秸秆气化技术与沼气发酵技术的综合评价

安徽省农业科学院农业工程研究所农村能源研究室秸秆气化技术与沼气发酵技术的综合评价2013年8月20日李布青研究员安徽省农业科学院农业工程研究所安徽省农业科学院农业工程研究所是全额拨款科研事业单位。已形成“农业规划设计、农业生态治理、农业机械与设施、农业节水技术、园林工程、沼气工程”等主体学科。“安徽省沼气工程产业技术创新战略联盟”理事长单位；“安徽省农业工程学会”、“安徽省现代农业装备产业技术创新战略联盟”副理事长单位；“安徽省可再生能源行业协会”副会长单位；“安徽省工程咨询协会”理事单位。现有在职职工54人，其中高级职称8人，博士9人（含在读），硕士15人；享受国务院津贴1人、省政府津贴2人。安徽省学术和技术带头人1人、后备人选1人。主持国家、省科技攻关、重点等项目100余项；完成了30多个规划设计文本的编制；编写著作1部，发表学术论文80余篇，获全国农牧渔业丰收奖一等奖1项、安徽省科技进步三等奖4项、省级成果5项、国家发明专利4项，5个苗木新品种通过审定。有国家发改委颁发的《工程咨询单位资格》。农村能源研究室简介农村能源研究室主要从事生物质能源、农村环境治理、农业清洁生产等研究工作。自“十五”以来先后承担完成国家863项目（合作）、安徽省科技攻关项目、合肥市科技项目、国家农业成果转化项目等项目20余项。发表系列学术论文30余篇获安徽省科技进步奖三等奖4项。农业秸秆作为数量巨大的重要生物质资源，其转化利用是目前的一个研究热点，受到广泛关注。利用生物质生产清洁燃料，是未来可持续能源的重要部分。是21世纪最有希望的新能源之一。阐述了秸秆热气化技术和秸秆沼气技术。认为秸秆沼气技术更具优越性。随着全球日益突出的能源危机，特别石化能源能源接近枯竭的情况下，世界对可再生能源的利用越来越重视，世界开始将目光聚集到新能源领域。在诸多新能源当中，生物质能源是最安全、最稳定的能源，也是目前我国重点鼓励开发的新能源。农作物秸秆是一种丰富的纤维素可再生资源，同时也是生物质的一个重要组成部分，是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。作为数量巨大的重要生物质资源，其转化利用是目前的一个研究热点，受到广泛关注。我国秸秆分布广、数量大、种类多、价格低廉。每年可收集资源量约为8亿吨，居世界之首。秸秆热气化技术是一种生物质热化学转换处理技术。基本原理是秸秆原料进入气化炉后被干燥，随温度升高析出挥发物，在高温下热解（裂解）。热解后的气体和炭在气化炉的氧化区与气化介质发生氧化反应并燃烧；较高分子量的有机碳氢化合物的分子链断裂，最终生成了较低分子量的CO、H2、CH4、CnHm等混合气体。燃气的热值与燃料的成分有直接关系，含CO、H2和CH4数量越多，燃气的热值越高。秸秆气化过程包括4个反应区的工作,依次为干燥区、热分解区、氧化区和还原区，见图1。通过气化装置的热化学反应，可将低效能的固体生物质转换成高效能的可燃气，因此气化炉是秸秆气化过程中的核心设备。该技术的优点在于，在小范围内它能将比较分散的生物质通过比较经济的方式转化成可直接利用的能源，且气化器装置比较简单。整个系统主要包括气化装置、净化装置和能量转换装置，其设计与燃料种类、气化器是移动还是固定有关。根据炉型的不同,大致可分为固定床气化炉和流化床气化炉两大类。固定床气化炉适用于物料为块状及大颗粒原料,其制造简便,运行部件少,具有较高的热效率,但内部过程难以控制,内部物料容易搭桥形成空腔,处理量小。流化床气化炉适合含水分大、热值低、着火困难的原料,原料适应性广,可大规模高效利用,且物料反应温度均匀、气化反应快、产气率高。秸秆气化技术在推广应用过程中，存在不少问题。据农业部统计，2006年全国报废秸秆气化站130处，报废数量相当于同年全国新建秸秆气化站数量(193个)的67.36％。原因是：关键技术，如秸秆气化热值低，运行稳定性、焦油清除、气体净化等技术尚需要研究。设备的可靠性、实用性需提高。秸秆气化设备及施工验收体系的无国家标准化。农业部2001年曾颁布实施了《秸秆气化供气系统技术条件及验收规范》(NY／T443-2001)，对燃气质量、储气柜设计和安全防火等项目进行了明确的规定，但是大部分企业忽视标准规范规定的内容。秸秆热气化供气设备、户用型秸秆热气化炉以及秸秆热气化烘干供热技术集成设备经过大量试验示范研究，运行效果不理想。秸秆气中的杂质主要是灰分、微细炭颗粒、焦油和水分。这些杂质对秸秆气的使用都有很大的影响。农村推广应用气化炉采用水洗或过滤等办法把焦油从气体中分离出来，然后作为废物排放。造成能量损失和二次污染。秸秆沼气技术秸秆沼气发酵技术是将秸秆在厌氧微生物的作用下产生一种可替代化石能源的清洁能源——沼气。整个过程是秸秆在厌氧条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气发酵是由多种微生物在厌氧条件下共同参与的复杂的生化过程。在这个过程中微生物是最活跃的因素，它们把各种固体或是溶解状态的复杂有机物，按照各自营养需要，进行分解转化，最终生成沼气。沼气含甲烷60%~70%，此外还含有CO2，H2，H2S，N2和CO等气体。近年来，对以农作物秸秆为主要发酵原料的沼气工艺进行了深入研究，开发出了多种以农作物秸秆为主要发酵原料的厌氧消化工艺。沼气工程产生的沼液在储存和使用过程中会对周围环境构成污染。主要表现为沼液储存过程中有害气体释放、沼液直排造成的水体污染、农田长期大量施用造成的重金属沉积和沼液渗滤造成的地下水恶化。由于单位土地面积对沼液的容纳能力有限，沼液的长距离运输成本又较高，加上气候变化及农作物复种情况影响，工程沼气所产沼液无法完全利用。对多余沼液的净化处理或者对沼液的浓缩减容处理是沼气工程的必要措施。秸秆沼气发酵技术，通常采用序批式或连续式进料，沼液回流循环使用，减少沼液外排。但沼液回流技术还有许多需要解决的问题。如秸秆发酵还不能彻底实现相分离，水解相中存在产甲烷菌的竞争，回流沼液对秸秆降解和分离的影响等。我国的大中型沼气工程技术已日趋成熟，罐体成型和配套设备接近国际水平。沼气工程多选用能源环保模式，采用厌氧-好氧生物法处理有机废水。中温发酵工艺处理工业有机废水的运行效率较高，所获得的沼气用于发电，为企业自身提供部分动力。厌氧生物法能处理掉废水中80%以上的有机质，为后续好氧处理减轻负担。厌氧发酵罐的形式以升流式厌氧污泥床消化器（UASB）、升流式固体消化器（USR）、全混式厌氧消化器（CSTR）和内循环型消化器（IC）为主。在厌氧罐的成型技术上，多采用搪瓷板拼装、螺旋双折边咬口罐和碳钢板焊接成形加防腐处理。在CSTR型厌氧发酵罐上，配备了机械搅拌。系统的运行温度、压力、pH值和液位高低等参数用在线仪表监测，但是还未能完全实现自动化控制。以秸秆为原料的沼气发酵工程因秸秆原料结构的复杂性，导致按照现行的大中型沼气工程技术与设备难以达到预期发酵效果。通过预处理提高秸秆的可生物消化性能、消化效率和产气率。针对秸秆密度小、体积大、不具有流动性等特性,研究适合其物料特性的专用高效厌氧消化反应器,并研究出最优的反应器运行参数。通过这些技术的组合运用，实现秸秆的高效消化和提高其经济性。国内外在秸秆的预处理、秸秆厌氧发酵工艺及产业化装备方面做了大量研究和工程实践。工程化的秸秆产沼气技术目前尚处于示范应用阶段。图2秸秆大型沼气工程工艺流程图技术比较分析沼气燃烧热值高。沼气(含60%甲烷)热值一般在21524kJ/m³,基本接近液化石油气热值。而秸秆气化燃气热值较低,一般在6000kJ/m³左右。因此,沼气热值是秸秆气热值的3.5倍多。基本上没有污染问题。沼气产品无色无味、无焦油、无烟无尘,它的副产品沼渣通过厌氧消化也基本达到了灭菌消毒无污染的效果，沼液进行循环处理，不对环境进行二次污染。而秸秆热气化生产过程则有一定程度的污染。如:1.粉尘污染。秸秆粉碎过程产生粉尘;2.噪音污染。粉碎机械、气化设备运行时产生的噪音以及燃气炉出气时呼呼作响的声音等;3.焦油污染。气化炉、过滤设备、冷却水、地下管网、用户炉表中凝结的焦油对环境有污染;4.空气污染。焦油有刺鼻的异味对周围空气产生污染。工程投入比较分析以供气300户为例，秸秆热气化集中供气工程秸秆气化机组20万元，500m³储气柜（湿式）40万元，供气管网30万元，入户管网及表灶投资约20万元，土建基础工程投资50万元。总投资约160万。秸秆沼气集中供气工程沼气气水分离器、沼气低压脱硫装置、沼气增压装置、沼气贮压装置、沼气阻火净化分配器、管网炉具等投资约55万元。厌氧发酵池、调浆池，贮液池、保温设施等土建基础工程投资40万元。总投资约95万元。秸秆热气化比秸秆沼气工程投资成本较大。燃气比较分析沼气热值不固定，和甲烷的纯度有关，沼气含60%甲烷热值一般在21500KJ/m3，和液化石油气热值相当。低于天然气（甲烷含量高于90%）38000KJ/m3，高于城市人工煤气15000KJ/m3。用秸秆制造燃气与用煤制造煤气，在本质上是没有区别。秸秆气由于含氮气比较高，因此燃气热值较低，一般在6000KJ/m3。因此，1立方沼气约相当于3.5m3秸秆气热值，优势比较明显。工程运行成本及管理费用比较分析沼气集中供气运行成本管理费相对较低。①运行成本低。沼气的发酵运行主要靠微生物生命活动,通常只需要1台加料的泥浆泵设备。而秸秆气化设备运行时通常需要5台设备,即秸秆粉碎机械,向气化发生炉上料的机械,空气压缩机或罗茨风机,上水泵,冷却水循环喷淋泵。②管理费用低。秸秆气化生产运行需要秸秆粉碎,上料,开机,试火,燃气炉看护,除炉灰,除焦油,冷却水看护等,而沼气生产运行管理没有这么多环节,因此管理费用低。③维护修理费用低。秸秆气化炉燃气除焦、除尘、除水系统、地下管网、用户炉表等,需要定期进行清理。尤其是地下管网在达到一定年限出现焦油堵塞后必须进行全面彻底的更换重新铺设。而沼气生产、运行管理没有这些问题,因此维护修理费用少。结语利用生物质替代煤炭、石油和天然气，减少对矿物能源的依赖，减轻能源消费给环境造成的污染，是未来可持续能源的重要部分，是21世纪最有希望的新能源之一。秸秆热气化集中供气工程和秸秆沼气集中供气工程建设，使秸秆作为商品能源利用，可以减少煤炭和石化燃料的的消耗。避免秸秆焚烧造成的污染。通过对比分析可知，秸秆沼气技术比热气化技术操作性强，更容易在农村地区进行推广应用。工程上秸秆沼气集中供气工程相对热气化工程相对更有优势。谢谢！