玉米秸秆能源化利用途径与方法

●Vol．32，No．102014年10月

中国资源综合利用

China Resources Comprehensive Utilization 玉米是我国的主要粮食作物之一，玉米收获后会产生大量的玉米秸秆。据统计，我国各类农作物秸秆年产量达7亿多t ，其中玉米秸秆的产量约为

3亿t ［1］。目前，玉米秸秆除部分用作饲料和还田作

为肥料外，大部分被焚烧，既浪费了大量的生物质资源，又造成了环境的严重污染［2］。

玉米秸秆是由碳、氢、氧等元素组成的高分子聚合物，通过生物、物理和化学处理可以转化为清洁燃料进行能源化利用。目前，玉米秸秆能源化利用的主要方法有气化、液化、固化和炭化等。能源化利用将是玉米秸秆综合利用的一个重要途径。

1玉米秸秆气化技术

秸秆气化技术是近年来发展比较迅速的一种

生物质热化学处理技术，它可将低品位的固体生物质原料转化为高品位的洁净气体燃料。气化反应分为挥发分的析出（热解阶段）和残余焦碳的气化（生成的焦碳气化阶段）两个阶段。玉米秸秆气化技术

是指玉米秸秆原料在缺氧状态下不完全燃烧，采取措施控制其反应过程，使较高分子量的有机碳氢化合物链裂解，变成分子量较低的CO 、H 2、CH 4等可燃气体。

按气化介质不同可分为空气气化、氧气气化、水蒸汽气化、空气（氧气）—水蒸汽气化等几种形式。

空气气化是指空气中的氧气与玉米秸秆中的可燃组分发生氧化反应放出热量，为气化反应的热分解与还原反应提供所需的热量，整个气化过程是一个自供热系统。氧气气化与空气气化机理相同。气化反应温度高，反应速率快，热效率高，由于没有惰性气体N 2的影响，气体热值提高一倍以上［3］。水蒸汽气化过程包括水蒸汽和碳的还原反应、CO 和水蒸汽变换等热分解反应，一般需要提供外热源。空气（氧气）—水蒸汽气化结合了上面3种的优点，更加的节能。

按照使用介质的温度差异可将气化分为常温气体气化和高温空气气化两种。常温气体气化是气

收稿日期：2014－06－23

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划“胶合板生产干燥节能技术”（编号：2012BAD24B0304）。作者简介：王雪茜（1990－），女，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：生物质能利用。

玉米秸秆能源化利用途径与方法

王雪茜，陈正华，孙

军

（南京林业大学材料科学与工程学院，南京

210037）

摘要：通过气化、液化、固化和炭化技术，将玉米秸秆转化为优质能源品种，替代煤炭、石油、天然气等燃料缓解地球能源危机。主要介绍了玉米秸秆气化、液化、固化和炭化的主要方法与利用途径，分析了玉米秸秆利用技术的国内外研究现状与发展前景。关键词：玉米秸秆；气化；液化；固化；炭化中图分类号：X712

文献标识码：A

文章编号：1008－9500（2014）10－0035－04

Research on Approach and Method of Corn Straw Utilization

Wang Xueqian ，Chen Zhenghua ，Sun Jun

（College of Materials Science and Engineering of NFU ，Nanjing

210037，China ）

Abstract ：Through gasification ，liquefaction ，solidification and carbonization technology ，the corn straw was translated into high-quality energy varieties ，replacing coal ，oil ，natural gas and other energy to alleviate the energy crisis .The paper mainly introduced the main methods and utilization of corn straw gasification ，liquefaction ，solidification and carbonization ，analyzed the present situation and development prospect of domestic and foreign research technique of maize straw utilization.

Keywords ：corn straw ；gasification ；liquefaction ；briquetting ；carbonization

综合利用

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化介质温度相对较低的气化反应，气化剂为一般为空气、氧气和水蒸汽、水蒸汽—氧气。高温空气气化其气化剂为1000℃以上的高温空气，空气里伴以10%～20%的水蒸气，空气过剩系数控制在0.3～0.5之间。高温气化克服了常温气体气化通常存在的气化效率及燃气热值低，燃料利用范围小，灰渣难于处理，易形成焦油苯酚等化合物的缺点［3］。

生物质气化最早出现于18世纪晚期。在1992年召开的世界第15次能源大会上，确定生物质气化利用作为优先开发的新能源技术之一［4］。生物质热解气化技术在欧美等国家已经有了相当成熟的应用水平。瑞典生产的致力于流化床和加压气化发电系统研究的下吸式生物质气化炉，其产量达到2.5kW～25kW［5］。美国研制出的燃气轮机发电系统成套设备，代表了世界上利用生物质发电的先进水平。目前奥地利建立以燃烧木材剩余物为主的区域供电站，生物质能的能耗比重增加到25%。印度研制出的多规格的上吸式气化炉生物发电装置则是以稻壳为原料。以上生物质气化技术均可实现玉米秸秆热解气化的应用。

常见的生物质燃料气化炉可分为固定床和流化床两大类。按气体在炉内流动方向，可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式和横吸式3种类型。我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶段，形成了多个系列的炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到利用。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用研制的LZ系列生物质干馏热解气化装置建成了可为1000户农民提供生活用燃气的生物质热解加工厂。我国的生物质气化发电技术也有一定的基础，但起步较晚，规模不大［5－9］。目前国内有代表性的流化床气化炉为中科院广州能源所研制的循环流化床气化炉，产气为1000～3000m3/h，气化效率为70％～75%。这些已有的研究成果为玉米秸秆气化应用的可行性提供了参考。

2玉米秸秆液化技术

玉米秸秆的裂解液化是指在无氧或缺氧条件下，对玉米秸秆进行快速加热，在极短的时间内迅速切断生物质大分子链，使之断裂为短链分子而获得液体产物——

—生物质油的技术。生物油可作为燃料直接在燃油锅炉和工业窑炉中燃烧使用，精制提炼后可作为汽车燃料使用。该技术的应用可以缓解能源短缺，减少环境污染［4］。

早在1925年，Fierz等就开始了木材转化方面的研究工作。液化主要是模拟煤的液化过程直接液化木材粉，制得了液体燃料［10］。目前国内外的研究主要集中于利用苯酚、乙二醇和聚乙二醇等多元醇对生物质诸如玉米秸秆，稻草等在低温常压下进行溶剂法液化。为了深入研究玉米秸秆快速热解液化的技术参数，山东工程学院采用等离子体加热手段研究了以玉米秸粉为原料的液化技术，等离子体加热具有温度易调节射流速率可调的优点［11］。但是制得的生物油的含水量和含氧量较高，这直接降低了生物油的热值，增加了不稳定性，直接利用技术尚未成熟，需要经过进一步处理后方可应用。高产量、低粘度、高热值、稳定性好是今后制取生物油的方向。

在生物质热解中决定产物最终分布的绝大部分原因是反应器类型和加热方式的不同。现有的热解液化反应器，主要可分为流化床反应器、烧蚀反应器、旋转锥反应器、涡流反应器、真空移动床反应器等。这些反应器都具有加热速率快、热量转化率高、反应温度中等和气相停留时间极短等共同特点。

目前国内外在热解反应器方面有了很多的研究成果。加拿大Laval大学开发出能在1kPa负压下操作且其反应原料由顶部加入的多层真空热解反应器［12］。荷兰吞特大学生物质能技术集团研发出生物质喂入率为50kg/h的旋转锥反应器。我国关于热解反应器的研究受到更多的关注，沈阳农业大学、中国科学院广州能源研究所、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、中国科技大学等一批高校都开展了这方面的研究工作，并取得了一定的成绩［4］。任铮伟，徐清等在流化床反应器内进行了生物质快速裂解制液体燃料的研究，在适当的裂解条件下液体产率可达70%［13］。山东理工大学利用自行设计开发的等离子体热解液化装置进行玉米秸秆粉的闪速热解液化实验，对制取的生物油进行了一系列物理化学特性分析。朱锡锋等自主研制出自热式生物质热解液化工业小试装置，该装置的关键技术在于采用两级螺旋进料和大流量喷雾直接冷凝收集生

综合利用中国资源综合利用第10期