秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)
摘要：秸稈氣化技術(shù)和農(nóng)村集中供氣系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的新的技術(shù)工藝。根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)有的秸稈氣化集中供氣技術(shù)、設(shè)備及實(shí)際應(yīng)用情況，介紹了秸稈氣化技術(shù)的基本原理，秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)的基本工藝和設(shè)備。
關(guān)鍵詞：秸稈氣化，氣化爐，凈化，供氣，儲氣柜
1 前言
農(nóng)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(gè)社會和環(huán)境問題，是我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。
秸稈氣化技術(shù)和農(nóng)村集中供氣系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的新的技術(shù)工藝。該技術(shù)工藝是秸稈類生物質(zhì)在缺氧條件下，經(jīng)過外部加熱，使生物質(zhì)中的C、H、O等元素轉(zhuǎn)變成CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w，通過管道網(wǎng)絡(luò)供給農(nóng)民。這種技術(shù)既改變了農(nóng)民直接燃燒生物質(zhì)以獲取能源的傳統(tǒng)方式，又適應(yīng)了部分農(nóng)民由于生活水平提高而對高品位燃料的需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2000年10月底，全國有近400個(gè)農(nóng)作物秸稈氣化示范工程在運(yùn)營。
2 秸稈氣化的基本原理
氣化是指將固體或液體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。當(dāng)秸稈類物料燃燒時(shí)，需要一定量的O2，如果提供的O2等于或多于這個(gè)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(gè)反應(yīng)區(qū)的氣化過程如下。
2.1秸稈的氧化反應(yīng)
氣化劑（空氣）由氣化爐的底部進(jìn)入，在經(jīng)過灰渣層時(shí)被加熱。加熱后的氣體進(jìn)入氣化爐底部的氧化區(qū)，同熾熱的炭發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成CO2并同時(shí)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(yīng)同時(shí)發(fā)生，生成CO，同時(shí)也放出熱量。在氧化區(qū)，溫度可達(dá)1000～1200℃。反應(yīng)為：
C+O2=CO2+△H △H=408.8kJ
2C+O2=2CO+△H △H=246.44kJ
在氧化區(qū)進(jìn)行的均為燃燒反應(yīng),并放出熱量,也正是這部分反應(yīng)熱為還原區(qū)的還原反應(yīng)、物料的裂解和干燥提供了熱源。在氧化區(qū)中生成的熱氣體CO和CO2進(jìn)入氣化爐的還原區(qū)，灰則進(jìn)入下部的灰室中。
2.2 還原反應(yīng)
在還原區(qū)已沒有O2存在，在氧化反應(yīng)中生成的CO2在這里同炭及水蒸氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成CO和H2。由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，還原區(qū)的溫度也相應(yīng)降低，為700～900℃。
還原區(qū)的主要產(chǎn)物為CO、CO2和H2，這些熱氣體同氧化層生成的部分熱氣體進(jìn)入上部的裂解區(qū),而沒有反應(yīng)完的炭則落入氧化區(qū)。
2.3 裂解反應(yīng)
在氧化區(qū)和還原區(qū)生成的熱氣體，在上行過程中經(jīng)過裂解層，同時(shí)將秸稈加熱，秸稈受熱后發(fā)生裂解反應(yīng)。在反應(yīng)中，秸稈中大部分的揮發(fā)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(qū)溫度降到400～600℃。
裂解區(qū)的主要產(chǎn)物為炭、H2、水蒸氣、CO、CO2、CH4、焦油及其它烴類物質(zhì)(CmHn）等，這些熱氣體繼續(xù)上升，進(jìn)入到干燥區(qū)，而炭則進(jìn)入下面的還原區(qū)。
2.4 秸稈的干燥
氣化爐最上層為干燥區(qū)，從上面加入的物料直接進(jìn)入到干燥區(qū)，濕物料在這里同下面3個(gè)反應(yīng)區(qū)生成的熱氣體產(chǎn)物進(jìn)行換熱，使原料中的水分蒸發(fā)，該層溫度為100～300℃。干燥層的產(chǎn)物為干物料和水蒸氣,水蒸氣隨著下面的3個(gè)反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)熱排出氣化爐,而干物料則進(jìn)入裂解區(qū)。
通常把氧化區(qū)及還原區(qū)合起來稱作氣化區(qū)，氣化反應(yīng)主要在這里進(jìn)行。裂解區(qū)及干燥區(qū)則統(tǒng)稱為燃料準(zhǔn)備區(qū)或燃料預(yù)處理區(qū)，在這里反應(yīng)是按照干餾的原理進(jìn)行的，其載熱體是來自氣化區(qū)的熱氣體。
在氣化爐出口，產(chǎn)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(jīng)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(tǒng)的核心設(shè)備。在秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)中大部分采用下吸式固定床氣化爐,主要由內(nèi)膽、外腔及灰室組成。
進(jìn)入到氣化爐內(nèi)的秸稈最初在物料的最上層，即處在干燥區(qū)內(nèi)。由于受外腔里的熱氣體及內(nèi)膽里熱氣體的熱輻射，水分蒸發(fā)了，秸桿變成干物料。隨著物料的消耗，秸桿向下移動(dòng)進(jìn)入裂解區(qū)。由于裂解區(qū)的溫度高，達(dá)到了揮發(fā)分溢出溫度，因而秸稈開始裂解，揮發(fā)分氣體開始產(chǎn)生，干秸稈逐漸分解為炭、揮發(fā)分及焦油等。而生成的炭隨著物料的消耗而繼續(xù)下移進(jìn)入氧化區(qū)。在氧化區(qū)，由裂解區(qū)生成的炭與氣化劑中的O2進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成CO2、CO。沒有在反應(yīng)中消耗掉的炭繼續(xù)下移進(jìn)入還原區(qū)，與裂解區(qū)及氧化區(qū)生成的CO2發(fā)生還原反應(yīng)生成CO，炭還與水蒸氣反應(yīng)生成H2和CO。
氣化過程中空氣的供給是靠系統(tǒng)后端的容積式風(fēng)機(jī)的抽力實(shí)現(xiàn)的。大多數(shù)的秸稈氣化爐都是在微負(fù)壓的條件下運(yùn)行，進(jìn)風(fēng)量可以調(diào)節(jié)。
從秸稈氣化爐中生成的可燃?xì)怏w含有雜質(zhì)，且溫度太高，并不適合直接送給用戶使用，必須進(jìn)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(tǒng)中常用設(shè)備為旋風(fēng)分離除塵器、噴淋塔、液滴分離器和生物質(zhì)過濾器。
3.2 旋風(fēng)分離器
旋風(fēng)分離除塵器是應(yīng)用最廣，也是最有效的除塵設(shè)備。在秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)中采用的是切流式旋風(fēng)分離除塵器。需凈化的秸稈氣通過連接管沿切線方向進(jìn)入旋風(fēng)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(dòng)力，受重力的作用而落至旋風(fēng)分離器底部的圓錐部分，從旋風(fēng)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(fēng)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(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)的速度大小有關(guān)。秸稈氣的進(jìn)氣速度太小，除塵效果不明顯；進(jìn)氣速度太大，會將已沉降的塵粒重新吹起來。適宜的進(jìn)氣速度是15～20m/s。旋風(fēng)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(zhuǎn)次數(shù)增加。
為了提高除塵效果，實(shí)際上常常使用多個(gè)旋風(fēng)分離器，將它們并聯(lián)或串聯(lián)。串聯(lián)時(shí)的除塵效果更好，但卻增大了系統(tǒng)阻力。
3.3 噴淋塔
很多秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)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(shù)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(dòng)。含雜質(zhì)氣體在由下至上流動(dòng)過程中，經(jīng)過一排排向下噴淋的液滴，液滴可以捕捉氣體中的雜質(zhì)，并冷卻氣體，從而達(dá)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(shè)備。當(dāng)含塵氣體通過文氏管時(shí)，利用文氏管的收縮管徑，使氣體的流動(dòng)速度增加。由于氣體流速增加使得文氏管內(nèi)的壓力降低，從而使管外的液體通過小孔被吸入到管內(nèi)，同時(shí)液體被霧化成細(xì)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(jīng)過文氏管加速后,流速應(yīng)控制在60～120m/s。
3.5 液滴分離器
大多數(shù)情況下，秸稈氣在經(jīng)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(shè)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(shè)置在分離器內(nèi)的不同方向的擋板，而使氣體的流動(dòng)速度及方向都發(fā)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(zhì)過濾器
生物質(zhì)過濾器是利用顆粒層過濾原理對氣體進(jìn)行凈化，它是秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)中比較有效的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的凈化設(shè)備。當(dāng)秸稈氣通過濾料時(shí)，氣體中的雜質(zhì)、微細(xì)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(tǒng)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(dāng)木屑或玉米芯吸附物達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，應(yīng)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(zhì)過濾器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1) 除塵效率高，總除塵效率一般為98%～99.9%；
(2) 適應(yīng)性廣；
(3) 處理氣體量、氣體溫度和入口含塵濃度等的波動(dòng)對除塵效率的影響較；
(4) 濾料來源廣、價(jià)格便宜，而且不用水，設(shè)備阻力中等。
在秸稈氣化系統(tǒng)中所采用的生物質(zhì)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(fēng)機(jī)
羅茨風(fēng)機(jī)是燃?xì)夤こ讨凶畛Ｓ玫娜細(xì)饧訅涸O(shè)備。它在殼體中有一對“8”字形的轉(zhuǎn)子，運(yùn)行時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子與壁面之間包圍的空間體積產(chǎn)生周期性變化，從而對其間的氣體產(chǎn)生壓縮，提高了燃?xì)鈮毫Α?/p>
如果忽略氣體沿轉(zhuǎn)子之間和轉(zhuǎn)子與壁面之間的間隙回流，羅茨風(fēng)機(jī)可以看成是容積式輸送機(jī)，即氣體流量受壓力影響很小，可以保持燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3.8 儲氣柜
儲氣柜是燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是：
（1）儲存部分燃?xì)，用以補(bǔ)償用氣負(fù)荷的變化，保證燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。集中供氣系統(tǒng)的用氣高峰集中在一日三餐的炊事時(shí)間，平時(shí)只有零星用氣。儲氣柜在非用氣高峰時(shí)儲存部分燃?xì)，而在用氣高峰時(shí)放出來以補(bǔ)充氣化機(jī)組不能及時(shí)供應(yīng)的部分燃?xì)饬俊?/p>
（2）為燃?xì)夤芫W(wǎng)提供一個(gè)恒定的輸配壓力，保證燃?xì)廨斉渚猓构芫W(wǎng)內(nèi)所有的燃?xì)庠疃寄馨凑疹~定的壓力正常燃燒。
燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)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(wǎng)
輸氣管網(wǎng)分室外和室內(nèi)2個(gè)部分。煤氣輸送外網(wǎng)可采用水煤氣鋼管和PE管2種。前者造價(jià)低，后者造價(jià)雖高，但壽命長。戶內(nèi)使用鍍鋅管，并配有煤氣表。輸氣管網(wǎng)應(yīng)按國家有關(guān)規(guī)定進(jìn)行管徑計(jì)算和管路施工。
4 系統(tǒng)在操作、運(yùn)行和管理中應(yīng)注意的問題
4.1 正確選擇技術(shù)類型及主要設(shè)備
系統(tǒng)在使用前須詳細(xì)正確地分析本地的實(shí)際條件。根據(jù)具體實(shí)際情況和現(xiàn)有條件，選擇相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)類型，這樣才能正確有效地發(fā)揮秸稈氣化技術(shù)。如果設(shè)備或技術(shù)類型選擇不當(dāng)，輕者系統(tǒng)運(yùn)行不暢、故障頻繁、維修費(fèi)用增高、達(dá)不到投資預(yù)期目的，重者整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行、設(shè)備損壞，甚至還有安全隱患。
4.2 嚴(yán)格控制秸稈氣的質(zhì)量
秸稈氣化產(chǎn)出氣體的質(zhì)量是保證應(yīng)用系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。操作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)單位出具的技術(shù)說明、操作規(guī)程和維護(hù)保養(yǎng)條例，按規(guī)定操作運(yùn)行，從而保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，能得到高質(zhì)量、合格的氣體。
4.3 保證安全生產(chǎn)
秸稈氣易燃、易爆、有毒，而且原料也是可燃的，因此增強(qiáng)有關(guān)人員的安全意識是非常必要的。首先，從設(shè)計(jì)上就必須按照國家有關(guān)防火防爆規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，在設(shè)備的制造安裝過程中也必須遵照國家的規(guī)定，儲氣柜的制造安裝及輸氣管網(wǎng)的安裝都必須由國家有關(guān)部門認(rèn)可的有資質(zhì)的單位來執(zhí)行的；系統(tǒng)的生產(chǎn)和運(yùn)行也必須符合國家有關(guān)規(guī)定。
4.4 提高人員素質(zhì)
在農(nóng)村使用此類技術(shù)，要注意安全使用常識的宣傳。管理人員和操作人員應(yīng)了解有關(guān)基本知識，并掌握所用技術(shù)的基本原理，并能夠?qū)υO(shè)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(shù)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(zhì)產(chǎn)生，在氣體凈化過程中有大量的污水產(chǎn)生。如何處理好這些污染物，不使這些污染物對環(huán)境造成二次污染，是考核所使用技術(shù)是否成熟和適用的一個(gè)重要指標(biāo)。每一個(gè)氣化站和用戶都應(yīng)將這些污染物進(jìn)行處理，只有達(dá)到國家環(huán)保規(guī)定要求后才能排放。
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