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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1 XFF气化机特性参数
机组型号
XFF-1000
XFF-2500
输出功率（MJ/h）
1000
2500
产热量（m3/h）
200
500
燃气热值（KJ/m3）
5000
5000
气化效率（%）
72
72
2 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具，在一定的供气压力下，准确计算灶具上燃气喷口的直径及配风板的尺寸，使燃气与空气量合理匹配，满足对热负荷的要求。现在我们已研制出专用的低热值燃气灶具。实践证明，利用这种灶具，低热值燃气完全能够满足蒸、煮、炒等炊事要求。
表２ 几种典型燃气及燃一空混合气的低位热值
气体种类
气体低位热值（KJ/m3）
理论空气量（m3/m3）

理论燃烧温度（0C）

燃-空混合气低位热值  （KJ/m3）
天然气
36586
9.64
1970
3438
焦炉煤气
17615
4.21
1998
3381
混合煤气
13858
3.18
1986
3315
发生炉煤气
5735
1.19
1600
2618
沼气
21223
5.56

3191
秸秆煤气
5316
0.9
1810
2798
４ 秸秆资源和农村炊事燃料需求
    我国每年生产各种秸秆6亿吨，农林产品及以生物质为原料的工业企业也产生数以亿吨计的采伐加工残余物和有机固体垃圾。这是由太阳能转换而来的巨大的可再生资源，它的利用将会产生巨大的经济效益和环境效益，而不会像矿物燃料的利用那样带来日益严重的污染。
    我国生物质能源的利用，主要是以效率较低的直接燃烧方式获取农民和林区居民的炊事热能，沼气技术则受到原料品种和气候条件的限制。目前，大量的秸秆和林业剩余物以及有机固体垃圾白白浪费掉。每到收获季节，田间地头烽烟四起，烧掉了宝贵的资源，造成严重的大气污染，与此对应的是我国农村的商品能源依然紧缺而价高，电力供应严重不足。
    随着农业经济的发展和生活水平的提高，农民产生了提高生活质量的强烈要求。作为生活方式的一个重要方面，燃料结构的改变用能方式的改进，将为他们提供更加方便、文明而舒适的生活，这也是近年来秸秆大量过剩的原因之一。但是，完全由矿物能源解决8-9亿农民的生活需求，则是国力和环境所不能负担的。
    与其它可再生能源的利用相比，生物质能源来源稳定可靠，能源密度大，不受地域、气候的限制。而在各种生物质能技术中，热解气化技术具有效率较高、原料适应性好、设备简单、投资较低的优点，比较适合于我国农村现阶段的技术、经济水平。
５ 系统投资及燃气开支
    民用燃气工程的单位投资受许多因素的影响，其中的重要因素是燃气热值、用气负荷集中程度和管网规模。
    民用燃气系统负荷的集中程度取决于人口居住密度。我国农民以自然村的形式集中居住，形成星罗棋布的大小村庄。近年来各地普遍重视新村规划工作，整齐划一的新村开始取代老式村庄，还出现了一批小康型的楼群建筑。除极特殊地形外，居住区的最大布局尺寸在400米以内。与城市燃气管网相比，这已属于微型管网，或者说它仅相当于城市管网中用户部分，因而省去了造价昂贵的主支干管。而且由于输送距离短，阻力损耗仅为3000～4000Pa，降低了输送成本和对管材的要求。
    根据试点建设的经验和投资核算，100户和200户规模的集中供气系统的投资如表3所示。
表３   集中供气系统的投资
机组型号
XFF-1000
XFF-2500
供气户数（户）
130
220
气化站房建筑（m2）
70
70
建筑要求
11*6*3.5
13*7*4
气化站占地（m2）
1200
1200
气化站需动力（kW）
4.5
7.0
气柜容积（m3）
200
300
气柜材料（钢材）
19
26
机组价格（万元）
7.8
10.2
气化站配套附件费
0.4
0.6
管网材料福建费
3.9
7.6
户内应用系统投资
3.4
6.8
    这样的投资，相当于户用沼气建设投资的2倍左右，低于集中供气的沼气工程投资，也低于城市煤气管网的投资。在较大范围内进行碉研结果表明，这一投资处于较富裕的农民可以接受的范围内。当然，这一技术只能伴随着农村经济实力的增长逐步推广。
    集中供气系统的经营运作方式可有以下两种：既可作为村办福利事业，又可作为一个小型企业独立经营。按照每公斤秸秆0.06元计算，燃气成本约为0.11元/m3。
    应该指出，上述两种经营运作方式均需要较完善的管理制度和计量手段，包括燃料收购、保管、系统运行、燃气计量、收费制度等。
６ 社会效益和环境效益
    以热解气化方式实现低质生物质原料的高档次利用，其社会效益主要是使农民用上方便清洁的气体燃料，生活方式发生较大进步，从而提高生活舒适文明程度，节省用于炊事的劳动量和时间，并使环境和庭院卫生有一定改善。
    生物质燃气用作炊事燃料，能源利用率为35%，比直接燃用秸秆提高2倍左右，可惜在目前大量秸秆被废弃的情况下，无法体现它的直接经济效益。但在我国林区，目前仍有大量木材当做炊事燃料烧掉，若采用这项技术利用林区残余物，则可能产生相当可观的经济效益。生物质资源的高效利用将带来环境效益。按生物质原料中40-50%计算，燃烧１吨生物质需排放1.3-1.5吨二氧化碳。全国农村炊事燃料二氧化碳排放量达5-6亿吨。虽然因其污染源是分散的而未引起足够重视，但其污染总量不会亚于任何一个工业部门。效率较高的生物质气化技术可将此项污染降低2/3左右。
    立足于农村能源“自产、自用、自足”，以农业经济不断增长所积聚的资金，农村当地可资利用的丰富可再生资源为条件，我们认为，生物质气化及用作农户燃料的技术有着良好的开发前景。