毕业论文下吸式秸秆气化炉的设计研究

下吸式秸秆气化炉的设计研究

摘要：本设计是笔者在通过大量的阅读和收集有关气化方面资料和对气化炉实物进行了参观的基础之上，对秸秆气化的原理、工艺过程、参数选择、影响因素及气化气有害杂质去除方法等作了较详细的论述。同时，笔者从实际出发结合我国农村的现实情况设计了下吸式秸秆气化炉，并提出了自己的相应观点。

关键字：生物质，秸秆气化，下吸式，气化炉。

Abstract : It designs to be author in through to read and collect about gasification respect materials and go on foundation that visit to gasification stove material object a large amount of originally, To principle, straw of gasification, craft course , parameter choose, influence factor and gasification angry harmful impurity get rid of method ,etc. make more detailed argumentation. Meanwhile, I is it combine of our country reality of countryside design the sucking type straw gasification stove of downing to proceed from the reality, have put forward one's own corresponding view.

Key word: Bionass; Gasification of the straw; Leave the sucking type; Gasification stove.

文献综述

1 发展生物质气化技术的意义

能源是国民经济建设和人民生活的重要物质基础，在某种意义上，人类社会生产的发展史，就是人类能源开发利用史。随着世界人口的日益增长和社会经济的快速发展，人类在经历了以煤为主的第二代能源之后，以石油为主的第三代能源正面临着枯竭的危险。人类必须寻找到一种可经济开发、丰富、清洁的能源。因此，开发与利用新能源和可再生能源，已经成为世界性的能源建设发展的战略方向。

目前，世界能源格局是以石油、天然气、煤炭等常规能源为主，包括水能风能、太阳能、潮汐能、地热能、核能、氢气能、生物能等能源在内的多种能源并存的状况。就煤、石油、天然气、地热能、核能等能源来说，不仅储量、开发量有限，而且是不可再生能源。水能、风能、潮汐能等可再生能源，虽然理论上是取之不尽，用之不竭的，但可经济开发的量并不大。单单依靠这些能源远远不能满足国民经济的发展需要。因此人们预言能量巨大、分布广泛、可以再生、污染小的生物质能将成为第四代能源的主流能源。

生物质气化技术主要是以低质生物质为原料的气化技术，使低质生物质完成从固态到可燃气体的转化。低质生物质是以农作物秸秆为主，还可以使用玉米芯、木屑、柴草等。由于低质生物质的可再生性，因此，这项资源所产生的能源，称之为可再生能源。生物质气化技术的用途与城市管道煤气相同，燃烧稳定、热效率高、适用于炊事、取暖、锅炉等。该技术在农村的应用前途极其广阔，实现了“一人烧火，全村用气”的要求。我国是一个农业大国，每年生产的农作物秸秆约7亿吨，如此之大的资源除了一小部分用于畜牧外，其余的大部分以直接燃烧的方式将其浪费，既浪费了资源，又污染了环境。所以，合理有效的利用这项资源，是一件利国利民的大事。我国每年产生的农作物秸秆约折合3.5亿吨标准煤,充分利用这项资源会产生很大的社会效益和经济效益,主要表现在可以节约资源,保护环境,从而改变了农村传统的炊事方式，带动了相关产业的发展。

2 生物质气化技术利用现状及发展前景

生物质气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转化为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。生物质气化技术，就是生物原料在缺氧状

态下加热反应的能量转换过程。生物质是由碳、氢等元素和灰分组成，当它们被点燃时，只供应少量空气，并且采取措施控制其反应过程，使碳、氢元素变成一氧化碳、氢气、甲烷等可烯气体，秸秆中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。去除可燃气体中的灰分、焦油等杂质，通过供气系统将其送入农户家中，使用时打开阀门，点燃燃气灶具，就可以烧水做饭了。

生物质秸秆气化技术是90年代初期在我国发展起来的，但由于其具有较好的经济效益、社会效益和环境效益。在短短的十年内得到了相当大的发展，目前我国已经成功开发了一些将生物质转化成可燃气体的技术。建立了380余处秸秆气化集中供气示范点，主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京、陕西。[1] 近年来由于各级政府的大力支持，以固定下吸式气化炉为代表的秸秆气化技术已在农村地区得到推广应用，取得了良好的社会效益。我国是个农业大国，有丰富的农业废弃资源，但是其利用率却很低，且因不正当处置如焚烧而污染环境，随着我国生物质能气化技术的发展，其应用前景越来越广阔，特别是在气化发电和集中供气方面。

目前国内已经成功开发了一些将生物质转化成可燃气的技术，采用固定床气化的，其所产气体的热值则可获得4—5MJ/m3，采用循环流化床气化的，其所产生的气体的热值则可获得7MJ/m3左右，而且中热值气化技术的实验研究在国内也已取得了较好效果，如广州能源研究所采用的氧气气化技术，其气体热值在10MJ—12MJ/m3之间。[4]在我国，由于火力发电污染大，农村地区缺电严重，特别是偏远地区，生物质气化发电正是解决这一难题的最好方法。利用生物质气化发电既可以生产电能，同时也使农村废弃物得到了有效处理，因而不但有良好的社会效益，也减少了处理这些废弃物时造成的环境污染。

3 生物质秸秆气化系统及设备

3.1 秸秆气化集中供气系统介绍

秸秆气化集中供气系统基本模式为：以自然村为单元，系统规模为数十户至上千户，系统由三部分组成：秸秆的气化机组，燃气输配系统和用户燃气系统。（工艺系统图如下页所示）

铡成小段的秸秆送入气化器中经过热解气化反应转换成为可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送至气柜中。气化器、燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组。气柜的作用是储存一定量的燃气以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。离开气柜的燃气通过敷设在地下

图1 系统工艺流程图

1- 螺旋输送机； 2- 气化炉 3- 旋风分离器 4- 喷淋净化器 5- 气水分离器 6-过滤器 7-鼓风机 8- 水封 9- 灶具 10- 储气柜

的塑料管网分配到系统中的每一用户。用户打开燃气用具的阀门，就可以方便地使用燃气。系统中包括原料处理（铡草机）、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。生物质燃气的燃烧需用专用的灶具。经过气化，每公斤秸秆能产约2m3可燃气，一户4口之家每天需燃气约5—6立方米，燃气成本约0.11/m3元。 3.2秸秆气化的主要设备---气化炉

气化炉是秸秆气化的主要设备，气化炉除由于原料不同而气化产物有差异外，气化时所吹入的气体（空气、氧气或水蒸气）的不同，所以产生的可燃气体的成分也不同。以空气和水蒸气同时鼓风而得到的混合气体应用最广，故一般所谓气化炉煤气即指混合煤气而言。气化炉气化过程的水蒸气由燃料中所含的水分产生。在大型固定式气化炉中，蒸汽还靠预热的空气带入；在小型气化炉，为了使结构简单，水蒸气的加入则是用滴水器来完成。目前所用的气化炉有上吸式气化炉，下吸式气化炉和流化床式气化炉 3.2.1上吸式气化炉

物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉底部进气口进入炉内参加反应，反应产生的气化气至下而上流动，由可燃气出口排出。

上吸式气化炉工作过程及优缺点

这种气化炉有三种优点:一是热解层和干燥剂用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度低，气化炉最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃气所用,底部的木炭可以得到充分燃烧，故气化率较高；二是可燃气中含热值较高的热解产物，因此燃气热值较高；三是炉排受进风的冷却，工作性能比较可靠。其缺点是：由于炉内的气体流向是自

上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的

功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。（其工作原理如下图所示）

图2 上吸式气化炉工作原理图

3.2.2下吸式气化炉

生物质原料由炉顶加料口投入料炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。煤气从还原层排出。

下吸式气化炉优缺点

下吸式气化炉的热解产物通过炽热的氧化层，还原层而得到充分的裂解，因此焦油含量比上吸式低得多，这是下吸式气化炉最大优点，所以下吸式气化炉在需要使用洁净燃气的场合得到了广泛的应用；它的另一优点是它的加料端与空气接触,当炉膛内为负压工況时，加料端不需要严格的密封，使得运行中连续进料成为可能，也可以进行拨火操作。其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。（其工作原理如下图所）

图3 下吸式气化炉工作原理图（见上页）

3.2.3 流化床气化炉

流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较多。流化床气化炉的物料是具有一定粒度的固体燃料，当通过燃料颗粒之间的气流速度达到某一值时，微细颗粒之间会产生分离现象，少量颗粒在小的范围内振动或游动，燃料层由静止向流动转化。继续提高气流速度，全部微细颗粒被吹起而悬浮于气流之中，但不被吹出。此时即为“流化床”状态，气化介质和颗粒料充分混合，具有流体的性质 。（其工作原理如下图所示）

图4 流化床工作原理图

4 生物质可燃气的净化

4.1 气化气中杂质的组成、危害及去除方法

生物质气化燃气中含有各种各样的杂质，主要成分及危害如下表所示

表1 气化燃气中杂质的组成及危害

灰分：在反应进程中，大部分灰分由炉栅落入灰室，可燃气中的灰尘经旋风分离器被除掉，将收集的灰分进一步处理，可以加工成耐热保温材料，或是提取高纯度的SiO2，当然也可以用作肥料。

水蒸气：可燃气中还含有一定量的水蒸气，水蒸气遇冷后将凝结成水。因此，在可燃气输送管网中，每隔一定距离要设一个集水井以便将冷凝水排出。

H2S：秸秆气化气中硫化氢的含量一般为300mg/m3以上，H2S和水反应生成弱酸，易对钢材设备产生腐蚀，因此必须脱除秸秆气中的硫化氢，目前，脱除硫化氢的最简单方法是采用石灰水喷淋洗涤（须定期补充石灰水）或采用活性碳吸附（须定期对活性碳进行脱附）；如用氧化铁法脱除硫化氢，脱硫时还可消耗秸秆气中的氧气；另外，硫化铁可用来脱除秸秆气中的NO，减少煤气胶的生成量，减少了管道的堵塞，有利于供气和顺利进行。

生物质气化燃气中水分和灰分的处理是比较容易的，而焦油则是生物质气化应用中危害最大的，需通过下面几种方法清除：（1）水洗法；（2）过滤法；（3）催化裂解法；（4）静电捕捉法；（5）旋风分离器脱焦法。

由此可见，生物质气化技术有着非常广阔的前景，而该技术也正在被大力的研究与推广。但是，如如何进一步提高气化气热值等问题也有待于解决。同时，将气化气罐装，以便于远距离运输，也是一个非常值得研究的课题。

1引言

能源是国民经济建设和人民生活的重要物质基础，在某种意义上，人类社会生产的发展史，就是人类能源开发利用史。随着世界人口的日益增长和社会经济的快速发展，人类在经历了以煤为主的第二代能源之后，以石油为主的第三代能源正面临着枯竭的危险。人类必须寻找到一种可经济开发、丰富、清洁的能源。因此，开发与利用新能源和可再生能源，已经成为世界性的能源建设发展的战略方向。

目前，世界能源格局是以石油、天然气、煤炭等常规能源为主，包括水能风能、太阳能、潮汐能、地热能、核能、氢气能、生物能等能源在内的多种能源并存的状况。就煤、石油、天然气、地热能、核能等能源来说，不仅储量、开发量有限，而且是不可再生能源。水能、风能、潮汐能等可再生能源，虽然理论上是取之不尽，用之不竭的，但可经济开发的量并不大。单单依靠这些能源远远不能满足国民经济的发展需要。因此人们预言能量巨大、分布广泛、可以再生、污染小的生物质能将成为第四代能源的主流能源。

生物质能是指直接或间接的通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。自然状态下的生物质如秸秆，枝条散碎、细软、含水率高、能量密度低、燃烧强度小，传统的秸秆利用方式，不仅造成了生物质资源的过度使用和浪费，还会造成环境污染。生物质秸秆气化和集中供气技术不仅实现了农村用能燃气化，而且还实现了生物资源的可持续发展，具有十分重要的意义。

本文通过对生物秸秆气化工程的参观、研究、结合国内外已发表的有关资料比较系统的讲解了生物质气化原理、工艺流程、气化装置及气化气的净化等问题，并设计了下吸式气化炉。

2 生物质秸秆气化技术

2.1 生物质能概述

生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐蚀将能量和碳素释放回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，也是人

类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料和生产电力。减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来可持续能源的重要部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。

生物质的利用对我国的发展有重大的意义：我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤，占56.7%。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。

2.2秸秆资源

秸秆是农作物的剩余物，它是小麦、玉米、水稻等绿色植物在太阳辐射能的作用下吸收空气中的二氧化碳和土壤的水分进行光合作用转化为化学能，而固定下来的一种生物质能源。据不完全估计，全世界每年可产生近20亿吨秸秆，作为农业大国的中国，每年秸秆产量也有近7亿吨，其中产量最大的是稻秸，占总量的29.93%，主要分布在中南（如湖南、湖北、广东、广西）和华东地区（如江苏、江西、浙江和安徽）及西南的部分省份（如四川等），其次是玉米秸，占总量的27.39%，主要分布在东北和华北（如河北、内蒙古等）地区的各省及华东（如山东）和中南（如河南）的部分省份，小麦占总量的18.31%，主要分布在华东（如山东、江苏、安徽）和中南（如河南）及华北（如河北）等地区，豆类秸秆占总量的5.06%，薯秧类占总量的3 .47%，油料占总量的7.99%[1]。在中国农村，秸秆被用作重要的生活资源，是一种重要的生物质资源。植物学上把不能

食用的农作物根、叶、茎统称为秸秆，如玉米秸、高粱秸、棉花秸、豆秸、麦秸、稻秸等。其元素组成如表1所示；

通常情况下含碳越高的秸秆发热量越大，秸秆现阶段的用途大致有以下几个方面： （1）作为工业原料，主要用于工业造纸 （2）作为畜牧饲料 （3）造肥还田 （4）农村生活能源

表1 秸秆中元素组成及各自含量

表2 1999年中国农作物资源量

其中牲畜饲料和农村生活用能仍是秸秆利用的主要方面。分别占到秸秆总产出量的40%和45%，秸秆还田及其它损失也占到总产出量的21.2%[1] 。现将1999年中国秸秆农作物资源量表（如表2）。

秸秆资源分布及其特征如下：（1）总储量大而人均占有量小。（2）地区分布不平衡，一半以上的秸秆资源集中在四川、河南、山东、安徽、江苏、湖南、浙江、湖北等9个省，广大的西北地区和其它省区秸秆量较少。（3）种类集中，水稻、小麦、玉米秸秆产量占总量的74.76%。

农作物秸秆是生物质的主要组成部分，随着科技的发展，秸秆气化集中供气为用农作物秸秆解决农村生产用能开辟了道路。我国生物质气化技术在10多年的发展中已取得了可喜的成果。中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉，气化效率达74.92%，煤气热值达6192.67kJ/m3，被用于烘干加热、温室供暖、动力发电等取得了较好的经济效益。山东省能源研究所研制的XFL—600型秸秆气化炉和农村集中供气装置，很好的解决了把农作物秸秆转化成使用方便、干净卫生的可燃气，并集中向农户供气，既利用了过剩的秸秆，又改善了农民的生活条件。

2.3 气化原理

生物质气化的基本原理是将生物质原料加热，生物质原料进入气化炉后被干燥，伴随着温度的升高，析出挥发物，并在高温下热解，热解后的气体和炭，在气化炉的氧化区与供入的气化介质（空气、氧气、水蒸气等）发生氧化反应并燃烧，燃烧放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应，最终生成了含有一定量CO、H2、CH4、CmHn的混合气体，

去除焦油等杂质后即可燃用。（其原理如图1所示）。

图1 气化反应过程原理

气化过程包括三个阶段：干燥、干馏、氧化和还原。实质上是燃料的燃烧过程，下面就重点阐述燃料的燃烧过程。

燃料的燃烧过程可以分作预热、水分蒸发 、析出挥发物和焦炭燃烧等几个阶段。

碳的燃烧，理论上按下列两种反应进行：

C + O2 = CO2 + 408860千焦

2C + O2 = 2CO + 246447千焦

实际上在高温下，当氧与炽热焦炭表面接触时，一氧化碳与二氧化碳同时产生，基本上按下列二式反应：

4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO

3C + 2O2 = 2CO + CO2

这二种气体产生量的多少由温度的高低和空气供给量的多少而定，900-1200℃时主要按前式进行反应，在1450℃以上时，则主要按后式反应。

当温度较高(超过700℃时)，生成的一氧化碳向外扩散时，遇到空气中氧气会继续燃烧再生成二氧化碳，即：

2CO + O2 = 2CO2 + 570865千焦

若温度更高，则生成的二氧化碳在扩散过程中遇到炽热的碳就会产生碳的气化反应，这是一 种还原反应，即：

CO2 + C = 2CO -162297千焦

这种气化反应会促进固定碳的燃烧。

由于灶膛中尚有水蒸汽存在，它也会向焦碳表面扩散，当它与炽热焦炭相遇时，也会产生碳的气化，产生氢或甲烷气体，反应式如下：

C + 2H2O = CO2 + 2H2

C + H2O = CO + H2

C + 2H2 = CH4

水蒸汽对碳的气化比二氧化碳的作用快，所以灶膛中有适量的水蒸汽，可促进固定

碳的燃烧 。

这种方法改变了生物质原料的形态，使用更加方便，而且能量转化效率比固态生物质的直接燃烧有较大的提高。

气化技术是目前生物质能利用技术研究的热门方向。典型的气化工艺有以下3种：干馏工艺、快速热解工艺、气化工艺。其中前两种适用于木材或木屑的热解；后一种适用于作物（如玉米、棉花等）秸秆的气化。

2.4 生物质气化工艺

生物质气化技术的一般工艺过程主要有四大组成系统，分别进料系统、气化反应器（气化炉）、气化气净化系统、气化气处理系统。进料系统包括生物质进料、空气进料、水蒸气进料及其控制系统。气化气体净化系统主要是除去产出气体中的固体颗粒，可冷凝物及焦油，常用设备有旋风分离器，水浴清洗及生物质过滤器。后处理系统主要是气化气进一步转化利用的装置。

3 秸秆气化的参数及影响产气质量的因素分析

3.1 秸秆气化参数及影响因素

秸秆气化气的主要成分是CO、H2、CH4等的可燃气体。它们各自含量如下表：

表3 气化气的主要成分及其含量

秸秆气化的参数主要有粉尘灰分、热值、焦油含量、H2 、CH4的含量等。现就它们

的影响因素做如下归纳：

粉尘、灰分：在气化过程中，产生的大部分灰分由栅落入灰室，由旋风分离器将其分离，它的含量与物料密度、气流速度有很大关系；当物料密度大时，粉尘少。气化炉的不同种类也对它的产生量有重要影响。一般灰分含量在5%以内，气化炉就能可靠地运行；对于固定床气化炉来说，降低秸秆燃气的气流速度，从灰渣层上方侧壁负压吸出燃气都可以减少灰分。表5说明了生物质燃料种类不同，其气化所产灰分的变化。

表4 不同原料气化气中灰分的含量

热值：它是用来衡量每单位立方米气体燃烧所放出热量的多少。它受很多因素影响，如秸秆种类、物料含水量、物料密度、气化炉种类等都能影响气化气的热值。

表5 各种生物质原料气化后气体的热值

焦油： 焦油是生物质气化中不可避免的产物，它的生成量与温度有很大关系，在500。C时焦油产量是最高的。其次物料的含水量也是影响焦油的产量的重要因素，当含水量大于30%时，焦油的含量时显增加。另外气化炉的种类不同，同种物料参与气化反应所产生的焦油量也不相同，

H2：H2是气化气中可燃成分之一，在气化气中的含量占15%左右，它含量的多少直

接影响到气化气热值。它与气化炉种类，气化原料的种类，以及物料含水量等的直接的关系，当物料含水量低于10%时，H2 的含量将下降。

CH4：CH4在气化气中是含量最大的可燃气组成成分，同H2一样，它也受到气化炉种

类，气化原料，物料含水量的影响。对于下吸式气化炉而言，进风量的大小和喉口直径大小及有无均对CH4含量有很大关系。

气化炉各部位结构尺寸将极大地影响气化炉的热效率、产气效率及产气质量。下吸式气化炉由于具有结构简单，易于操作，产出气的焦油含量低等优点得到了广泛应用。 4 秸秆气化的设备

4.1

秸秆气化集中供气系统

秸秆气化集中供气系统基本模式为：以自然村为单元，系统规模为数十户至上千户，系统由三部分组成：秸秆的气化机组，燃气输配系统和用户燃气系统。（工艺系统如图2所示）

图2 系统工艺流程图

1- 螺旋输送机； 2- 气化炉 3- 旋风分离器 4- 喷淋净化器

5- 气水分离器 6-过滤器 7-鼓风机 8- 水封

9- 灶具 10- 储气柜

铡成小段的秸秆送入气化器中经过热解气化反应转换成为可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送至气柜中。气化器、燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组。气柜的作用是储存一定量的燃气以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。离开气柜的燃气通过敷设在地下的塑料管网分配到系统中的每一用户。用户打开燃气用具的阀门，就可以方便地使用燃气。系统中包括原料处理（铡草机）、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。生物质燃气的燃烧需用专用的灶具。经过气化，每公斤秸秆能产约2m3可燃气，一户4口之家每天需燃气约5—6立方米，燃气成本约0.11/m3元。

秸秆气化工程从煤气发生炉机组到用户，全部工程主要有以下两大部分：第一部分燃气发生炉机组，机组主要由以下三部分组成：

(1) 上料部分 经过粉碎达到一定要求的秸秆，经上料机送入气化炉，上料机通常采用密封绞笼，对上料机的开启和关闭，可以根据发生炉的用料要求，实现自动落料。

(2) 气化炉 即气化的反应室，被粉碎的秸秆在这里进行受控燃烧和还原反应，发生炉产生的燃气，含有大量的焦油和灰分，应对其进行净化处理。

(3) 燃气的净化 主要是清除气体中的焦油和灰份，使之达到国家标准：＜10mg/m3。净化系统由三个环节组成：气体降温、水净化处理、焦油分离。

第二部分贮气柜。它是储存气体的设备，主要用于燃气气源产量与供应量之间的调节。贮气柜的结构有外导架直升式、无外导架直升式、螺旋导轨式。贮气柜容积是根据用户每天的总用气量来考虑，一般地，贮气柜的容量应占日供气总量的40%—50%。

4.2气化炉

气化炉是秸秆气化的主要设备，气化炉除由于原料不同而气化产物有差异外，气化时所吹入的气体（空气、氧气或水蒸气）的不同，所以产生的可燃气体的成分也不同。以空气和水蒸气同时鼓风而得到的混合气体应用最广，故一般所谓气化炉煤气即指混合煤气而言。气化炉气化过程的水蒸气由燃料中所含的水分产生。在大型固定式气化炉中，蒸汽还靠预热的空气带入；在小型气化炉，为了使结构简单，水蒸气的加入则是用滴水器来完成。目前所用的气化炉有上吸式气化炉，下吸式气化炉和流化床式气化炉

4.2.1 上吸式气化炉

物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉底部进气口进入炉内参加反应，反应产生的气化气至下而上流动，由可燃气出口排出。

上吸式气化炉工作过程及优缺点

这种气化炉有三种优点:一是热解层和干燥剂用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度低，气化炉最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃气所用,底部的木炭可以得到充分燃烧，故气化率较高；二是可燃气中含热值较高的热解产物，因此燃气热值较高；三是炉排受进风的冷却，工作性能比较可靠。其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。

图3 系统工艺流程图

4.2.2下吸式气化炉

下吸式气化炉工作过程及优缺点

生物质原料由炉顶加料口投入料炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。煤气从还原层排出。下吸式气化炉的热解产物通过炽热的氧化层，还原层而得到充分的裂解，因此焦油含量比上吸式低得多，这是下吸式气化炉最大优点，所以下吸式气化炉在需要使用洁净燃气的场合得到了广泛的应用；它的另一优点是它的加料端与空气接触,当炉膛内为负压工況时，加料端不需要严格的密封，使得运行中连续进料成为可能，也可以进行拨火操作。其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。

4.2.3 影响下吸式气化炉产气质量的因素

下吸式气化炉产气系统是由下吸式气化炉、粉尘焦油处理系统、罗茨风机、贮气柜等几部分组成。在设计、操作过程中，哪一个环节都可能对产气质量、燃气成分产生很大影响：

（1）喉口结构即喉口直径大小、喉口深度、进风位置是影响产气效果、燃气焦油含量的关键。如果喉口直径过大或没有喉口，就会使氧化层反应不均匀，易使一部分未参与氧化反应，空气不进入还原层，形成所谓的烧穿现象，导致产出气中可燃成分少、热值低。因此使空气从喉口部位，即设计好的氧化层位置进入，则可以较容易也控制氧化层、还原层反应层次，从而保证氧化还原反应在喉口部位进行，也就从结构上保证了可以连续稳定地得到高质量的可燃气体。

（2）进风量直接影响气化炉产气质量

如果进风量大，则反应快、产气多，但易造成过氧燃烧，反应温度高，燃气中可燃成分少、燃气热值低，甚至不能燃烧，还会将大量未经反应的炭粉颗粒带到后续设备中，不仅造成浪费，也使后续处理设备负担增加，影响处理效果。如进风量小，则造成缺氧燃烧，反应温度低，氧化还原反应均不充分。燃气中可燃成分少，焦油含量多，还易产生明火、喷火等不利于安全的现象。因此，要求所选罗茨风机与气化炉后续处理设备相匹配，合理分配它们各点的压力降，并根据气化炉运行的不同阶段，通过回流调节阀灵活调节进风量。

（3）物料的干湿度、颗粒大小和密度对产气效果影响很大

下吸式气化炉对物料含水量要求一般在20%左右，低于10%时，燃气中H2、CH4含量

减少，热值下降；高于30%时，则产气不够，甚至不产气，而焦油含量却时显升高。颗粒过大，透气性差，建立不起时显的反应层，不产生可燃气体，过大，原料易搭桥，导致进风量过大，产气效果不好，物料密度大，燃烧时间长，稳定燃气成分好、热值高、粉尘少、焦油少。反之亦反，不仅造成了能源浪费，而且为后处理设备增加负担。

（4）司炉工的操作方法和对设备维护保养的好坏对燃气质量起着至关重要的作用。 物料添加均匀，根据不同运行阶段控制进风量，严格按要求定时清灰、排污、换水，以产生较好质量的燃气。

图4 下吸式气化炉

4.2.4 流化床气化炉

流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较多。流化床气化炉的物料是具有一定粒度的固体燃料，当通过燃料颗粒之间的气流速度达到某一值时，微细颗粒之间会产生分离现象，少量颗粒在小的范围内振动或游动，燃料层由静止向流动转化。继续提高气流速度，全部微细颗粒被吹起而悬浮于气流之中，但不被吹出。此时即为“流化床”状态，气化介质和颗粒料充分混合，具有流体的性质 。流化床气化炉有；单流化床、双流化床、 循环流化床、 携带流化床四种类型。

图5 流化床

5 下吸式秸秆气化炉的设计说明

该气化炉为层式下吸式气化炉，与一般常规下吸式气化炉相比，它具有独特的优点：炉顶不需密封，既是加料口，有是空气（气化剂）口；炉身仅由两个直筒体组成的双层炉体，方便加工、搬运、安装。下层炉体内加水套，内砌耐火材料。为保证物料的充分燃烧和二氧化碳的充分还原，特设计喷嘴等部件（如图6），空气可以从喷嘴均匀地流经反应区的整个截面，使反应区截面上的温度均匀一致，不致出现低温死区和架桥现象。

在层式下吸式汽化炉内，氧化反应与热分解反应在同一区域内同时进行，这个区域是整个反应过程的最高温度区域，由于热反应是在比任何一种固定气化炉都高的温度下进行，所以对操作者的要求较高，操作者要时刻注意炉况，保证炉内不出现烧穿现象，这样产生的燃气热值也才能相对较高。如果在炉内加少许干树根，与秸秆一起气化则效果更佳，因为气化时加入干树根等硬质性原料，可以形成一定厚度的红热焦碳层，从而提高气化温度，使气体中的焦油得到更多的分解，所以能得到良好的气化效果。

图6 层式下吸式秸秆气化炉外形

5.1上层炉筒的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件1）

该零件的外壳均用球墨铸铁材料浇铸，因为这种铸铁可铸性佳且价格较低廉。内部耐火泥选用可塑性耐火泥（见表6）。

表6 耐火泥理化指标

顶部390mmX390mm的方形孔是气化炉的进料口，是和进料输送管道相连接的 进料口的加工：

（1）用长450mm宽60mm厚5mm的球墨铸铁板根据图上结构首尾相连进行焊接；

（2）在其上钻直径为11的12mm个均布的连接通孔；

（3）用高为70mm宽410mm厚5mm的四块球墨铸铁板进行相互垂直焊接以形成 筒。

（4）两者进行垂直焊接既构成了直接与上层炉筒相连的进料口。

上层炉筒的加工：

（1）用球墨铸铁在浇注模上直接浇注成高750mm外径1350mm内径1210mm的圆筒，同时要将底部宽20mm高10mm的连接边连同炉筒一次浇注出来。

（2）将直径为1210mm厚度为70mm中部带有390mmX390mm的方孔的球墨铸铁圆板焊接于炉筒上部，其距离顶部尺寸为20mm。

（3）将连接边的连接表面进行铣削加工，其表面精度为12.5，以保证连接的紧密性；连接边的顶面进行铣削到表面精度为12.5以保证连接螺钉的安装。连接边的两外露棱边需进行45度的倒角，以避免在安装和使用过程中划伤工人。

（4）在连接外边上钻16个直径为11mm的均布连接通孔。

（5）用4根长为480mm直径40mm壁厚10mm的球墨铸铁管浇铸成图示形状和尺寸，再将两端切割成倾斜20-30度角的斜截面。

（6）将4根弯管分别两两对称焊接于铸钢筒外表面，与底面相距210mm。其作用是安装和维修时拆卸时方便提升和移动。

（7）在炉筒内部搪以80mm厚的可塑性耐火泥。这种耐火泥不仅能达到炉内工作温度的要求，还不会因为炉子热长冷缩的体积变形而脱落。作用是将炉内温度降到30-50度，方便工人操作时靠近。

（8）在炉筒表面涂以钢结构耐热防锈漆。

5.2 下层炉筒的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件2）

该零件的外壳均用球墨铸铁材料，内部耐火泥选用可塑性耐火泥（见表6）。 下层炉筒的加工：

（1）用球墨铸铁在浇注模上直接浇注成高1650mm外径1350mm内径1210mm的圆筒，同时要将上部宽20mm高10mm的连接边连同炉筒一次浇注出来。并在上面浇铸出循环水的进出孔、出灰孔及进气孔。

（2）将连接边的连接表面进行铣削加工，其表面精度为12.5，以保证连接的紧密性；连接边的顶面进行铣削到表面精度为12.5以保证连接螺钉的安装。连接边的两外露棱边需进行45度的倒角，

（3）将外径1210mm内径1050mm宽30mm水箱下底板用球墨铸铁浇铸出来，并在其上表面涂以0.8mm-1.2mm的钢结构耐高温防水漆。最后焊接于距炉子上连接表面540mm处。

（4）将外径1210mm内径1050mm宽10mm水箱上底板用铸钢浇铸出来，并在其下

表面涂以0.8mm-1.2mm的钢结构耐高温防水漆。最后焊接于与炉子上面平齐处。

（5）在连接外边上钻16个直径为11mm的均布连接通孔。

（6）浇注水箱内壁。用球墨铸铁在浇注模上直接浇注成540mm高30mm厚外径1110mm的圆筒，并在上面浇铸出循环水的进出孔及进气孔。其上带有向内的110mm的直钩是用做支撑炉桥的。并在其内表面涂以0.8mm-1.2mm的钢结构耐高温防水漆。最后通过焊接方式安装于上下底板之间。

（7）在水箱内壁搪以80mm厚的耐火泥，其作用已经叙述。

（8）将直径1210mm厚30mm的圆形球墨铸铁底板焊接于距上联结平面1650mm处。

（9）将两根孔径分别为15mm和20mm壁厚10mm的长500mm的进出水管用焊接 的方式如图安装于炉筒上。之所以这样将进水管管径设计得比出水管径小5mm，是为 了保证水箱里一直有足够的冷却水；而将水管以和水箱相切及二者方向相反的形式安装 是为了让冷却水在水箱里因进水冲力的作用形成螺旋状流动，使冷却趋于均匀。

（10）铸造煤气出口。用球墨铸铁按图示尺寸及形状铸造管状煤气出口，并将其上联结法兰的正反两面用车削加工到精度3.2，再在上面钻以8mm个直径为11mm的联结孔。最后将其以图上尺寸焊接于炉筒上。

（11）按图上形状和尺寸铸造出灰孔和用以安装出会孔盖的基座。并焊接于其上。

（12）在炉筒表面涂以钢结构耐热防锈漆。

5.3炉桥的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件3）

该零件全用球墨铸铁铸造。

炉桥的加工：

（1）用球墨铸铁浇注外径905mm壁厚为5mm孔径为40mm的环形圈并在图示位置铸出直径50mm壁厚为的5mm的凸台孔直径40mm的通孔。

（2）将9根外径50mm内径40mm的铸铁管以图示位置焊接于环形圈上。

（3）在中间管子上的长度中点位置上钻直径40mm的孔。

（4）在浇铸模上铸出图示喷嘴安装基座，并焊接于中管孔上。以供安装喷嘴之用。

5.4喷嘴的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件4）

该零件全用球墨铸铁铸造。

喷嘴的加工：

（1）在铸模上用铸铁浇铸出高330mm大端孔径50mm小端孔径40mm壁厚为5mm的带

部分装配锥度的半通管。

（2）在同径部分以图示尺寸钻28个与水平面成12度夹角的喷气孔。之所以这样设计是为了达到喷嘴在反应层里所喷出的空气可以更加分散，促进秸秆的充分燃烧，且不会增加煤气中的灰尘。其下端70mm高的锥孔是用着和炉桥上的喷嘴安装底座配合安装之用。

5.5出灰孔孔盖的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件5） 该零件全用球墨铸铁铸造。

出灰孔孔盖的加工：

（1）用球墨铸铁浇铸成直径230mm且带1.5mm高直径为204mm的凸台的圆形盖。

（2）用四根铁条以图示尺寸进行焊接。之所以设计凸台是为了增加盖合的密封性。

5.6气化炉的装配（图见附件6）

（1）将喷嘴安装于炉桥的喷嘴基座之上，安装的时候需在重合部分的内外表面间填 以陶瓷织维棉（见表7），增加安装的密封性。

（2）在喷嘴及炉桥表面涂以2-3的可塑耐火泥。

（3）将带喷嘴的炉桥安装于下炉筒的炉桥架上，并将炉桥上的进气孔和炉筒上的进气孔对接，再在其接头处堆上可塑耐火泥将之固定。

（4）用M10的连接螺钉连接安装上下炉筒。在安装时需在连接表面填以陶瓷织维棉，增加安装的密封性。

（5）将出灰孔盖安装于出会孔盖基座上。

表7 陶瓷织维棉的特征及性能参数

6 生物质可燃气的净化

6.1气化气中杂质的组成、危害及去除方法

气化气中杂质的组成、危害及去除方法生物质气化燃气中含有各种各样的杂质，主要成分及危害如表8所示：

表8 气化燃气中杂质的组成及危害

灰分：在反应进程中，大部分灰分由炉栅落入灰室，可燃气中的灰尘经旋风分离器被除掉，将收集的灰分进一步处理，可以加工成耐热保温材料，或是提取高纯度的SiO2，当然也可以用作肥料。

水蒸气：可燃气中还含有一定量的水蒸气，水蒸气遇冷后将凝结成水。因此，在可燃气输送管网中，每隔一定距离要设一个集水井以便将冷凝水排出。

H2S：秸秆气化气中硫化氢的含量一般为300mg/m3以上，H2S和水反应生成弱酸，易

对钢材设备产生腐蚀，因此必须脱除秸秆气中的硫化氢，目前，脱除硫化氢的最简单方法是采用石灰水喷淋洗涤（须定期补充石灰水）或采用活性碳吸附（须定期对活性碳进行脱附）；如用氧化铁法脱除硫化氢，脱硫时还可消耗秸秆气中的氧气；另外，硫化铁可用来脱除秸秆气中的NO，减少煤气胶的生成量，减少了管道的堵塞，有利于供气和顺利进行。

生物质气化燃气中水分和灰分的处理是比较容易的，而焦油处理则是生物质气化应用技术中一个很大的难题，下面就重点介绍这方面的内容。

6.2 焦油

6.2.1 焦油的生成机理

焦油生成于气化过程中的热解阶段，当生物质被加热到200。C以上时，组成生物质的纤维素、木质素、半纤维素等成分发生明显的热分解，生成焦炭、木醋酸、焦油、气

体。在600。C以上时，液体产物焦油和木醋酸以气体形式存在于所生成的热解气体中，而在低于200。C的情况下，就开始凝结为液体，总的化学反应如下：

干燥后的生物质固体+热量→焦炭+CO+CO2+H2O+CH4+C2H4+木醋酸+焦油

在热解过程中，当温度为500。C时焦油的产量最高，通过对不同加热温度和停留时间下气体中焦油的含量的研究表明，随温度的升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显地减少。

6.2.2 焦油的特点和危害

生物质气化制气的目标是获得尽可能多的可燃气，在气化过程中，焦油是不可避免的流体产物，其成分非常复杂，可以分析出200多种，主要成分不少于20种，其中含量大于5%的有7种，它们是：苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚、茚。[2] 焦油有在高温下可发生裂解，在低温下则以液体状态存在的特性。焦油的存在对气化过程有许多危害：①气化气中含量一般占总量的5%—6%的焦油降低了气化效率。②焦油在低温时容易凝结为粘稠的液体，与灰粒一起堵塞输气管道，影响系统正常运行。③焦油难以完全燃烧，并产生炭黑等颗粒，对燃气利用设备如内燃机、燃气轮机等损害严重。④焦油及其燃烧后产生的气体对人体是有害的，因此在使用时可燃气之前，必须将其清除干净。

6.3 焦油去除方案

6.3.1水洗法

又称湿法除焦油，分喷淋法和吹泡法，它们都是用水将可燃气中的部分焦油带走。目前，国内的一些气化站在喷淋水中加入一定量的碱，这不仅提高了焦油的去除率，还减少了焦油酸或硫化氢等酸性物质对后续设备的腐蚀，延长了设备的使用寿命。水洗法的优点是同时有除焦、除尘和降温三个方面的效果。焦油水洗设备的原理和设计与化工过程中的湍流塔一样，它的技术关键是选用合适的气流速度、合适的填充材料和合理的喷水量和喷水方式，其主要缺点是有污水产生，必须要有相应的废水处理装置。图7是焦油水洗设备示意图。

图7 焦油水洗设备示意图（见上页）

6.3.2过滤法

又称干法除焦油，它是将吸附性强的材料（如活性炭或粉碎的玉米芯等）装在容器中，让可燃气穿过吸附材料，或者让可燃气穿过装有滤纸或陶瓷芯的过滤器，把可燃气中的焦油过滤出来。低温过滤的优点是具有除尘、除焦两个功能，除焦效率也很高，其设计关键是阻力计算及控制。另外，为了不产生废弃物，过滤材料采用可以燃用的生物质是一种较佳的选择。

6.3.3 催化裂解法

用催化裂解法来减少可燃气中焦油的含量是现今最有效、最先进的方法。在大中型气化炉中逐渐被采用，现着重介绍这种除焦方法。

① 催化裂解法的基本原理

在很高的温度（1000。C—1200。C）下进行生物质气化，能把焦油分解成小分子永久性气体。这种无催化剂的热裂解过程虽然能达到净化的目的，但是需达到如此高的温度困难且不经济。若在气化过程中加入裂解催化剂，在750。C—900。C的温度下就能将绝大部分（甚至达98%）焦油裂解，裂解后的产物与可燃气成分相似，可直接燃用。[13] ② 催化反应器

催化过程是在一定的反应条件下进行的，在生物质的热化学转化过程中，热气净化技术本质上可以分为两个处理过程：气化炉内裂解和气化炉外裂解。

气化炉内裂解：在这个过程中，催化剂与生物质一同加入气化炉内，发生一系列的催化化学反应，催化剂可配成溶液与生物质湿混后进入气化炉；也可以把它磨成细粉后与生物质干混后进入气化炉，这个过程充分利用了生物质部分氧化产生的能量，催化反应条件是相同的，气化炉出口燃气中焦油含量大大降低，但是由于催化剂无法回收，故应使用非常廉价的催化剂。

气化炉外裂解：在这个过程中，焦油裂解反应器位于气化炉的下游，由于反应器独立于气化炉存在，因此可以采用与气化过程完全不同的反应条件，广泛地选择性能优异的催化剂，并且催化剂可反复再生使用。

③ 催化剂的选用

白云石：其基本组成是30%的CaO、21%的MgO、45%的CO2，同时还有少量的SiO2、Fe2O3和Al2O3。由于它价廉易得，且能显著地降低生物质燃气中焦油的含量，所以引起了各国

学者的广泛关注。它既可以与生物质干混后直接进入气化炉裂解焦油，也可以在独立的焦油催化裂解炉中净化燃气。研究还表明，白云石中Fe2O3含量越高，对焦油的裂解能

力越强，在独立的焦油裂解炉中，生物质燃气经富含Fe2O3的白云石净化后，焦油转化

率可达95%，气体产物增加了10%—20%，低位热值增加了15%。虽然白云石有很多优点，提高温度和增加压力都能提高焦油的转化率，但是即使在（800—900。C）条件下也未能达到100%的焦油转化率，且白云石作催化剂裂解生物质焦油同时也存在一个很大的缺陷，即白云石的活性随着反应的进行而很快降低，这种现象在流化床反应器中尤其明显。因此，为使焦油裂解过程连续进行，白云石需频繁更换，研究表明通过增加进气中水蒸气的含量，以促进水蒸气与沉积碳之间的反应，可有效也减少积碳，维持催化剂较高的活性。

碱金属催化剂：碱金属催化剂一般采用生物质颗粒干混或湿浸的方式加入气化炉中，它的加入虽然能显著提高生物质气化速率，但它导致气化炉排灰量增加且其焦油转化率仅有80%，加之回收困难而且昂贵，因此只适于以直接与生物质颗粒干混或湿浸的方式加入气化炉中。

镍基催化剂：它是生物质气化净化技术中研究最多的一种催化剂，在生物质气化炉内添加白云石或碱金属催化剂裂解焦油，同时在下游焦油裂解器中采用镍基催化剂重整CH4和残余的焦油并调整气体产物的组分，是目前广泛研究的技术，这能使生物质焦油

转化率达100%，并可调整气体产物而制备合成气，镍基催化剂因具有高的焦油转化率，且价格昂贵而适于在气化炉下游焦油裂解器中使用。

6.3.4静电捕焦法

静电捕焦技术是通过高压电下正负两个电极对焦油的吸附作用达到去除焦油的目的，除焦效率高，是大型气化系统广泛采用的除焦方式。由于两个电极在高压下会产生电火花，因此要严格控制产出气中的含氧量，若产出气中可燃气与氧气浓度达到爆炸极限即会发生爆炸危险。由于此方法要求燃气中的含氧量小于1%，而秸秆气中的O2的含

量通常为3.5-4%，因此这种方法不适合用来净化秸秆气化气。另外，若流过静电捕焦器的气体温度较低，吸附在电极上的焦油就会靠自重流到收集室，而在电极上逐渐堆积，使电极失去除焦作用。

6.3.5旋风分离器脱焦法

旋风分离器脱焦油的原理是气化气沿切线方向进入旋风分离器而产生旋转运动，气

化气中液体颗粒在离心力作用下被抛向器壁，并与器壁碰撞和摩擦而失去动能，在重力作用下沉降下来，被净化的气化气沿分离器轴向引出。旋风分离器的运行条件也是分离效果的重要影响因素，一般说来，燃气进入分离器的流速越大，分离效果越好，但是阻力会增大，从而增加风机电耗。这类分离器按结构可分为圆筒式、旁通式和扩散式。圆筒式结构简单，阻力小，但焦油去除率低。实践证明，采用圆筒式和扩散式分离器联合除焦油，效果较为理想，但仅仅采用旋风分离器来去除气化气中的焦油是达不到城市规范对焦油含量的要求的确的，必须进行进一步的净化。

6.4 研制低焦油生物质气化机组

为了更好地解决焦油问题，我们可以开发研制低焦油生物质气化机组。研制它的具体情况如下：

（1）关键技术及创新点：

① 研究生物质气化过程中焦油产生的机理，及炉内温度、加热速度、原料品种、形状等对焦油产生的影响，通过优化炉型结构、加设内部构件，实现对气化炉各反应区的控制，使之处于最优反应状态，抑制焦油的产生或将焦油裂解，产生焦油含量较低的燃气，减轻燃气后处理系统的负担。

② 针对秸秆原料密度小、流动性差、易架桥、抽空等特点，研究适宜的机械结构，实现气化炉均匀稳定的反应，减轻操作工劳动强度，并通过对燃气成份、温度、原料层高度等参数的监测，实现气化过程的自动控制。

③ 研究与之相适应的燃气净化装置，形成配套合理、运行方便、安全可靠的气化机组，使送到用户的燃气中焦油等杂质降低到国家有关城市煤气的标准以内，实现秸秆气化机组的更新换代。

（2）预期达到的水平及技术经济指标

气化效率≥75%

燃气热值≥5MJ/m 3

净化后燃气中焦油和灰尘含量≤10mg/m3

（3）项目的社会环境效益、经济效益及推广应用前景

社会环境效益：

生物质气化技术可将废弃的秸秆、工业生物质垃圾转换为清洁的燃气，实现了低质原料的高档次利用。在农村作为炊事燃气，可使农民用上方便清洁的气体燃料，生活方

式可发生重大转变，提高生活舒适文明程度，节省用于炊事的劳动量和时间，并使环境和庭院卫生有较大改观；同时气化燃气作为生活燃气或工业燃料还可节约大量的石油、煤炭等商品能源，减轻对优质商品能源的需求压力。

生物质气化技术为废弃的农作物秸秆和蔗渣、中药渣等工业垃圾的利用带来了新出路，一方面可减轻秸秆直接焚烧产生的大气污染，在已建的气化集中供气工程的村庄中，焚烧秸秆的现象已基本杜绝，另一方面，可解决蔗渣、中药渣、糠醛渣等工业垃圾堆放、挖坑填埋等造成的环境污染，从而产生较大环境效益。

经济效益：

① 直接经济效益：生物质气化技术的大力发展将会带动包括设备生产和系统建设等产业的发展，最终每年可形成年产值数十亿元的产业规模，形成新的社会经济增长点。 ② 采用生物质气化燃气作为生活能源或工业燃料，可节约大量的商品能源，如一个200户的村庄，全部采用生物质燃气，经折算每年可比省柴灶节省秸秆资源200吨，替代商品能源，如煤炭190吨或液化气36吨，而且每户农民每月只需30-40元左右的燃气费用，比采用煤或液化气节约数十元的费用。而在造纸厂或蔗糖厂、中药厂等企业，若将企业生产过程中产生的固体生物质垃圾通过热解气化后，作为工业燃料，一方面可替代部分商品能源，另一方面可省掉搬运垃圾的人工及运输费用，从而降低企业的生产成本，增加企业利润，为企业带来可观的经济效益。由于生物质气化项目有着良好的社会环境和经济效益，因而有着良好的市场前景。

7秸秆气化集中供气经济效益分析及安全问题

7.1 秸秆气化集中供气经济效益分析

随着科技的发展和政府的大力支持，近年来以固定床下吸式气化炉为代表的秸秆气化技术已在少数农村地区得到推广应用，全国现在已建成秸秆气化集中供气380多处，取得了良好的社会效益，但是也存在不少问题。据不完全统计，有一半以上的气化站处于停产或半停产状态，造成这一状况的原因是多方面的，其中一个重要的原因就是经济效益分析不够透彻，从而导致投资决策和气化站管理出现失误。为了更好地促进秸秆气化集中供气技术的推广应用，本文对其中经济效益特作如下分析。[14]

（1）项目投资

建设秸秆气化集中供气站的投资主要有土建和设备两个方面，土建资金大约需要5万元，包括土地征用和站房建设，设备主要包括三部分：气化机组、储气柜和输气管网，

所需资金与供气规模和农户密集程度有关，由此可知，如将前期费用都包括在内，建设一处供气规模为400户的气化站总投资大约需要55万元。

（2）燃气价格

秸秆燃气价格应根据其它同类商品的市场价和农民的接受程度来确定，表9是其它几种能源的性能和价格，比价越小，购买同等金额下的能源发的热量越多。由此可见，为了让农民得到实惠，秸秆燃气的比价大约可定为0.05元/MJ，如其热值按5MJ/m3计，则销售价格可定为0.25元/ m3。

表9 其它常用能源的性能和价格

气化站的产气成本大致可以分为两部分：一是与产气量基本无关的固定成本（如表10所示）；二是与产气量有关的可变成本（如表11所示）。400户供气规模的气化站，两种成本的核算如下两表，需要说明的是，秸秆气化集中供气一般由国家、集体和个人共同投资兴建，由于该项目在农村是公益事业，故核算其成本时也可只考虑个人投入的一部分，固定成本列表括号中的数据即为假设个人投资为20万元情况下的相应费用。

表10 气化站固定成本

表 11 气化气可变成本

（4）效益分析

以400户的供气规模为例： ① 产出效益

如农户炊事用能完全依赖于秸秆燃气，则一个四口之家日用气量约为5m3，400户共计日用气2000 m3，则气化站日产气值为

Q = 2000×0.25 = 500（元） 日成本

W1 = 257+87×2 = 431（元） 如国家集体投入不计成本则日成本

W2 = 151+87×2 = 325（元）

日利润

r1 = 500－431 = 69（元） 如国家集体投入不计成本则日利润

r2 = 500－325 = 175（元）

年总利润（以365天计）

R1 = 69×365 = 25185（元） 国家集体投入不计成本则年总利润

R2 = 175×365 = 63875（元）

② 盈亏平衡点

假设用气量为X1m3时气化站既不亏损也不盈利，则称此X1为气化站的盈亏平衡点。计算如下：

0.25X1 =257+87X1/1000 X1 =1575(m3) 国家集体投入不计成本时，则气化站的盈亏平衡点为X2 0.25X2=151+87X2/1000 X2 =925(m3)

由此，盈亏平衡点户数分别为 N1 = 1575/5 =315（户）

N2 = 925/5 =185（户）

为了便于比较，现将把国家集体投入计入成本和不计入成本的情况列表如下：

表12 国家和集体投入计入成本与否的比较

③ 投资与效益

成本核算全部计入投资额时的投资回报率太低，管理者难以有足够的积极性将气化站长期经营好，而若只计个人投资的20万元，则相应投资回报率能够达到管理者期望值，气化站因此也能够得以长期正常运行。为了不致于亏本经营，气化站的实际用户数必须在盈亏平衡点之上，如要获得更多的利润，则必须千方百计开辟其它用途，以提高气化站的规模效益。

7.2 秸秆气化供气安全问题

近几年来，在农作物秸秆过剩的地方相继兴建了秸秆气化集中草药供气系统。这对于改善农村能源结构，提高农民生活质量改善环境起到了重要作用，但是也存在一些值得注意的安全问题。由于农村管理水平及人员素质等因素，农村地区的燃气供应的安全尤显重要，随着秸秆气化技术的推广应用，这个问题越来越突出。[15]

7.2.1 秸秆气化供气的不安全隐患

目前，用于秸秆气化供气有两条工艺路线，一是间接加热的干馏气化路线，二是空气氧化气化路线，这两条路线都存在不安全因素，主要有以下几方面：

（1）开工前，设备及管网内的气体置换不彻底

气体置换中存在两个隐患，一是燃气置换空气过程中，存在引起爆炸的临界浓度阶段，这时遇火种，就会引起爆炸；二是置换不彻底，设备及管网中残存氧气，容易引起爆炸。

（2）燃气排送机—罗茨风机失控

罗茨风机为定容设备，回路量大小要根据入口压力随时进行人工调节，一旦疏忽，入口负压较大，空气就会进入气柜中，时间长了会引成气柜整体爆炸。 （３）设备泄漏、破损

加工制作质量不高、选材不当、防腐措施不当等都能造成设备漏气。 （4）热备开炉时爆炸

采取做饭时间开炉供气，其它时间处于热备停炉时段，一旦风机吸入空气的一瞬间，容易产生炉膛爆炸。

（5）开炉时，示火孔引起爆炸

示火孔是用于检验燃气是否合格，燃气能否向气柜中排送的长明点火孔。热备时，火焰熄灭，开炉时重新点燃，在气体从不可燃到可燃之间的可爆阶段，点燃它必然引起爆炸。

（6）燃气使用中的中毒和爆炸

燃气泄漏到空气内就会使人中毒或引起爆炸。 （7）检修燃气设备时引起残存气爆炸

检修燃气设备时，可能由于没有把燃气赶尽，而在动火时引起爆炸 （8）供气管网被损引起中毒、着火

通到用户的供气管网，线路长，范围大，一旦损坏，燃气泄漏很难及时发现，会引起中毒事件或火灾。

7.2.2 安全保障措施

任何不安全隐患都可以采取科学的手段加以消除，本文就秸秆气化供气的安全保障措施归纳为以下几点：

（1）开工前，所有要与燃气相通的设、，管路都必须进行严格的气体置换，置换是否合格要通过气体成分分析，要做“爆鸣试验”

（2）燃气排送运转时要有专人看管，并配有压力、流量指示仪表，最好配有自动报

警装置

（3）燃气设备必须按国家标准进行设计、制作、安装、防腐

（4）热备开炉时，不但要按操作规程进行，而且要具备燃气成分分析仪器和温度、压力指示仪表，向气柜送气前要做“爆鸣试验”

（5）开炉后，示火孔点燃之前要做“爆鸣试验”家庭使用燃气 的地方要保持通风良好

（6）检修燃气设备时，一定要用空气将设备内的燃气彻底吹干净，大型设备动火前，要取气样做“爆鸣试验”

（7）供气管网要进埋于防冻层以下，必须采用符合国家有关标准规定的材质和施工方法。

8结论

（1） 生物质秸秆气化集中供气系统目前在农村的建立与运行，由于其财务评价和经济评价是可行，因此具有商业化潜力。

（2）该项目具有良好的环境效益和社会效益，所以值得在我国农村推广。 （3）该项目技术发展时间短，技术上尚存在不少问题，尤其是如何提高煤气的热值和焦油的降低。

（4）以将气化气罐装的方法来拓宽其产品市场，是一个很好的研究方向。

参考文献：

[1] 胡明旭.新能源概论.西南农业大学出版社。

[2] 张无敌，夏朝凤，宋洪川.生物质热解气化技术的评价.节能，1998（3）：37-40。 [3] 崔永章， 刘晓伟等.固定床秸秆气化技术的探讨.农村能源,2001,（1）：23-24。[4]中国生物质能技术开发中心：《中国生物质能技术研究与开发》，中国科学出 版社。

[5]杨立中， 杨均锡，别义勋新能源技术.北京：中国科学技术出版社，1994。 [6]唐春福，王莹.各种生物质气化集中供气系统的技术特点.可再生能源,2003,（5）：24-27。 [7]任永志，董立明.下吸式气化炉的设计.农村能源,2000，（4）：16-18。

[8]赵勇，任永志等.影响下吸式气化炉产气质量的原因及对策. 可再生能源,2003，（4）：31-32。 [9]秸秆气化供气安全问题.农村能源,2001，（2）：20-21。 [10]庄新姝等.生物质气化炉.农村能源,1999，（6）17-20。 [11]生物质的能源利用和生物质气化.太阳能,2002，（1）：5-8。 [12]中国农作物秸秆资源及其得用现状.农业工程学报，2002，（5）：87-91。

[13]张无敌，丁昆，刘士清.生物质潜力及其能源转换.自然资源，1996（4）22-25。 [14]Golob R，E.The amanac of energy.New York；Henry Hot and Company，1992.

[15]Maggi R，Delmon B.Comparison beteen slow and flash pyrolysis oils from biomass.Fuel，1994，37（5）：671-676。

致谢

到此为止，我的毕业设计基本上完成了任务。在整个设计的完成过程中，胡明旭老师给予了我精心的指导，并还在百忙之中陪同我到永川万寿镇秸秆气化站进行气化炉的实物参观，使我的毕业设计得以顺利完成。在此，我特向胡老师表示衷心的感谢！同时也真诚的感谢西南农业大学培养过我的所有老师！在此说一声：老师，辛苦了！谢谢！