生物质气化多联产技术应用研究

2014-03-12曾国揆云南省农村能源工作站余东波云南省科学技术情报研究院

节能与环保 2014年5期

文 _ 曾国揆云南省农村能源工作站余东波云南省科学技术情报研究院

生物质气化是指生物质在高温、无氧或缺氧条件下发生热分解，产生可燃气体的过程。国家农业部曾于20世纪90年代在全国多个省份开展了“秸秆气化集中供气工程”试点建设，云南昆明、普洱等地共建设秸秆气化站8处，但据云南省农村能源工作站调查，目前基本都处于停运状态，其主要原因在于气化设备技术不成熟、焦油难以处理和综合效益不明显等。深入探索生物质合理利用的发展方向，改进利用方式与装置，实现生物质清洁高效利用，目前已成为生物质能优化利用领域面临的重要课题。生物质气化多联产集中供气技术就是在传统生物质气化技术的基础上开发出的一种新型生物质能源化利用模式。

本文以云南省普洱市思茅区曼窝村气化站为例，在介绍思茅区曼窝村能源消费与资源现状的基础上，分析生物质气化多联产集中供气技术的生产运行和效益情况，并对该技术在云南的发展前景进行了展望。

1 思茅区曼窝村能源消费与资源现状

1.1 项目实施前能源消费情况

曼窝村位于普洱市思茅区思茅镇，全村共有居民510户。从图1中可以看出，当地居民生活用能的消费结构主要以薪柴、秸秆等生物质能为主，约占能源消费总量的78%。为了保护当地森林资源，促进新农村建设，并有效解决当地农村秸秆等生物质大量过剩问题，云南省农村能源工作站和普洱市政府于2011年实施了“生物质气化多联产集中供气”项目。

1.2 思茅区生物质资源情况

思茅区2010年可利用的生物质资源总量约2.8万t/a，主要有林业剩余物、玉米秸秆、小麦秸秆和烟秆，其中林业剩余物约占总量的39.2%。林业剩余物的主要来源为当地木材经营加工企业和咖啡加工企业。本项目全负荷运行时年需生物质量约500t，原料来源主要以当地咖啡加工企业的咖啡壳和木材加工厂的锯沫，运输半径约5km，资源来源可靠。

2 基本原理、工艺流程与系统构成

2.1 基本原理

生物质气化多联产技术工艺采取下吸式固定床，以空气为气化剂，通过控制适当的进气比，同时生产生物质燃气、生物质提取液和生物质炭。生物质气化炉内的物料自上而下分为干燥、热解、氧化、还原、灰烬五个层次，如图2所示。在干燥层（常温～150℃）主要发生吸附水的蒸发。热解层（150～450℃）主要发生有机高分子的分解反应，化学反应比较复杂，主要产生一氧化碳、醋酸、甲烷和低温炭等物质，可看作生物质的干馏炭化过程。氧化层(1000～1200℃)主要是热解过程剩余的木炭与引入的空气发生反应，同时释放大量的热以支持生物干燥、热解和后续的还原反应。还原层（450～900℃）主要发生水蒸气和二氧化碳的还原反应。

2.2 工艺流程

生物质气化多联产技术的工艺流程见图3，主要包括：生物质经上料机送入气化炉，在气化炉内进行气化反应产生可燃气体，出来的气体进入燃气净化系统，经气液分离后分为可燃气和生物质提取液。燃气送入储气柜后，经燃气输配系统送到用户。木醋液和木焦油混合液体进入分离槽进行分离，分离出来的木醋液和木焦油分别进入醋液槽和焦油槽，然后装桶入库。气化炉在气化过程中同时产出炭粉，冷却后炭粉由自动出炭装置将炭粉排除，然后加工成生物质成型炭。

2.3 系统构成

生物质气化多联产技术系统主要由气化机组、贮气柜、燃气输配系统、用户炊事系统组成。

图1 曼窝村生活用能消费结构

（1）气化机组。气化机组由上料器、气化反应炉、燃气净化装置、真空泵和电控系统等部分组成。气化炉的主要特点为：采用一体化设计，通过增大高温区设计，大量裂解焦油，增加燃气热值；炉内无炉排，防止生物质在炉膛内搭桥；炉底设计自动排炭粉和防回火装置。

（2）贮气柜。贮气柜的作用是贮存一定量的燃气，保持恒定的压力，以调整高峰时的用气和保证灶前压力的稳定性。在贮气柜的前端和后端分别安装有沉淀水封器和阻火器，作为安全装置。

（3）燃气输配系统。燃气通过燃气输配管网混合贮气柜，通过输气管网配送至用户。燃气输配系统包括输气管网和附属设备。管网是由燃气供给用户的管道组成。室外管道使用PE管，一般敷设于地下；户内使用镀锌管。燃气管网根据敷设位置可分为干管、支管、用户引入管等，其干支管采用浅层直埋的方式铺设在地下。附属设备主要包括集水器、放散器、控制器等。

（4）用户炊事系统。户内炊事系统由煤气表、滤清器、阀门、专用燃气灶具等组成。

3 生产运行情况

按照每户燃气消耗量4m3/d和峰荷时每户不低于2m3/h燃气量计，同时保证全天恒定供气，设计供气规模为520户，气化站每天需产气2000m3，储气罐容积设计为500m3。项目于2012年8月建成，实际供气为360户，运行负荷率为69%。

3.1 系统技术指标

图2 生物质气化多联产技术原理

图3 生物质气化多联产技术工艺流程

正常运行条件下，该系统每吨生物质可产气1600m3，产炭250kg，产焦油和木醋液230kg，平均热效率可达到72%，各项指标达到《秸秆气化供气系统技术条件及验收规范》(NY/T 443-2001)标准，见表1。

表1 思茅区曼窝村气化站系统运行指标

3.2 主要产品及用途

3.2.1 生物质燃气

本项目所生产的生物质燃气热值约为5000kJ/Nm3,主要可燃气体成分为一氧化碳、氢气、甲烷，见表2。生物质燃气可用于供民用炊事燃料、供热和发电、还可用于烘干农产品和和窑炉等工农业生产用能领域。

表2 生物质燃气的气体成分和热值

3.2.2 生物质提取液

生物质提取液主要为焦油和木醋液。焦油是一种黑色、黏稠、油状的液体，其成分极其复杂，主要为苯及其衍生物。木醋液主要含有酸类、醇类、酯类、醛类、酮类、酚类等多种化学成分，可用于家畜饲养的消毒、杀菌液、除臭剂或用于农药、助剂、促进作物生物的叶面肥。焦油可用于木材防腐剂、生产活性炭的黏结剂及部分替代苯酚制备酚醛树脂胶黏剂等；经加工还可制成水泥防潮剂、杀虫剂、浮选剂等产品，用于各工农业部门。该项目中，除部分焦油用于生物质成型炭的黏结剂，其余的焦油和木醋液均是集中收集后统一销。

3.2.3 生物质炭

生物质炭是指由富含碳的生物质通过裂解或不完全燃烧生成的一种富炭产物。该技术生产的生物质炭的热值可达到33418.22kJ/kg，比原煤热值还要高出近60%，可以作为优质燃料，见表3。生物质炭还具备较强吸附功能的孔隙结构，可生产工业用的活性炭和冶金保温材料，目前在农业生产上作为有机复合肥料和土壤修复剂的研究较多。该项目产生的生物质炭粉主要加工成生物质成型炭棒，供应当地的烧烤市场。

表3 生物质炭的性能

4 项目效益分析

4.1 经济效益

气化站初始投资约186万元，年运行费用约11.2万元，年收益24.3万元。与传统生物质气化技术相比，能够更加充分地利用生物质原料，生物质炭和提取液的收益使得整体收益增加了24.6%。对于当地农户而言，月燃气费用约为42元，与燃煤费用相当，约是液化气的40%。同时，虽然在费用上高于直接燃用薪材、秸秆，但其安全、卫生、方便，还能节省大量劳动力。