农作物秸秆热解多联产技术的应用

　　摘要：农作物秸秆是重要的可再生能源，开发先进高效的秸秆利用技术，有助于缓解能源危机，增加废弃物资源的二次化利用，降低环境污染。该文介绍了一种新型的农作物秸秆固定床干馏釜气固液联产技术，并以湖北省天门市杨林办集中供气示范站为商业化运行典型案例进行了经济效益分析。农作物秸秆固定床干馏釜气固液联产技术可以同时产出中等热值（8?12MJ/m3)的民用燃气和低位发热量达到28MJ/kg的生物质焦炭，此外还有一定应用潜力的木焦油和木醋液。现有规模商业化运行，电价和用工成本的大幅上升降低了集中供气示范站的经济效益。

　　关键词：秸秆，农作物，热解，集中供气，经济效益，案例分析

　　气示范工程，2011年和2012年也有多处纳入湖北省绿色能源县的建设。主要农作物秸秆气固液联产技术，目前已有多处完成工程建设，进入商业化运行阶段。

　　本文将介绍农作物秸秆气固液联产技术的基本情况，并且以湖北省天门市杨林办集中供气示范站为例，分析其秸秆热解气固液联产特性及其商业化运行的基本情况。

　　1农作物秸轩气固液联产技术

　　1.1技术原理

　　如图1所示，在农作物秸秆气固液联产技术中，首先应将农作物秸秆进行粉碎、干燥和热挤压成型的预处理，然后将成型原料装入干馏釜中，在隔绝空气的还原性气氛中，成型原料吸收从干馏釜外部传入的热量，进而实现干馏热解并生成生物质炭。

　　表1给出了气固液联产技术主要秸秆原料的工业分析和元素分析。棉秆和油菜杆都属于高挥发分、低灰分类生物质，有利于收集更多的气体产物以及高品质的生物质炭。农作物秸秆经过粉碎干燥处理后，其含水率保持在8%?12%，通过进一步的热挤压成型后，得到的成型棒表观密度大于1000kg/m3，含水率小于8%。

　　热解过程中释放的挥发分经过净化装置的冷却、除尘、脱焦、过滤和除酸后，产出清洁优质燃气、木焦油和木醋液；优质燃气进入储气柜，

　　〇引言

　　随着新农村建设的全面展开，农业现代化和城镇化的快速发展，农村能源短缺和能源利用方式落后的问题日益突显，农村地区对高效清洁能源的需求十分迫切[1-2]。生物质能是一种清洁可再生能源，

　　具有氮、硫含量少和CO2近零排放的特点，且在中国农村地区拥有丰富的生物质资源，因此，在新农村建设中最大限度地利用自有生物质资源，减少化石能源的消耗及其造成的环境污染，可有效增加农民收入、改善农村生活水平和保护农业生态环境，

　　是新农村建设实现能源、经济、环境协调发展的重要路径[3-4]。

　　湖北省作为一个农业大省，每年仅农作物秸秆就有5000万t左右，其中大约60°%可作为能源使用[5]。近年来，湖北省在新农村建设中，对农林废弃物的能源化利用技术给予了高度重视，2009年和2010年湖北省分别计划建设7处与10处集中供经燃气输配系统送达用户；木焦油和木醋液则装桶入库待后续的集中销售或深加工。干馏釜内的生物质炭则通过自然冷却后取出，包装后进入销售，可以用作生物碳进行土壤改良和燃料碳进行能源化利用。

　　集中供气示范站的设计规模为1000/1500户，农户日均用气为1.5m3，因此供气站每日产气量为1500/2250m3。

　　基于农村的需求，气固液联产当前为间断式生产，升温受热时间为8/10h,焦炭冷却时间一般为48h;因此要保证每日的供气规模，固定床干馏釜一般为可装载5t物料的大钢罐，并且每个气站需配置3/4个干馏釜以保证供气连续性。

　　农作物秸秆工业分析和元素分析

　　1.2热解过程

　　农作物秸秆经过预处理后，得到较低含水率的成型棒，直径一般为60/80mm，长度为500/800mm。而后，将成型棒依次堆码在特制铁框中，间开成型棒距离约5/10mm，保证挥发分稳定释出，减少系统阻力。用起重装置等相关设备将铁筐放入干馏釜，封装釜盖，保证密封性能。启动点火装置，干馏釜受热升温。前2?3h主要为生物质脱水阶段，温度低于250C，大分子连接键开始断裂，部分CO2和CO释出，类似烘焙[6-7]，此阶段产生的气体不收集，引入加热炉中燃烧，有利于提高燃气及液体产物品质。而后3/4h为主要的产气阶段，温度介于300/600°C，生物质内部大分子中糖苷键大幅断裂，官能团迅速减少，出现脱羟基、脱羰基、脱羧基、脱甲氧基等，产生CO2、CO、CH4、H2和小分子碳氢化合物气体产物，以及大量的液体产物。最后2/3h为碳化阶段，生物质内部出现脱氢缩聚，生成3/5环的芳香化合物，无定形碳逐渐有序化，产生少量燃气及液体油[8-10]。生物质热解完成后，焦炭在密封干馏釜内冷却至60/80C后取出。图2给出了干馏釜内受热温度的变化曲线，热电偶置于干馏釜中心位置。

　　干馏釜内部生物质热解释放的挥发分依次进入热交换塔、冷凝塔、洗涤塔、脱酸洗涤塔、气液分离器、过滤塔，实现液体产物与燃气的分离。热

　　交换塔和洗涤塔是以木醋液为介质的直接混合换热器，冷凝塔是介质为水的间接换热器。经热交换塔和冷凝塔及洗涤塔冷却的液体产物进入油水分离器，根据二者密度差，分离得到焦油和木醋液。脱酸洗涤塔主要喷洒碱性液体，消除气体产物中的H4等酸性气体。而后，燃气进入气液分离器后，在离心力及惯性力的作用下，进一步脱除燃气中的液体成分。最终气体在过滤塔中进一步去除杂质，经排气输送机送入储气柜。

　　干馏蚤升温曲线Fig.2Heatingcurveofpyrolysisretort

　　1.3产物特性

　　农作物秸秆经过气固液联产技术的转化，1t秸秆原料可产230?310m3燃气，250?300kg焦炭，以及50kg左右木焦油和250kg的木醋液。供气站每一釜原料热解完成后，通过称量焦炭和划取储气柜基线，分别核算气固产物产率；液体产物集中装箱时，计算期间原料耗量和液体产物产量，得到液体产物产率。图3给出了不同秸秆原料干馏热解状况下的三态产物产率分布。

　　农作物秸秆热解气固液联产三态产物产率分布

　　Fig.3Productyielddistributionfromdifferentagricultural

　　strawsbycogenerationtechnology

　　与单一气化技术相比，由于气固液联产技术转化过程中没有空气进入，燃气中氮气含量少[11]，主要以高热值的氢气、甲烷为主（氢气体积分数可达25%,甲烷体积分数可达18%)，因此燃气低位热值一般为8?12MJ/m3。表2给出了天门市杨林办集中供气示范站的燃气检测数据，这些数据表明供气站的燃气基本达到了国家人工煤气的标准[12]，为优质民用燃气。

　　表2生物质燃气特性

　　Table2Fuelgasproperties

　　项目

　　Item国家人工煤气标准

　　Nationalstandardofmanufacturedgas杨林办供气示范站GassupplystationinYanglingban

　　低热值

　　LHV/(kJm-3)>460011706

　　CO体积分数<2017.6

　　COvolumefraction/%

　　〇2体积分数/%<10.8

　　O2volumefraction/%

　　酸性气体质量体积比

　　Acidgasescontent/(mg-m"3)

　　焦油及灰尘质量体积比<2016

　　Tarandashcontent/(mg-m"3)<5014.6

　　生物质炭的产率一般为25%?30%，热解过程中易于挥发的H、0等元素将大部分进入热解气中，而大部分C元素则留在生物质炭中。由于物料在高温条件下停留时间比较长，挥发分有充足的时间析出，因此生物质炭的性质接近无烟煤[13]。表3为天门市杨林办集中供气示范站的生物质炭检测数据。生物质炭孔隙结构发达，比表面积大，拥有超强的吸附能力，可以制备成高效吸附剂、土壤改良剂，是一种优质的工业原料。一些学者研究了生物质炭对有机污染物的吸附作用及其吸附机理，发现生物质炭的吸附能力与其比表面积大小和有机污染物极性匹配有关[14-16]。生物质炭加入土壤中，可以增加土壤保湿性，稳定土壤pH值，改变土壤微生物群落结构，减少温室气体排放，增加作物产量[17-19]。

　　焦炭基本特性

　　Table3Charcoalproperties

　　项目Title符号Symbol检测结果Testresults

　　水分Moisture/%Mad3.00

　　灰分Ash/%Aad9.16

　　挥发分Volatile/%Vad11.94

　　全硫Sulfur/%S.ad0.06

　　氢Hydrogen/%Had2.894

　　固定炭Fixedcarbon/%FCad75.9

　　低热值LHV/(kJ-kg-1)LHV28227

　　木焦油为浙青状液体，产率一般为4.5%?7%，是供气站液态产物中的重质组分，含有大量大分子物质，比如2个碳环以上的多环芳烃(如蒽、萘）等，此外还有一些10个碳原子的脂肪链烃。目前已有加工厂利用化学方法将木焦油转化为生物柴油，具有较好的应用前景[20]。同时，木焦油中含有大量酚类物质，可以部分替代苯酚合成酚醛树脂胶黏剂，降低生产成本[21]。但是目前木焦油的产量还较少，离产业规模化应用还有较大差距。木醋液为液体产物的轻质组分，含水率超过85%，有机组分中以乙酸为主，含有少量苯酚。木醋液广泛应用于农林业生产，可以促进植物生长、消菌除臭、堆肥、防止病虫害等[22-23]。此外，木醋液可与白云石制作低成本环保型融雪剂，有利于解决道路雨雪冰冻问题[24]。表4为气固液联产技术液体产物的GC/MS测试结果。测试前，木焦油由丙酮稀释10倍，木醋液由乙醚萃取浓缩。测试仪器与方法与陈应泉等对棉秆热解多联产液体油的分析方法一致[25]。

　　2商业化运行案例分析

　　2.1示范工程基本情况

　　湖北省天门市杨林办棉花种植面积1700hm2,水稻面积2700hm2，林地面积1500hm2。年可产棉花秸秆5000t，稻壳2000t，林业废材1000t。

　　实际可利用的原料量达到8000t，而集中示范工程年处理农作物秸秆2555t，原料供应充足。在项目实施区内，方圆2km2内，常住人口7千多人，1500多户，居住人口集中，能够为输气管网建设和用户燃气供应提供便利条件。

　　木醋液和木焦油主要成分（面积百分比）

　　Table4Compositionofwoodvinegarandwoodtar

　　determinedbyGC/MS(Area%ofliquid-oil)

　　类别

　　Categories成分

　　Components液体产物Liquidproducts

　　木焦油

　　Wood木醋液

　　Wood

　　tarVinegar酸

　　Acids乙酸1.4775.58

　　4-羟基-3-甲氧基苯甲酸6.45

　　3,5-二甲氧基-4-羟基苯乙酸2.65酮

　　Ketone4-羟基-3,5-二甲氧基苯基乙酮1.08

　　醇4-羟基-3-甲氧基苯乙醇1

　　Alcohols3-羟基苯乙醇2.89

　　苯酚3.6110.91

　　2-甲基苯酚2.27

　　4-甲基苯酚2.73

　　2-甲氧基苯酚4.932.33

　　2,4-二甲基苯酚2.19

　　4-乙基苯酚8.99酚

　　Phenols2,6-二甲氧基苯酚11.395.76

　　2-甲氧基-4-甲基苯酚2.16

　　3-乙基苯酚2.56

　　2-乙基-6-甲基苯酚1.44

　　4-乙基-2-甲氧基苯酚5.1

　　2-甲氧基-4-乙烯基苯酚1.6

　　2-甲氧基-4-丙基苯酚1.37

　　2,6-二甲氧基-4-丙烯基苯酚1.25

　　2,6-二甲氧基-2-丙烯基苯酚5.31

　　含氮化3,4-二甲基苯胺2.89

　　合物4-甲氧基苯基-2-羟基亚氨基-乙1.26

　　Nitrogen酰胺

　　compounds4-丙基联苯3

　　天门市杨林办集中供气示范工程面向1500户当地居民提供生活燃气，所用主要原料为周边农田产出的棉杆、油菜杆以及木材厂的废弃木屑。表5列出了示范工程所用设备，与湖北省同期建设的其他集中供气示范工程相似，具有典型代表性。

　　天门市杨林办集中供气示范工程项目总投资726.88万元，其中湖北省以燃气民生工程扶持资金的方式提供了260万元的补助，地方配套50万元，因此企业实际投资为416.88万元，适合中小型业主。

　　2.2经济效益分析

　　表6给出了天门市杨林办集中供气站的收入支出具体项目。供气站年销售收入如下：年生产生物质燃气54.75万m3,燃气销售单价为1.2元/m3,年收入65.7万元；年生产生物质炭547.5t，每吨售价3200元，年收入175.2万元；年生产木焦油91.25t，每吨售价2000元，年销售收入18.25万元；全年收入总计259.15万元。供气站年运行成本如下：年需秸秆2555t，田间收购单价平均为200元/t(包括人力和运输费用，平均运输距离约为35km，平均运输费用为50元/t)，年原料费计51.1万元；供气站工人为13名，每人每年工资福利平均为2.4万元，全年人工成本为31.2万元；供气站全年耗电52.56万kW_h，作为民生工程原本可享受0.7元/(kW_h)的补贴电价，但是由于天门市电力供应紧张，补贴措施难以到位，一直支付1.2?1.6元的浮动商业电价，全年电费翻倍而达到73.58万元；其他运行成本包括31.82万元的折旧费，4.76万元的销售费，7.14万元的管理费和1.8万元的修理费，其中折旧费按20a使用期折算，销售费，管理费和修理费按供气站现有运营情况计算；因此项目全年运行成本为201.40万元。综上所述，天门市杨林办集中供气示范工程全年净收入为57.75万元。

　　天门市杨林办示范工程设备清单

　　Table5EquipmentlistofYanglinbangassupplysystemstationinTianmen

　　设备名称Facilities单位Units数量Amounts

　　加热炉台1

　　热解干馏釜台4

　　热交换塔座1

　　气源厂仪表套1

　　冷凝塔座1

　　脱酸洗涤塔座1

　　耐酸碱塔器洗涤泵台2

　　气液分离塔座2

　　洗涤塔座1

　　潜水排污泵台2

　　吸附塔座2

　　液封桶台5

　　燃气排风机台3

　　热水循环泵台1

　　冷却循环水管道泵台3

　　各种规格阀门、管件套1

　　气源厂配套套1

　　木醋液焦油导流槽台1

　　储焦油桶个1

　　引风机台1

　　脱水塔座1

　　过滤塔座1

　　安全水封塔座1

　　设备、管路连接材料台1

　　10T吊装设备（航车）台1

　　干馏釜装卸料、冷却移动车台4

　　净化系统设备工作平台（架）架1

　　木屑粉粹机台1

　　棉杆粉粹机台2

　　原料烘干设备套1

　　烘干设备联接材料套1

　　制棒机台6

　　制棒自动线套1

　　天门市杨林办集中供气站项目业主总投资为416.88万元，年净收入为57.75万元，根据相关经

　　济学计算方法[26]，其动态投资回收期为13.44a，项目20a的寿命期内净现金（基准利率为10%)流量

　　为74.74万元；虽然本项目运行期间可以保持不亏损，但是盈利额度相对较少，对进一步吸引投资业主会有不利影响。

　　表6天门市杨林办示范工程年收入支出表

　　Table6AnnualincomeandexpenseofYanglinbangassupplysystemstation

　　项目

　　Title产量/耗量Yield/Consumption单价

　　Price总额

　　Total/

　　万元

　　年收入

　　Annual

　　income燃气Fuelgas焦炭Charcoal木焦油Woodtar总收入Totalrevenue54.7万m3547.5t91.25t1.2元/m33200元/t2000元/t65.7

　　175.2

　　18.25

　　259.15

　　原料

　　Feedstock2555t200元/t51.1

　　人工

　　Labour13人2.4万元/

　　人31.2

　　年支出电52.56万1.4元73.58

　　Annual

　　expenseElectricity

　　其他

　　Other

　　expenses

　　总支出

　　Total

　　expensekWh/(kWh)45.52

　　201.4

　　本项目在进行可行性论证时，工人福利按照16500元/(人?年)进行计算，电价则为0.7元/kW_h，

　　因此全年运行成本只有154.86万元；供气站在木焦油和木醋液不能顺利售出时全年净收入也可达到86.04万元。然而目前即使木焦油能够顺利售出时，全年收入也只有57.75万元，可见在现有规模和原料收集范围不变情况下，人工成本和用电成本的大幅上升是利润降低的主因。

　　因此耗电过高是固定床干馏釜气固液联产技术的主要缺陷之一，其中70%的耗电量用在固体成型棒的制备过程，有效降低成型棒的制备耗电量，是进一步提升气固液联产技术经济效益的主要途径之一。另外，在耗电量难以迅速降低的现实技术条件下，0.7元/度电的政策性补贴电价实施到位，即国家电网让出一部分利润是快速提升供气站经济效益的有效途径，这对保护业主的投资积极性非常有必要。

　　3结论与展望

　　农作物秸秆气炭联产技术可以同时产出中等热值（8?12MJ/m3)的民用燃气和低位发热量达到25MJ/kg的生物质焦炭，此外还有一定应用潜力的木焦油和木醋液。

　　本文以天门市杨林办集中供气示范站为案例，分析了该示范工程的经济效益,该示范工程在现有规模和生物质运输距离条件下，有微度利润，

　　供气站年收入259.15万元，支出201.4万元，全

　　年净收入约为57.75万元。但是由于人工成本和用电成本的大幅上升，使项目运行成本升高，致使年净收入下降，项目投资回收期大幅延长，利润较低。提升气固液联产技术的经济效益，短期手段是进保证民生补贴电价政策的到位，另还需加快优化成型技术，降低成型过程中能耗，同时研究发展先进高效的生物质热解气、液、固联产技术，也是提高系统经济性和适用性的必要选择。

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