秸秆气化集中供气技术
摘要：秸秆气化技术和农村集中供气系统是近几年发展起来的的技术工艺。根据目前国内现有的秸秆气化集中供气技术、设备及实际应用情况，介绍了秸秆气化技术的基本原理，秸秆气化集中供气系统的基本工艺和设备。
关键词：秸秆,气化,气化炉,净化,供气,储气柜
1前言
农作物秸秆禁烧和综合利用已成为近期需要迫切解决的一个社会和环境问题，是我国实现农业可持续发展的一个重要内容。
秸秆气化技术和农村集中供气系统是近几年发展起来的新的技术工艺。该技术工艺是秸秆类生物质在缺氧条件下，经过外部加热，使生物质中的C、H、O等元素转变成CO、H2、CH4等可燃气体，通过管道网络供给农民。这种技术既改变了农民直接燃烧生物质以获取能源的传统方式，又适应了部分农民由于生活水平提高而对高品位燃料的需求。据不完全统计，截止到2000年10月底，全国有近400个农作物秸秆气化示范工程在运营。
2秸秆气化的基本原理
气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。当秸秆类物料燃烧时，需要一定量的O2，如果提供的O2等于或多于这个值，秸秆便可以充分地燃烧，最后的残余物为灰分。如果提供的O2量很少，秸秆在燃烧过程中便不能全部烧掉，提供的O2越少，没能烧掉的可燃成分就越多，这些可燃成分包括炭、CO、H2和CH4等。
4个反应区的气化过程如下。
2.1秸秆的氧化反应
气化剂（空气）由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时被加热。加热后的气体进入气化炉底部的氧化区，同炽热的炭发生燃烧反应，生成CO2并同时放出热量。由于是限氧燃烧，O2的供给不充分，因而不完全燃烧反应同时发生，生成CO，同时也放出热量。在氧化区，温度可达1000～1200℃。反应为：
C+O2=CO2+△H △H=408.8kJ
2C+O2=2CO+△H △H=246.44kJ
在氧化区进行的均为燃烧反应,并放出热量,也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥提供了热源。在氧化区中生成的热气体CO和CO2进入气化炉的还原区，灰则进入下部的灰室中。
2.2还原反应
在还原区已没有O2存在，在氧化反应中生成的CO2在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成CO和H2。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，为700～900℃。
还原区的主要产物为CO、CO2和H2，这些热气体同氧化层生成的部分热气体进入上部的裂解区,而没有反应完的炭则落入氧化区。
2.3裂解反应
在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，同时将秸秆加热，秸秆受热后发生裂解反应。在反应中，秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于秸秆的裂解需要大量的热量，在裂解区温度降到400～600℃。
裂解区的主要产物为炭、H2、水蒸气、CO、CO2、CH4、焦油及其它烃类物质(CmHn）等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。
2.4秸秆的干燥
气化炉最上层为干燥区，从上面加入的物料直接进入到干燥区，湿物料在这里同下面3个反应区生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发，该层温度为100～300℃。干燥层的产物为干物料和水蒸气,水蒸气随着下面的3个反应区的产热排出气化炉,而干物料则进入裂解区。
通常把氧化区及还原区合起来称作气化区，气化反应主要在这里进行。裂解区及干燥区则统称为燃料准备区或燃料预处理区，在这里反应是按照干馏的原理进行的，其载热体是来自气化区的热气体。
在气化炉出口，产出气体成分主要为CO、CO2、H2、CH4、焦油及少量其它烃类，还有水蒸气及少量灰分。气体经过净化后，便可送入储气柜储存，供居民使用。
3.1气化炉
气化炉是秸秆气化集中供气系统的核心设备。在秸秆气化集中供气系统中大部分采用下吸式固定床气化炉(见图3),主要由内胆、外腔及灰室组成。
进入到气化炉内的秸秆最初在物料的最上层，即处在干燥区内。由于受外腔里的热气体及内胆里热气体的热辐射，水分蒸发了，秸杆变成干物料。随着物料的消耗，秸杆向下移动进入裂解区。由于裂解区的温度高，达到了挥发分溢出温度，因而秸秆开始裂解，挥发分气体开始产生，干秸秆逐渐分解为炭、挥发分及焦油等。而生成的炭随着物料的消耗而继续下移进入氧化区。在氧化区，由裂解区生成的炭与气化剂中的O2进行燃烧反应生成CO2、CO。没有在反应中消耗掉的炭继续下移进入还原区，与裂解区及氧化区生成的CO2发生还原反应生成CO，炭还与水蒸气反应生成H2和CO。
气化过程中空气的供给是靠系统后端的容积式风机的抽力实现的。大多数的秸秆气化炉都是在微负压的条件下运行，进风量可以调节。
从秸秆气化炉中生成的可燃气体含有杂质，且温度太高，并不适合直接送给用户使用，必须进行净化。净化秸秆气的主要目的是除去灰分、炭颗粒、水分、焦油及冷却。净化系统中常用设备为旋风分离除尘器、喷淋塔、液滴分离器和生物质过滤器。
3.2旋风分离器
旋风分离除尘器是应用最广，也是最有效的除尘设备。在秸秆气化集中供气系统中采用的是切流式旋风分离除尘器。需净化的秸秆气通过连接管沿切线方向进入旋风分离的圆筒部分，悬浮在秸秆气中的灰分、炭颗粒等粒子靠离心力的作用被抛向器壁。粒子由于与器壁的摩擦而失去其活动力，受重力的作用而落至旋风分离器底部的圆锥部分，从旋风分离器底部的排放孔定期排出。已除尘的秸秆气通过位于旋风分离器中心线上的排气管道排出。
气体的除尘效果与气体进入旋风分离器内的速度大小有关。秸秆气的进气速度太小，除尘效果不明显；进气速度太大，会将已沉降的尘粒重新吹起来。适宜的进气速度是15～20m/s。旋风分离器的直径越小，气体的除尘就越完善。在保持气体最适宜的速度条件下，直径减小可使气体的旋转次数增加。
为了提高除尘效果，实际上常常使用多个旋风分离器，将它们并联或串联。串联时的除尘效果更好，但却增大了系统阻力。
3.3喷淋塔
很多秸秆气化集中供气系统中都使用喷淋塔来净化秸秆气。喷淋塔的作用不是单一的而是多样的，它既可以除尘、除焦油，也可以冷却秸秆气。绝大多数的喷淋塔为圆形截面。被冷却的气体从下面送入，喷淋水则由上面送入，这样就形成了水和气体的相对流动。含杂质气体在由下至上流动过程中，经过一排排向下喷淋的液滴，液滴可以捕捉气体中的杂质，并冷却气体，从而达到除尘、除焦油并冷却秸秆气的目的。
3.4文氏管洗涤器
文氏管洗涤器是另一种湿法除尘设备。当含尘气体通过文氏管时，利用文氏管的收缩管径，使气体的流动速度增加。由于气体流速增加使得文氏管内的压力降低，从而使管外的液体通过小孔被吸入到管内，同时液体被雾化成细小液滴，吸附尘粒子。雾滴与气体间的相对速度很高，高压降文氏管可清除小于1µm的微小颗粒,很适于处理粘性粉气体。一般情况下,气体经过文氏管加速后,流速应控制在60～120m/s。
3.5液滴分离器
大多数情况下，秸秆气在经过湿法除尘冷却后，都会带入一定的水分，所以去除水分也是气体净化过程中必须的。通常的除水分设备为液滴分离器，也就是液滴捕集器。气体在通入液滴分离器后，由于撞到设置在分离器内的不同方向的挡板，而使气体的流动速度及方向都发生改变。撞击到挡板上的液滴在重力的作用下下落，从而使液滴从气体中分离出来。
3.6生物质过滤器
生物质过滤器是利用颗粒层过滤原理对气体进行净化，它是秸秆气化集中供气系统中比较有效的、经济实用的净化设备。当秸秆气通过滤料时，气体中的杂质、微细炭颗粒、水分、焦油等被过滤器滤料的多孔体表面吸附。在秸秆气化集中供气系统中一般采用不同粒度等级的木屑、玉米芯作为滤料，所以称作生物过滤器。当木屑或玉米芯吸附物达到饱和状态时，应以新的木屑、玉米芯替换下来，并将旧的作为气化原料投入气化炉，这样可以减少二次污染。
生物质过滤器有以下几个特点：(1)除尘效率高，总除尘效率一般为98%～99.9%；(2)适应性广；(3)处理气体量、气体温度和入口含尘浓度等的波动对除尘效率的影响较小；(4)滤料来源广、价格便宜，而且不用水，设备阻力中等。
在秸秆气化系统中所采用的生物质过滤器通常为固定床多层过滤器，有水平床层和垂直床层2种。
3.7罗茨风机
罗茨风机是燃气工程中最常用的燃气加压设备。它在壳体中有一对“8”字形的转子，运行时一个转子顺时针旋转，另一个转子逆时针旋转。这种旋转运动使转子与壁面之间包围的空间体积产生周期性变化，从而对其间的气体产生压缩，提高了燃气压力。
如果忽略气体沿转子之间和转子与壁面之间的间隙回流，罗茨风机可以看成是容积式输送机，即气体流量受压力影响很小，可以保持燃气发生系统的稳定运行。
3.8储气柜
储气柜是燃气输配系统中的关键设备，它的作用是：（1）储存部分燃气，用以补偿用气负荷的变化，保证燃气发生系统的平稳运行。集中供气系统的用气高峰集中在一日三餐的炊事时间，平时只有零星用气。储气柜在非用气高峰时储存部分燃气，而在用气高峰时放出来以补充气化机组不能及时供应的部分燃气量。（2）为燃气管网提供一个恒定的输配压力，保证燃气输配均衡，使管网内所有的燃气灶都能按照额定的压力正常燃烧。
燃气输配系统中常用的储气柜有2类：低压湿式储气柜和低压干式储气柜。
3.9输气管网
输气管网分室外和室内2个部分。煤气输送外网可采用水煤气钢管和PE管2种。前者造价低，后者造价虽高，但寿命长。户内使用镀锌管，并配有煤气表。输气管网应按国家有关规定进行管径计算和管路施工。
4系统在操作、运行和管理中应注意的问题
4.1正确选择技术类型及主要设备
系统在使用前须详细正确地分析本地的实际条件。根据具体实际情况和现有条件，选择相应的设备和技术类型，这样才能正确有效地发挥秸秆气化技术。如果设备或技术类型选择不当，轻者系统运行不畅、故障频繁、维修费用增高、达不到投资预期目的，重者整个系统无法运行、设备损坏，甚至还有安全隐患。
4.2严格控制秸秆气的质量
秸秆气化产出气体的质量是保证应用系统正常运行的前提。操作人员应严格遵守设计单位出具的技术说明、操作规程和维护保养条例，按规定操作运行，从而保证生产的正常运行，能得到高质量、合格的气体。
4.3保证安全生产
秸秆气易燃、易爆、有毒，而且原料也是可燃的，因此增强有关人员的安全意识是非常必要的。首先，从设计上就必须按照国家有关防火防爆规定进行设计；其次，在设备的制造安装过程中也必须遵照国家的规定，储气柜的制造安装及输气管网的安装都必须由国家有关部门认可的有资质的单位来执行的；系统的生产和运行也必须符合国家有关规定。
4.4提高人员素质
在农村使用此类技术，要注意安全使用常识的宣传。管理人员和操作人员应了解有关基本知识，并掌握所用技术的基本原理，并能够对设备故障作简单的处理。否则，也会造成重大事故。
4.5防止二次污染
秸秆气化技术是充分利用秸秆资源、减少污染的一种方式。在秸秆气化净化过程中，有焦油、炭灰等有害物质产生，在气体净化过程中有大量的污水产生。如何处理好这些污染物，不使这些污染物对环境造成二次污染，是考核所使用技术是否成熟和适用的一个重要指标。每一个气化站和用户都应将这些污染物进行处理，只有达到国家环保规定要求后才能排放。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
