文 _ 曾國揆 云南省農(nóng)村能源工作站 余東波 云南省科學(xué)技術(shù)情報研究院

生物質(zhì)氣化是指生物質(zhì)在高溫、無氧或缺氧條件下發(fā)生熱分解，產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。國家農(nóng)業(yè)部曾于20世紀(jì)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(shè)，云南昆明、普洱等地共建設(shè)秸稈氣化站8處，但據(jù)云南省農(nóng)村能源工作站調(diào)查，目前基本都處于停運狀態(tài)，其主要原因在于氣化設(shè)備技術(shù)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(zhì)合理利用的發(fā)展方向，改進(jìn)利用方式與裝置，實現(xiàn)生物質(zhì)清潔高效利用，目前已成為生物質(zhì)能優(yōu)化利用領(lǐng)域面臨的重要課題。生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)集中供氣技術(shù)就是在傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新型生物質(zhì)能源化利用模式。

本文以云南省普洱市思茅區(qū)曼窩村氣化站為例，在介紹思茅區(qū)曼窩村能源消費與資源現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)集中供氣技術(shù)的生產(chǎn)運行和效益情況，并對該技術(shù)在云南的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 思茅區(qū)曼窩村能源消費與資源現(xiàn)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(qū)思茅鎮(zhèn)，全村共有居民510戶。從圖1中可以看出，當(dāng)?shù)鼐用裆钣媚艿南M結(jié)構(gòu)主要以薪柴、秸稈等生物質(zhì)能為主，約占能源消費總量的78%。為了保護當(dāng)?shù)厣仲Y源，促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)，并有效解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)村秸稈等生物質(zhì)大量過剩問題，云南省農(nóng)村能源工作站和普洱市政府于2011年實施了“生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)集中供氣”項目。

1.2 思茅區(qū)生物質(zhì)資源情況

思茅區(qū)2010年可利用的生物質(zhì)資源總量約2.8萬t/a，主要有林業(yè)剩余物、玉米秸稈、小麥秸稈和煙稈，其中林業(yè)剩余物約占總量的39.2%。林業(yè)剩余物的主要來源為當(dāng)?shù)啬静慕?jīng)營加工企業(yè)和咖啡加工企業(yè)。本項目全負(fù)荷運行時年需生物質(zhì)量約500t，原料來源主要以當(dāng)?shù)乜Х燃庸て髽I(yè)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(tǒng)構(gòu)成

2.1 基本原理

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)工藝采取下吸式固定床，以空氣為氣化劑，通過控制適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣比，同時生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)?、生物質(zhì)提取液和生物質(zhì)炭。生物質(zhì)氣化爐內(nèi)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(fā)生吸附水的蒸發(fā)。熱解層（150～450℃）主要發(fā)生有機高分子的分解反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，主要產(chǎn)生一氧化碳、醋酸、甲烷和低溫炭等物質(zhì)，可看作生物質(zhì)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(fā)生反應(yīng)，同時釋放大量的熱以支持生物干燥、熱解和后續(xù)的還原反應(yīng)。還原層（450～900℃）主要發(fā)生水蒸氣和二氧化碳的還原反應(yīng)。

2.2 工藝流程

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的工藝流程見圖3，主要包括：生物質(zhì)經(jīng)上料機送入氣化爐，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w，出來的氣體進(jìn)入燃?xì)鈨艋到y(tǒng)，經(jīng)氣液分離后分為可燃?xì)夂蜕镔|(zhì)提取液。燃?xì)馑腿雰夤窈?，?jīng)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)送到用戶。木醋液和木焦油混合液體進(jìn)入分離槽進(jìn)行分離，分離出來的木醋液和木焦油分別進(jìn)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(chǎn)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(zhì)成型炭。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)系統(tǒng)主要由氣化機組、貯氣柜、燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)、用戶炊事系統(tǒng)組成。

圖1 曼窩村生活用能消費結(jié)構(gòu)

（1）氣化機組。氣化機組由上料器、氣化反應(yīng)爐、燃?xì)鈨艋b置、真空泵和電控系統(tǒng)等部分組成。氣化爐的主要特點為：采用一體化設(shè)計，通過增大高溫區(qū)設(shè)計，大量裂解焦油，增加燃?xì)鉄嶂担粻t內(nèi)無爐排，防止生物質(zhì)在爐膛內(nèi)搭橋；爐底設(shè)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?xì)?，保持恒定的壓力，以調(diào)整高峰時的用氣和保證灶前壓力的穩(wěn)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?xì)廨斉湎到y(tǒng)。燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)混合貯氣柜，通過輸氣管網(wǎng)配送至用戶。燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)包括輸氣管網(wǎng)和附屬設(shè)備。管網(wǎng)是由燃?xì)夤┙o用戶的管道組成。室外管道使用PE管，一般敷設(shè)于地下；戶內(nèi)使用鍍鋅管。燃?xì)夤芫W(wǎng)根據(jù)敷設(shè)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(shè)在地下。附屬設(shè)備主要包括集水器、放散器、控制器等。

（4）用戶炊事系統(tǒng)。戶內(nèi)炊事系統(tǒng)由煤氣表、濾清器、閥門、專用燃?xì)庠罹叩冉M成。

3 生產(chǎn)運行情況

按照每戶燃?xì)庀牧?m3/d和峰荷時每戶不低于2m3/h燃?xì)饬坑嫞瑫r保證全天恒定供氣，設(shè)計供氣規(guī)模為520戶，氣化站每天需產(chǎn)氣2000m3，儲氣罐容積設(shè)計為500m3。項目于2012年8月建成，實際供氣為360戶，運行負(fù)荷率為69%。

3.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

圖2 生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)原理

圖3 生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)工藝流程

正常運行條件下，該系統(tǒng)每噸生物質(zhì)可產(chǎn)氣1600m3，產(chǎn)炭250kg，產(chǎn)焦油和木醋液230kg，平均熱效率可達(dá)到72%，各項指標(biāo)達(dá)到《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗收規(guī)范》(NY/T 443-2001)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 思茅區(qū)曼窩村氣化站系統(tǒng)運行指標(biāo)

3.2 主要產(chǎn)品及用途

3.2.1 生物質(zhì)燃?xì)?/p>

本項目所生產(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂导s為5000kJ/Nm3,主要可燃?xì)怏w成分為一氧化碳、氫氣、甲烷，見表2。生物質(zhì)燃?xì)饪捎糜诠┟裼么妒氯剂稀⒐岷桶l(fā)電、還可用于烘干農(nóng)產(chǎn)品和和窯爐等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用能領(lǐng)域。

表2 生物質(zhì)燃?xì)獾臍怏w成分和熱值

3.2.2 生物質(zhì)提取液

生物質(zhì)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(fù)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(xué)成分，可用于家畜飼養(yǎng)的消毒、殺菌液、除臭劑或用于農(nóng)藥、助劑、促進(jìn)作物生物的葉面肥。焦油可用于木材防腐劑、生產(chǎn)活性炭的黏結(jié)劑及部分替代苯酚制備酚醛樹脂膠黏劑等；經(jīng)加工還可制成水泥防潮劑、殺蟲劑、浮選劑等產(chǎn)品，用于各工農(nóng)業(yè)部門。該項目中，除部分焦油用于生物質(zhì)成型炭的黏結(jié)劑，其余的焦油和木醋液均是集中收集后統(tǒng)一銷。

3.2.3 生物質(zhì)炭

生物質(zhì)炭是指由富含碳的生物質(zhì)通過裂解或不完全燃燒生成的一種富炭產(chǎn)物。該技術(shù)生產(chǎn)的生物質(zhì)炭的熱值可達(dá)到33418.22kJ/kg，比原煤熱值還要高出近60%，可以作為優(yōu)質(zhì)燃料，見表3。生物質(zhì)炭還具備較強吸附功能的孔隙結(jié)構(gòu)，可生產(chǎn)工業(yè)用的活性炭和冶金保溫材料，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作為有機復(fù)合肥料和土壤修復(fù)劑的研究較多。該項目產(chǎn)生的生物質(zhì)炭粉主要加工成生物質(zhì)成型炭棒，供應(yīng)當(dāng)?shù)氐臒臼袌觥?/p>

表3 生物質(zhì)炭的性能

4 項目效益分析

4.1 經(jīng)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(tǒng)生物質(zhì)氣化技術(shù)相比，能夠更加充分地利用生物質(zhì)原料，生物質(zhì)炭和提取液的收益使得整體收益增加了24.6%。對于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶而言，月燃?xì)赓M用約為42元，與燃煤費用相當(dāng)，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(wèi)生、方便，還能節(jié)省大量勞動力。

4.2 環(huán)境效益

使用生物質(zhì)燃?xì)庾鳛樯畲妒掠媚埽c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(jié)約薪柴1440m3，相當(dāng)于保護580畝林地。同時減少溫室氣體排放260t。

5 結(jié)語

生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，可以促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，減少環(huán)境污染，與傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)相比，生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)更先進(jìn)，經(jīng)濟效益更明顯，具有更好的市場推廣前景。同時，云南省農(nóng)作物秸稈資源、林業(yè)廢棄物及其他林業(yè)資源豐富，因此，該技術(shù)在云南地區(qū)具有很大的推廣潛力。