我国作物秸秆能源转化技术研究进展

　　作物秸秆能源转化技术大体可分为直接燃烧技术、热解气化技术、液化技术、厌氧消化技术和固化技术等。下面就这5种技术的发展、特点和研究进展情况进行评析。

　　2.1热解气化技术

　　自20世纪70年代起，美国开始研究以城市生活垃圾、木材、秸秆为原料的热解回收能量技术。热解气化所得可燃气可直接燃烧，用于供暖、做饭、城市煤气和燃气发电。欧、美国家生物质气化发电技术处于领先水平，美国总装机容量已达9×10³MW，单机容量达10~25MW，预计2020年将达3×10⁵MW；丹麦建有许多小型的利用木材和秸秆的气化炉，用于家庭冬季供暖；瑞典能源中心采用生物质气化和联合循环发电等先进技术在巴西建立了一座装机容量为20~30MW的蔗渣发电系统。

　　1980年后，我国在南方地区开始利用丰富的稻壳资源发电，每台发电机组容量为60~160kW，共有92套装置在运行。1992年，肖乔梓和南方开发了以秸秆、谷物皮核、杂草、树枝叶、木屑等为原料的中试规模燃气厂，通过热解气化生产可燃气、焦油和其他化工产品。山东等地还开发出了以作物秸秆为原料的热解气化装置，可用于农户或村级规模的用户。在农业部支持下，我国在山东、四川等地建立了相当数量的村级规模的气化站，实现了以村为单位的集中供气。四川省农业机械研究所(现四川省农业机械研究设计院)研制的设备还出口到了埃及等国家。我国小型热解气化技术已比较成熟，但热解气化装置的质量还较差，大型热解气化技术与国外还有一定的差距。

　　热解气化技术存在的主要问题是燃气热值低、焦油量多、需要较高的温度，导致热能利用效率低、投入产出效益差，对管理的要求也较高；此外，焦油的处理和利用、可燃气的燃气装置和发电装置的研究等也是需要解决的重要问题。

　　2.2厌氧消化技术

　　我国是世界上开展沼气技术研究最早的国家之一。至1996年底，全国建有沼气池的农户在600万户以上，建成大中型沼气池460多座。仅大中型沼气池年处理有机废物就达3000万t左右，其中主要是动物粪便和作物秸秆。

　　目前，厌氧消化技术主要向如下几方面发展：一是大型化、工业化；二是开发以作物秸秆为“主”原料的厌氧消化技术；三是沼气的工业化应用。我国小型户用沼气技术已相当成熟，无论在技术上还是在推广使用上，在国际上都处于领先地位，但大中型沼气项目比较少，无法适应工业化的需求。

　　北京化工大学在农业部的支持下，在山东省泰安市建立了我国也是世界上第一个以作物秸秆为“主”原料的大规模厌氧消化装置。建设9个反应器，总反应体积450m³，年可消耗玉米秸288t、牛粪360t，其中玉米秸的使用量占干物质总量的60%以上。年可生产沼气69.20m³，可为全村180户农户提供生活用能，同时还可生产出104t的有机肥料。该项目在技术上有2个重要突破：一是对难生物降解的玉米秸进行化学预处理，明显提高了玉米秸的可厌氧消化性；二是利用太阳能加热反应器，提高消化温度和效率，使得反应器在春、秋季可实现中温消化，在夏季可实现高温消化。结果显示，与一般的厌氧消化系统相比，该系统的消化效率和产气量可提高1倍以上。

　　2.3液化技术

　　最早从事生物质液化技术研究的是美国矿物局匹兹堡能源研究中心(Pittsburgh Energy Research Cen-ter of U.S.Bureauof Mines)，在350e、高压CO条件下，以碳酸钠为催化剂，把木屑转化成了重油。近年来，欧洲等国在生物质液化技术方面开展了大量的研究。其中，德国在此方面处于较高的研究水平，如德国的Choren工业公司于2002年在Freigerg建立了一个大型的生物质液化示范工厂，使用的原料主要是木屑和秸秆。该工厂已生产出高品质的生物燃油，已达车用燃油要求，生产成本已接近同热值的化石燃料。

　　目前，有关液化技术的研究主要集中在如何提高液化产物收率，寻求高效精制技术，降低运行成本，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。Lappas等采用循环流化床反应器对木质素类生物质进行快速直接液化，发现在生物质中加入一定比例的二氧化硅和ZSM-5后，生物质能有效地被催化裂解成液体产物，液体产物的收率高达70%以上；同时该技术与常规液化技术相比，液体中有机物的含量明显提高，而副产物水、焦炭和气体产物的比例明显降低。

　　作物秸秆的种类不同，其物理结构和化学组成差别很大，液化过程参数和效果也有很大的差异(见表2)。由表2可知，油菜秸的生物油收率较高(68.0%)，麦秸的只有27.4%，两者差别很大。