2011年實施了“生物質氣化多聯產集中供氣”項目。

1.2 思茅區生物質資源情況

思茅區2010年可利用的生物質資源總量約2.8萬t/a，主要有林業剩余物、玉米秸稈、小麥秸稈和煙稈，其中林業剩余物約占總量的39.2%。林業剩余物的主要來源為當地木材經營加工企業和咖啡加工企業。本項目全負荷運行時年需生物質量約500t，原料來源主要以當地咖啡加工企業的咖啡殼和木材加工廠的鋸沫，運輸半徑約5km，資源來源可靠。

2 基本原理、工藝流程與系統構成

2.1 基本原理

生物質氣化多聯產技術工藝采取下吸式固定床，以空氣為氣化劑，通過控制適當的進氣比，同時生產生物質燃氣、生物質提取液和生物質炭。生物質氣化爐內的物料自上而下分為干燥、熱解、氧化、還原、灰燼五個層次，如圖2所示。在干燥層（常溫～150℃）主要發生吸附水的蒸發。熱解層（150～450℃）主要發生有機高分子的分解反應，化學反應比較復雜，主要產生一氧化碳、醋酸、甲烷和低溫炭等物質，可看作生物質的干餾炭化過程。氧化層(1000～1200℃)主要是熱解過程剩余的木炭與引入的空氣發生反應，同時釋放大量的熱以支持生物干燥、熱解和后續的還原反應。還原層（450～900℃）主要發生水蒸氣和二氧化碳的還原反應。

2.2 工藝流程

生物質氣化多聯產技術的工藝流程見圖3，主要包括：生物質經上料機送入氣化爐，在氣化爐內進行氣化反應產生可燃氣體，出來的氣體進入燃氣凈化系統，經氣液分離后分為可燃氣和生物質提取液。燃氣送入儲氣柜后，經燃氣輸配系統送到用戶。木醋液和木焦油混合液體進入分離槽進行分離，分離出來的木醋液和木焦油分別進入醋液槽和焦油槽，然后裝桶入庫。氣化爐在氣化過程中同時產出炭粉，冷卻后炭粉由自動出炭裝置將炭粉排除，然后加工成生物質成型炭。

2.3 系統構成

生物質氣化多聯產技術系統主要由氣化機組、貯氣柜、燃氣輸配系統、用戶炊事系統組成。

圖1 曼窩村生活用能消費結構

（1）氣化機組。氣化機組由上料器、氣化反應爐、燃氣凈化裝置、真空泵和電控系統等部分組成。氣化爐的主要特點為：采用一體化設計，通過增大高溫區設計，大量裂解焦油，增加燃氣熱值；爐內無爐排，防止生物質在爐膛內搭橋；爐底設計自動排炭粉和防回火裝置。

（2）貯氣柜。貯氣柜的作用是貯存一定量的燃氣，保持恒定的壓力，以調整高峰時的用氣和保證灶前壓力的穩定性。在貯氣柜的前端和后端分別安裝有沉淀水封器和阻火器，作為安全裝置。

（3）燃氣輸配系統。燃氣通過燃氣輸配管網混合貯氣柜，通過輸氣管網配送至用戶。燃氣輸配系統包括輸氣管網和附屬設備。管網是由燃氣供給用戶的管道組成。室外管道使用PE管，一般敷設于地下；戶內使用鍍鋅管。燃氣管網根據敷設位置可分為干管、支管、用戶引入管等，其干支管采用淺層直埋的方式鋪設在地下。附屬設備主要包括集水器、放散器、控制器等。

（4）用戶炊事系統。戶內炊事系統由煤氣表、濾清器、閥門、專用燃氣灶具等組成。

3 生產運行情況

按照每戶燃氣消耗量4m3/d和峰荷時每戶不低于2m3/h燃氣量計，同時保證全天恒定供氣，設計供氣規模為520戶，氣化站每天需產氣2000m3，儲氣罐容積設計為500m3。項目于2012年8月建成，實際供氣為360戶，運行負荷率為69%。

3.1 系統技術指標

圖2 生物質氣化多聯產技術原理

圖3 生物質氣化多聯產技術工藝流程

正常運行條件下，該系統每噸生物質可產氣1600m3，產炭250kg，產焦油和木醋液230kg，平均熱效率可達到72%，各項指標達到《秸稈氣化供氣系統技術條件及驗收規范》(NY/T 443-2001)標準，見表1。

表1 思茅區曼窩村氣化站系統運行指標

3.2 主要產品及用途

3.2.1 生物質燃氣

本項目所生產的生物質燃氣熱值約為5000kJ/Nm3,主要可燃氣體成分為一氧化碳、氫氣、甲烷，見表2。生物質燃氣可用于供民用炊事燃料、供熱和發電、還可用于烘干農產品和和窯爐等工農業生產用能領域。

表2 生物質燃氣的氣體成分和熱值

3.2.2 生物質提取液

生物質提取液主要為焦油和木醋液。焦油是一種黑色、黏稠、油狀的液體，其成分極其復雜，主要為苯及其衍生物。木醋液主要含有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類等多種化學成分，可用于家畜飼養的消毒、殺菌液、除臭劑或用于農藥、助劑、促進作物生物的葉面肥。焦油可用于木材防腐劑、生產活性炭的黏結劑及部分替代苯酚制備酚醛樹脂膠黏劑等；經加工還可制成水泥防潮劑、殺蟲劑、浮選劑等產品，用于各工農業部門。該項目中，除部分焦油用于生物質成型炭的黏結劑，其余的焦油和木醋液均是集中收集后統一銷。

3.2.3 生物質炭

生物質炭是指由富含碳的生物質通過裂解或不完全燃燒生成的一種富炭產物。該技術生產的生物質炭的熱值可達到33418.22kJ/kg，比原煤熱值還要高出近60%，可以作為優質燃料，見表3。生物質炭還具備較強吸附功能的孔隙結構，可生產工業用的活性炭和冶金保溫材料，目前在農業生產上作為有機復合肥料和土壤修復劑的研究較多。該項目產生的生物質炭粉主要加工成生物質成型炭棒，供應當地的燒烤市場。

表3 生物質炭的性能

4 項目效益分析

4.1 經濟效益

氣化站初始投資約186萬元，年運行費用約11.2萬元，年收益24.3萬元。與傳統生物質氣化技術相比，能夠更加充分地利用生物質原料，生物質炭和提取液的收益使得整體收益增加了24.6%。對于當地農戶而言，月燃氣費用約為42元，與燃煤費用相當，約是液化氣的40%。同時，雖然在費用上高于直接燃用薪材、秸稈，但其安全、衛生、方便，還能節省大量勞動力。

4.2 環境效益

使用生物質燃氣作為生活炊事用能，與舊式爐灶燃用秸稈、薪柴相比，熱效率提高了1倍左右，每年可節約薪柴1440m3，相當于保護580畝林地。同時減少溫室氣體排放260t。

5 結語

生物質氣化多聯產技術的應用，可以促進農村經濟的發展，減少環境污染，與傳統生物質氣化系統相比，生物質氣化多聯產技術更先進，經濟效益更明顯，具有更好的市場推廣前景。同時，云南省農作物秸稈資源、林業廢棄物及其他林業資源豐富，因此，該技術在云南地區具有很大的推廣潛力。