秸稈氣化集中供氣技術
摘要：秸稈氣化技術和農村集中供氣系統是近幾年發展起來的的技術工藝。根據目前國內現有的秸稈氣化集中供氣技術、設備及實際應用情況，介紹了秸稈氣化技術的基本原理，秸稈氣化集中供氣系統的基本工藝和設備。
關鍵詞：秸稈,氣化,氣化爐,凈化,供氣,儲氣柜
1前言
農作物秸稈禁燒和綜合利用已成為近期需要迫切解決的一個社會和環境問題，是我國實現農業可持續發展的一個重要內容。
秸稈氣化技術和農村集中供氣系統是近幾年發展起來的新的技術工藝。該技術工藝是秸稈類生物質在缺氧條件下，經過外部加熱，使生物質中的C、H、O等元素轉變成CO、H2、CH4等可燃氣體，通過管道網絡供給農民。這種技術既改變了農民直接燃燒生物質以獲取能源的傳統方式，又適應了部分農民由于生活水平提高而對高品位燃料的需求。據不完全統計，截止到2000年10月底，全國有近400個農作物秸稈氣化示范工程在運營。
2秸稈氣化的基本原理
氣化是指將固體或液體燃料轉化為氣體燃料的熱化學過程。當秸稈類物料燃燒時，需要一定量的O2，如果提供的O2等于或多于這個值，秸稈便可以充分地燃燒，最后的殘余物為灰分。如果提供的O2量很少，秸稈在燃燒過程中便不能全部燒掉，提供的O2越少，沒能燒掉的可燃成分就越多，這些可燃成分包括炭、CO、H2和CH4等。
4個反應區的氣化過程如下。
2.1秸稈的氧化反應
氣化劑（空氣）由氣化爐的底部進入，在經過灰渣層時被加熱。加熱后的氣體進入氣化爐底部的氧化區，同熾熱的炭發生燃燒反應，生成CO2并同時放出熱量。由于是限氧燃燒，O2的供給不充分，因而不完全燃燒反應同時發生，生成CO，同時也放出熱量。在氧化區，溫度可達1000～1200℃。反應為：
C+O2=CO2+△H △H=408.8kJ
2C+O2=2CO+△H △H=246.44kJ
在氧化區進行的均為燃燒反應,并放出熱量,也正是這部分反應熱為還原區的還原反應、物料的裂解和干燥提供了熱源。在氧化區中生成的熱氣體CO和CO2進入氣化爐的還原區，灰則進入下部的灰室中。
2.2還原反應
在還原區已沒有O2存在，在氧化反應中生成的CO2在這里同炭及水蒸氣發生還原反應，生成CO和H2。由于還原反應是吸熱反應，還原區的溫度也相應降低，為700～900℃。
還原區的主要產物為CO、CO2和H2，這些熱氣體同氧化層生成的部分熱氣體進入上部的裂解區,而沒有反應完的炭則落入氧化區。
2.3裂解反應
在氧化區和還原區生成的熱氣體，在上行過程中經過裂解層，同時將秸稈加熱，秸稈受熱后發生裂解反應。在反應中，秸稈中大部分的揮發分從固體中分離出去。由于秸稈的裂解需要大量的熱量，在裂解區溫度降到400～600℃。
裂解區的主要產物為炭、H2、水蒸氣、CO、CO2、CH4、焦油及其它烴類物質(CmHn）等，這些熱氣體繼續上升，進入到干燥區，而炭則進入下面的還原區。
2.4秸稈的干燥
氣化爐最上層為干燥區，從上面加入的物料直接進入到干燥區，濕物料在這里同下面3個反應區生成的熱氣體產物進行換熱，使原料中的水分蒸發，該層溫度為100～300℃。干燥層的產物為干物料和水蒸氣,水蒸氣隨著下面的3個反應區的產熱排出氣化爐,而干物料則進入裂解區。
通常把氧化區及還原區合起來稱作氣化區，氣化反應主要在這里進行。裂解區及干燥區則統稱為燃料準備區或燃料預處理區，在這里反應是按照干餾的原理進行的，其載熱體是來自氣化區的熱氣體。
在氣化爐出口，產出氣體成分主要為CO、CO2、H2、CH4、焦油及少量其它烴類，還有水蒸氣及少量灰分。氣體經過凈化后，便可送入儲氣柜儲存，供居民使用。
3.1氣化爐
氣化爐是秸稈氣化集中供氣系統的核心設備。在秸稈氣化集中供氣系統中大部分采用下吸式固定床氣化爐(見圖3),主要由內膽、外腔及灰室組成。
進入到氣化爐內的秸稈最初在物料的最上層，即處在干燥區內。由于受外腔里的熱氣體及內膽里熱氣體的熱輻射，水分蒸發了，秸桿變成干物料。隨著物料的消耗，秸桿向下移動進入裂解區。由于裂解區的溫度高，達到了揮發分溢出溫度，因而秸稈開始裂解，揮發分氣體開始產生，干秸稈逐漸分解為炭、揮發分及焦油等。而生成的炭隨著物料的消耗而繼續下移進入氧化區。在氧化區，由裂解區生成的炭與氣化劑中的O2進行燃燒反應生成CO2、CO。沒有在反應中消耗掉的炭繼續下移進入還原區，與裂解區及氧化區生成的CO2發生還原反應生成CO，炭還與水蒸氣反應生成H2和CO。
氣化過程中空氣的供給是靠系統后端的容積式風機的抽力實現的。大多數的秸稈氣化爐都是在微負壓的條件下運行，進風量可以調節。
從秸稈氣化爐中生成的可燃氣體含有雜質，且溫度太高，并不適合直接送給用戶使用，必須進行凈化。凈化秸稈氣的主要目的是除去灰分、炭顆粒、水分、焦油及冷卻。凈化系統中常用設備為旋風分離除塵器、噴淋塔、液滴分離器和生物質過濾器。
3.2旋風分離器
旋風分離除塵器是應用最廣，也是最有效的除塵設備。在秸稈氣化集中供氣系統中采用的是切流式旋風分離除塵器。需凈化的秸稈氣通過連接管沿切線方向進入旋風分離的圓筒部分，懸浮在秸稈氣中的灰分、炭顆粒等粒子靠離心力的作用被拋向器壁。粒子由于與器壁的摩擦而失去其活動力，受重力的作用而落至旋風分離器底部的圓錐部分，從旋風分離器底部的排放孔定期排出。已除塵的秸稈氣通過位于旋風分離器中心線上的排氣管道排出。
氣體的除塵效果與氣體進入旋風分離器內的速度大小有關。秸稈氣的進氣速度太小，除塵效果不明顯；進氣速度太大，會將已沉降的塵粒重新吹起來。適宜的進氣速度是15～20m/s。旋風分離器的直徑越小，氣體的除塵就越完善。在保持氣體最適宜的速度條件下，直徑減小可使氣體的旋轉次數增加。
為了提高除塵效果，實際上常常使用多個旋風分離器，將它們并聯或串聯。串聯時的除塵效果更好，但卻增大了系統阻力。
3.3噴淋塔
很多秸稈氣化集中供氣系統中都使用噴淋塔來凈化秸稈氣。噴淋塔的作用不是單一的而是多樣的，它既可以除塵、除焦油，也可以冷卻秸稈氣。絕大多數的噴淋塔為圓形截面。被冷卻的氣體從下面送入，噴淋水則由上面送入，這樣就形成了水和氣體的相對流動。含雜質氣體在由下至上流動過程中，經過一排排向下噴淋的液滴，液滴可以捕捉氣體中的雜質，并冷卻氣體，從而達到除塵、除焦油并冷卻秸稈氣的目的。
3.4文氏管洗滌器
文氏管洗滌器是另一種濕法除塵設備。當含塵氣體通過文氏管時，利用文氏管的收縮管徑，使氣體的流動速度增加。由于氣體流速增加使得文氏管內的壓力降低，從而使管外的液體通過小孔被吸入到管內，同時液體被霧化成細小液滴，吸附塵粒子。霧滴與氣體間的相對速度很高，高壓降文氏管可清除小于1µm的微小顆粒,很適于處理粘性粉氣體。一般情況下,氣體經過文氏管加速后,流速應控制在60～120m/s。
3.5液滴分離器
大多數情況下，秸稈氣在經過濕法除塵冷卻后，都會帶入一定的水分，所以去除水分也是氣體凈化過程中必須的。通常的除水分設備為液滴分離器，也就是液滴捕集器。氣體在通入液滴分離器后，由于撞到設置在分離器內的不同方向的擋板，而使氣體的流動速度及方向都發生改變。撞擊到擋板上的液滴在重力的作用下下落，從而使液滴從氣體中分離出來。
3.6生物質過濾器
生物質過濾器是利用顆粒層過濾原理對氣體進行凈化，它是秸稈氣化集中供氣系統中比較有效的、經濟實用的凈化設備。當秸稈氣通過濾料時，氣體中的雜質、微細炭顆粒、水分、焦油等被過濾器濾料的多孔體表面吸附。在秸稈氣化集中供氣系統中一般采用不同粒度等級的木屑、玉米芯作為濾料，所以稱作生物過濾器。當木屑或玉米芯吸附物達到飽和狀態時，應以新的木屑、玉米芯替換下來，并將舊的作為氣化原料投入氣化爐，這樣可以減少二次污染。
生物質過濾器有以下幾個特點：(1)除塵效率高，總除塵效率一般為98%～99.9%；(2)適應性廣；(3)處理氣體量、氣體溫度和入口含塵濃度等的波動對除塵效率的影響較小；(4)濾料來源廣、價格便宜，而且不用水，設備阻力中等。
在秸稈氣化系統中所采用的生物質過濾器通常為固定床多層過濾器，有水平床層和垂直床層2種。
3.7羅茨風機
羅茨風機是燃氣工程中最常用的燃氣加壓設備。它在殼體中有一對“8”字形的轉子，運行時一個轉子順時針旋轉，另一個轉子逆時針旋轉。這種旋轉運動使轉子與壁面之間包圍的空間體積產生周期性變化，從而對其間的氣體產生壓縮，提高了燃氣壓力。
如果忽略氣體沿轉子之間和轉子與壁面之間的間隙回流，羅茨風機可以看成是容積式輸送機，即氣體流量受壓力影響很小，可以保持燃氣發生系統的穩定運行。
3.8儲氣柜
儲氣柜是燃氣輸配系統中的關鍵設備，它的作用是：（1）儲存部分燃氣，用以補償用氣負荷的變化，保證燃氣發生系統的平穩運行。集中供氣系統的用氣高峰集中在一日三餐的炊事時間，平時只有零星用氣。儲氣柜在非用氣高峰時儲存部分燃氣，而在用氣高峰時放出來以補充氣化機組不能及時供應的部分燃氣量。（2）為燃氣管網提供一個恒定的輸配壓力，保證燃氣輸配均衡，使管網內所有的燃氣灶都能按照額定的壓力正常燃燒。
燃氣輸配系統中常用的儲氣柜有2類：低壓濕式儲氣柜和低壓干式儲氣柜。
3.9輸氣管網
輸氣管網分室外和室內2個部分。煤氣輸送外網可采用水煤氣鋼管和PE管2種。前者造價低，后者造價雖高，但壽命長。戶內使用鍍鋅管，并配有煤氣表。輸氣管網應按國家有關規定進行管徑計算和管路施工。
4系統在操作、運行和管理中應注意的問題
4.1正確選擇技術類型及主要設備
系統在使用前須詳細正確地分析本地的實際條件。根據具體實際情況和現有條件，選擇相應的設備和技術類型，這樣才能正確有效地發揮秸稈氣化技術。如果設備或技術類型選擇不當，輕者系統運行不暢、故障頻繁、維修費用增高、達不到投資預期目的，重者整個系統無法運行、設備損壞，甚至還有安全隱患。
4.2嚴格控制秸稈氣的質量
秸稈氣化產出氣體的質量是保證應用系統正常運行的前提。操作人員應嚴格遵守設計單位出具的技術說明、操作規程和維護保養條例，按規定操作運行，從而保證生產的正常運行，能得到高質量、合格的氣體。
4.3保證安全生產
秸稈氣易燃、易爆、有毒，而且原料也是可燃的，因此增強有關人員的安全意識是非常必要的。首先，從設計上就必須按照國家有關防火防爆規定進行設計；其次，在設備的制造安裝過程中也必須遵照國家的規定，儲氣柜的制造安裝及輸氣管網的安裝都必須由國家有關部門認可的有資質的單位來執行的；系統的生產和運行也必須符合國家有關規定。
4.4提高人員素質
在農村使用此類技術，要注意安全使用常識的宣傳。管理人員和操作人員應了解有關基本知識，并掌握所用技術的基本原理，并能夠對設備故障作簡單的處理。否則，也會造成重大事故。
4.5防止二次污染
秸稈氣化技術是充分利用秸稈資源、減少污染的一種方式。在秸稈氣化凈化過程中，有焦油、炭灰等有害物質產生，在氣體凈化過程中有大量的污水產生。如何處理好這些污染物，不使這些污染物對環境造成二次污染，是考核所使用技術是否成熟和適用的一個重要指標。每一個氣化站和用戶都應將這些污染物進行處理，只有達到國家環保規定要求后才能排放。
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