無焦油秸稈氣化爐的研發(fā)與應(yīng)用

劉明義 吳長有 劉金堂

營口市虹信節(jié)能燃具開發(fā)有限公司（營口 115000）

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國絕大多數(shù)居住在廣大鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)的農(nóng)民，能源消耗量的 80%以上主要是直接燃燒生物質(zhì)能源產(chǎn)生的，而且越往西部地區(qū)生物質(zhì)能耗所占比重越大。在經(jīng)濟(jì)落后的偏遠(yuǎn)山區(qū)，生物質(zhì)能源更是農(nóng)村居民的主要能源，開發(fā)研究高效的家用生物質(zhì)氣化爐。以向用戶供應(yīng)炊事燃?xì)馊√婷簹夤?，冬季取暖取替煤碳為主要目的。以分散的用戶?yīng)對分散的資源為方法，對提高偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)民的生活水平，尋求生物質(zhì)資源利用的新模式，改變農(nóng)村燃料結(jié)構(gòu)，改進(jìn)農(nóng)民炊事方式，對消除污染，減少有害氣體排放具有十分重要意義。

家用秸稈氣化爐是面對居住在廣大鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)居民的新型環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。家用秸稈氣化爐以農(nóng)作物秸稈、農(nóng)林廢棄物為主要?dú)饣?。家用秸稈氣化爐成本不高，使用成本更低。對農(nóng)民來說，這是一項(xiàng)繼沼氣技術(shù)后最值得推廣的技術(shù)。該技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用前景廣闊，在改變農(nóng)村傳統(tǒng)炊事習(xí)慣，減少農(nóng)民生活開支，提高農(nóng)民生活質(zhì)量等方面，具有較大的推廣價值。按我國目前農(nóng)村近9億人口，平均4口之家，全國約有2.2億戶，如果全部使用秸稈氣化爐的話，需要2億多臺。因此，秸稈氣化爐有著巨大的潛在市場和開發(fā)前景。目前，我國秸稈氣化爐制造商比較多，秸稈氣化爐技術(shù)水平在不斷進(jìn)步，市場需求量逐年上升。秸稈氣化爐的研發(fā)將對我國節(jié)能減排事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。

1 秸稈氣化爐國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

生物質(zhì)能利用在美國、瑞典和奧地利等國家的基本能源消費(fèi)中，已分別占到 40%、16%和10%。在歐盟國家中，開發(fā)利用的所有新能源和可再生能源中，生物質(zhì)能源已占59.6%。國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主。如加拿大摩爾公司設(shè)計(jì)和研發(fā)的固定床式氣化裝置，加拿大通用燃料氣化裝置有限公司設(shè)計(jì)制造的流化床氣化裝置，美國標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司設(shè)計(jì)制造的炭化氣化術(shù)煤氣發(fā)生系統(tǒng)，法國茵貝爾特能源公司制造的下引式氣化爐——內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等，氣化率可達(dá)60%～90%，可燃?xì)鉄嶂禐?.7～2.5×103KJ /m3。目前，在該領(lǐng)域具有領(lǐng)先水平的國家有瑞典、意大利、美國、法國等。美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置—燃?xì)廨啓C(jī)電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。

從80年代初開始，經(jīng)過20多年的努力，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)日趨完善。我國自行研制的生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)和戶用氣化爐產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，形成了多系列的爐型，可滿足多種原料的氣化要求，在生產(chǎn)生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到了利用。其主要成果有：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐，其中ND-600型氣化爐已進(jìn)行較長時間的生產(chǎn)運(yùn)行，取得一定的效益；江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐，利用碾米廠的下腳料稻殼氣化驅(qū)動發(fā)電機(jī)組，功率可達(dá)160 kW，已達(dá)到實(shí)用階段；中科院廣州能源所對上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、原料反應(yīng)性能作了大量試驗(yàn)，研制出GSQ型氣化爐；山東省科學(xué)院能源研究所研制的XFL系列下吸式秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應(yīng)用中獲得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院利用研制的LZ系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置建成了可為1 000戶農(nóng)民提供生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠；云南省研制的QL-50.60型民用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并在農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)示范。

近年來，我國已將煤氣化技術(shù)引入到生物質(zhì)氣化方面來，如沸騰流化床技術(shù)可用于細(xì)粒狀的生物質(zhì)氣化，克服了此類原料在固定床連續(xù)加料的困難。在氣化、凈化技術(shù)方面，遼寧省能源研究所與意大乎科研人員合作研制出填料式旋風(fēng)除塵器，其原理是：大顆料飛灰在旋風(fēng)離心力作用下被分離，輕質(zhì)飛灰為填料所捕集，比采用的金屬填料冷卻效果好，可降低產(chǎn)出氣的溫度。減輕后級凈化設(shè)備的負(fù)擔(dān)沉重；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出的YN04型生物質(zhì)燃?xì)饷摻箼C(jī)樣機(jī)，把生物質(zhì)燃?xì)饪焖倮淠揭欢囟?，在冷卻的過程中，利用生物質(zhì)燃?xì)庵兴鶖y帶的固體顆粒（灰塵）作為焦油和水蒸汽的凝結(jié)核，加大焦油、水蒸汽及灰塵的顆粒直徑，以達(dá)到利用物理懸浮分離方法，同時沉降去除多種雜質(zhì)的目的。在河南新鄭市高班莊和官劉莊兩個秸稈氣化示范點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，已通過了專家技術(shù)鑒定。

2 目前國內(nèi)外秸稈氣化爐存在的缺點(diǎn)和問題

目前國內(nèi)外秸稈氣化爐普遍存在的問題和缺點(diǎn)如下。

⑴生物質(zhì)在氣化成可燃燒氣體的過程中產(chǎn)生的焦油，容易粘附和腐蝕秸稈氣化爐的爐體，影響生物質(zhì)氣化和爐體的使用壽命，需要經(jīng)常清除，非常麻煩。

⑵普通的秸稈爐產(chǎn)生的可燃?xì)庠谕ㄟ^輸出管路輸出時，為了避免堵塞管路時，通常采用戶外凈化裝置凈化焦油、灰分、水分等，凈化效果差，輸氣管路和燃具也容易堵塞，清理十分困難，而且凈化器的污水往往對環(huán)境造成二次污染。

國外正在研究的焦油裂解新技術(shù)主要有：

⑴具有內(nèi)部裂解氣預(yù)燒的下吸式氣化爐。它在氣化爐中心有一個獨(dú)立的燃燒室，裂解氣進(jìn)入燃燒室內(nèi)燃燒，通過調(diào)整裂解氣循環(huán)流量與空氣流量之比，焦油差不多完全轉(zhuǎn)化。

⑵BTG采用一項(xiàng)新穎的技術(shù)，將逆流操作反應(yīng)器用于燃?xì)鈨艋?，焦油裂解反?yīng)器采用絕熱的填充床，上下充滿惰性鋁土礦，中間為燃燒后的白云石，與傳統(tǒng)的通過部分裂解氣氧化燃燒的氣體凈化相比，該工藝系統(tǒng)簡單，裂解溫度高，能量需求低，而焦油轉(zhuǎn)化率高。這種工藝的缺點(diǎn)是需要精密、密封好、能耐高溫的切換閥門。

⑶兩段凈化系統(tǒng)，從氣化爐出來的氣體先進(jìn)入一個裝有白云石的固定床焦油裂解器，接著進(jìn)入含鎳基催化劑的催化床，通過兩次凈化，焦油含量最終達(dá)到1—100 mg/Nm3。盡管在生物質(zhì)氣化過程中采取各種措施控制焦油的含量，氣化氣中焦油的含量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許的標(biāo)準(zhǔn)。所以對焦油進(jìn)行有效的處理，是有效利用生物質(zhì)氣化氣必不可少的過程，其中焦油的催化裂解是目前國內(nèi)最有效，最先進(jìn)的辦法。使用裂解催化劑，降低了焦油裂解溫度（約750 900 ℃），并提高轉(zhuǎn)化效率，使焦油在很短時間內(nèi)裂解率達(dá)99%以上，這樣就既可提高生物質(zhì)能源的利用率，又能徹底消除二次污染，是很有發(fā)展前途的除焦技術(shù)。國外對催化裂解的研究主要集中于白云石和鎳基催化劑，而我國現(xiàn)在在該領(lǐng)域的研究非常欠缺。

3 新型無焦油秸稈氣化爐創(chuàng)新點(diǎn)

營口市虹信節(jié)能燃具開發(fā)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的無焦油秸稈氣化爐從2007年10月開始研發(fā)。研發(fā)人劉明義先生在對市場進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒了國內(nèi)外戶用秸稈氣化爐的各項(xiàng)技術(shù)，自主研發(fā)了該項(xiàng)技術(shù)，開發(fā)出無焦油秸稈氣化爐新產(chǎn)品，現(xiàn)已完成中試，產(chǎn)品試銷省內(nèi)外。

3.1 研制的主要內(nèi)容

⑴普通的秸稈氣化爐爐體內(nèi)都是直接用耐火材料做襯里，容易受焦油等沾附及腐蝕，需要經(jīng)常清除，影響爐體的使用壽命。本公司的產(chǎn)品，使用內(nèi)外雙層金屬板材，夾層內(nèi)充填隔熱保溫材料的爐膽，內(nèi)壁光滑，不易沾附雜物，使用壽命長。

⑵普通的秸稈氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)馔ㄟ^輸出管路輸出，通常采用爐外凈化裝置凈化焦油、灰分、水分等，凈化效果差，輸氣管路和燃具容易堵塞，清理困難，凈化器的污水往往造成對環(huán)境的二次污染。本公司的產(chǎn)品，一次產(chǎn)生的可燃?xì)鈱⒆詣訉?dǎo)入凈化分離管，能夠?qū)⑵渲械慕褂臀龀霾⒅匦逻M(jìn)入氧化層，使焦油得到二次充分燃燒或裂解，變成可燃?xì)?，不僅增加了熱值，而且輸出的可燃?xì)鈳缀醪缓薪褂汀?/p>

⑶悶火過程采用爐體全部密封，保持悶爐時間的延長，當(dāng)爐內(nèi)壓力過高時，配有過壓安全閥會自動泄壓，保證氣化爐安全。

⑷爐體上部裝有螺旋桿，帶動爐內(nèi)的料面壓盤，使?fàn)t內(nèi)料保持緊密，不會出現(xiàn)架空現(xiàn)象，產(chǎn)生的可燃?xì)夥€(wěn)定。

3.2 無焦油秸稈氣化爐的主要創(chuàng)新點(diǎn)

①采用了料筒復(fù)合內(nèi)膽，內(nèi)膽由內(nèi)外金屬板形成夾層，在夾層內(nèi)充填耐火保溫材料，內(nèi)坦不易結(jié)灰，能夠提高使用壽命至十年以上；②設(shè)有燃?xì)鈨艋蛛x管，能夠使產(chǎn)生的可燃?xì)馔ㄟ^凈化分離管析出焦油，焦油重新進(jìn)入氧化層，得到二次充分燃燒，增加熱值，使?jié)崈舻目扇細(xì)膺M(jìn)入輸氣管路，達(dá)到輸出的可燃?xì)鈳缀醪缓褂?；③悶火過程采用爐體密封，配有壓力安全閥。

該項(xiàng)新產(chǎn)品技術(shù)通過省科技情報(bào)研究所查新檢索結(jié)論是：國內(nèi)外分別已有無焦油或紅外線秸稈氣化爐的文獻(xiàn)報(bào)道，本委托單位研制的“無焦油紅外線秸稈氣化爐”未見國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道。

4 產(chǎn)品的應(yīng)用與市場競爭優(yōu)勢

目前國內(nèi)生產(chǎn)戶用秸稈氣化爐的企業(yè)較多，市場競爭壓力較大，很多企業(yè)的產(chǎn)品由于技術(shù)落后，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到規(guī)定要求，產(chǎn)品沒有競爭力，造成部分企業(yè)停產(chǎn)。技術(shù)比較先進(jìn)的產(chǎn)品是采用爐外增設(shè)凈化裝置，進(jìn)行焦油凈化處理，焦油的熱值沒有得到利用，同時處理過程中排出的污水還會對環(huán)境造成二次污染。因此，市場需求量不大，產(chǎn)品缺乏競爭力。但是比較好的產(chǎn)品市場需求還是很大，隨著國家政策支持和鼓勵，生物質(zhì)能源的開發(fā)利用是一項(xiàng)具有非常意義的項(xiàng)目，前景十分廣闊。

秸稈氣化爐在我國的市場潛力是巨大的，其主要用途有以下幾個方面。

(1)烘干：木材、煙草、茶葉、橡膠、糧食、食用菌、中藥材、果蔬脫水平；

(2)供熱供暖：種植大棚、暖房、養(yǎng)殖保溫、居民采暖；

(3)供氣：集體炊事、熱水洗浴、有條件地區(qū)村鎮(zhèn)居民供氣；

(4)高溫?zé)嵩矗禾沾伞⒅拼u、窯爐等燒制業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。