无焦油秸秆气化炉的研发与应用

刘明义 吴长有 刘金堂

营口市虹信节能燃具开发有限公司（营口 115000）

据相关资料统计，我国绝大多数居住在广大乡村和小城镇的农民，能源消耗量的 80%以上主要是直接燃烧生物质能源产生的，而且越往西部地区生物质能耗所占比重越大。在经济落后的偏远山区，生物质能源更是农村居民的主要能源，开发研究高效的家用生物质气化炉。以向用户供应炊事燃气取替煤气罐，冬季取暖取替煤碳为主要目的。以分散的用户应对分散的资源为方法，对提高偏远地区农民的生活水平，寻求生物质资源利用的新模式，改变农村燃料结构，改进农民炊事方式，对消除污染，减少有害气体排放具有十分重要意义。

家用秸秆气化炉是面对居住在广大乡村和小城镇居民的新型环保节能产品。家用秸秆气化炉以农作物秸秆、农林废弃物为主要气化原料。家用秸秆气化炉成本不高，使用成本更低。对农民来说，这是一项继沼气技术后最值得推广的技术。该技术在农村的应用前景广阔，在改变农村传统炊事习惯，减少农民生活开支，提高农民生活质量等方面，具有较大的推广价值。按我国目前农村近9亿人口，平均4口之家，全国约有2.2亿户，如果全部使用秸秆气化炉的话，需要2亿多台。因此，秸秆气化炉有着巨大的潜在市场和开发前景。目前，我国秸秆气化炉制造商比较多，秸秆气化炉技术水平在不断进步，市场需求量逐年上升。秸秆气化炉的研发将对我国节能减排事业做出巨大贡献。

1 秸秆气化炉国内外研发现状

生物质能利用在美国、瑞典和奥地利等国家的基本能源消费中，已分别占到 40%、16%和10%。在欧盟国家中，开发利用的所有新能源和可再生能源中，生物质能源已占59.6%。国外生物质气化装置一般规模较大，自动化程度高，工艺较复杂，以发电和供热为主。如加拿大摩尔公司设计和研发的固定床式气化装置，加拿大通用燃料气化装置有限公司设计制造的流化床气化装置，美国标准固体燃料公司设计制造的炭化气化术煤气发生系统，法国茵贝尔特能源公司制造的下引式气化炉——内燃机发电机组系统等，气化率可达60%～90%，可燃气热值为1.7～2.5×103KJ /m3。目前，在该领域具有领先水平的国家有瑞典、意大利、美国、法国等。美国近年来在生物质热解气化技术方面有所突破，研制出了生物质综合气化装置—燃气轮机电系统成套设备，为大规模发电提供了样板。

从80年代初开始，经过20多年的努力，我国生物质气化技术日趋完善。我国自行研制的生物质气化集中供气系统和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶段，形成了多系列的炉型，可满足多种原料的气化要求，在生产生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到了利用。其主要成果有：中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉，其中ND-600型气化炉已进行较长时间的生产运行，取得一定的效益；江苏吴江县生产的稻壳气化炉，利用碾米厂的下脚料稻壳气化驱动发电机组，功率可达160 kW，已达到实用阶段；中科院广州能源所对上吸式生物质气化炉的气化原理、原料反应性能作了大量试验，研制出GSQ型气化炉；山东省科学院能源研究所研制的XFL系列下吸式秸秆气化炉在农村集中供气应用中获得了一定的社会效益和经济效益；大连市环境科学设计研究院利用研制的LZ系列生物质干馏热解气化装置建成了可为1 000户农民提供生活用燃气的生物质热解加工厂；云南省研制的QL-50.60型民用生物质气化炉已通过技术鉴定并在农村进行试验示范。

近年来，我国已将煤气化技术引入到生物质气化方面来，如沸腾流化床技术可用于细粒状的生物质气化，克服了此类原料在固定床连续加料的困难。在气化、净化技术方面，辽宁省能源研究所与意大乎科研人员合作研制出填料式旋风除尘器，其原理是：大颗料飞灰在旋风离心力作用下被分离，轻质飞灰为填料所捕集，比采用的金属填料冷却效果好，可降低产出气的温度。减轻后级净化设备的负担沉重；河南农业大学设计出的YN04型生物质燃气脱焦机样机，把生物质燃气快速冷凝到一定温度，在冷却的过程中，利用生物质燃气中所携带的固体颗粒（灰尘）作为焦油和水蒸汽的凝结核，加大焦油、水蒸汽及灰尘的颗粒直径，以达到利用物理悬浮分离方法，同时沉降去除多种杂质的目的。在河南新郑市高班庄和官刘庄两个秸秆气化示范点进行运行试验，达到了预期的目标，已通过了专家技术鉴定。

2 目前国内外秸秆气化炉存在的缺点和问题

目前国内外秸秆气化炉普遍存在的问题和缺点如下。

⑴生物质在气化成可燃烧气体的过程中产生的焦油，容易粘附和腐蚀秸秆气化炉的炉体，影响生物质气化和炉体的使用寿命，需要经常清除，非常麻烦。

⑵普通的秸秆炉产生的可燃气在通过输出管路输出时，为了避免堵塞管路时，通常采用户外净化装置净化焦油、灰分、水分等，净化效果差，输气管路和燃具也容易堵塞，清理十分困难，而且净化器的污水往往对环境造成二次污染。

国外正在研究的焦油裂解新技术主要有：

⑴具有内部裂解气预烧的下吸式气化炉。它在气化炉中心有一个独立的燃烧室，裂解气进入燃烧室内燃烧，通过调整裂解气循环流量与空气流量之比，焦油差不多完全转化。

⑵BTG采用一项新颖的技术，将逆流操作反应器用于燃气净化，焦油裂解反应器采用绝热的填充床，上下充满惰性铝土矿，中间为燃烧后的白云石，与传统的通过部分裂解气氧化燃烧的气体净化相比，该工艺系统简单，裂解温度高，能量需求低，而焦油转化率高。这种工艺的缺点是需要精密、密封好、能耐高温的切换阀门。

⑶两段净化系统，从气化炉出来的气体先进入一个装有白云石的固定床焦油裂解器，接着进入含镍基催化剂的催化床，通过两次净化，焦油含量最终达到1—100 mg/Nm3。尽管在生物质气化过程中采取各种措施控制焦油的含量，气化气中焦油的含量仍远远超出允许的标准。所以对焦油进行有效的处理，是有效利用生物质气化气必不可少的过程，其中焦油的催化裂解是目前国内最有效，最先进的办法。使用裂解催化剂，降低了焦油裂解温度（约750 900 ℃），并提高转化效率，使焦油在很短时间内裂解率达99%以上，这样就既可提高生物质能源的利用率，又能彻底消除二次污染，是很有发展前途的除焦技术。国外对催化裂解的研究主要集中于白云石和镍基催化剂，而我国现在在该领域的研究非常欠缺。

3 新型无焦油秸秆气化炉创新点

营口市虹信节能燃具开发有限公司自主研发生产的无焦油秸秆气化炉从2007年10月开始研发。研发人刘明义先生在对市场进行充分调研的基础上，借鉴了国内外户用秸秆气化炉的各项技术，自主研发了该项技术，开发出无焦油秸秆气化炉新产品，现已完成中试，产品试销省内外。

3.1 研制的主要内容

⑴普通的秸秆气化炉炉体内都是直接用耐火材料做衬里，容易受焦油等沾附及腐蚀，需要经常清除，影响炉体的使用寿命。本公司的产品，使用内外双层金属板材，夹层内充填隔热保温材料的炉胆，内壁光滑，不易沾附杂物，使用寿命长。

⑵普通的秸秆气化炉产生的可燃气通过输出管路输出，通常采用炉外净化装置净化焦油、灰分、水分等，净化效果差，输气管路和燃具容易堵塞，清理困难，净化器的污水往往造成对环境的二次污染。本公司的产品，一次产生的可燃气将自动导入净化分离管，能够将其中的焦油析出并重新进入氧化层，使焦油得到二次充分燃烧或裂解，变成可燃气，不仅增加了热值，而且输出的可燃气几乎不含有焦油。

⑶闷火过程采用炉体全部密封，保持闷炉时间的延长，当炉内压力过高时，配有过压安全阀会自动泄压，保证气化炉安全。

⑷炉体上部装有螺旋杆，带动炉内的料面压盘，使炉内料保持紧密，不会出现架空现象，产生的可燃气稳定。

3.2 无焦油秸秆气化炉的主要创新点

①采用了料筒复合内胆，内胆由内外金属板形成夹层，在夹层内充填耐火保温材料，内坦不易结灰，能够提高使用寿命至十年以上；②设有燃气净化分离管，能够使产生的可燃气通过净化分离管析出焦油，焦油重新进入氧化层，得到二次充分燃烧，增加热值，使洁净的可燃气进入输气管路，达到输出的可燃气几乎不含焦油；③闷火过程采用炉体密封，配有压力安全阀。

该项新产品技术通过省科技情报研究所查新检索结论是：国内外分别已有无焦油或红外线秸秆气化炉的文献报道，本委托单位研制的“无焦油红外线秸秆气化炉”未见国内文献报道。

4 产品的应用与市场竞争优势

目前国内生产户用秸秆气化炉的企业较多，市场竞争压力较大，很多企业的产品由于技术落后，主要技术指标达不到规定要求，产品没有竞争力，造成部分企业停产。技术比较先进的产品是采用炉外增设净化装置，进行焦油净化处理，焦油的热值没有得到利用，同时处理过程中排出的污水还会对环境造成二次污染。因此，市场需求量不大，产品缺乏竞争力。但是比较好的产品市场需求还是很大，随着国家政策支持和鼓励，生物质能源的开发利用是一项具有非常意义的项目，前景十分广阔。

秸秆气化炉在我国的市场潜力是巨大的，其主要用途有以下几个方面。

(1)烘干：木材、烟草、茶叶、橡胶、粮食、食用菌、中药材、果蔬脱水平；

(2)供热供暖：种植大棚、暖房、养殖保温、居民采暖；

(3)供气：集体炊事、热水洗浴、有条件地区村镇居民供气；

(4)高温热源：陶瓷、制砖、窑炉等烧制业等应用领域十分广泛。