秸秆燃气

秸秆气化集中供气技术是我国农村能源建设推出的一项新技术。它是以农村丰富的秸秆为原料，经过热解和还原反应后生成可燃性气体，通过管网送到农户家中，供炊事、采暖燃、锅炉燃烧、发电。

1、什么叫做秸秆燃气

　　秸秆燃气，是利用生物质通过密闭缺氧，采用于溜热解法及热化学氧化法后产生的一种可燃气体，这种气体是一种混合燃气，含有一氧化碳、氢气、甲烷、等，亦称生物质气。 

　　2、秸秆燃气生产技术原理？

　　植物生物质（包括据木、木柴，野草，松针树叶，作物秸秆，牛羊畜粪，食用菌渣）中的碳元素质量分数约为40%，其次为氢、氮、氧、镁、硅、磷、钾、钙等元素。植物秸秆的有机成分以纤维素，半纤维素为主，质量分数为50%。这些生物质原料，在缺氧条件下加热，使之发生复杂的热化学反应的能量转化过程。此过程实质是植质中的碳、氢、氧等元素的原子，在反应条件下按照化学键的成键原理，变成一氧化碳、甲烷、氢气等，可燃性气体的分子。这样植物生物质中的大部分能量就转移到这些气体中。基本反应包括：

　　C+O2=CO2 2C+O2=2CO

　　2H2O+C=CO2+2H2 CO+O2=2CO2

　　H2O+CO=CO2+H2 CO2+C=2CO

　　CH4+CO2=2CO+2H2 C+2H2=CH4

　　CO+3H2=CH4+H2O2H2+O2=2H2O

　　上述生物质的气化过程的实现是通过气化反应装置（即制气炉）完成的。

　　3、秸秆燃气生产的工作原理？

　　制气炉具有生物质原料造气，燃气净化，自动分离的功能。当燃料投入炉膛内燃烧产生大量CO和H2时，燃气自动导入分离系统执行脱焦油、脱烟尘，脱水蒸气的净化程序，从而产生优质燃气，燃气通过管道输送到各用户使用。

1.     建设要求（规模）

1.1建设供给

1）680户居民生活用气，放量设计：800户；（每户按日用气2.5立方米设计）

合计2000立方米/日

2）供暖81600平方米，放量设计96000平方米；(每户按120平方米设计) 11.2MW（16t）热水锅炉燃烧用气4800m³/h。（1吨热水锅炉300m³/h）；

3）合计日供气量11.72万m³，气站产气4883立方米/h

1.2. 需建设秸秆制气（5000Nm³/h）气化站一座（全套设备）考虑到峰值供气；

2.设计参数

2.1.居民用气（低位17746 KJ/kg玉米秸秆的发热量）

2.2.秸秆(颗粒)的消耗量（按1：1.8产气率）约计2.8T/h

2.3.焦油去除转化率97.8（高温裂解800-900℃）

2.4.气体为干质气体

2.5.无任何污染物排出（点火时配置烟气洗涤装置）

3.设计依据：

3.1.（NY/T443-2001）标准《秸秆供气系统技术条件及验收规范》

3.2.（NY/T1417-2007）标准《秸秆气化炉质量评定标准》

3.3.用户给定的基本条件及要求

4.设计范围

4.1.站内的用于气化工艺设备、储气、基础等项

4.2.不含照明、道路硬化

5.工艺确定

本工艺采用，喂料机+下吸气气化炉＋裂解装置＋冷却器＋除尘器+风机+止回器+膜式储气柜+恒压供气机。整个生产过程无任何污染物排出。

5.1.工艺流程

                                                     电源

                                                            控制柜

                          喂料机

                        厌氧气化炉    空气

                          除尘器

     水蒸气

                          裂解气

                                        冷却泵     冷却水池

               木酸醋     冷却器

                          除尘器

              Na2CO3     引风机

                                    式火口    点火排烟气出口

                          止回器

                          流量表

                          储气柜      恒压供气机     用户                     

工艺流程说明：含水分小于20%秸秆颗粒、通过喂料机送入下吸气气化炉，秸秆再炉内进行干燥、燃烧、裂解、氧化还原产出生物质可燃气体，气体产出后在尾部风机作用下进入旋风除尘器去除气体中灰分，去除灰分后的气体流进高温裂解器分解转化焦油，焦油在高温800-900度时通过裂解介质作用分解转化率达97.8以上。裂解后的气体要进行冷却、除尘器在风机作用下经防火止回器进入储气柜，恒压气体经防爆止进入居民家庭。储气、供气配有气体泄露检测点防止以外事故的发生。

5.2.下吸气气化炉简介

下吸气生物质气化炉具有结构简单，易操作，产出气体焦油含量低的优点。生物质气化过程是一个复杂的热化学反应的过程。吹入的空气与物料混合燃烧，这一区域称为氧化区，温度约为900-1200℃，产生的热量用于支持热解区裂解反应和还原区还原反应的进行；氧化区的上部为热解区温度约为300-700℃，在这一区域生物质中的挥发分（裂解气、焦油以及水分）被分离出来；热解区的上部为干燥区，秸秆在这一区域被预热干燥；氧化区的下部为还原区，氧化区产生的CO2、炭和水蒸气在这一区域进行还原反应，同时残余的焦油在此区域发生裂解反应，产生CO和H2为主的产出气（生物质气体）这一区域的温度700-900℃；来自热解区富含焦油的气体需经过高温氧化区和炽热焦炭为主的还原区，其中的焦油在高温下被裂解，从而使产出气的焦油大为减少。

作为气化剂的空气从炉体侧部空气喷嘴吹入，产出气的流动方向与物料是一至，故下吸气气化炉也称为顺流气化炉。

5.3.秸秆气化焦油裂解技术

一、秸秆焦油的特性

   秸秆（即生物质）气化的目标是得到尽可能多的可燃气体产物，但在气化中，焦炭和焦油都是不可避免的副产物。其中由于焦油在高温时呈气态，与可燃气体完全混合，而在低温时（一般低于200℃）凝结为液态，所以其分离和处理更为困难，特别对于燃气需要降温利用的情况（如燃气用于家庭、内燃机发电、锅炉燃烧时），问题更加突出。 

   焦油的存在对气化有多方面的不利影响，首先它降低了气化效率，气化中焦油产物的能量一般占总能量的5～15%，这部分能量是在低温时难以与可燃气体一道被利用，大部分被浪费，其次焦油在低温时凝结为液态，容易和水、焦炭等结合在一起，堵送气管道，使气化设备运行发生困难。另外，凝结为细小液滴的焦油比气体难以燃烬，在燃烧时容易产生炭黑等颗粒。对燃气利用设备，如内燃机、燃气轮机、燃烧器等损害相当严重，这就大大降低了气化燃气的利用价值。所以针对气化过程产生的焦油，采取办法把它转化为可燃气，既提高气化效率，又降低燃气中焦油的含量，提高可燃气体的利用价值，对发展和推广秸秆气化发电、民用、工业使用技术具有决定性的意义。

二、焦油的特点

   在秸秆热转换中，焦油的数量主要决定于转换温度和气相停留时间，与加热速率也密切相关。对一般秸秆而言，在500℃左右时焦油产物最多，高于或低于这一温度焦油都相应减少。而在同一温度下，气相停留时间越长，意味着焦油裂解越充分。所以随着气相停留时间的增加，焦油产量会相应地减少（见图2）。焦油的成份非常复杂，可以分析到的成份有100多种，另外还有很多成份难以确定，而主要成份不少于20种，大部分是苯的衍生物及多环芳烃，其中含量大于5%的大约有7种，它们是：benzene（苯），naphthalene（萘），toluene（甲苯），xylene（二甲苯），styrene（苯乙烯），phernol（酚）和indene（茚），其它成份含量一般都小于5%，而且在高温下很多成份会被分解。所以随着温度的升高，焦油含量中成份的数量越来越少，因而在不同条件下（温度、停留时间、加热速率）焦油的数量和各种成份的含量都是变化的，任何分析结果只能针对于特定条件言。

   根据这些特点，我们应在气化过程中尽可能提高温度和气相停留时间，减少焦油的产量和种类，以达到在气化时控制焦油的产生，减少气体净化的难度.

三、秸秆焦油催化裂解

   焦油催化裂解的原理尽管在秸秆气化过程中采取各种措施控制焦油的产生，但实际上气体中焦油的含量仍远远超出应用允许的程度，所以对气体中的焦油进行处理，是有效利用燃气必不可少的过程，其中焦油的催化裂解是最有效、最先进的办法。以往简单的水洗或过滤等办法，只是把焦油从气体中分离出来，然后作为废物排放，既浪费了焦油本身的能量，又会产生大量的污染。而焦油热裂解却可把焦油分解为永久性气体，与可燃气一起被利用。所以它既减少了焦油含量，又利用了焦油中的能量。但热裂解需要很高的温度（1000℃～1200℃），所以实现较困难。催化裂解利用催化剂的作用，把焦油裂解的温度大大降低（约750℃～℃900），并提高裂解的效率，使焦油在很短时间内裂解率达99%以上。

   化学式描述裂解的转化过程。但不管何种成份，裂解的最终产物与气化气体的成份相似，所以焦油裂解对气化气体质量没有明显影响，只是数量有所增加。对大部分焦油成份来说，水蒸汽在裂解过程中有关键的作用，因为它能和某些焦油成份发生反应，生成CO和H2等气体，既减少炭黑的产生，又提高可燃气的产量。例如，萘在催化裂解时，发生下述反应：

       C10H8+10H2OÞ10CO+14H2

       C10H8+20H2OÞ10CO2+24H2

       C10H8+10H2OÞ2CO+4CO2+6H2+4CH4

   由此可知，水蒸汽非常有利于焦油裂解和可燃气体的产生。气化介质为空气时，产生低热值燃气，热值为4MJ/Nm3-7MJ/Nm3，氢气含量为8％～14％（体积），气化介质为水蒸气时产生中热值燃气，热值为10MJ/Nm3～16MJ/Nm3，氢气含量为30％～60％（体积）。

四、催化剂的特点及选择

秸秆焦油催化裂解原理与石油的催化裂解相似，所以关于催化剂的选用可从石油工业中得到启发。但由于焦油催化裂解的附加值小，其成本要求很低才有实际意义。所以人们除利用石油工业的催化剂外，还大量研究了低成本的材料，如石灰石，石英砂和白云石等天然产物。大量的实验表明，很多材料对焦油裂解都有催化作用，其中效果较好又有应用前景的典型材料主要有三种，即木炭、白云石、镍基催化剂，它们的主要性能列于表中。典型催化剂的主要特点     

*白云石的主要成份为CaCO3和MgCO3，不同地方出产的白云石成份略有不同。

  从上面三种典型催化结果比较可知，镍基催化剂的效果最好，在750℃时即有很高的裂解率，而其他材料在750℃裂解的效果还不理想，但由于镍基催化剂较昂贵，成本较高，一般秸秆气化技术难以应用，所以只能在气体需要精制或合成汽油的工艺中使用。木炭的催化作用实际上在下吸式气化炉中即有明显的效果，但由于木炭在裂解焦油的同时参与反应，所以消耗很大（在1000℃时达0.1kg/Nm3）,对大型秸秆气化来说木炭作催化剂不现实，但木炭的催化作用对气化炉的设计及小型气化炉有一定的指导意义，因为木炭可参与化学反应，与水蒸汽反应生成一氧化碳和氢气，并能与燃气中生成的二氧化碳反应生成一氧化碳，二者都是可燃气体，这样最终能大大增加燃气的热值。

化学反应式： C+H2O（水蒸汽）=CO+H2     C+CO2=2CO

白云石（dolomite）是目前为止研究得最多和最成功的催化剂，虽然各地白云石的成份略有变化，但都有催化效果，一般当白云石中CaCO3 / MgCO3在1～1.5时效果较好。白云石作为焦油裂解催化剂的主要优点是催化效率高，成本低，所以具有很好的实用价值。  

五、焦油催化裂解的工艺条件
   焦油催化裂解除要求合适的催化剂外，还必须有严格的工艺条件。和其他催化过程一样，影响催化效果最重要因素有温度和接触时间，所以其工艺条件也是根据这方面的要求来确定的。下面以白云石为例，分析这些工艺条件的特点

  温度：

   任何催化过程必须在合适的温度下才能进行，白云石对焦油的裂解在800℃以上即有很高的裂解率，而在900℃左右即可得到理想的效果，这一温度和秸秆气化的温度相近，所以比较容易实现，这也是白云石被广泛使用的主要原因之一。

  接触时间：

  焦油和催化剂的接触时间是决定催化效果的另一重要因素。由于接触时间又是由气相停留时间和催化剂的比表面积决定的，所以气相停留时间和白云石和颗粒大小成为催化裂解的重要工艺条件。在同一条件下，气相停留时间越长，裂解效果越好。
   对于不同的接触方式，气相停留时间的要求不同，例如，在800℃时，对dp»5mm的固定床，气相停留时间一般要求在0.5s左右，而对于dp»1.5mm的流化床，气相停留时间仅需0.1～0.25s即可。同样的白云石的直径越小，催化效果越好，但颗粒直径太小，对固定床来说，阻力太大，而对流化床来说飞灰损失太严重，所以白云石的直径有一合适范围，一般dp为2.0～7.0mm为好。

我公司精心研制的竖向流动多管焦油裂解器满足了裂解工艺中的一切要求，介质白云石，通过使用验证达到脱焦油效率99%以上。