李 偉， 劉新萍， 潘鵬飛， 徐廣印

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002)

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玉米秸稈氣化集中供氣集成模式的研究

李 偉1,2， 劉新萍1,2， 潘鵬飛1,2， 徐廣印1,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002)

對玉米秸稈氣化集中供氣進(jìn)行了流程和技術(shù)分類，采用技術(shù)集成方法構(gòu)建出滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的玉米秸稈氣化集中供氣集成模式，并用層次分析法對模式進(jìn)行決策分析。以河南為例計(jì)算了10種模式的偏好性，以熱解氣化為核心的模式1～4偏好性依次為:模式1>模式2>模式4>模式3；以生物氣化為核心的模式5～10偏好性依次為: 模式7>模式6>模式5>模式10>模式9>模式8。

玉米秸稈；氣化；集成；模式

中國是農(nóng)業(yè)大國，也是農(nóng)作物秸稈資源量較為豐富的國家之一。近年來，政府為了改變農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)民收入，滿足農(nóng)戶的能源需求，在農(nóng)作物秸稈資源化利用方面投入大量資金。如沼氣工程方面，中國是世界上戶用沼氣現(xiàn)存數(shù)量最多的國家，戶用沼氣池的建造和使用技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平[1]。中國是能源消耗大國，對新型能源的開發(fā)利用迫在眉睫，而秸稈作為清潔可再生能源具有較高的利用價(jià)值，各國對秸稈氣化技術(shù)研究較早，已形成了較為成熟的應(yīng)用體系，因此對玉米秸稈氣化集中供氣集成模式研究具有實(shí)際意義。玉米秸稈的基本組織結(jié)構(gòu)以纖維素、半纖維素、木質(zhì)素為主[2]，玉米秸稈的這種理化特性使其適合用于秸稈氣化，秸稈氣化是指將秸稈等固態(tài)生物質(zhì)原料通過化工、生物等方法轉(zhuǎn)變成高熱值可燃?xì)怏w的過程。秸稈氣化是一種清潔高效的可再生能源轉(zhuǎn)換途徑,可有效提高秸稈資源利用率并減少環(huán)境污染，是一種理想的秸稈深層利用途徑。秸稈新型能源化利用體系中將廣義上的秸稈氣化分為秸稈熱解氣化(狹義秸稈氣化)和秸稈生物氣化(秸稈沼氣生產(chǎn))[3-5]。本研究對玉米秸稈氣化集中供氣技術(shù)進(jìn)行分類和集成，以實(shí)際技術(shù)應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)條件為基礎(chǔ)，建立可行的玉米秸稈氣化集中供氣模式；采用層次分析法對模式進(jìn)行決策分析，以河南省為例計(jì)算模式的偏好性，以期為玉米秸稈氣化的有效利用提供技術(shù)支持。

1 農(nóng)業(yè)工程集成技術(shù)

農(nóng)業(yè)工程技術(shù)是以復(fù)雜的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為研究對象，多學(xué)科交叉應(yīng)用的綜合性工程科學(xué)技術(shù)。農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的發(fā)展對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變具有不可替代的作用。農(nóng)業(yè)工程集成技術(shù)就是將農(nóng)業(yè)工程技術(shù)進(jìn)行集成整合和創(chuàng)新，體現(xiàn)集成技術(shù)的整體性、高效性和創(chuàng)新性，消除原有單一技術(shù)的缺陷和不足，更大程度的讓工程技術(shù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6,7]。

集成技術(shù)根據(jù)技術(shù)流程可先分為幾個(gè)大類技術(shù)，每個(gè)大類技術(shù)下包含多個(gè)可供選擇的中類技術(shù)，中類技術(shù)包括主體、實(shí)施主體、工藝、設(shè)施設(shè)備等[8-11]。本研究將玉米秸稈氣化集中供氣集成技術(shù)主要流程分為:玉米秸稈→玉米秸稈集運(yùn)→玉米秸稈氣化→集中供氣。這里包括玉米秸稈集運(yùn)和玉米秸稈氣化兩大類技術(shù)。

2 玉米秸稈氣化集中供氣集成技術(shù)

玉米秸稈的集運(yùn)技術(shù)分為聯(lián)合收割及運(yùn)輸和分段收割及運(yùn)輸，玉米秸稈氣化技術(shù)分為熱解氣化和生物氣化，這兩類技術(shù)都由秸稈預(yù)處理、秸稈氣化、燃?xì)鈨艋斉涞葟?fù)雜過程組成。玉米秸稈氣化集中供氣集成技術(shù)見圖1。

圖1 玉米秸稈氣化集成技術(shù)Fig.1 Corn straw gasification integration technology

2.1 玉米秸稈集運(yùn)技術(shù)

玉米秸稈集運(yùn)技術(shù)中分為秸稈的收集和運(yùn)輸2個(gè)過程，由于受實(shí)施主體的制約，這2個(gè)過程中可選擇的技術(shù)和設(shè)施設(shè)備有限。玉米收獲機(jī)械化是起步較早但實(shí)現(xiàn)較慢的機(jī)械收獲作業(yè)，玉米秸稈收獲也主要以人工收獲和半機(jī)械化收獲為主，分為聯(lián)合收割和分段收割。由于集中供氣站規(guī)模較大，需要秸稈量比較多，運(yùn)輸設(shè)備以大型運(yùn)輸車為主。玉米秸稈集運(yùn)技術(shù)內(nèi)容見圖2。

2.2 玉米秸稈氣化技術(shù)

圖2 玉米秸稈集運(yùn)技術(shù)Fig.2 The collection and transportation of corn straw

2.2.1 玉米秸稈熱解氣化技術(shù) 玉米秸稈熱解氣化是指將秸稈等固態(tài)生物質(zhì)在高溫裂解條件下轉(zhuǎn)化成清潔可燃性氣體，提高秸稈的燃燒熱值。熱解氣化技術(shù)工藝的核心設(shè)備就是氣化爐。根據(jù)秸稈用料連續(xù)性和生產(chǎn)規(guī)模不同可將氣化過程分為投料式和流料式，分別對應(yīng)的是固定床氣化爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐對投料連續(xù)性要求不高，反應(yīng)速度較慢，產(chǎn)氣效率低，適合于規(guī)模小、戶型少的供氣系統(tǒng)。流化床氣化爐可實(shí)現(xiàn)連續(xù)投料生產(chǎn)，產(chǎn)氣效率較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)氣穩(wěn)定，適用于規(guī)?；a(chǎn)[12-14]。

氣化爐的選取在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中都有不同條件要求，每一種秸稈熱解氣化設(shè)備都有其自身優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、供氣規(guī)模以及秸稈資源種類等選擇適宜的秸稈氣化設(shè)備和技術(shù)，以求達(dá)到理想的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 玉米秸稈生物氣化技術(shù) 玉米秸稈生物氣化是指利用微生物學(xué)特性在厭氧環(huán)境下分解有機(jī)物產(chǎn)生沼氣的過程。中國秸稈沼氣發(fā)酵工藝多種多樣，根據(jù)物料在反應(yīng)發(fā)生器中的形態(tài)可分為濕發(fā)酵、干發(fā)酵工藝和固液兩相發(fā)酵工藝[15]。目前用于大中型規(guī)模化沼氣發(fā)酵工程的技術(shù)工藝主要有完全混合式厭氧發(fā)酵技術(shù)、車庫式厭氧發(fā)酵技術(shù)和一體化兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)。

建設(shè)規(guī)?；泄獾拇笮驼託庠O(shè)備多以政府為主導(dǎo)，主要追求設(shè)施工程帶來的環(huán)境效益和社會效益，而建設(shè)戶用型沼氣池主要以能給農(nóng)戶帶來多大的經(jīng)濟(jì)效益為驅(qū)動因素。

3 玉米秸稈氣化集中供氣集成模式

根據(jù)玉米秸稈集運(yùn)技術(shù)和氣化技術(shù)的分類，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的要求，遵循可行性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等集成要求，對玉米秸稈氣化供氣技術(shù)進(jìn)行集成，構(gòu)建模式見表1。

表1 玉米秸稈氣化集中供氣集成模式Table 1 The mode of corn stover gasification and gas centralized supply

4 玉米秸稈氣化集中供氣集成模式的層次分析

玉米秸稈氣化集中供氣集成模式的層次分析可分為以下5個(gè)步驟。

第一步：根據(jù)需要決策的問題提出總目標(biāo)，在玉米秸稈氣化集中供氣工程的總目標(biāo)是：明確玉米秸稈氣化集中供氣模式偏好程度。

第二步：把問題分為若干層建立一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，第一層為目標(biāo)層，中間層依次分成準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層等，最底層是方案層(圖3)。

第三步：求同一層次上的權(quán)系數(shù)，由高層到底層，設(shè)A1,…,An是當(dāng)前層次上的因素，針對上一層因素C(可以不止1個(gè))，對所有因素A1,…,An進(jìn)行兩兩比較得到數(shù)值aij，則A=(aij)n×n表示當(dāng)前層次因素A1,…,An相對于上一層因素C的判斷矩陣。記A的最大特征根為λmax，其標(biāo)準(zhǔn)化特征向量為w=(ω1,…,ωn)T，則ω1,…,ωn給出了因素A1,…,An相應(yīng)于因素C的按偏重程度的一個(gè)排序。其中,aij的定義和解釋見表2。

圖3 玉米秸稈氣化集中供氣集成模式的層次結(jié)構(gòu)Fig.3 The hierarchy of the mode of corn stover gasification and gas centralized supply

用線性代數(shù)的方法可以計(jì)算λmax和其標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，但從實(shí)際角度出發(fā)一般采用方根法近似計(jì)算，方根法有以下3步：

(1)

表2 aij的定義和解釋Table 2 The definition and interpretation of aij

(2)

ωi即特征向量ω的第i個(gè)分量。

(3)求λmax。

(3)

(4)

以此方法自上而下求出各層的所有因素組合權(quán)系數(shù)，根據(jù)最低層權(quán)系數(shù)的分布給出一個(gè)關(guān)于各方案優(yōu)先程度的排序。由式(4)可知，對于k層上的所有因素相對于上一層有關(guān)因素的權(quán)向量按列組成矩陣Bk，則k層組合權(quán)系數(shù)向量Wk滿足：

Wk=Bk·Bk-1·…·B2·B1

(5)

其中，B1=(1)，可根據(jù)所求的Wk判斷優(yōu)劣程度。

第五步：一致性檢驗(yàn)。避免判斷矩陣A出現(xiàn)與判斷的不一致性現(xiàn)象，引用CR作為判斷依據(jù)，CR稱為隨機(jī)一致性比率，通常要求CR≤0.1，否則需要對矩陣進(jìn)行調(diào)整。其中：

(6)

CI作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)，有

(7)

RI是判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對于低階(階數(shù)N≤15)的判斷矩陣，RI指標(biāo)的分值見表3。

表3 RI指標(biāo)的分值Table 3 Index score of RI

5 實(shí)例分析

以河南省為實(shí)例，參照河南省各地秸稈氣化集中供氣站數(shù)據(jù)，綜合考慮地區(qū)秸稈資源量、機(jī)械化運(yùn)輸水平、秸稈集運(yùn)成本等因素，以表3為參照采用多位專家9級分值賦值法對各因素分值賦值[16]。以玉米秸稈熱解氣化供氣模式為方案層的模式1～4進(jìn)行層次分析，準(zhǔn)則層關(guān)于目標(biāo)層的兩兩比較得到判斷矩陣A為:

利用公式(1)～(3)求出λmax和B2為:

λmax=4.078 6B2=(0.103，0.130，0.526，0.241)T

利用公式(6)和(7)對判斷矩陣進(jìn)行一致性判斷有:CR=CI/RI=0.029 1

可知CR<0.1符合一致性判斷。

子準(zhǔn)則層有8個(gè)因素，求出關(guān)于上一層4個(gè)因素的比較矩陣的特征向量，并將它們按列排列組成子準(zhǔn)則層的組合權(quán)系數(shù)矩陣。

根據(jù)公式(1)～(4)可求子準(zhǔn)則層權(quán)向量矩陣。

方案層的模式1～4相對于子準(zhǔn)則層相關(guān)因素比較后確定組合權(quán)系數(shù)，方案層相對于子準(zhǔn)則層的8個(gè)因素比較“單位燃?xì)饨?jīng)濟(jì)效益”“能源替代效益”“秸稈可利用資源量”模式1～4同等重要，“秸稈氣化效率”和“噸秸稈減排CO2量”判斷矩陣相同，“噸秸稈集運(yùn)成本”和“機(jī)械化運(yùn)輸水平”判斷矩陣相同，其比較矩陣如下：

根據(jù)以上方法逐步計(jì)算，得到方案層特征向量按列組成矩陣B4為：

B4=

根據(jù)公式(5)可求得方案層組合權(quán)系數(shù)為

W4=B4·B3·B2=(0.269 2,0.267 6,

0.230 8,0.232 4)T

同樣方法，以玉米秸稈生物氣化供氣模式為方案層的模式5～10進(jìn)行層次分析，用同樣的方法步驟最終計(jì)算得到方案層的組合權(quán)系數(shù)為：

W6=(0.178 9，0.182 3，0.183 4，0.150 2,

0.151 6,0.153 6)T

根據(jù)所求得以熱解氣化為核心技術(shù)的模式1～4偏好性見表4。根據(jù)所求得以生物氣化為核心技術(shù)的模式5～10偏好性見表5。

表4 模式1～4的偏好性Table 4 The preference of mode 1 to 4

表5 模式5～10的偏好性Table 5 The preference of mode 5 to 10

從表4和表5可以看出，玉米秸稈熱解氣化集中供氣模式中最優(yōu)的是模式1，玉米秸稈生物氣化集中供氣模式中最優(yōu)的是模式7。不同氣化方式的模式選取以實(shí)用性作為主要參考指標(biāo)，河南省的秸稈氣化站以這2種模式運(yùn)行較好。由判斷矩陣A和特征向量B2可知，玉米秸稈氣化集中供氣模式中4個(gè)指標(biāo)重要性依次是環(huán)境、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)。秸稈氣化供氣站多以政府主導(dǎo)建設(shè)，把環(huán)境指標(biāo)放在第一位，旨在平衡區(qū)域內(nèi)的環(huán)境保護(hù)和能源消耗。

6 結(jié)論

1)本研究以玉米秸稈集運(yùn)和玉米秸稈氣化集中供氣為層次劃分，總結(jié)出10個(gè)玉米秸稈氣化集中供氣集成模式；結(jié)合河南省實(shí)際情況利用層次分析方法確定模式之間的偏好性，其中以熱解氣化為核心的模式1～4偏好性依次為:模式1>模式2>模式4>模式3,以生物氣化為核心的模式5～10偏好性依次為:模式7>模式6>模式5>模式10>模式9>模式8。

2)玉米秸稈氣化集中供氣是重要的秸稈能源化利用途徑，技術(shù)已較為成熟，但多數(shù)氣化站要依靠政府補(bǔ)貼維持正常運(yùn)行，投資回報(bào)率低，經(jīng)濟(jì)可行性較差。氣化站選址應(yīng)在玉米作物主產(chǎn)區(qū)、秸稈資源豐富的地方，這樣可有效的降低玉米秸稈集運(yùn)成本。

3)綜合河南省農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和交通運(yùn)輸條件等因素，應(yīng)以河南中東部玉米主產(chǎn)區(qū)為主要區(qū)域建設(shè)氣化站；以政府為主導(dǎo)力量加大資金投入和技術(shù)支持，積極開展玉米秸稈氣化集中供氣技術(shù)研究和應(yīng)用推廣。做好對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的宣傳和動員工作，加強(qiáng)供氣站的運(yùn)行管理和供氣服務(wù)。從玉米秸稈的集運(yùn)、氣化以及輸配等環(huán)節(jié)入手，多途徑降低生產(chǎn)成本，以保證氣化站長期有效運(yùn)行。

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

Research of the mode of corn stover gasification and gas centralized supply

LI Wei1,2, LIU Xinping1,2, PAN Pengfei1,2, XU Guangyin1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;2.Collaborative Innovation Center of Biomass Energy of Henan Province, Zhengzhou 450002, China)

This paper classifies the process and technology of corn straw gasification and gas centralized supply,builds modes of corn straw gasification and gas centralized supply to meet the needs of production,and analyze the modes with the AHP.Figuring out the preference of the ten modes taking Henan Province as an example,the preference of the mode 1 to 4 is:mode 1>mode 2>mode 4>mode 3;the preference of the mode 5 to 10 is:mode 7>mode 6>mode5>mode 10>mode 9>mode 8.

corn straw; gasification; integration; model

2014-08-19

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303099-04)

李 偉(1987-)，男，河南信陽人，碩士研究生，從事能源規(guī)劃與系統(tǒng)分析。

徐廣印(1963-)，男，河南南陽人，教授，博士研究生導(dǎo)師。

1000-2340(2015)02-0213-06

S216

A