秸稈利用途徑的分析比較

1、秸稈利用途徑的分析比較農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。由于近些年能源的短缺，用秸稈等廢棄物制造能源引起了廣泛的關(guān)注，不僅降低了成本、增加了產(chǎn)能的新途徑等，而且減輕了處理秸稈所造成的環(huán)境問題。中國作為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源非常豐富，年產(chǎn)量7億t，合理利用秸稈，有利于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的合理發(fā)展，否則直接焚燒秸稈，不僅釋放大量氣體嚴(yán)重污染環(huán)境、殺滅土壤微生物，而且造成能源資源的重大浪費。對中國這樣一個化石資源短缺、人口眾多、經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的大國，推動農(nóng)業(yè)秸稈的高效轉(zhuǎn)化利用，具有更突出的迫切性。農(nóng)業(yè)秸稈轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵是將主要組分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）在化學(xué)結(jié)構(gòu)基本保

2、持不變的基礎(chǔ)上有效分離，然后對分離組分進(jìn)行有目的的轉(zhuǎn)化利用。目前尚沒有提出清潔有效的農(nóng)業(yè)秸稈組分分離途徑。秸稈能源化利用的主要方式有秸稈直接燃燒發(fā)電、秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣和秸稈熱解氣化制備混合燃?xì)獾?。本文旨在?jīng)過對秸稈轉(zhuǎn)換成能源物質(zhì)的利用率、經(jīng)濟性等效益做比較，得出秸稈的最佳利用途徑。1、秸稈直接燃燒發(fā)電1.1 工藝介紹生物質(zhì)秸稈直接燃燒技術(shù)（圖1）是將秸稈原料送入鍋爐中直接燃燒，產(chǎn)出的高壓過熱蒸汽，通過汽輪機的渦輪膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，這種發(fā)電方式稱為秸稈直燃發(fā)電。秸稈直接燃燒，其能源利用率僅為13%。目前，發(fā)達(dá)國家生物質(zhì)發(fā)電量已占可再生能源發(fā)電量的70%。丹麥在生物質(zhì)直燃發(fā)電方面成績顯著

3、，2002 年丹麥能源消費量約2.8×107t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中可再生能源為3.5×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，占能源消費的12.5%，在可再生能源中生物質(zhì)能所占比例為81%。秸稈粉碎壓塊焚燒發(fā)電圖1 秸稈直接燃燒發(fā)電技術(shù)流程圖1.2 秸稈直接燃燒發(fā)電的優(yōu)缺點生物質(zhì)秸稈直接燃燒技術(shù)相對于煤炭等化石燃料，對環(huán)境產(chǎn)生的影響較小，生物質(zhì)秸稈中硫的平均含量不到0.15%，煤炭中硫的含量達(dá)到1.412%，是秸稈硫含量的9倍，秸稈能源燃燒時，避免了因產(chǎn)生的SO2、NO2而形成酸雨，它燃燒排放的CO2與生物質(zhì)再生時吸收的CO2達(dá)到碳平衡，具有CO2零排放的作用，從根本上解決能源消耗帶來的溫室效應(yīng)問題。秸稈

4、特別是稻、麥秸稈直接燃燒，主要障礙是灰分元素多，釋放量約為秸稈的40%，造成熔點下降和鍋爐結(jié)焦和堵塞。總體上看，生物質(zhì)秸稈直接燃燒是最簡單，也是最早被采用的生物質(zhì)能利用方式。但在過去的傳統(tǒng)燃燒方式中，生物質(zhì)燃燒效率極低，一般只有10%左右，造成能源嚴(yán)重浪費。若能開發(fā)一種方便、高效的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)，必將具有很好的經(jīng)濟和社會效益。2、秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣2.1 工藝介紹秸稈產(chǎn)沼氣的工藝見圖2。主要包括生物法預(yù)處理和厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣兩個階段。秸稈預(yù)處理池厭氧發(fā)酵罐沼氣沼渣沼液有機肥回流圖2 秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)流程圖生物法預(yù)處理：生物方法就是利用具有強木質(zhì)纖維素降解能力的微生物對秸稈先進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵

5、，把作物秸稈中的木質(zhì)纖維素預(yù)先降解成易于厭氧菌消化的簡單物質(zhì)，以縮短隨后的厭氧發(fā)酵時間、提高干物質(zhì)消化率和產(chǎn)氣率。厭氧發(fā)酵：厭氧消化反應(yīng)的主要機理是有機物在厭氧的條件下被微生物分解，轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身細(xì)胞物質(zhì)的過程。對秸稈類木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究表明，整個發(fā)酵過程中產(chǎn)生甲烷體積分?jǐn)?shù)為65%，二氧化碳為30%。2.2 秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的優(yōu)缺點沼氣燃燒的熱效率比城市煤氣高出40%。發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，能源轉(zhuǎn)化效率高，且成本低廉，操作簡單，運行平穩(wěn)。在燃料的替代效應(yīng)上，沼氣平均每方熱值20.9 MJ，而秸稈沼氣集中供氣技術(shù)每方熱值可達(dá)23 MJ。從環(huán)境效應(yīng)來看，沼氣作燃料密閉

6、條件下產(chǎn)生、輸送，顯著減少溫室氣體和有害氣體的排放；產(chǎn)氣后的廢渣富含腐殖酸、氮磷鉀及微量元素，是優(yōu)質(zhì)的有機肥料。沼液作為魚飼料添加劑有免疫及增重的作用。目前農(nóng)業(yè)部推廣秸稈沼氣集中供氣技術(shù)具有熱值高，效益高、無污染的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。制約秸稈厭氧產(chǎn)沼氣發(fā)展的因素主要是沼氣的制取需要先前的資金投入，對儀器設(shè)施要有嚴(yán)格的要求。另外對儲氣設(shè)備要求比較嚴(yán)格，若因管理不當(dāng)發(fā)生氣體泄露現(xiàn)象，會產(chǎn)生如溫室氣體（CH4）大量排放等嚴(yán)重的環(huán)境危害。因此厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)需要向著標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的方向發(fā)展。3、秸稈熱解氣化制備混合燃?xì)?.1 工藝介紹如圖3所示，秸稈熱解氣化技術(shù)是將秸稈轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過

7、程。秸稈在氣化反應(yīng)器中氧氣不足的條件下發(fā)生部分燃燒，以提供氣化吸熱反應(yīng)所需的熱量，使秸稈在700850左右的氣化溫度下發(fā)生熱解氣化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含氫氣、一氧化碳和低分子烴類的可燃?xì)怏w。這些可燃?xì)怏w既可以直接作為鍋爐燃料供熱，又可以經(jīng)過除塵、除焦、冷卻等凈化處理后，為燃?xì)庥脩艏泄?，或者?qū)動燃?xì)廨啺l(fā)電機或燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機發(fā)電。上述生物質(zhì)的氣化過程的實現(xiàn)是通過氣化反應(yīng)裝置（即制氣爐）完成的。秸稈氣化反應(yīng)器凈化系統(tǒng)壓縮機貯氣柜輸氣管網(wǎng)用戶圖3 秸稈熱解氣化制備混合燃?xì)饧夹g(shù)流程圖我國目前最新研究開發(fā)的內(nèi)循環(huán)錐形流態(tài)化氣化爐，對稻草、麥秸等秸稈粉碎后，氣化反應(yīng)在600820的一個較寬溫度范圍內(nèi)，原料氣化所

8、產(chǎn)生的煤氣熱值達(dá)7.7 MJ/m3，添加CaO催化劑能明顯提高煤氣熱值，降低CO組分，Na2CO3催化氣化能提高氣體H2的含量。3.2 秸稈熱解氣化制備混合燃?xì)獾膬?yōu)缺點秸稈氣化技術(shù)可以把秸稈高溫裂解生成以CO為主并含H2、CH4等多種可燃成分的煤氣，熱值為512 MJ/m3，總效率可達(dá)35%45%，比直燃提高2倍。新型的綜合利用技術(shù)生產(chǎn)燃?xì)?，使能源資源的配置更為合理，還減少了CH4等有害氣體排放，提高能源利用效率。通過對中國19982000年的數(shù)據(jù)分析可以看出，秸稈氣化集中供氣節(jié)省標(biāo)煤9.5萬t，加強秸稈資源綜合利用，可大大替代傳統(tǒng)能源的使用量，是傳統(tǒng)能源的替代選擇途徑之一。目前該技術(shù)存在的主

9、要問題是秸稈燃燒產(chǎn)生的大量焦油附著在爐體及管道內(nèi)，爐內(nèi)的焦油清除相對容易，但輸氣管道被焦油堵塞后無法疏通，導(dǎo)致送氣不暢，并形成安全隱患。燃?xì)鉄嶂档?，熱能利用效率低，前期投入資金短期很難回收，氣體成本較高，農(nóng)戶難以承受。4、秸稈利用途徑效益分析4.1秸稈利用途徑的生態(tài)效益和技術(shù)分析以上三種利用途徑的生態(tài)效益和技術(shù)分析如表1所示，可以看出秸稈直接燃燒發(fā)電和秸稈氣化技術(shù)盡管可以構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，但整體上資源利用效率低，生態(tài)效益差，未能通過技術(shù)創(chuàng)新形成新的產(chǎn)業(yè)，推廣應(yīng)用難度較大。因此通過技術(shù)創(chuàng)新尤其是加強資金管理和投入，優(yōu)化厭氧產(chǎn)沼氣綜合利用技術(shù)的是秸稈資源回歸到循環(huán)路徑的核心，是提高資源利用效率和減少

10、環(huán)境污染的關(guān)鍵。表1秸稈資源化利用的生態(tài)效應(yīng)和技術(shù)分析利用途徑資源效應(yīng)環(huán)境效應(yīng)衍生產(chǎn)品應(yīng)用情況限制因素直燃發(fā)電可替代化石能源減少CO2等溫室氣體排放燃燒后的草木灰可做鉀肥傳統(tǒng)方式、一定應(yīng)用燃燒效率低，灰分大，鍋爐結(jié)焦和堵塞熱解氣化可替代話是能源減少CO2排放發(fā)電等技術(shù)成熟、一定應(yīng)用氣化爐等設(shè)備性能、焦油清除。厭氧發(fā)酵可替代化石能源，補充肥料減少CO2、SO2排放，沼肥干燥還田減少CH4排放沼渣沼液可以作為肥料。初步規(guī)模產(chǎn)業(yè)體系建池投資，集中供氣設(shè)備投資、管理4.2 秸稈利用途徑經(jīng)濟效益比較每噸秸稈能發(fā)800 度電，每度電的上網(wǎng)電價是0.56元，根據(jù)發(fā)改委和電監(jiān)會相關(guān)文件，生物質(zhì)發(fā)電補貼為0.3

11、5元/kwh。秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量按平均值計算，即秸稈產(chǎn)氣量為0.27 m3/kg，據(jù)農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所測定，每立方米沼氣的發(fā)熱量約為22000 kJ，沼氣燃燒的熱效率約為40%60%。而單位秸稈熱解制備混合燃?xì)獾漠a(chǎn)氣量為1.7 m3/kg, 每立方米混合燃?xì)獾陌l(fā)熱量約為5000-12000 kJ，混合燃?xì)馊紵臒嵝始s為35%45%。通過以上的論述與數(shù)據(jù)，得到如下的秸稈利用途徑的分析表格（表1）。表2 秸稈利用途徑經(jīng)濟效益比較利用途徑直接燃燒發(fā)電厭氧發(fā)酵熱解氣化主要設(shè)備流化床或鏈條鍋爐、蒸汽輪機等粉碎機;沼氣罐秸稈氣化爐等秸稈轉(zhuǎn)化量/噸800kWh270m³1700m³產(chǎn)

12、品熱值3.6MJ/kWh22MJ/m³5-12 MJ/m³熱值利用率（%）1640-6035-45產(chǎn)品平均價格0.56元/kWh2元/m³0.5元/m³產(chǎn)品補貼0.35/kWh00秸稈產(chǎn)生的價值（元/噸）728540850單位產(chǎn)生的熱量（MJ/t)460.88800-132002975-9180生產(chǎn)成本平均價格0.8元/kWh1.2元/m³0.48元/m³每噸秸稈預(yù)計利潤（元）8821634從表1和表2中對比可知道，在秸稈利用的幾種途徑中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的途徑中每噸秸稈中產(chǎn)生的熱量最多（8800-13200MJ/t），且產(chǎn)生的經(jīng)濟利潤最大（216元/噸）。同時，該工藝具有重要的生態(tài)環(huán)境效益，莊稼秸稈入池發(fā)酵，消滅了細(xì)菌，