秸稈利用途徑的分析比較

秸稈利用途徑的分析比較農(nóng)作物秸稈是當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)基本保持不變的基礎(chǔ)上有效分離，然后對分離組分進行有目的的轉(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氣等。本文旨在經(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，2002年丹麥能源消費量約2.8×107t標準煤，其中可再生能源為3.5×106t標準煤，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?？傮w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。秸稈秸稈氣化反應(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氣技術(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600~820℃的一個較寬溫度范圍內(nèi)，原料氣化所產(chǎn)生的煤氣熱值達7.7MJ/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氣的優(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5~12MJ/m3，總效率可達35%~45%，比直燃提高2倍。新型的綜合利用技術(shù)生產(chǎn)燃氣，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1998—2000年的數(shù)據(jù)分析可以看出，秸稈氣化集中供氣節(jié)省標煤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。燃氣熱值低，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0.35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0.27m3/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22000kJ，沼氣燃燒的熱效率約為40%~60%。而單位秸稈熱解制備混合燃氣的產(chǎn)氣量為1.7m3/kg,每立方米混合燃氣的發(fā)熱量約為5000-12000kJ，混合燃氣燃燒的熱效率約為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)品熱值3.6MJ/kWh22MJ/m35-12MJ/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，消滅了細菌，改善了農(nóng)村衛(wèi)生條件，提高了農(nóng)民生活質(zhì)量。尤其是生產(chǎn)沼氣產(chǎn)生的沼肥（沼液與沼渣）替代化肥使用能改良