秸稈熱解炭化多聯產技術應用模式及效益分析

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，孟海波，叢宏斌

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秸稈熱解炭化多聯產技術應用模式及效益分析

霍麗麗，趙立欣※，姚宗路，孟海波，叢宏斌

（農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，農業(yè)部農業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

通過秸稈熱解多聯產技術，能夠將廢棄的秸稈轉化為燃氣和生物炭等，既能提供清潔能源，改善用能結構，又能有效還田和固碳，具有較好的推廣應用潛力。分析內加熱式移動床生物質炭氣聯產技術、外加熱式移動床生物質熱解炭氣聯產技術、外加熱式移動床生物質熱解炭氣油聯產技術的工藝參數，提出了適宜自然村、村鎮(zhèn)社區(qū)和規(guī)?；瘧玫?種不同規(guī)模用戶的秸稈熱解炭化生產技術應用模式，并以不同規(guī)模秸稈利用量為例，得到消耗每噸秸稈的純利潤分別為87、135和141元/t，銷售利潤率20%左右，溫室氣體碳排放交易可增加8%左右的純收益，經濟與環(huán)境效益良好。

秸稈；熱解；生物炭；燃氣；模式

0 引 言

2012年底中央一號文件作出了建設“美麗鄉(xiāng)村”的工作部署[1]，2013年又提出了建設生態(tài)友好型農業(yè)[2]。由于長期以來秸稈焚燒、高耗能、高污染的增長模式給農村地區(qū)資源環(huán)境保護帶來了巨大的壓力，生態(tài)破壞、環(huán)境污染問題嚴峻，農村生產生活產生的秸稈等有機廢棄物大量增加，農藥與化肥的過度使用，土壤污染加劇等。另一方面，中國農村地區(qū)的清潔能源利用程度較低，大量的煙塵嚴重地污染了室內空氣質量，影響生活質量的提高，已經成為制約中國廣大地區(qū)農村居民生活條件改善和農村生態(tài)環(huán)境建設的難點，也是大氣PM2.5產生的重要來源之一。解決這些問題迫切需要建立適應不同區(qū)域特點的秸稈等廢棄物循環(huán)利用模式，在區(qū)域內實現秸稈等廢棄物的資源化循環(huán)利用、減少環(huán)境污染，探索資源節(jié)約型、生態(tài)友好型美麗鄉(xiāng)村新模式。

中國每年產生大約7億t農作物秸稈，約有一半沒有得到有效利用，通過秸稈熱解多聯產技術，能夠將這些廢棄秸稈轉化為氣、熱等清潔能源，既可變廢為寶，又能改善用能結構。與此同時，產出的秸稈炭能夠還田，作為炭基肥或土壤改良劑，具有蓄肥、保墑、改良土壤、增加土壤活性等作用[3]，可防止化肥流失，減少化肥使用量，防止土壤板結，還田固碳，有效減排CO2等溫室氣體[4-7]。2014年，納入了國家發(fā)展和改革委《國家重點推廣的低碳技術目錄》（2014第13號），該技術越來越顯現其發(fā)展優(yōu)勢。

本文研究秸稈熱解多聯產技術現狀，提出秸稈熱解炭化生產技術應用模式，分析技術工藝特點，評價其技術適宜性，提出適宜自然村、村鎮(zhèn)和園區(qū)等不同類型用戶，并對不同應用模式進行成本、經濟和環(huán)境效益評價，滿足集中供氣、供熱、發(fā)電等不同用能需求，實現秸稈熱解多聯產技術的高效清潔轉化。

1 秸稈熱解炭化多聯產技術

秸稈熱解炭化多聯產技術是基于熱解技術[8-10]，將秸稈在隔絕空氣或少量空氣條件下，利用熱能切斷大分子中的化學鍵，轉化的固體、液體、氣體產物的多聯產技術，產物可應用于多領域，有效提高秸稈的綜合利用效率。其固體產物為秸稈炭，可應用于土壤提升地力和固碳；氣體產物為生物質燃氣，主要成分為H2、CO、CH4、C2H4、CO2、N2等，可作為清潔能源；液體產物為焦油和醋液，可用于多種化工產品。

多聯產系統(tǒng)主要包括原料預處理設備、熱解爐、供熱系統(tǒng)、生物炭冷卻裝置、熱解氣分級冷凝裝置、燃氣品質提升、過濾塔、以及液體產品收集等。目前炭化設備多采用移動式連續(xù)炭化裝備，其多聯產技術工藝可分為3種，如圖1所示。

第1種是內加熱連續(xù)式熱解炭氣聯產技術工藝，粉碎后的生物質原料在自燃熱解前，利用熱解余熱將物料烘干，隨后在適當的供氧條件下，物料自身緩慢燃燒，生成的熱量使物料快速升溫，熱解過程開始，粗燃氣燃燒，提供熱解與干燥所需的部分熱量[11-13]，該工藝熱解熱源由部分生物質原料自燃產生熱量。熱解氣含部分自燃煙氣，燃氣組分中增加了N2含量，可燃氣占比25%～50%，發(fā)熱量相對較低；生物炭可作為土壤肥料，有少量焦油副產物。多采用立式熱解爐，能夠依靠自重使原料下落，如圖2所示，為避免結龔，爐內增加壓實器和擾動器等促進物料流動的部件。

第2種是外加熱連續(xù)式熱解炭氣聯產技術工藝，如圖3所示，農作物秸稈等生物質進行粉碎、干燥等預處理后，裝入熱解移動床中，進行一次熱解，熱解一般采用外源加熱，生物炭經冷卻后作為炭產品；生成的干餾氣經二次裂解除焦得到高值燃氣，經過凈化除塵，熱解燃氣可供戶、發(fā)電或工業(yè)供氣，該工藝沒有焦油等液態(tài)產品。

第3種是外加熱連續(xù)式熱解炭氣油多聯產技術工藝，如圖4所示，農作物秸稈等生物質進行粉碎、干燥等預處理后，裝入熱解移動床中，在隔絕空氣條件下，外源加熱進行熱解，產出生物炭、氣、油；生物炭經冷卻后作為炭產品；生物燃氣經過凈化裝置的冷卻、脫焦、過濾、除塵和除酸后，產出清潔優(yōu)質燃氣，送入儲氣柜，熱解燃氣可直接輸配至用戶使用；同時，由二級冷卻、分離器分離出來焦油、醋液裝桶入庫集中銷售或進行深加工。

1. 余熱烘干爐 2. 給料機 3. 布料機 4. 進料倉 5. 供熱煙道 6. 熱解移動床（立式臥式均可） 7. 重質焦油冷凝塔 8. 重質焦油收集池 9. 輕質焦油冷凝塔 10. 輕質焦油收集池 11. 醋液噴淋冷凝塔 12. 醋液收集池 13. 水泵 14. 過濾塔 15. 引風機 16. 儲氣柜 17. 鼓風機 18. 空氣預熱器 19. 預燃室 20. 空氣鼓風機 21. 活化爐 22. 焦炭空冷室 23. 焦炭水冷室 24. 焦炭出料倉 25. 循環(huán)水泵 26. 儲水池

3種熱解多聯產技術工藝中，工藝一內加熱連續(xù)式熱解炭氣聯產技術工藝由于依靠自身加熱，消耗了自身熱量，生物炭產量略低，熱解燃氣品質相對較低，初投資低，燃料動力消耗少，適宜自然村集中供氣的炭氣聯產工程，燃氣可供百戶或千戶村鎮(zhèn)農戶炊事使用，生物炭可直接還田，提高土壤的保水保肥作用，有效提高肥料利用率，減少肥料利用不完全造成的環(huán)境污染。第2種和第3種技術工藝均采用外源加熱，炭產品產量和質量基本一致，工藝二通過對焦油的二次裂解，有效解決了焦油污染問題，提高了生物燃氣轉化率，燃氣品質相對較高，適宜建立村鎮(zhèn)集中供氣的炭氣聯產工程，燃氣可供千戶及萬戶規(guī)模集中社區(qū)等供氣，生物炭可做炭基肥或能源炭產品。工藝三熱解過程三態(tài)產物均作為產品，能量轉化效率高，燃氣產品品質相對較高，并產出焦油和醋液副產物，需要配套分離和收集的設備較多，初投資較高，適宜建設規(guī)?；繗庥吐摦a工程，燃氣可供工業(yè)園區(qū)、發(fā)電、城鎮(zhèn)集中供氣等多種用途，生物炭可生產炭基肥或能源炭產品等。幾種工藝熱解多聯產技術參數，詳見表1。

表1 3種熱解多聯產技術工藝參數[14-18]

2 典型技術應用模式

為適應自然村、村鎮(zhèn)和園區(qū)等不同類型用戶，提出3種秸稈熱解炭化聯產生產技術應用模式，尋求適宜的工程規(guī)模，詳見表2。

表2 不同應用模式的產品與溫室氣體減排量

注：生物炭、燃氣、熱解油單位產量詳見表1。

Note: Unit yield of biochar, gas, oil were showed in table 1.

應用模式一：適宜自然村小型熱解炭氣聯產技術模式，如圖5所示。適宜采用內加熱式熱解炭氣聯產技術工藝（工藝一）。

該模式燃氣發(fā)熱量略低，為3～6 MJ/kg，但熱解炭化設備相對簡單，基本無外部能源消耗，有效減少了裝備的成本和燃料的消耗，適宜數百戶至數千戶規(guī)模的自然村單元用戶。以秸稈年用量2 000 t為例，年可供氣 80萬m3，可供約2 000戶炊事用氣，折合標煤137 t；年產生物炭560 t，按20 t/ hm2還田[19]，可覆蓋28 hm2農田。

該模式可直接替代目前運行率較低的生物質氣化工程，只需將生物質氣化機組中的氣化反應器更換或改進為熱解炭化反應器，燃氣凈化系統(tǒng)、燃氣輸送系統(tǒng)和用戶燃氣系統(tǒng)可直接沿用。有研究表明，在原料適應性、對農村居民生活影響、二次污染治理難易程度、投資和推廣難易程度、運行成本控制等方面熱解技術均具有一定優(yōu)勢[20-24]。與生物質氣化相比，熱解炭化溫度較低，焦油易冷凝，有效降低了燃氣中的焦油含量，雖然產氣量比氣化略少，但燃氣中的CO含量相對少，有效提高了燃氣存儲和使用的安全性。與此同時，產出的生物炭可作為土壤肥料，同時有效提高了附加值，即保證了清潔能源使用，又還田土壤，具有能源和生態(tài)雙重效益。

應用模式二：適宜村鎮(zhèn)社區(qū)熱解炭氣聯產技術模式，如圖6所示。適宜采用外加熱式熱解炭氣聯產技術工藝（工藝二）。產出高品質燃氣，其發(fā)熱量較內加熱式高兩倍，能量轉化率高40%～60%，可通過供氣管道直接為村鎮(zhèn)社區(qū)集中供氣，提供炊事用能。產出的生物炭質量及產量均比內加熱式高，原因是內加熱式燃燒部分燃氣和生物炭為自身加熱炭化，而外加熱依靠外源加熱，炭化溫度等工藝參數控制穩(wěn)定，能夠有效提高炭產品質量。但外源加熱增加了設備初投資和燃料動力成本。

該模式技術工藝有效提升了燃氣品質，增加了外源加熱及二次裂解的設備成本及能耗，但解決了焦油副產物量少無法處理問題，保證了技術工程應用的環(huán)境效益，適宜千戶以上的村鎮(zhèn)社區(qū)集中供氣。以秸稈年用量5 000 t為例，年產燃氣175萬m3，可供1.2萬戶炊事燃氣，折合標煤658 t；年產生物炭1 500 t，可覆蓋75 hm2農田。

應用模式三：適宜規(guī)?；療峤馓繗饴摦a技術模式，如圖7所示。適宜采用外加熱式熱解炭氣油聯產技術工藝（工藝三）。燃氣為一次熱解產出直接凈化作為產品，熱值高。生物炭產量及質量與工藝二技術基本一致，對于熱解焦油等液態(tài)產物，增加配套了多級冷凝收集裝置，也得到了有效收集。其綜合能源轉化效率最高，可達80%以上。

該模式技術工藝最大化的利用了熱解過程的全部能量，燃氣、生物炭及熱解油均作為產品，燃氣熱值較工藝一高，較工藝二略低，適宜規(guī)?；a，秸稈用量萬噸級以上，可供萬戶以上集中社區(qū)炊事用能、工業(yè)園區(qū)供氣或發(fā)電上網等。以秸稈年用量2萬t為例，年產燃氣600萬m3，若供集中社區(qū)可為3.4萬戶提供炊事燃氣；若供工業(yè)園區(qū)供氣熱能相當于1845 t標準煤；若發(fā)電可得到520萬kWh（發(fā)電效率按35%計），余熱可供210戶供暖（供暖熱量10.8×106MJ）。年產生物炭6 000 t，可覆蓋農田300 hm2，減排溫室氣體CO2當量約為6 720 t。年產熱解油5 800 t，由多級冷卻、分離出來焦油、醋液，裝桶入庫，集中銷售，醋液可用作植物生產促進劑，直接施于土壤，可抑制雜草生長，減少農藥用量。副產品焦油用于化工原料，用于生產防水材料等。

3 效益分析

熱解多聯產技術工藝應用模式均各具技術優(yōu)勢，且經濟和環(huán)境效益良好，詳見表3。

注：燃氣戶均日用量14.3 MJ·Nm-3（折合天然氣日用量0.4 m3·戶-1），燃氣價格以天然氣價格（按2元·m-3計，低位發(fā)熱量35.8 MJ·Nm-3）為基準，通過發(fā)熱量不同進行折算；生物炭價格按市場價1 500元·t-1（生物炭低位發(fā)熱量為28 MJ·kg-1）計，并按照發(fā)熱量不同折算；生物炭溫室氣體減排CO2當量按40 g·MJ-1計，燃氣溫室氣體減排按節(jié)約標煤量計；碳排放交易價格16元/t計（廣東2016年3月（當月全國最低價格）；生物炭、燃氣、熱解油年產量詳見表2。

Note: The average daily amount is 14.3 MJ·Nm-3gas (equivalent to natural gas dosage 0.4 m3·households-1); The price of gas as natural gas prices (by 2 yuan·m-3, low calorific value of 35.8 MJ·Nm-3) as a benchmark, through different heat conversion; biological carbon price according to the market price of 1 500 yuan·t-1(low calorific value of biochar is 28 MJ·kg-1), and in accordance with different heat conversion; Biological carbon greenhouse gas emission reduction CO2equivalent by 40 g·MJ-1, greenhouse gas emission reduction by the standard coal consumption meter; Carbon emissions trading price of 16 yuan·t-1(Guangdong March 2016 (the national minimum price); biological carbon, gas, pyrolysis oil yield is shown in table 2.

內加熱式熱解炭氣聯產技術投資成本低，無需大量外部能源供給，但燃氣和生物炭由于自身熱解消耗，品質和質量略低，適宜數百戶至數千戶規(guī)模的自然村單元用戶的小型熱解炭氣聯產技術模式。以年利用2 000 t秸稈原料為例，秸稈收集半徑小，原料成本低，本研究秸稈原料按200元/t計，年均總成本72.5萬元，年均總收入89.8萬元，凈利潤17.3萬元，投資利潤率可達19.3%，消耗每噸秸稈原料，凈利潤為87元/t。可減排溫室氣體CO2當量971 t，折合單位秸稈溫室氣體減排CO2當量0.48 t/t，考慮環(huán)境效益，碳排放交易收入1.55萬元，折合7.8元/t，可增加8.2%的純利潤。

外加熱式熱解炭氣聯產技術工藝一次熱解燃氣經過二次裂解，燃氣品質提高，解決少量焦油難處理污染環(huán)境的問題，生物炭質量較好，但投資成本較高，增加二次裂解過程，適宜千戶以上的村鎮(zhèn)社區(qū)集中供氣的熱解炭氣聯產技術模式。以年利用5 000 t秸稈原料為例，秸稈原料收集量較大，運輸半徑增加，秸稈原料成本按250元/t計，年均總成本378萬元，年均總收入427萬元，凈利潤49萬元，投資利潤率可達19.2%，消耗每噸秸稈原料，凈利潤為135元/t。可減排溫室氣體CO2當量4 091 t，折合單位秸稈溫室氣體減排CO2當量0.82 t/t，考慮環(huán)境效益，碳排放交易收入6.55萬元，折合13.1元/t，可增加8.8%的純利潤。

外加熱式熱解炭氣油多聯產技術工藝的燃氣、生物炭及熱解油三態(tài)產物均得到有效收集，作為終端產品，能量轉化效率高，但增加了氣液態(tài)產物的分離凈化成本，適宜規(guī)模化熱解炭氣聯產技術模式，秸稈用量萬噸級以上，可供萬戶以上集中社區(qū)炊事用能、工業(yè)園區(qū)供氣或發(fā)電上網。以年利用2萬t秸稈原料為例，秸稈原料成本按250元/t計，年均總成本1 072.7萬元，年均總收入 1 355.6萬元，凈利潤282.9萬元，即消耗每噸秸稈原料，凈利潤為141元/t，投資利潤率可達20.9%。溫室氣體減排CO2當量0.67 t/t，考慮環(huán)境效益，碳排放交易收入21.57萬元，折合10.8元/t，可增加7.1%的純利潤。

4 結 論

熱解多聯產技術工藝包括內加熱式熱解炭氣聯產技術工藝、外加熱式熱解炭氣聯產技術工藝、外加熱式熱解炭氣油多聯產技術工藝。3種工藝各具技術優(yōu)勢，且經濟和環(huán)境效益良好，滿足自然村、村鎮(zhèn)集中社區(qū)、工（農）業(yè)園區(qū)等不同規(guī)模燃氣需求用戶，以及集中供氣、供熱、發(fā)電等不同用能需求。

針對不同規(guī)模及用戶，總結出3種秸稈熱解炭氣（油）聯產模式：1）適宜數百戶至數千戶規(guī)模的自然村單元用戶的小型熱解炭氣聯產技術模式；2）適宜千戶以上的村鎮(zhèn)社區(qū)集中供氣的熱解炭氣聯產技術模式；3）適宜規(guī)?；療峤馓繗饴摦a技術模式，秸稈用量萬噸級以上，可供萬戶以上集中社區(qū)供燃氣、工（農）業(yè)園區(qū)供氣或發(fā)電上網。

3種秸稈熱解炭氣（油）聯產模式均能夠得到較好應用，消耗每噸秸稈的成本為362～536元/t，收入為449～678元/t，凈利潤為87～141元/t，投資利潤率為20%左右。碳排放交易收益為7.8～13.1元/t，可增加8%左右的純利潤，具有良好的經濟和環(huán)境效益。

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Utilization model and its efficiency analysis of biochar-gas-oil polygeneration by straw pyrolysis

Huo Lili, Zhao Lixin※, Yao Zonglu, Meng Haibo, Cong Hongbin

(100125)

There are about 7 tons of straw produced in China each year, about half of them have not been used effectively. Straw pyrolysis polygeneration technology changed wastes and straw into biochar, which can not only provide clean energy, improve the energy structure, but also fix carbon and realize carbon reapplication, so it has good application potential. Three kinds of process characteristics of internal heating type moving bed of biomass carbon gas cogeneration technology, and external heating type moving bed pyrolysis carbon gas cogeneration technology, external heating type moving bed pyrolysis carbon gas generation technology were analyzed, the suitability of three technologies were evaluated. Three processes have their own technological advantages. With internal heating type pyrolysis carbon gas production technology, the calorific value of gas is slightly lower, which is 3-6 MJ/kg; but investment cost is low, because its equipment is relatively simple and almost no external energy consumption, which effectively reduced the cost of equipment and fuel consumption. So it is suitable for hundreds of thousands of households to thousands of natural villages. The pyrolysis gas production technology mode of the primary pyrolysis gas after secondary pyrolysis, its heating rate is twice as high as that of the internal heating type, and its energy conversion rate is 40% to 60%; This mode can be directly used to provide cooking through the gas pipeline directly to the village community to focus on gas supply. Although the equipment cost and energy consumption of external heating and secondary pyrolysis are increased, the problem of difficult to deal with the by-products such as tar is solved, ensured the environmental benefits of the application of technical engineering. That is suitable for the rural community centralized gas supply of over 1000 households; The pyrolysis gas, carbon and oil three-state products of the external heating pyrolysis multi-generation technology are effectively collected. As a terminal product, the efficiency of energy conversion is high, maximizing the use of the pyrolysis process of all the energy. The gas calorific value is higher than that of the process one and lower than process two, which can be used for cooking more than 10 000 households, industrial park gas supply or power generation, etc. Therefore, it is suitable for large-scale pyrolysis carbon gas production technology model. The annual utilization of 2000, 5000 and 10000 t straw raw materials for three models as an example, the cost of three different models of straw consumption per ton of straw were 362, 569, 536 yuan/t, income were 449, 704, 678 yuan/t, net profit were 87, 135 and 141 yuan/t, sales were about 20% profit margin, the greenhouse gas carbon emission trading income is 7.8, 13.1, 10.8 yuan/t, the greenhouse gas emissions of carbon dioxide emissions of 0.48, 0.82, 0.67 t, carbon emissions trading price was 16 yuan/t, respectively, an increase was 8.2%, 8.8%, 7.1% of the net profit, good economic and environmental benefits, respectively.

straw; pyrolysis; gas; biochar; application mode

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.031

TK6S216.2

A

1002-6819(2017)-03-0227-06

2016-04-18

2016-12-30

國家科技支撐計劃“自然村生產生活循環(huán)技術系統(tǒng)構建和集成示范”（2015BAL04B03），中國科協“青年人才托舉工程”（2015-2017年度）

霍麗麗，女，內蒙古，高級工程師，博士，主要從事生物質能源開發(fā)利用研究。北京農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，100125。 Email：huolili666@126.com

趙立欣，女，研究員，主要從事農村能源、生物質資源開發(fā)利用研究。北京農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，100125。 Email：zhaolixin5092@163.com

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，孟海波，叢宏斌.秸稈熱解炭化多聯產技術應用模式及效益分析[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(3)：227－232. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.031 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, Meng Haibo, Cong Hongbin.Utilization model and its efficiency analysis of biochar-gas-oil polygeneration by straw pyrolysis [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 227－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.031 http://www.tcsae.org