ai/knowledge_base/agriculture/content/秸秆能源化利用实用技术.txt

丛书序一
第六章 秸秆热解气化技术
第一节 秸秆热解气化的工艺与设备
一、秸秆热解气化的原理
（一）秸秆热解气化的原理
生物质热化学转换是用加热的方法使生物质发生化学反应，产生燃料和化学物质的过程（图6-1）。生物质热转化方法包括：木干馏、气化和热解三种工艺。木干馏主要产生木炭；气化主要产生燃气，而热解主要产生热解油。实际上生物质热化学转化的每种工艺都会同时得到这三种产物，只不过相对量不同而已。
秸秆热解气化是生物质热化学转换的一种技术，其基本原理是秸秆原料进入气化炉后被干燥（干燥区），随温度升高析出挥发物，在高温下热解（热解层）；热解后的气体和炭在气化炉的氧化区与气化介质发生氧化反应并燃烧；较高分子量的有机碳氢化合物的分子链断裂，在还原区发生还原反应，最终生成了较低分子量的CO、H2、CH4、CH等混合气体。
图6-1 生物质热解反应机理
生物质由纤维素、半纤维素和木质素种主要成分及一些可溶于极性或非极性的提取物组成。其热解机理可分别描述如下：
1.纤维素的热解机理 纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，也是自然界中大量存在的天然高分子物质，他是由基本结构单元D-吡喃葡萄糖苷通过β-1，4-糖苷键联结成的线性大分子，分子式为（C6H10O5）。聚合度n的数值为几百至几千，甚至一万以上。其热裂解过程如下：
(C6H10O5)—→X C6H10O5
C6H10O5—→H2O+2CH3COCHO
2CH3COOH—→CH3COCH3+H2O+CO2
CH3COOH—→CH4+CO2
葡萄糖二次反应，中间产物脱水，生成羟甲基糠醛，一定温度下羟甲基糠醛可以分解生成糠醛和甲醛：
同时，甲醛受热，会进一步分解，热解反应如下：
秸秆能源化利用实用技术
HCHO—→CO+H2
CH3OH—→CO+H2
CH3OH—→CH2O+H2
CH3CH2OH—→CH2=CH2+H2O
2.半纤维素的热解机理 半纤维素是贯穿纤维素和木质素的聚糖混合物，它由不同的糖单元构成，主要有：D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸基、D-半乳糖醛酸基、D-葡萄糖醛酸基、L-鼠李糖基、L-岩藻糖基以及各种带有氧—甲醛、乙酰基的中性糖基。分子链且带有支链，支链越多稳定性就越差，因此，它比纤维素更易降解，其降解的机理与纤维素相似。在热解过程中，其支链的乙酰基断裂，生成乙酸。低温时木聚糖的热解过程主要是木聚糖支链上的4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸单元发生如下所示的分解过程，主要是4位C的脱甲氧基反应形成甲醇，6位C发生脱酰基反应得到CO2气体，而吡喃糖单元发生2个连续的脱水反应得到糠醛并形成水。
秸秆能源化利用实用技术
3.木质素的热解机理 木质素是一种复杂的，非结晶性的、三维网状酚类高分子聚合物，也是生物质中含量仅次于纤维素的有机高聚物，它的化学结构不同于纤维素、半纤维素相对简单的碳水化合物结构，而是较为复杂的芳香族聚合物。
木质素热解过程中，随着温度升高，木质素结构中的各种键开始断裂生成各种自由基，自由基间可能发生聚合及环化等反应从而生成各种芳香族化合物，如苯酚类及其烷基衍生物。主要产物为邻甲氧基苯酚、邻苯二酚、苯酚等。
秸秆能源化利用实用技术
（二）生物质气化的主要参数
1.当量比（ER）当量比指自供热气化过程所消耗的空气（氧气）量与完全燃烧所需要的理论空气（氧气）量之比，是气化过程的重要控制参数。当量比大，说明气化过程消耗的氧量多，反应温度升高，有利于气化反应的进行，但燃烧的生物质份额增加，产生的CO2量增加，使气体质量下降，理论最佳当量比为0.28。由于原料与气化方式的不同，实际运行中，控制的最佳当量比在0.2～0.28。
2.气体产率（Gv，米3/千克）单位质量原料气化后产生气体燃料的体积。
3.气体热值（Qv，千焦/米3）气体热值系指单位体积燃料所包含的化学能。
气体燃料的低值简化计算公式为：
Q v=126 CO+108 H2+359 CH4+665 CH
式中CH——碳氢化合物C2-C3的总和。
4.碳转化率（ηc）碳转化率指固体生物质燃料中的碳转换为气体燃料中的碳份额，即气体中含C量与原料中含C量之比，是衡量气体效果标准的指标之一。
秸秆能源化利用实用技术
5.气化效率（η）气化效率又称冷气体热效率，指单位生物质燃料转换成气体燃料的化学能（热值）与生物质原料的热值之比，是衡量气化过程的主要指标。
秸秆能源化利用实用技术
6.生产强度[千克/（米2·小时）]产生强度是指单位时间、每单位反应炉截面积处理原料的能力。
秸秆能源化利用实用技术
二、秸秆热解气化工艺
（一）常压气化
常压气化是在0.1～0.12兆帕环境中进行，与加压气化相对，由于直接气化要保持温度在800℃以上，气化剂必须采用空气或者氧气，并根据不同目的混入水蒸气。为了维持反应温度，一般情况下，供给完全燃烧所必需的氧气量1/3，通过不完全燃烧达到气化的目的。
生成的气化气体的发热量取决于可燃气的含有比例，根据其高位发热量，可分为低热量气体、中热量气体、高热量气体。在以空气为气化剂时，氧气比越高生成气体的发热量越低，但是其单位体积发热量和燃烧性质之间没有必然的关系。在以空气为气化剂时，反应区的温度常常较低，焦油的产生量增加，因此，常以富氧空气或者氧气作为气化剂时要根据不同的目的相应的通入水蒸气。
（二）加压气化
加压气化与常压气化的原理相同，但是其装置的构造、操作、维护等都更加的复杂，硬件技术难度也更大。加压气化得到的气体也并不比常压气化的气体更加优异。但是加压气化的气化炉可以设计小型化，降低气化装置的费用；在一些特定的合成中，加压后的反应比未加压时反应温和得多，所以加压气化有存在的必要。
加压气化几乎都采用直接气化，从其原理来看，与常压气化没有不同。加压气化的过程中，生物质的20%～40%与气化剂中的氧气反应，生成的热量能保持800℃以上的高温，同时剩余的物质与气化剂反应。
加压气化有以下的变化趋势：①当气化剂中德氧元素量不足时，压力的影响更为显著；②当气化剂为空气或者氧气时，氧气与原料之比小于20%时，炭黑、木炭的产量会增加，且压力越高产量越大；③在气化剂为水蒸气和空气混合时，氧气在水蒸气之前反应，如果水蒸气供应不足，则可以抑制炭黑和木炭的产生，受压力影响较小；④气化剂中水蒸气供给充足时，根据化学平衡气体组成为H2、CO、CO2，但是实际上还会生成CH4、C2+，随着压力的上升，CH4、C2+的含量也随之上升；⑤若反应的时间足够长，C2+与水蒸气反应生成H2而减少，而CH4的反应十分缓慢，其反应受压力影响；⑥炭黑、木炭、C2+几乎完全分解生产清洁气体的过程几乎不受压力的影响。
综上所述，加压是为了达到改善加压气化的目的。
（三）间接气化
间接气化不是用生物质燃烧热作为气化所必需的反应热，而是通过采用外部间接加热的方式，间接气化是与直接气化相对的专业术语，直接气化的部分燃烧生成的气体中无效的CO2会增加，与此相对，间接气化能够更好地将CO2的产生量控制在最小范围内，增加有效气体的浓度。
以生物质为原料的热化学间接气化在实际运用中存在较少，但是研究开发较多，具备良好的发展前景。间接气化时采用的气化剂不含氧气，所以间接气化也称为热分解气化和水蒸气改性。
间接气化是在热分解的同时，使高分子烃类与气化剂反应生成H2、CO、CH4等小分子气体的方法，热分解以及气化剂反应所需的热量通过反应体系外部提供，从外部供给反应的热的方式，包括在10分钟左右反应管外侧加热，以及采用流动床或循环流花床作为气化炉，将流动材料加热升温等。
气化剂一般为水蒸气，但是也有以CO2作为气化剂。间接气化基本上分为热分解与随后的二次反应，气化反应在700℃以上可以发生，但从实际的反应速度考虑，800℃以上是必要的。间接气化用有以下特征：①因为气化剂中不含氧气，所以可以得到13～20兆焦/米3的高热量气体；②主要成分为H2和CO，适用于作为生产合成气体的化学原料；③可以得到高浓度的H2和CO；④间接气化使用气化反应体系以外的热源。
（四）水热气化
水热气化是在高温高压的水中分解得到气体的技术。超过临界点温度压力的水和虽然在临界点以下但是在其值附近的温度压力的水，统称为水热状态下的水。将生物质等有机物置于水热状态的水中，能够迅速进行热分解和水解直至分解生成气体。根据需要采用镍和碳元素类非均相催化剂，或碳酸钠水溶液等均相催化剂催化反应。生成的气体通过冷却容易与水分离，可以回收得到。
由于高温高压，除了反应迅速之外，因为该水反应性能活泼，将有利于迅速促进纤维素的水解，形成的生成物为均相，木炭的产生被抑制反应产物冷却到室温时，生成气体与水容易分离。此外，水热气化虽然属于热化学转化的一种，但是由于在水中进行反应，具有适用于含水率较高的生物质的优点。通常的生物质流化床或快速热分解，必须进行生物质的干燥处理，这样，对生物质含水量较高的物质我们可以采用水热气化以减少费用和时间。
三、秸秆热解气化设备
（一）固定床气化反应器（图6-2）
固定床反应器具有反应腔，可用来容纳固体燃料。它构成一散堆，该散堆在上层包含一层薄的热解物质固体燃料，下方包含热解焦炭，最下方包含灰。固体燃料层优选通过辐射热从上方这样被加热，从而实现热解。热解物质可从上方通过例如闸门形式的燃料填装装置实现填装。通过从加热腔中出来的辐射热，可把散堆表面上的相当薄的热解区加热到预定的温度，并在氧气不足时把气体排出。残留的热解焦炭和灰朝下排出，其中温度基本不变。因为辐射热不能进入到散堆深处且散堆的热传导能力很弱，热解气体通过加热腔排出，其中焦油成分进行裂解。散堆可从下朝上被蒸汽、空气或蒸汽空气混合物穿流，以便对热解焦炭气化。
图6-2 固定床反应器示意图
设置在反应腔中的搅拌装置，例如形式为缓慢旋转的搅拌臂，用来均匀地分配热解物质，并在位于下方的热解焦炭上形成一层薄的热解物质层。搅拌装置优选缓慢地运动，使得不会出现物料旋涡或灰旋涡。此外，气体的流动非常小，以致没有或至少几乎没有灰被扬起。反应腔和加热腔都优选是向外绝热的。这可以改善效率，并实现至少短时间内的待机操作，而无需额外加热。如果要实较长时间的待机操作，则反应腔可以设置辅助加热装置。例如，设置一个或多个气体燃烧器，电动加热器。
设置在加热腔中的加热装置优选是由钢材或陶瓷构成的辐射管，其装配有换热式燃烧器或蓄热炉，并把加热腔的温度保持在1000～1250℃。因此，从热解物质中出来的焦油成分实现裂解，在理想情况下完全裂解成气态的成分CO、H2和一些CO2。因此，优选在加热腔上设置排气装置。此外，加热腔中热解气体的平均逗留时间优选大于1秒，这有利于焦油成分的进一步裂解。排气装置可包含催化剂，其支持碳氢化合物的裂解以及向CO和H2的转化。镍、焦油、石灰岩等可作为催化剂使用。
在排气装置上优选设置冷却装置，优选是急冷器，其通过气体的快速冷却避免了二氧化碳的形成。气体冷却装置可构成为空气预热器或蒸汽发生器，其中预热的空气和（或）产生的蒸汽可用来对热解焦炭气化。
在通过辐射管对反应腔进行加热时，由于熔化的灰组分低以及由于相应低的气体速度从而避免灰的扬起，从而特别在反应腔和加热腔中避免了炉渣的形成。
固定床气化炉按气流方向又分为上吸式和下吸式2种（图6-3），其中下吸式气化炉应用最广。下吸式气化炉的生物质原料由炉顶的加料口投入炉内，气化剂（空气、氧气）可以由顶部进入，也可以在喉部加入。气化剂与物料混合向下流动，在高温喉管区发生气化反应。相对于上吸式气化强度高，工作稳定性好，可随时加料。由于燃烧区在热解区与还原区之间，干馏和热解的产物都要经过燃烧区。在高温下裂解H2和CO，使得气化中焦油含量大为减少。
图6-3 上吸式和下吸式固定床气化反应器
（二）流化床气化反应器（图6-4）
流动床是从粒子充填层的下面供给气体，使流动媒体流动化，形成流动床（层）。上述粒子充填层中充填了从数十微米至数毫米的硅砂或氧化铁等的流动媒体粒子。流动床反应装置，是利用该流动床的流动性、均匀性、热容量的大小、表面积的大小等，使化学反应快速、稳定且均匀地进行的装置。用于石油精炼的接触分解炉、煤等固体燃料的燃烧炉、焚烧炉等，有很好的作用。
流动床气化炉，因有流动媒体，所以混合特性和传热特性好。与气流层反应装置相比，具有可投入燃料的大小和性状的限制少这样的优点。但缺点是，为了防止流动媒体和燃料中的灰分被高温相互融溶附着而阻碍流动，其运转温度不得不比气流层反应装置低。其温度区域，以石油为燃料时约在900℃以下，以废弃物为燃料时，根据废弃物的性状而有所不同，通常在600～800℃，当废弃物中含有碱金属类时，则温度区域要更降低。
用较低的温度使废弃物或石油热分解、气化时，有产生焦油的问题。通常，焦油在600℃的温度区域气化，但是当温度降低到200℃以下时则液化，其黏着性有时可引起操作上的麻烦。
图6-4 双流化床气化反应器
（三）气流床气化反应器
生物质气流床气化反应器是指生物质被粉碎成一定细度的颗粒后，由气流携带进入气化炉，在大于1000℃的高温条件下进行气化反应，得到生物质气。该方法具有气流速度快、气化强度和反应温度高，生产能力大和环保性能好的优点。该技术最早应用于20世纪80年代初生物质直接液化技术，即生物质闪速裂解制备生物质油的技术。目前，关于生物质气流床气化反应器的研究还处于实验室研究阶段，还未能投入应用。图6-5是一种旋风式气流式反应器工作原理图。
图6-5 旋风式气流式反应器工作原理
中国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。但总体来看我国的生物质气化的技术水平与国际发达国家相比还有较大差距。我国生物质气化炉的开发整体上还比较落后（表6-1）。
表6-1 我国生物质气化炉概况
（四）国外气化反应器的发展
1.气流床裂解器 美国佐治亚技术研究院开发，反应器直径15厘米，高4.4米，停留时间1～2秒。系统中生物质颗粒度300～420微米，给料速率15千克/小时，进口温度控制在745℃。同时，采用较大的载气流量（与生物质的重量比8∶1）。所有进出口气体都由多孔板控制，反应器温度400～550℃。裂解气、水蒸气、未凝结蒸汽、气溶胶及可能含有的细尘进入除雾器，除去大部分气溶胶和细尘，剩余的混合物进入燃烧炉燃烧。实验中所得有机冷凝液体的收率为58%，焦炭产率为12%，产物油热值可达24.57兆焦/千克，总的液体产物一半是水，现有装置的最大处理量50千克/小时。
2.快速流化床裂解器 加拿大Waterloo大学的工艺为代表。原料是空气干燥的木屑，粒度在30～170目，水分7%左右，由螺旋进料机给入。细沙为床料，流化床配备电加热维持恒温。裂解所需的热量由预热的流化气提供，流化气和载流气都是裂解中的气相产物。固体生物质给料速率1.5～3千克/小时。热解生成的细小碳粉被流化气带出床层，在旋风分离器中分离后进入焦炭收集室。气体产物经二级冷凝，第一级冷凝收集沥青类产品（100℃），第二级冷凝收集轻质液化油（室温）。未冷凝的气体经系列过滤除去杂质，一部分经压缩回到反应器作流化气和载流气，其余部分排出系统。反应气停留时间0.5秒左右。以木屑为原料时，液体产率高达65%～70%，稻草为原料时则为45%～50%。液体中含有15%～30%的水分，主要取决于原料类型和水分含量。英国Aston大学开发的鼓泡流化床反应器的加工能力为250千克/小时，对1～2毫米软木颗粒液化生物油得率达到75%。
3.真空裂解器 加拿大Laval大学开发，也叫做多炉床热解器。实验设备高6米，直径0.7米。原料（木片）从反应器顶部的密封进料斗进入，木片为1/4～1/2筛分（泰勒），进料速率3.1～3.4千克/小时，水分含量5.9%。热解器的特点是：低压环境，蒸汽在反应器里停留时间比传统裂解时间短，可提高液体产率。反应器要预加热，从顶部到底部温度连续升高，典型的温度分布从200～450℃。系统压力低于4000帕（30毫米汞柱）。有资料报道，加拿大现有进料率50千克/小时的装置，运行时其液体产率65%，焦炭产率20%。
4.漩涡烧蚀裂解器 美国太阳能研究所开发。该反应器的圆筒形壁面被加热到700℃左右，生物质颗粒高速度进入后在圆形壁面上沿螺旋线滑行，颗粒与壁面之间的滑动产生了极大的传热速率，部分裂解的颗粒沿切线方向离开反应器，通过循环管道和新加入的生物质颗粒混合后在载流气的进口喷嘴处开始新一轮循环。所用的载流气是氮气和水蒸气，与进料生物质的质量比为1∶1.5。2毫米大小的颗粒在裂解器中可以停留1～2秒时间，这段时间中完成30次循环。这种循环使颗粒的停留时间与蒸汽的停留时间无关，从而使反应器的操作受进料颗粒度影响很小。液体产物收率67%，焦炭和裂解气收率分别为13%和14%。研究表明，木屑裂解冷凝物中易获得含酚类的萃取物，经济上很有吸引力。目前，美国已有1360千克/小时装置运行。
5.旋转锥裂解反应器 荷兰Twente大学反应工程系于BTG研究所联合研制。经预处理的固体生物质混同预热的热载体（砂）进入旋转锥底部，外部旋转锥壳以1转/秒转速旋转，由离心力和摩擦力带动固体颗粒（热砂和生物质颗粒）在内部固定锥壳和外部旋转锥壳之间的缝隙中旋转上升。在此过程中，生物质被迅速裂解成蒸汽，经由导出管进入旋风分离器，分离炭后冷凝气凝结成油。通过调解燃料量和配风比可以控制床温；通过调解旋转锥的转速可以传热速率；通过调解锥壳之间的间隙可改变床容积，从而控制裂解蒸汽的停留时间。固体停留时间0.5秒，蒸汽停留时间0.3秒，床温控制在500℃，传热速率5000开/秒，产物产率50%，气体20%，焦炭10%，进料量10千克/小时。此反应器不需要载气减小装置容积，同时减小冷凝收集的气体量及装置成本，但设备运行和维修较复杂。
6.喷动床裂解器 西班牙Pais Vasco大学开发。其主要特点是裂解蒸汽可立即离开反应器，而固体原料却可在反应器内循环，直到裂解完全颗粒变小后才被气流带出，从而可解决原料颗粒与产物蒸汽对停留时间要求的矛盾。该装置的另一优点是有可能把生物质裂解与裂解油的精制结合在一起完成。考虑到在喷动反应器内常可以加一定量的密度较大的惰性颗粒来促进传热和传质，如把有催化裂解作用的沸石催化剂作为惰性颗粒，则可提高裂解油的质量。实验结果证明了这一点，不过目前还只有小型装置的实验结果。
第二节 秸秆热解气化的应用
一、秸秆热解气化户用技术
（一）户用秸秆热解气技术的发展
从“七五”开始，国家相关部门对秸秆气化集中供气技术进行了科技攻关，经过多年努力，已研制出多种形式的大型秸秆气化装置，并在山东、辽宁、河北、湖北等省推广应用。但这些机组普遍存在一些问题：一次性投入比较大（200万元以上），农户难以承受；工程必须整村连片安装使用，由于农户居住分散，铺设管道较长，因此使用一段时间后会发生管道堵塞现象；供气时间固定，用户不能随时使用，普遍存在着用户不足、供气设备利用率低、运行成本高的问题。
针对集中供气装置存在的弊端，近年来各地企业和科研单位研发秸秆气化技术及设备的积极性很高，市场上出现了供家庭、城镇单位、饭店、浴室等使用的多种型号的秸秆气化炉，但由于受技术、运行费用等多种因素影响，秸秆气化炉仍处于推广应用的起步阶段。
（二）小型户用气化设备
户用型秸秆气化炉：为加大秸秆气化炉推广应用力度，促进秸秆能源化利用，部分省市农机主管部门开始把秸秆气化炉及与其配套的秸秆压块设备列入农机购置补贴目录。被列入补贴目录的秸秆气化炉以农户为单元，以农作物秸秆为原料，实现一户一炉，独立产气。
根据燃气出气的运动方向，目前主要户用型秸秆气化炉可分为上吸式和下吸式。上吸式秸秆气化炉从炉体底部送风，经气化反应后，产生的生物质燃气，通过炉体上部的出气管道送入简易净化装置，再供灶具燃烧。该炉具结构简单，但焦油含量高，气压不稳；下吸式秸秆气化炉从炉体下、中部送风，经气化反应后，产生的生物质燃气，从炉体下部的出气管道送出。由于热解产品二次通过高温氧化还原层，因此，挥发气中的焦油可以得到进一步的裂解，燃气中的焦油含量低于上吸式气化炉。该炉具焦油副产物较少，但炉体结构较复杂。
按结构来分，主要由分体式秸秆气化炉和整体式秸秆气化炉。
（1）分体式秸秆气化炉 气化炉与灶体分离。炉体的顶部一般设有圆锥形冷凝水收集盖，燃料中的水分受热蒸发，与炉盖接触而冷凝成水珠，沿炉盖边缘流至水槽中，沿溢流管排出炉外，使生物质燃料对水分没有十分严格的要求。同时采用在燃烧高温区设置燃气导管和在炉体上部设置导气支管，以降低焦油含量，保证供气的稳定性。一般配备有加料装置和除渣装置。
（2）整体式秸秆气化炉 气化装置和炉灶连为一体，连接管路短，可使燃气在热态下进入灶具燃烧，减少了焦油因冷凝而堵塞管路的机会；炉壁一般倾斜，混合燃气可借助鼓风机的风力从炉壁中、上部进入缓冲气柜，使挥发分中的焦油得到部分裂解，降低燃气中焦油含量，达到平稳供气。
（3）户用生物质半气化炉 秸秆半气化炉与秸秆气化炉最大的区别是利用秸秆燃料在炉膛内直接燃烧和气化燃烧相结合的二次燃烧技术，采用上点火燃烧方式，燃料直接燃烧，同时秸秆在燃料底部进行气化，在炉口四周再次供风助燃，使秸秆燃烧更加充分。半气化炉无需气柜，结构简单、操作便利，并能有效去除生物质焦油，燃气直接燃烧供热。
户用秸秆半气化炉是秸秆气化炉的更新换代产品，它解决了秸秆气化炉无法攻克的点火麻烦、产气量不稳、焦油难以处理等技术问题，真正达到了操作简单、无烟无味、节能环保和使用安全的效果，应该是我国后期推广应用的主要形式。
（三）户用气化炉质量技术标准
国家农业部2007年颁发并实施的《秸秆气化炉质量评价技术规范》对户用秸秆气化炉的质量技术要求作出了明确的规定（表6-2）。
表6-2 秸秆气化炉主要技术性能指标
表6-2 秸秆气化炉主要技术性能指标（续）-1
二、秸秆热解气化集中供气技术
集中供气是指秸秆原料经粉碎等预处理后，由上料机送入气化炉中，在气化设备中经过热解、氧化和还原反应转化成可燃气体，产生的粗燃气经净化系统去除其中的焦油、灰分、碳颗粒和水分等杂质并冷却；经净化的秸秆燃气通过燃气风机加压贮存至贮气柜，再通过燃气输配管网送往用户，用作炊事燃料或供暖。目前，我国已经基本形成了包括秸秆气化机组、燃气净化系统、供气管网的设施和施工以及户用燃气灶具等在内的较为完整的配套技术。系统由5部分组成：秸秆预处理系统、燃气发生系统、燃气净化系统、燃气输配系统和用户燃气燃烧系统。秸秆热解气化集中供气工程一般以自然村为单元，供气规模从数十户至数百户不等，农村居民用上管道煤气，秸秆热解气化集中供气系统工艺流程见图6-6。
图6-6 秸秆热解气化集中供气系统流程图
1.预处理 主要是为保证原料颗粒的性状，对作物秸秆进行干燥、机械加工等预处理，以满足选定的生物质气化机组的要求，入炉原料含水率不宜高于20%。
2.燃气发生系统 即秸秆气化机组，是整个秸秆热解气化集中供气系统的核心。设备主要有气化炉、燃气净化设备、鼓风机、防爆水封器等。
气化炉是秸秆气化机组的核心设备，目前以村为单位的秸秆热解气化集中供气工程多采用固定床气化炉。气化炉的选用依据用气规模来确定，如果供气户数较少，选用固定床气化炉；如果供气户数多，则使用流化床气化炉更好。净化设备主要包括除尘器、喷淋器、除湿器、过滤器等，其主要作用是去除气化气中的焦油和颗粒杂质以及水分。防爆水封器是为了防止燃气输送过程当中带入火星造成燃气爆燃现象而设置的安全装置，是保证和提高生产安全性的重要措施。
3.燃气输配系统 秸秆气化机组产生的燃气通过燃气输配系统送至用户，输气管网和必要的管路附属设备如阻火器、避雷针、阀门等。该系统设备主要包括贮气柜和输气管。
（1）贮气柜 贮气柜的作用是贮存一定容量的秸秆燃气，以平衡系统燃气负荷的波动，调整炊事高峰时用气，并保持恒定压力，保证用户燃气灶正常燃烧。生物质气化集中供气系统中常用的贮气柜有低压湿式贮气柜、低压干式贮气柜和压力式贮气柜。
（2）输气管 以自然村为单元的秸秆热解气化集中供气系统的管网由干管、支管、用户引入管以及分布在各个管路当中的凝水缸和阀门组成。干支管一般采用浅层直埋的方式铺设在地下，贮气柜的燃气通过干支管网向用户输送燃气。管道的材质有钢、铸铁和塑料等。秸秆气中会有焦油、酚等有机物，供气管网不能采用PVC管。
4.用户燃气系统 包括室户内燃气管道、阀门、燃气计量表和燃气灶等。用户打开燃气管道阀门，将燃气引入燃气灶并点燃，即可方便地获得炊事能源。燃气灶的燃烧将燃气的化学能转换成热能，最终完成对秸秆能的转换和利用。目前户用燃气计量表主要是膜式计量表，它是一种容积式流量计，根据流过流量计的气体的体积来测定其流量，具有体积小、质量轻、造价低的优点。
三、秸秆热解气化集中供热技术
集中供热是指以热水或蒸汽作为热媒，利用一个或多个热源通过供热管网、热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供热是相对分散小联片锅炉房供热而言的。
集中供热之所以得到了迅速发展，与其自身特点分不开。集中供热与分散供热比较，有减少大气污染、节约能源、提高供热质量、低噪声、自动化程度高、设备故障率低等很多优点，同时还减少了城市的运输量。
秸秆热解气化供热是集中供热的方式之一（图6-7），传统集中供热项目主要以煤为燃料，环保问题突出，而秸秆热解气属于清洁能源，是未来的发展方向。由于核心技术的局限，目前秸秆热解气化供热尚未能大面积推广。
图6-7 秸秆热解气化集中供热技术原理
四、秸秆热解气化发电技术
传统的生物质气化联合发电技术的基本原理是将生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气轮机进行发电。它既能解决生物质难以燃用而且分布分散的问题，又可以充分发挥燃气发电设备紧凑而且污染少的优点，所以气化发电是生物质能最有效、最洁净的利用方法之一。气化发电过程包括3个方面：一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化燃气都含有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统除去杂质，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电。
生物质气化发电技术具有3个方面的特点：
1.技术灵活性好 生物质气化发电既可以采用燃气轮机，也可以采用内燃机，甚至可以与余热锅炉和蒸汽发电系统相结合。
2.具有较好的洁净性 可以有效地减少CO2、SO2等有害气体的排放，气化过程温度较低NO的生成量很少，所以能有效控制NO的排放。
3.经济性好 生物质气化发电技术灵活、简单，比其他可再生能源发电技术投资更少。因此，生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技术，综合发电成本已接近小型常规能源的发电水平。
气化发电有多种模式可供选择，如图6-8所示。采用燃气蒸汽锅炉生产高温高压水蒸气推动汽轮机发电机组技术，可以减少生物质直接燃烧造成锅炉结渣的风险。生物燃气也可在燃气轮机中做功，推动发电机工作。燃气轮机需要高压燃气才能获得较高效率，需要加压气化炉与之配合，且燃气轮机在我国市场上技术不成熟，造价较高，没有得到大量应用。目前得到广泛应用的是燃气内燃机技术路线，采用低速内燃机获得了满意的运行效果。对于大中型生物质气化发电，采用联合循环技术可以提高整体发电效率。
图6-8 生物质气化发电工艺流程示意图
第七章 我国秸秆能源化利用的政策与发展
第一节 我国秸秆能源化利用的产业政策
一、可再生能源法
（一）可再生能源的界定及定位
（1）法律规定可再生能源，是指风能、太阳能、水能（水力发电）、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。但通过低效率炉灶直接燃烧方式利用秸秆、薪柴、粪便等不包括在内。并规定：生物质能是指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源；能源作物是指经专门种植，用以提供能源原料的草本和木本植物；生物液体燃料是指利用生物质资源生产的甲醇、乙醇和生物柴油等液体燃料。
（2）国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。并规定国务院教育行政部门应当将可再生能源知识和技术纳入普通教育、职业教育课程。
（二） 对可再生能源国家鼓励和支持
（1）国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物。利用生物质资源生产的燃气和热力，符合城市燃气管网、热力管网的入网技术标准的，经营燃气管网、热力管网的企业应当接收其入网；国家鼓励生产和利用生物液体燃料。石油销售企业应当按照国务院能源主管部门或者省级人民政府的规定，将符合国家标准的生物液体燃料纳入其燃料销售体系。
（2）国家鼓励和支持农村地区的可再生能源开发利用。县级以上地方人民政府管理能源工作的部门会同有关部门，根据当地经济社会发展、生态保护和卫生综合治理需要等实际情况，制定农村地区可再生能源发展规划，因地制宜地推广应用沼气等生物质资源转化、户用太阳能、小型风能、小型水能等技术；县级以上人民政府应当对农村地区的可再生能源利用项目提供财政支持。
（3）国家财政设立可再生能源发展基金，对规定的接网费用以及其他相关费用，电网企业不能通过销售电价回收的进行补助。
（4）对列入国家可再生能源产业发展指导目录、符合信贷条件的可再生能源开发利用项目，金融机构可以提供有财政贴息的优惠贷款，对列入可再生能源产业发展指导目录的项目给予税收优惠。
二、秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法
《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》对秸秆能源化利用补助资金的支持对象和方式、支持条件、补助标准等作出了明确的规定。
（1）对秸秆的界定 秸秆是指包括水稻、小麦、玉米、豆类、油料、棉花、薯类等农作物秸秆以及农产品初加工过程中产生的剩余物。
（2）支持对象和方式 支持对象为从事秸秆成型燃料、秸秆气化、秸秆干馏等秸秆能源化生产的企业。对企业秸秆能源化利用项目中属于并网发电的部分，按国家发展改革委《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》（发改价格〔2006〕7号）规定享受扶持政策，不再给予专项补助。
补助资金主要采取综合性补助方式，支持企业收集秸秆、生产秸秆能源产品并向市场推广。
（3）支持条件 申请补助资金的企业应满足以下条件：①企业注册资本金在1000万元以上；②企业秸秆能源化利用符合本地区秸秆综合利用规划；③企业年消耗秸秆量在1万吨以上（含1万吨）；④企业秸秆能源产品已实现销售并拥有稳定的用户。
（4）补助标准 对符合支持条件的企业，根据企业每年实际销售秸秆能源产品的种类、数量折算消耗的秸秆种类和数量，中央财政按一定标准给予综合性补助。
第二节 秸秆能源化利用的发展前景
一、我国秸秆能源化利用现状
（一）资源总量丰富，能源化利用潜力大
我国主要农作物秸秆资源较为丰富。其中，可能源化利用的秸秆资源量占秸秆资源总量的40.6%，且长期基本保持不变。目前绝大部分秸秆主要用于低效燃烧或焚烧废弃，浪费十分严重。若完全能源化利用，相当于节约8800万吨标准煤，占当年全国可再生能源开发利用总量的53%。
（二）资源分布不均衡，玉米秸秆比重大
我国主要农作物可能源化利用秸秆资源区域总体上呈“两高两低”的分布特点，具体表现为人均秸秆资源量“北高南低”、单位播种面积秸秆资源量“东高西低”。从品种上看，玉米秸资源量最高，约占全国总量的42%，主要分布在华北区和东北区；其次为稻草，约占29%，主要分布在长江中下游区、西南区、华南区和东北区；再次是麦秸，约占18%，主要分布在华北区。
（三）利用方式不同，焚烧废弃集中
我国各地经济发展水平并不平衡，农村居民生活用能方式和结构存在着较大差异，秸秆利用方式也不尽相同。其中，秸秆直接还田利用方式最高，约占理论资源量的30%，农村居民生活用能和畜禽的粗饲料次之，分别约占25%和18%。全国焚烧及废弃秸秆量约占20%，主要焚烧稻谷、小麦和玉米秸秆，集中在粮食主产区和经济发达地区。
（四）能源化利用技术多样，近期重点推广固体成型和生物气化技术
技术经济评价表明，秸秆固体成型燃料和秸秆生物气化技术趋于成熟，经济性较好，市场潜力大，可作为近期优先发展的重点；在经济欠发达地区，重点推广高效炉灶，替代原有的低效燃烧方式；秸秆直燃发电技术在保证农村居民生活用能基础上在粮食主产区可以适度发展；重点研究秸秆纤维素降解制取乙醇等第二代生物液体燃料技术。
二、我国秸秆能源化利用的发展前景
农作物秸秆作为生物质能资源的主要来源之一，是目前世界上仅次于煤炭、石油以及天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%，预计到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能源的40%以上。大力开发利用秸秆等生物质能，既是我国开拓新的能源途径，缓解能源供需矛盾的战略措施，也是解决“三农”问题，保证社会经济持续发展的重要任务。
我国是农业大国，每年产农作物秸秆7亿吨以上。2008年财政部表示，在保障适度还田和满足饲料需求前提下，能源化利用应作为我国剩余秸秆综合利用的主要方向。国家已通过财政补贴及税收优惠，引导农民收集剩余秸秆，通过现代技术手段将其转化为适应现代社会需求的清洁能源，变废为宝。同时，生物质利用过程中SO2、NO的排放较少，造成的空气污染和酸雨现象会明显降低。每利用1万吨秸秆替代煤炭，将减少二氧化碳排放1.4万吨，二氧化硫排放40吨，烟尘排放100吨。因此，秸秆是一种理想的清洁能源，开发利用秸秆对转变能源结构及环境保护都有巨大的现实和深远的社会意义。
丛书序二
丛书前言
前言
第一章 秸秆能源化利用技术概述
第一节 秸秆与生物质能
一、我国秸秆资源总量及分类
（一）秸秆资源数量估算方法
秸秆资源是指在现实社会、经济、技术条件下，可供人类利用的秸秆总产量。秸秆资源数量的估算，一般是把农作物的生物量区分为农作物经济产量、地上茎秆产量、根部生物量3部分，分别计算其比例或比重，再以农作物经济产量为基础数据，利用如下3种方法计算：一是草谷比法；二是副产品比重法；三是经济系数法。
1.草谷比法 农作物生物量是指农作物有机体的总重量，可区分为地表生物量和地下生物量2部分，也可区分为农作物经济产量、地上茎秆生物量、根部生物量3部分。农作物经济产量是指人们需要的、有经济价值的农作物主要产品的产量，所以又称其为农作物主产品产量，简称为农作物产量。有关统计年鉴中的各类农作物产量皆是指农作物的该部分生物量。对于粮食、油料等农作物，籽实产量即是经济产量。农作物地上茎秆产量即一般意义上的农作物秸秆产量，又称为农作物副产品产量。对于以籽实、瓜果、叶荚等为收获对象的农作物，地上茎秆产量等于其地表生物量减去其经济产量；对于马铃薯、甘薯、甜菜、萝卜、花生等以地下块根、块茎、荚果为收获对象的农作物，地上部分可全部视为秸秆。
草谷比（SG）是指农作物地上茎秆产量与经济产量之比（表1-1），它是评价农作物产出效率的重要指标，也是计算农作物秸秆产量的最常用的方法，又称为农作物副产品与主产品之比，用公式表示为：
S G=WS/WP
式中：SG——草谷比即农作物秸秆产量与农作物经济产量之比值；
W S——农作物秸秆产量；
W P——农作物经济产量。
因此，在草谷比和农作物经济产量已知的条件下，可用下述公式计算农作物秸秆产量：
W S=WP×SG
例如水稻的草谷比（SG）为1.06，稻谷的产量（WP）为100万吨，则稻草的产量（WS）=100×1.06=106万吨。
表1-1 常见作物的草谷比
2.副产品比重法 对于部分农作物副产品（如稻壳、花生壳等）的产量可根据其占农作物经济产量的比重来计算。例如在水稻生产中，稻谷是其经济产品，稻壳占稻谷的比重为20.55%，稻谷的产量为100万吨，则稻壳的产量为100×20.55%=20.55万吨。用公式表达为：
W S=WP×RS/P
式中：WS——农作物副产品产量；
W P——农作物经济产量；
R S/P——农作物副产品产量占其经济产量的比重。
3.经济系数（收获指数）法 经济系数是指农作物经济产量与总生物产量之比值，又名收获指数（Harvest Index），是Donald于1962年提出来的。经济系数计算公式为：
HI=WP/BC
式中：HI——农作物经济系数；
W P——农作物经济产量；
B C——农作物总生物量。
经济系数与草谷比的关系式为：
S G=(1-HI-IR)/HI
式中：SG——草谷比；
HI——农作物经济系数；
I R——农作物根部生物量比重，计算公式为：
I R=WR/BC
式中：WR——农作物根部生物量；
B C——农作物总生物量。
当农作物地下部分主要是经济产品（如马铃薯、甘薯、甜菜、萝卜等）、根部生物量所占比重很少或生物产量测定因根系部分取样困难时，可统一不计在生物产量内，即IR≈0，此时：
S G=(1-HI)/HI
如，在计算油菜收获指数时就特意规定：“生物产量是指油菜成熟以后子叶节以上的全部干物质的现存量，经济产量是指籽粒产量，经济产量占生物产量的百分数便是收获指数”。
目前，有关农作物试验或测产研究文献中的收获指数，大多数是根据地上生物量计算的。更有人认为，对于谷物等农作物而言，收获指数就是指作物产量与地表生物量之比值。
利用农作物经济系数计算秸秆产量的公式为：
W S=WP×[(1-HI-IR)/HI]
式中：WS——农作物秸秆产量；
W P——农作物经济产量；
HI——农作物经济系数；
I R——农作物根部生物量比重。
当IR取值为0或近似值为0时，可把公式简化为：
W S=WP[(1-HI)/HI]
（二）世界秸秆产量与我国秸秆产量
2000年全球秸秆总产量为438862.37万吨，相当于同年度我国秸秆总产量的6.20倍。全球秸秆产量超过4000万吨的国家共有17个（表1-2），其秸秆产量合计为319156.61万吨，占全球秸秆总产量的72.72%。同年，秸秆产量超过1亿吨的国家有中国、美国、印度、巴西、阿根廷、印度尼西亚、法国、俄罗斯，这8个国家秸秆产量合计为263941.74万吨，占全球秸秆总产量的60.14%。
表1-2 2000年全球前17个秸秆资源大国的秸秆生产状况
2000年是近年来我国秸秆总产量较低的年份，但仍达到70748.46万吨，居世界各国秸秆总产量之首，略高于居第二位的美国。我国耕地资源稀缺，其面积仅占全球耕地总面积的9%左右。但由于对耕地资源的集约利用水平较高，从而使我国的秸秆产量在全球占有16.12%的比重，而粮食作物秸秆产量更高，占比17.35%。2000年我国占世界比重高于1/5的秸秆类别主要有油料作物秸秆、烟草秸秆、薯类藤蔓、水稻秸秆（包括稻草和稻壳，下文同）和小麦秸秆，分别占全球同类作物秸秆总产量的53.66%、36.79%、35.26%、30.74%和20.43%。我国蔬菜瓜果、药材等作物藤蔓和残余物、玉米秸秆占世界同类秸秆总产量的比重也较高，分别为18.66%、13.61%和12.75%。我国占世界比重较低的秸秆主要有3大类：一是豆类秸秆；二是糖渣和糖料作物茎叶梢（包括甘蔗渣和甘蔗叶梢、甜菜渣和甜菜茎叶，下文同）；三是麻类秸秆。该3类作物秸秆分别占全球同类作物秸秆总产量的8.77%、5.58%和 2.36%。由于全球农作物秸秆的多样性远远高于我国，所以我国其他谷物秸秆占世界的比重也较低，详见表1-3。
表1-3 2000年中国与世界秸秆产量
表1-3 2000年中国与世界秸秆产量（续）-1
（三）全国秸秆资源数量变化
秸秆总产量总体缓慢增长，呈现“一平、两增、一减”的趋势。1991年以来我国秸秆总产量的变化大致可分为“一平、两增、一减”4个发展阶段（图1-1）。“一平”是指1991—1994年的平稳发展。此间，全国秸秆总产量连续4年保持在6.4亿吨左右，上下波动不到8%。“两增”是指1995—1998年和2004—2008年的快速增长。1995—1998年我国秸秆总产量共计增长10714.93万吨，年均增长3.94%。到1998年全国秸秆总产量近7.5亿吨。2004—2008年是我国秸秆总产量的快速增长时期，5年间共计增长15252.19万吨，年均增长率高达4.08%。“一减”是指1999—2003年的波动性下降，5年中分别有4年减产、1年增产，但总体上呈下降趋势。与此前的1998年相比，2003年全国秸秆总产量减少了5810.34万吨。该时期全国秸秆总产量的减少，主要是由于1998年以后我国开始全面实施农业结构战略性调整所形成的。1998年我国粮食总产量首次突破5亿吨大关。1999—2003年全国粮食播种面积持续下滑，共计减少了1437.81万公顷；同期蔬菜种植面积增加了640.84万公顷。由于蔬菜等经济作物的副产品少，草谷比远低于粮食作物，从而导致全国秸秆总产量的下降。
图1-1 1991—2008年全国农作物秸秆和粮食作物秸秆产量变化
（四）我国秸秆资源分布
中国秸秆资源区域分布研究首先按3大地带进行，对其区域划分范围沿用我国区域经济研究中最常用的东部、中部、西部3大地带划分方案，但相对较为粗放，现在倾向于采用8大区划分方案。
1.8大区划分方案 以《中国种植业区划》和《中国耕作制度区划》为主要参考依据，根据我国主要农作物的地域分异规律，把我国秸秆资源分布及其分区开发利用研究划分为8大区，并按照保持省界完整性的原则确定其区域范围。具体分区方案见表1-4。
表1-4 8大区划分方案
2.8大区秸秆总产量 在全国8大区中，长江中下游区和黄淮海区秸秆总产量最高，2008年其产量各约占全国1/4；其次为东北区和西南区，2区合计约占全国 1/4；再次为华南区和西北干旱区，2区合计约占全国1/5；黄土高原区秸秆较少，占全国5.30%；青藏高原区最少，仅占全国0.43%，详见表1-5。
表1-5 2008年8大区秸秆总产量
分省来看，2008年我国有11个秸秆总产量超过3400万吨的省份，它们分别是河南、山东、黑龙江、江苏、河北、四川、安徽、广西、湖北、湖南、吉林。这11个秸秆大省，2008年秸秆产量合计为56600.10万吨，占全国67.21%。其中有2个秸秆特大省：河南和山东，2008年秸秆产量分别高达8765.45万吨和7190.91万吨，合计为15956.36万吨，占全国18.95%。
3.8大区秸秆产出水平 表1-6显示，在全国8大区中，黄淮海区是我国秸秆资源密度最高的地区，2008年平均达393.53吨/公顷，相当于全国平均水平的4.44倍；其次为长江中下游区，平均为233.18吨/公顷，相当于全国平均水平的2.63倍。秸秆资源密度高于全国平均水平的还有东北区、华南区和西南区，分别为全国平均水平的1.64倍、1.57倍和1.07倍。黄土高原区和西北干旱区秸秆资源密度较低，青藏高原区最低，分别相当于全国平均水平的65.72%、25.37%和2.12%。
表1-6 2008年我国8大区秸秆产出水平
（五）秸秆资源的分类
（1）粮食作物秸秆：稻草、稻壳、小麦秸秆、玉米秸秆、玉米芯、谷子秸秆、高粱秸秆、其他谷物秸秆、大豆秸秆、其他豆类秸秆、马铃薯茎叶、甘薯秧。
（2）油料作物秸秆：花生秧、花生壳、油菜秆、芝麻秸、胡麻秆、向日葵秆，以及其他油料作物秸秆。
（3）棉秆。
（4）麻秆：黄红麻秆、苎麻秆、大麻（线麻）秆、亚麻秆，以及其他麻类作物秸秆。
（5）糖渣和糖料作物茎叶梢：甘蔗渣、甘蔗叶梢、甜菜渣、甜菜茎叶。
（6）烟秆。
（7）药用作物残余物。
（8）蔬菜瓜类藤蔓和残余物。
二、秸秆的主要利用途径
据统计，我国每年的秸秆产量为7亿至8亿吨。近几年来，随着农村经济的发展和能源供应的改善，农民对秸秆的燃烧利用逐渐减少，秸秆在农村能源中的比重呈下降趋势，于是在麦收和秋收季节，部分经济较发达地区出现了田间直接焚烧秸秆的现象，造成了严重的环境污染问题。因此，实现秸秆资源化利用是农业可持续发展战略的需要。近年来，秸秆利用技术在我国发展得很快，主要有秸秆能源利用技术、秸秆还田技术、秸秆饲料利用技术、秸秆生产食用菌技术以及用于工业原料（造纸、降解膜、建筑材料、塑料替代品等）的技术等。
1.秸秆还田 秸秆还田方法包括：①秸秆覆盖或粉碎直接还田；②利用高温发酵原理进行秸秆堆沤还田；③秸秆养畜，过腹还田；④利用催腐剂快速腐熟秸秆还田，在秸秆中添加一定量的生物菌剂及适量的氮肥和水，再经高温堆沤，可使秸秆腐熟时间提早15～20天。
在我国，机械化粉碎秸秆还田是秸秆综合利用的主要技术措施和手段。实验表明，连续3年秸秆还田，可增加土壤有机质0.204%，从而弥补磷、钾肥投入不足，提高耕地质量。因此，我国一方面要充分利用广播、报纸、电视等宣传媒体开展形式多样的宣传活动，大造声势，把秸秆还田的好处讲深讲透，让农民群众认识到这是一件利国利己的好事；另一方面，要做好秸秆还田的技术培训和普及工作，培养技术骨干，让农民正确掌握基本技术要领，为秸秆还田工作的顺利开展打好基础。利用秸秆还田机械将秸秆粉碎埋入田中，增加了地壤的有机质，改善了地壤结构，节约了化肥，提高了产量。
2.秸秆饲料 利用光合细菌、酵母菌、乳酸菌、曲霉菌等菌群，对秸秆进行发酵，将其中的纤维素、淀粉、蛋白质等复杂的大分子有机物，降解为动物易消化吸收的单糖、双糖和氨基酸等小分子物质便于动物吸收。青贮饲料是将收获后的秸秆切碎后装入青贮窖内，隔绝空气，经微生物发酵作用制成饲料，其有效地保存了青绿植物的营养成分，含水量达70%，适口性好，消化率高，但贮藏技术要求高。在养羊、养牛较集中的地区可大力发展。
3.秸秆新能源 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%。我国每年农作物秸秆资源量约占生物质能资源量的近一半。农作物秸秆能源转化的主要方式如下：
（1）秸秆直燃技术 利用直燃炉将秸秆直接燃烧，利用产生的能量加热水炉，产生水蒸气，然后带动发电机组的运作，从而达到秸秆直燃发电的效果。
（2）秸秆发酵技术 利用微生物分解、合成，使秸秆在无氧的环境下进行发酵处理，产生可燃烧的甲烷气体，甲烷完全燃烧后只生成水和二氧化碳，是一种可推广的清洁能源。
（3）秸秆压缩成型技术 利用秸秆本身的特性，在一定的压力强度下，秸秆能够紧密的结合而不松散，从而能够以我们需要的形式保存下来，然后再加以利用。
（4）秸秆热解气化技术 利用高温高压的水将秸秆分解得到气体的技术。
4.秸秆建材 将秸秆粉碎后和助剂、稀料混合，注模成形，生产各种高密度和中密度板材，也可直接生产出复合地板、家具、厨房用具及带工艺性的浮雕门柱等模压制品，用这些材料生产出的产品具有阻燃、防潮、隔音、不变形、不开裂、强度高的优点。四川大学又开发出秸秆/塑料复合材料，产品性能更优，成为“绿色材料”的代表。
5.秸秆基质 秸秆用作食用菌基料是一项与食品有关的技术。食用菌具有较高的营养和药用价值，利用秸秆作为生产基质，大大增加了生产食用菌的原料来源，降低了生产成本。目前利用秸秆生产平菇、香菇、金针菇、鸡腿菇等技术已较为成熟，但存在技术条件要求较高的问题，用玉米秸秆和小麦秸秆培育食用菌的产出率较低。
另外，秸秆还可生产可降解快餐盒、新闻纸和减压包装材料，也可用于食用菌生产等方面。如利用得当，可形成秸秆—饲料—养殖、秸秆—肥料—种植、秸秆—气化—能源、秸秆—纸浆—纸产品、秸秆—板材—建筑装饰、秸秆—食用菌等多个产业链。
第二节 秸秆能源化利用技术
一、秸秆生物质能的计算
以生物质为主要原料制造能源和燃烧时，生物能源含有量是重要影响因素。生物能源含有量的指标常用发热量来表示，发热量是生物质完全燃烧产生的热量，也称为燃烧热。发热量取决于生物质中含有成分的组成比、构成元素的种类及比例（特别是碳元素的含量）。一般地，有机物含油、含碳率越高，发热量也越高，而无机成分与能量值无关。另外，用含有水分的生物质生产能源时，不仅要考虑发热量，还必须考虑有效发热量。
1.高位发热量与低位发热量 由碳、氢、氧元素组成的纤维素、半纤维素和木质素等有机物为主要组成成分的生物质，在完全燃烧后主要生成二氧化碳和水。这些生成的水（水蒸气）中含有大量的潜热，在水分凝结水，这些潜热会释放出来。一般把包含潜热在内的发热量称为高位发热量（HHV，也称总发热量），而不包含潜热在内的发热量称为低位发热量（LHV，也称为真发热量）。
2.有效发热量 发热量Q0是单位物质量在标准状态下完全燃烧时生成的热量。而实际的生物质是以含有较多水分和灰分的状态存在的，在用这些生物质为原料生产能量时，其中含有的水分和灰分是必须考虑的。如果以生物质存在状态的物质是否自燃为指标，仅考察上述的低位发热量是不够的，还必须考虑加热周围空气以维持火焰温度所需的能量以及灰分所吸收的能量。有效发热量可通过下式求得：
有效发热量Q=Q0（1-ω）-1000ω-排烟吸热-灰分吸热
式中，ω为含水率。
在利用生物质能源时，生物质的发热量Q0是重要的评价指标。生物质是由纤维素、木质素、蛋白质等主要成分，其他有机成分和无机物，以及微量成分构成的。发热量随着这些成分的种类和组成比例的不同而不同。一般地，含水量通过在1个标准大气压下100～105℃放置时的质量减少量求得。生物质含水率的变化幅度很大，低至2%～3%，高至98%。当希望通过物质燃烧获得能量（热）时，有效发热量为正值是燃烧成立的最低条件。一般对生物质而言，含水率超过2/3时有效发热量为负值，因此，即使生物质自身含有较高的发热量，自然存在状态下的高含水率所造成的低有效热值也会使其不适于燃烧。所以，在选择能量转换工艺时，含水率是十分重要的考察因素。
3.生物质能折算系数 表1-7中均为千克标准煤/米3的折算标准，标准煤亦称煤当量，具有统一的热值标准。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡[1]。将不同品种、不同含量的能源按各自不同的热值换算成每千克热值为7000千卡的标准煤。
表1-7 生物质能折算系数表
二、秸秆能源化利用技术
（一）秸秆直燃技术
生物质直燃技术完全以生物质为燃料，燃烧设备针对生物质的特性进行专门的设计，辅助以整套的生物质储运预处理以及给料设备，可以实现大规模连续的生物质燃烧转化利用，是生物质能利用的重要方式。
从应用规模来分，主要包括民用节能灶（炕）技术和锅炉直燃供热、发电技术。我国省柴节煤炉、灶、炕的研究和大规模推广应用起始于20世纪70年代末和80年代初。20世纪80年代中期开始，农业部组织有关科研单位和生产企业开展了省柴节煤炉、灶、炕的基础理论研究、新产品创新、标准编制和技术及产品的大规模评比活动，使得当时的省柴节煤炉、灶、炕的发展呈现出快速发展的良好势头，一大批省柴节煤炉、灶、炕的技术及产品专利相继问世，效率更高的新型工厂化生产开始起步并得到快速发展。现阶段，由于全社会更加关注生物质能的开发与利用，更加注重农村室内空气污染控制，所以一些科研单位和生产企业开始自发地研究生产以农作物秸秆、林业废弃物等为原料的颗粒燃料、块状燃料和棒状燃料等，并研发与之相配套使用的生物质炉具以及炊事取暖用具。在研发推广应用过程中，更加注意了炉具的多功能性（既可炊事、取暖，又可作为烤箱或壁炉等）、自动化控制程度（可以自动显示温度、自动供料）以及装饰美观程度（可与中高档家具媲美）。
锅炉直燃技术根据对原料的要求不同，又分为低碱生物质燃料的直燃技术和高碱生物质燃料的直燃技术。
低碱优质生物质燃料直燃技术的发展在全球范围，特别是北美和欧洲已经有较长的历史，也拥有大量的工程实践，例如美国2002年统计，这种技术层面燃烧生物质的发电装机容量有5886兆瓦，其主体是众多木制品企业拥有的小型生物质直接燃烧热电站，燃烧形式包括悬浮、炉排和流态化等各种类型。我国也有很多的类似应用，比较典型的有广西等地大量的蔗渣燃烧锅炉、燃用稻壳锅炉、木加工厂下脚料的直燃锅炉等，炉型以炉排炉为主，也有采用流态化燃烧技术的，容量一般在35吨/小时以下。这类燃烧技术需要考虑生物质的物理特性以及高挥发分、低灰分等燃烧特性，但是由于燃料中无机杂质很少，不需要过多考虑生物质含钾含氯带来的灰熔点低、受热面容易沉积以及高温腐蚀等问题。该类燃烧技术的关键在于成熟的给料以及恰当的炉膛设计，能够根据生物质特性组织好炉内生物质的挥发分燃烧和半焦燃尽即可保证燃烧质量。
对于我国，生物质的主体是农作物秸秆，属于高碱生物质燃料，而木质燃料和稻壳、蔗渣等的资源量很小且受地域限制较大，因此更为关注针对高碱生物质燃烧利用的秸秆直燃技术。从全球范围看，目前秸秆直燃主要的技术代表是丹麦的秸秆水冷振动炉排炉直接燃烧技术。针对我国生物质资源现状，从2005年开始，随着可再生能源法的颁布和实施，我国大力促进秸秆直燃发电产业的发展，各种技术流派相继涌现，从技术层面看主要有引进技术、引进技术消化改进技术和国内自主开发技术3类。
中国引进的主要是丹麦的水冷振动炉排秸秆直燃技术，该技术针对秸秆等高碱生物质燃料特点开发，具有特殊设计的炉排可保证炉排上生物质燃料的燃尽以及低熔点灰渣的排除，炉膛和受热面的设计也充分考虑了生物质灰渣熔融以及生物质无机杂质带来的高低温腐蚀问题，该技术引进后除了燃料预处理和给料在适应国内燃料品种品质变动方面存在一些问题外，运行情况良好。但是高昂的价格是阻碍其推广的主要因素。
我国秸秆直燃技术中的引进技术改进型大多数也采用水冷振动炉排的基本形式以及自主开发的燃料预处理和上料系统，由于价格低廉，目前在国内市场占有率较高。该类技术存在的问题是由于缺少经验积累和实践经验，各示范工程或多或少存在各种问题，例如给料、炉排结构和排渣等，在一定程度上影响机组的正常运行。
新开发的秸秆燃烧技术的主要代表是基于循环流化床的秸秆燃烧技术，国内相关研发单位在对秸秆燃烧特性和碱金属问题进行了较深入研究的基础上，提出了创新的燃烧组织思路和特殊设计的秸秆流化床直燃技术路线，该技术经过示范工程的验证运行，目前正处于推广阶段。浙江大学循环流化床燃烧技术方案已经在中国节能环保集团公司投资的宿迁生物质发电厂实施应用。这是世界上第一台具有自主知识产权的纯烧秸秆的循环流化床锅炉。宿迁生物质发电厂于2007年年初并网发电并成功运行。除了浙江大学以外，国内还有一些机构进行生物质循环流化床锅炉的研发，如哈尔滨工业大学就与长沙锅炉厂合作研制了多台生物质流化床锅炉，可以适用于甘蔗渣、稻壳、碎木屑等多种生物质；武汉凯迪控股有限公司自主开发了生物质循环流化床锅炉；中国科学院和济南锅炉厂也在合作开发燃用生物质的循环流化床锅炉；另外，太原锅炉厂、泰安锅炉厂都已自主开发了生物质循环流化床锅炉。由于该技术利用流态化的低温燃烧特点抑制秸秆燃烧中的碱金属问题，同时能很好地适用于中国生物质燃料品质变化大和预处理程度低的特点，因此，具有非常强的生命力。
（二）秸秆沼气工程技术
沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体的复杂的生物化学过程。秸秆中含有大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素，利用秸秆沼气技术分解秸秆产生沼气和沼渣，不仅高效利用了农作物秸秆，而且还能解决部分以畜禽粪便为原料的沼气工程缺乏发酵原料而闲置的问题，打破了沼气建设对畜禽饲养的依赖性。特别是以秸秆为主要原料的集中供气技术，以自然村为单元，建设厌氧消化装置、储气设备，通过管网把沼气输送到农户家中，解决了农户炊事用能问题。同时，农作物秸秆资源的收集、储存和运输过程，增加了当地农户直接就业机会，秸秆的出售增加了农民收入，实现了变废为宝，做到源于农民还于农民。因此，秸秆沼气工程技术的研发和推广，可以达到能源回收、物质循环、环境保护和促进农民增收等多重效果，受到广泛重视。
根据不同的养殖规模、环境容量、土地资源和污水排放标准等条件，我国处理农业有机废弃物的沼气工程按沼渣沼液的出路形成了各种适宜模式，其中最有代表性的模式有2种：一种是能源生态型，即沼气工程周边配套有较大面积的作物农田、鱼塘、植物塘等，能够就地消纳沼气发酵的残留物，废弃物真正实现了零排放，如USR、CSTR工艺等；另一种是能源环保型，即沼气工程周边环境无法直接消纳沼液，必须将沼液进行固液分离，分离出来的沼渣制成商品固体有机肥料，分离后的清液经过好氧或物化等深度处理达到行业排放标准后直接排放，如UASB工艺。而根据秸秆物料在反应器中的形态，大致可分为液态消化、固态消化和固液两相消化工艺。
（三）秸秆压缩成型技术
植物细胞中含有纤维素、半纤维素和木质素（或称木素）。虽然不同的植物其组成成分不同，但纤维素、半纤维素和木素是植物体的主要成分，一般占植物体成分的2/3以上。其中纤维素的含量在木材中为40%～55%，在禾本科植物的茎秆中占40%～50%；木质素的含量在木材中达25%以上，在禾本类中占有14%～25%。木质素是一类以苯丙单体为骨架，具有网状结构的无定型高分子化合物。当温度达70～110℃时，软化黏合力开始增加；在200～300℃时，软化程度加剧而达到液化，此时加以一定压力，可使其与纤维素坚密黏接，同时与邻近的秸秆颗粒互相交接。这样经过一定形状的成型孔、眼，可以形成具有固定形状的压缩成型棒、粒燃料。在热压缩成型过程中，可不用任何黏接剂，因为大部分植物体的生物质其本身就已具备了压缩成型所必需的基本条件。
根据主要工艺特征的差别，可以从广义上将生物质压缩成型工艺划分为湿压成型、热压成型和炭化成型3种主要形式。
1.冷压成型 冷压成型又称湿压成型，常用于含水量较高的原料。原料在常温下，浸泡数日水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成型。
根据模压装置结构，常温模压成型又可分为“闭式”和“开式”2种压缩成型方法。“闭式”是一个完全封闭的压缩系统，压缩成型后再取出；“开式”则是从进料口进料，然后通过机械机构如螺旋杆、活塞传递碎料，在出口处挤压成型。
2.热压成型 热压成型是目前普遍采用的致密成型工艺。其工艺流程为：原料粉碎→干燥→混合→压缩成型→冷却→包装。
这种工艺采用的是在一定温度条件下将生物质原料压缩成型，根据热压成型过程中是否将成品燃料炭化，又分为炭化和不炭化成型。根据原料被加热的部位的不同，可将这一工艺划为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为“非预热热压成型工艺”；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热，称为“预热热压成型工艺”。
3.炭化成型 根据工艺流程不同，炭化成型工艺又可分为两类：一类是先成型后炭化；一类是先炭化后成型。
（1）先成型后炭化工艺 工艺流程为：原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷却包装。先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒，然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。
（2）先炭化后成型工艺 工艺流程为：原料→粉碎除杂→炭化→混合黏结剂→挤压成型→成品干燥→包装。先将生物质原料炭化成粉粒状木炭，然后再添加一定量的黏结剂，用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。
（四）秸秆热解气化技术
秸秆热解气化是生物质热化学转换的一种技术，是秸秆原料进入气化炉后在较高温度下发生复杂的氧化还原反应，最终生成了较低分子量的CO、H2、CH4、CH等混合气体的过程。燃气的热值与气化工艺和最终燃料的成分有直接关系，含CO、H2和CH4数量越多，燃气的热值越高。
早在20世纪70年代，我国就开始了生物质能气化技术的攻关研究。经过多年的科技攻关、试验示范，秸秆热解气化技术已不断改进，设备配套亦日益完善，逐渐形成了生物质气化集中供气、供热、发电等技术，可以把农作物秸秆转换为高品位的秸秆煤气、电能，提高秸秆的利用效率。气化设备从单一的固定床气化炉发展到多种流化床气化炉；由生产低热值气化装置发展到中热值气化装置；由户用气化炉发展到工业烘干、集中供气和发电等工程应用。中国机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉、山东科学院能源研究所研制的XFF系列秸秆气化炉、大连环境科学设计院研制的LZ系列生物质干馏热解气化装置、中国科学院广州能源研究所研制出GSQ型气化炉等，可实现多种秸秆原料的气化产气。
欧美发达国家气化技术、气化效率和燃气热值较高，气化装置大、工艺复杂、自动化程度高、造价较高，所产燃气主要用于发电供热，已实现了工业化应用。我国秸秆热解气化以中小规模、固定床、低热值气化为主，依靠小型多用途的方式来满足市场需求，立足于解决农村能源短缺的问题，包括气化供热、气化供气等类型。与欧美国家相比，我国的气化技术在技术和自动化方面较落后。目前，我国自行研制的集中供气系统已进入实用化试验示范阶段。据统计，2010年全国已建有900处秸秆热解气化集中供气工程，供气户数20.96万多户。
第二章 秸秆的收集与储运
第一节 秸秆的收集
一、我国秸秆收集现状
随着农村经济的发展和生活方式的改变，传统方式利用秸秆的量大幅降低，大部分秸秆变为闲置资源。虽然目前各地采取了发放补贴、罚款等手段禁止秸秆焚烧，但在秸秆没有成为规模化、有效化的商业资源的状况下，效果还是受到很大影响。现实中每到夏收、秋收季节，农民为了不影响下一季粮食生产，常常将秸秆抛入河、沟、渠、塘，或分期、夜晚焚烧，不仅浪费了大量的秸秆资源，还严重污染了大气、水体，恶化了农村生态环境和农民人居环境，导致航空、公路、河道等交通安全事故和安全隐患等诸多社会问题。
秸秆的有效收集是秸秆综合利用的前提，目前国内秸秆收集以人工为主，造成劳动强度大，收集成本高（300元/吨左右），严重影响了秸秆的后续利用。如何更好地收集秸秆成为了现在的主要问题。现阶段我国的主要收集模式有2种：一种是以秸秆经纪人的形式收集；另一种是以专业秸秆收集公司进行收集。
1.秸秆经纪人 指秸秆需求企业从周边农村挑选有经济头脑、有启动资金的农民，培育为秸秆经纪人，专门负责秸秆原料的收集、晾晒、储存、保管、运输等任务，由一批秸秆经纪人负责为企业提供秸秆原料。秸秆经纪人一般采取两种方式收集秸秆：一是经纪人自己购买运输车辆并建立简单的储存场所，从农户手中收购秸秆，存放在储存场，定期向需要秸秆的企业供应原料；二是秸秆经纪人培育一些秸秆收购户，并定期预先给予收购户周转资金，用来收购秸秆、购买农用运输工具，由这些收购户以走村串巷收购的形式来收集秸秆，并负责直接运送到企业。由经纪人负责与企业定期结算，并与小散户们进行利润分红。具体运行模式如图2-1所示。
图2-1 分散型秸秆收储运模式
2.专业秸秆收集公司 指以专业秸秆收储公司为主体，负责原料的收集、晾晒、储存、保管、运输等任务，并按照发电企业规定的统一质量标准，对农户或秸秆经纪人交售秸秆的含水、含沙和霉变程度进行质检、称重、支付货款、打捆、堆垛、统一防潮、防火和保存。秸秆收储公司根据企业要求来调整秸秆收储量并按企业原料要求使用储存秸秆，及时、保质、保量运送秸秆到厂。秸秆收储公司对秸秆实行分散收集、统一储运管理。以现有农户或秸秆经纪人作为秸秆的主要收集者，将秸秆收集、晾晒后，按照收储公司的要求统一运送到秸秆收储点进行储存、保管。还有些收储公司通过培育秸秆农民合作组织，与合作组织签订合同，规定收购的数量、质量、价格等内容，由专业合作组织把分散农户组织起来，负责原料收集、预处理和小规模储存，然后根据需要定期运送到收储站，逐步形成从农民合作组织到秸秆收储公司再到发电企业这样一个秸秆收储运体系，保证了原料的长期有效供应。集约型秸秆收储运模式的具体运营如图2-2所示。
图2-2 集约型秸秆收储运模式
二、秸秆收集机械
由于人工收集的高成本直接影响了到秸秆后续利用，秸秆收集已成为影响秸秆后续利用的瓶颈，开发、推广集合收割、打捆一体化设备或专业的秸秆收割、捡拾、打捆机械，是秸秆综合利用的关键。针对不同作物秸秆的特点，目前已开发出大量自动化的秸秆收集、打捆机械。
1.棉秆
（1）棉秆铲切收割 常用机型有乌兹别克斯坦生产的KV-3.6 A型和KV-4 A型，由机架、挖根铲、栅状导向板、星形喂入轮及锥形齿轮减速器组成。机具作业时由拖拉机牵引，由挖掘铲深入底层中，把棉秆根切断，利用旋转星轮拨取棉秆，达到秆土分离，一般收获4行棉秆铺放成条，棉秆拔净率均接近99%。棉秆晒干后，由人工或打捆机打成捆以备用。此种技术的缺点主要是入土切割铲动力消耗较大、磨损严重，优点是对行距要求不严，挖根较彻底。
（2）棉秆刨挖收割 主要是采用对称倾斜双圆盘刨挖，这种技术类似于双圆盘开沟器的工作原理。典型代表如美国的Dave Koenig（图2-3）和Orthman（图2-4）棉秆刨挖机。Dave Koenig机型根据需要可分别收获 2、4、6、8行棉秆，对不同湿度棉秆适应性强。Orthman 机型圆盘角度和高度可调，为了减少运输幅度，拔秆机构可折叠起来。作业时，拔秆机构自动伸展，采用平行四连杆仿形，通常在拔秆机构后面安装切碎装置，实现棉花秸秆拔取与切碎还田。此技术相对于铲切来说，动力消耗相对减少，但是一般对行性要求较高。
图2-3 Dave Koenig棉秆刨挖机
图2-4 Orthman棉秆刨挖机
（3）棉秆拔取收割 采用45°倾角安装的橡胶对棍夹取。典型机型有澳大利亚的Muti拔棉秆机械（图2-5）和美国的AMADAS 棉秆拔取切碎收获机（图2-6）。Muti 拔棉秆机可以拔取8行棉秆，作业速度高达22千米/时，直接将棉秆平铺在地上。AMADAS棉秆拔取切碎收获机能够将棉秆连根拔起并切碎，作业行走速度快，即便是茎秆粗壮的秸秆也具有较高可靠性和稳定性，且设有传动安全防护措施。此种技术最大的缺点是对种植行距的标准性要求较高，对机手操作的熟练程度也要求较高。适合于标准化栽植的规模种植。
图2-5 Muti拔棉秤机
图2-6 AMADAS 棉秤拔取切碎收获机
2.玉米秸秆 国外玉米收获机的研究与生产技术已经成熟，目前美国、德国、乌克兰和俄罗斯等西方国家，玉米的收获已基本实现了全部机械化作业，多适合于一年一季种植，收获时玉米籽粒的含水率很低。大多数国家采用玉米摘穗并脱粒的收获方式，在秸秆处理上采用直接还田。针对玉米秸秆的回收利用，一般采用分段收获，将摘完穗的玉米秸秆调质、晾晒，再打捆成型。如通过玉米联合收割机作业（图2-7），将摘完穗的玉米秸秆切碎或调质，放置田间自然晾干，当秸秆降至合适的水分时，利用捡拾打捆机。该方式也仅限于一年一季的种植模式，农艺上能够允许留有足够的晾晒时间。
图2-7 玉米联合收割机
图2-8 玉米青饲收割机
我国玉米秸秆除了青饲收获（图2-8）、粉碎还田以外，秸秆收集主要以人工为主，机械化收集研究刚刚开始。玉米秸秆粗壮、节硬、表皮密实，在摘穗时水分含量较高，不适宜直接打捆，是影响玉米秸秆机械收获的关键因素。现有的研究技术主要集中在固定式打捆，主要是用于废品收集的液压式打捆机，人工上料，人工穿绳捆扎，能够生产5～8捆/小时，人工劳动强度极高，生产率太低，成本高。
3.小麦秸秆 我国目前对小麦秸秆的处理，一种是直接粉碎还田，另一种是与国外基本一致，采用分段式收获。现在秸秆收获普遍使用的设备是捡拾圆打捆设备和小型捡拾方打捆设备为主。我国东北地区，地块大，小机型效率低，缺乏高效的装备。华北一年两熟地区，这种情况是部分实行套种，小麦收获后，小麦秸秆大部分散落在田间，而此时二茬作物玉米已经长出，小麦收获机不能低茬收割，秸秆覆盖在玉米苗上，收集小麦秸秆的打捆机械在田间作业较困难，大多数情况是随着小麦跨区作业的成功实施，小麦收获期缩短，实现了小麦收获后抢茬种植玉米，但秸秆如何尽快运出田间成为难题。另外，由于各地耕作模式不同，因此关于小麦秸秆收集，国内不可能沿用一种技术工艺路线，更不能照搬国外的工艺技术，必须研究开发出符合我国国情的捡拾打捆系列设备（图2-9、图2-10），研究如何增加小麦联合收割机的秸秆收获功能，在完成小麦收获的同时，实现秸秆的收集，满足种植与秸秆直燃发电、气化、液化、建材利用等工业化原料供应。
图2-9 秸秆圆打捆设备
图2-10 秸秆方打捆设备
4.秸秆收割打捆一体化设备 秸秆收割打捆一体化设备一般由拾草器、秸秆输送装置和液压系统组成。秸秆收集的流程是：拾草器滚筒转动，其筒壁上的弹齿将秸秆从地上捡起，向上转动，运送至上挡板；挡板将秸秆刮下集中，弹齿继续向下运动进行下一个循环。拾草器上端设计螺旋推进装置，将捡起集中的秸秆推送到车厢一端的输送带，输送带将秸秆送入秸秆收集箱。当收集箱中秸秆堆积到一定程度时，触动压力传感器，压缩油缸推动压实板向后运动（如图2-11中虚线所示），将秸秆进行一定程度的压实，以增加后续秸秆送入秸秆收集箱的空间体积。通过自动控制系统控制，这一工作如此间断循环进行。秸秆收集箱收集到一定紧实度后，压力传感器发出信号，此时可停止秸秆收集工作。秸秆收集过程中的压缩工作由电气系统控制电磁阀液压系统实现。
图2-11 秸秆收割打捆一体化设备结构示意图
第二节 秸秆储运
一、储运的场地及设施
（一）秸秆储运的选址与布局
（1）秸秆燃料堆场应设置在企业、居民居住地全年风向最小频率的上风侧。
（2）秸秆燃料堆场应远离生产区、生活区。一般要求：储量在2万吨以上的大型秸秆燃料堆场，与生产区、生活区的距离应在100米以上；2万吨以下的中小型秸秆燃料堆场，与生产区、生活区的距离应在50米以上。
（3）秸秆燃料堆场应具备充足的消防水源和畅通的消防车道。
（4）秸秆燃料堆场距场外道路边不应小于15米，距场内主要道路路边不应小于10米。
（5）秸秆燃料堆场地应当平坦、不积水，垛基需比自然地面高出30厘米。
（6）秸秆燃料堆场应当设置警卫岗楼，其位置要便于观察警卫区域。岗楼内要安装消防专用电话或报警设备。
（7）秸秆燃料堆场四周应当设置围墙或铁刺网。墙（网）高度不低于两米，与堆垛之间的距离不小于5米。
（二）秸秆储运设施
1.电气设备
（1）秸秆燃料堆场的消防用电设备应当按二级负荷供电。
（2）秸秆燃料堆场内应当采用直埋式电缆配电。埋设深度应当不小于0.7米，其周围架空线路与堆垛的水平距离应当不小于杆高的1.5倍，堆垛上空严禁拉设临时线路。
（3）秸秆燃料堆场内机电设备的配电导线，应当采用绝缘性能良好、坚韧的电缆线。秸秆燃料堆场内严禁拉设临时线路。
（4）秸秆燃料堆场内宜选用防尘灯、探照灯等带有护罩的安全灯具，并对镇流器采取隔热、散热防火措施。严禁使用移动式照明灯具。
（5）照明灯杆与堆垛最近水平距离应当不小于灯杆高的1.5倍。灯杆宜采用水泥杆。
（6）秸秆燃料堆场内的电源开关、插座等，必须安装在封闭式配电箱内。配电箱应当采用非燃材料制作。使用移动式用电设备时，其电源应当从固定分路配电箱内引出。
（7）电动机应当设置短路、过载、失压保护装置。各种电器设备的金属外壳和金属隔离装置，必须接地或接零保护。门式起重机、装卸桥的轨道至少应当有2处接地。
（8）在秸秆燃料堆场内作业结束后，应当拉闸断电（不含消防供电）。秸秆燃料堆场使用的电器设备，必须由持有安全操作证的电工负责安装、检查和维护。
（9）消防用电设备应当采用单独的供电回路，并在发生火灾切断生产、生活用电时仍能保证消防用电。
2.避雷设施
（1）秸秆燃料堆场应当设置避雷装置，使整个堆垛全部置于保护范围内。
（2）避雷装置的冲击接地电阻应当不大于10欧姆。避雷装置与堆垛、电器设备、地下电缆等要保持3米以上距离。
（3）避雷装置的支架上不准架设电线。
3.消防设施
（1）秸秆燃料堆场应当按照有关规定设置消防设施，配备消防器材，并放置在标志明显、便于取用的地点，由专人保管和维修。寒区秸秆燃料堆场的消防水池、消火栓、灭火器，在寒冷季节应当采取防冻措施。
（2）秸秆燃料堆场消防用水可以由消防管网、天然水源、消防水池、水塔等供给。有条件的，宜设置高压式或临时高压给水系统。
（3）消防给水管道、消火栓、消防水池的布置应当符合《建筑设计防火规范》的有关规定。
（4）利用天然水源供给消防用水时，应当确保枯水期最低水位消防用水的可靠性。一般吸水点不少于2处，储量大的秸秆燃料堆场，吸水点不少于4处，并至少能同时停靠2辆消防车。
（5）秸秆燃料堆场的消防用水量不应小于表2-1规定。
表2-1 消火栓用水量
（6）秸秆燃料堆场区消防车通道的宽度应当不小于6米。通道上空遇有管架、栈桥等障碍物时，其净高应当不小于4米。
（7）每个堆场的总储量超过5000吨时，需设置环形消防车道或四周设置宽度不小于6米且能供消防车通行的平坦空地。
（8）秸秆燃料堆场每个占地面积超过25000米2时，需增设与环形消防车道相通的中间纵横消防车道，其间距不超过150米。
（9）环形消防车道应当至少有2处与其他车道连通。尽头式消防车道应当设回车道或面积不小于15米×15米的回车场。
（10）消防车道下的管道和暗沟，必须能承受通行消防车的压力。
4.运输设施
（1）秸秆运输车辆的车型无规定，但车辆尺寸不得超过14米×3.5米，装载全高不得超过4米，装载总重不得超过50吨。推荐采用13米运输车辆。
（2）建议配备电子汽车衡用于秸秆运输车辆的称重及重量统计，称重重量不低于50吨，称重分度不高于20千克，静态精度至少应达到Ⅲ级。
（3）秸秆运输车辆进入秸秆燃料堆场时，易产生火花部位要加装防护装置，排气管必须戴性能良好的防火帽。严禁机动车在秸秆燃料堆场内加油。
（4）常年在秸秆燃料堆场内装卸作业的车辆要经常清理防火帽内的积炭，确保性能安全可靠。
（5）场内装卸作业结束后，一切车辆不准在秸秆燃料堆场内停留或保养、维修。发生故障的车辆应当拖出场外修理。
二、储存场地管理
（一）捆型秸秆的储存
（1）对准备码垛存放的秸秆燃料要严格控制水分。码垛时，稻草、麦秸、玉米秆含水量不应超过20%，并做好记录。
（2）秸秆堆垛的长边应当与当地常年主导风向平行。
（3）秸秆燃料堆场每个总储量不得超过20000吨。垛顶披檐到结顶应当有滚水坡度。堆垛储量、规格及间距应当符合规定。
（4）水稻稻秆、小麦稻秆等易发生自燃的原料，堆垛时需留有通风口或散热洞、散热沟，并要设有防止通风口、散热洞塌陷的措施。发现堆垛出现凹陷变形或有异味时，应当立即拆垛检查，并清除霉烂变质的原料。料棚的长、宽和高要符合国家相关标准的有关规定，同时要便于相关作业机械作业高度和安全作业范围的要求。料棚地面应进行硬化处理，强度应能保证机械作业强度要求，且不能损坏。为保证捆型稻秆在储存过程中散失的水蒸气和挥发分的及时排除，料棚应采用敞开式结构，应能满足通风通畅要求，秸秆捆与料棚顶部内表面保持一定的距离。料棚的面积、防火等级、防火间距及疏散要求应符合国家标准《建筑设计防火规范》。料棚地面水平应高于其外围自然地表水平，防止雨水或洪水等漫过仓库地面使稻秆吸水，致使结秆发霉变质，影响稻秆品质；仓库屋顶外缘与稻秆堆外边应有一定的相对距离，减少雨水对秸秆的浸湿，同时要保证仓库屋顶不漏水。此外，料棚还应设置防雷装置。
（二）散料堆垛管理
1.垛号 当棉秆在料场卸载、堆积成操后，料场管理人员应对每个躲编号，并在堆操上悬挂号码牌，号码牌上应记录：垛号、品种、尺寸、重量、温度、堆垛日期、责任人，以便日后管理。
2.垛排列 稻秆堆垛的长边应当与当地常年主导风向平行。不同列的垛沿盛行风方向应相互错，两列之间应留有10米的消防通道，两垛之间也应留有8～10米的间距，如图2-12所示，发生火灾时，可减少损失。
图2-12 棉秆垛的排列方式
3.堆垛的重量 料场管理人员可通过测试棉秆操的垛长、垛宽、垛高，并结合棉秆容重175～200千克/米3估算出棉秆垛的重量，合理安排稻秆上料情况。
4.棉秆堆垛温度监测及处理方式 堆垛时，在棉秆垛主体的内部均匀地布置温度测点，放入镀锌钢管，管口直径100～150毫米，长300～500毫米，钢管管壁均匀地打孔，在钢管内放入温度传感器。当棉秆含水率≤25%时，一般每隔10米布置一个温度测点；当棉秆含水率≥25%时，一般每隔5～6米布置一个温度测点，以达到温度的实时监测。平时，料场管理人员每天应做好温度的定时监测记录。当温度上升到50～60℃时，要采取预防措施；当温度＞60℃时，应立即用铲车拆散堆垛散热，并做好灭火准备。
第三章 秸秆直燃技术
第一节 秸秆节能灶
一、传统灶具与节能灶
（一）传统灶具及弊端
我国农村居民生活用能70%以上依靠薪柴、秸秆等生物质燃料。农村生活用灶的热效率低，往往达不到20%。导致热效率低下的原因主要体现在以下几方面：
1.通风不合理 它是传统灶体的主要弊端之一，传统灶体没有炉箅，由于没有独立通风道，添柴口既是燃料的进口也作为通风口，从添柴口进入的空气不能直接通过燃料层与燃料调和均匀，因此燃料不能充分燃烧，出现燃烧不尽的现象。
2.灶台高、吊火高 传统灶体单纯考虑做饭方便和添柴省力，灶台搭建过高，锅脐与地面的距离很大，火焰外焰不能充分接触锅底，大量的热能都流失掉了，热能有效利用率低。
3.添柴口过大、灶膛过大 烟道口过大使灶内火焰不集中、火苗发红、灶膛温度低，由于抽力火焰在灶膛里停留时间较短，增大了燃烧热能辐射损失，使很大一部分热量从灶门和烟道口浪费掉。加之添柴口无门，大量的冷空气从炉门进入灶内，降低了灶内温度，影响了燃烧效果，增大了散热损失。
4.没有余热回收装置 烟气排出去时带走了很大一部分的热量，使燃料的热量不能充分被利用。
（二）节能灶
节能灶按照燃烧和传热的科学原理，对灶的热平衡和经济运行进行了优选，结构比较合理，通风比较良好，燃料燃烧更加充分，灶热能利用率达到50%左右，在省燃料、省时间、使用方便、安全卫生等方面具备显著的优势。
1.加装炉箅，炉膛下设独立通风道（清灰口），并安装挡风装置（挡板）添柴口和通风口分离，空气从独立的通风口进入，经过炉箅直接通过燃料层，与燃料调和均匀，保证燃料充分燃烧，燃烧效率大大提高。
2.适当降低吊火高度 通风口下采用加高垫层的方法，在不降低灶台高度的前提下，降低吊火高度，使火焰外焰充分接触锅底，提高热能有效利用率。
3.缩小加柴口和灶膛，并在添柴口设置炉门 使灶内火焰集中，提升灶膛温度，减少燃烧热能从炉门辐射损失。
4.部分节能灶设有余热回收装置 在灶膛或烟道周围安装水箱等集热装置，达到充分利用热能的效果，同时，改变了以往节能灶作用单一的问题，实现了炊事、洗浴、取暖的多用性。
在工作时，除了添置新料外，尽量减少进料口的打开次数，只有在内部空气不足以燃烧时才打开进料口，通过控制空气进入量，来达到薪料充分燃烧利用。由于燃料种类的不同和加柴量的不同，最佳空气供应量会发生变化，在实际使用过程中还应当根据燃烧室内火焰的状况来调节挡板的开度。
二、节能灶的设计
（一）节能灶的类型
我国农村，各地根据当地的生活习惯、传统文化和经济条件，有许多种类型的节能灶。节能灶按不同的标准可分为以下几类：
（1）按照建造方式，可分为手工砌筑灶和商品化灶。商品化一般带热水，有水箱、烟管。
（2）按通风助燃方式，可分为自拉风灶和强制通风灶（带风箱或风机）。
（3）按烟囱和灶门相对位置的不同，可分为前拉风灶（烟囱口和灶门在同侧）和后拉风灶（烟囱口和灶门在对侧）。
（4）按锅的数目，分为单、双、多锅灶。
（5）按燃料的不同，分为硬柴灶和软柴灶。
（二）节能灶的技术要点
农村节能节煤灶应遵循以下设计原则：一是具有优良的炊事功能；二是排入室内的污染物最少；三是要能够适应多种嫩料并且节能节煤；四是结构适应使用习惯，美观、卫生和安全；五是北方寒冷地区应有余热为室内空间加热；六是投资少而结构耐久。
1.技术路线（工艺流程）为了提高柴灶的热效率，尽量减少热损失，以便达到节能、省时的目的，就必须弄清楚燃料在柴灶内燃烧过程中所产生的各种热量的具体去向，并有针对性地进行改造。根据柴灶的结构和特点，柴灶的热损失主要有排烟热损失、化学及机械不完全燃烧热损失、灰渣带走的热损失以及灶体、锅体的蓄热等。
从灶型的结构方面来看，老式柴灶结构不合理，燃烧不完全，保温性能差，热损失大，所以热效率低。其主要缺点是：“两大”（灶门大，灶膛大）、“两无”（无烟囱，无灶箅）、“一高”（吊火高，一般在30厘米左右）。而节能灶与老式柴灶相比，具备了“两小”（灶门和灶膛较小）、“两有”（有灶箅和烟囱）、“一低”（吊火较低）的优点，结构比较合理，有一个完整的通风系统，能得到较充分的燃烧。由于设置了保温层，增加了拦火圈，延长了高温烟气流在灶膛里的回旋路程和时间，从而使热损失减少，热效率提高，既节能又省时间，并且安全卫生，使用方便。根据全国各地的测试与调查，节能灶一般比老式柴灶节能1/3～1/2，节约时间1/4～1/3。
从热力学原理来看，节能灶基本达到了节能的3个条件：一是能将燃料充分燃烧，使燃料中的化学能比较完全地转化为热能；二是传热保温效果好，使有效利用的热值较大，散热的热值较小；三是余热能较好利用，尽可能减少排烟余热和其他热损失。这就是节能灶能够节能的重要原因。
2.主要技术环节及要点
（1）各部件和设备的特点 节能灶基本结构包括灶体灶膛、进风道、灶箅、烟囱等。
（2）技术的主要性能参数 根据我国各地农村的生活习惯和烹饪方法，节能灶一般应具备以下性能特点：
①点火容易起火快。例如烧开水或食物加工过程中的加热，为了提高水或食物的温度，要求点火容易、起火快、省时、省工。
②持续加热效能高并温度可调。炊事过程中，需要在一定温度下，持续加温一段时间，且温度可调。例如蒸、煮、炸食物时，三者所不同的仅在于维持的温度不一样，用油炸需要的温度要比蒸煮时的高。
③安全卫生和保温性能好。直接利用辐射热和传导热加工食物，例如烤、烙、炒食物时，需要柴灶灶口不冒烟，灶膛保温，余热可利用。
④热效率高。一般节能灶的热效率要在25%以上，而新建的节能灶则要求热效率要高于30%，并能适应当地基本生活用能要求。
（三）节能灶的结构（图3-1）
（1）烟囱位 发烟囱最好设置在房脊，并高出房脊0.5米以上。
图3-1 节能灶剖面结构图
（2）增加炉箅 为使燃烧桨薪、煤炭所需空气的供给方式适宜，减少进人灶门的空气，增加透过柴薪层的空气，提高灶膛温度，一般炉箅位置如图3-2所示。
图3-2 节能灶体结构示意图
图3-3 节能灶的炉箅
为了增加进风面积、较易清除灰渣和防止未嫩尽柴草及煤落人灰室，一般采用如图3-3所示炉箅的结构形式，并适当缩小灶门，以免过多的冷空气进人灶膛。
（四）燃烧室的设计
（1）要确定好形状 燃烧室的形状主要有柱状、锅底形、月牙形和弧形。柱状结构最简单，而弧形燃烧性能最好，可根据当地使用习惯选择确定。
（2）确定燃烧室容积 上口直径一般取锅上直径的60%～70%，燃烧室高度应根据当地用户对热负荷的要求和使用习惯正确设计。高度过小，每次添柴草少，使用不便，同时也会因燃烧室容积过小而使柴草燃烧不完全；高度过大，则火力分散，灶膛温度过低，影响燃烧和传热。
（3）增加拦火 拦火具有使烟气流动阻力和烟囱抽力相匹配，避免挥发成分在不完全燃烧情况下被抽走，引导烟气回绕锅底较长时间，使燃烧和传热时间充分的作用。拦火即控制锅底和燃烧室上沿间形成的间隙，促使较多的烟气从灶门处较大的间隙进入回烟道，然后再迁回锅底进入烟口的方法。
总之，节能炉具、节能节煤灶设计要同时具有好烧、供热强度充足、节能节煤和使用方便等特点。
（五）节能灶的外部施工
（1）砌灶体 灶体主要起保温和承担锅台重量的作用。灶体内径大小可以这样确定：即用燃烧室的内径加上燃烧室结构的双边厚度，再加上保温层厚度，3项之和就是灶体的内径尺寸。灶体外表应做得整齐、面平，以利于粉刷。
（2）砌灶门 灶门的作用是添加燃料和观察燃烧情况，其位置应低于出烟口3～4厘米，若高于出烟口，就会出现燎烟现象。一般农村的灶门高12厘米、宽14厘米，烧草的灶门可大一些，烧煤的灶门可小一些。为了防止热能从灶门散失掉，灶门上应安装活动的带有观察孔的挡板。
（3）砌灶台 通常把灶台突出灶身4～8厘米，做成一种滴水边，既方便使用，又美化了灶形。砌灶台时还要注意内口留出3～4厘米，以便做锅边。
（4）抹锅边 锅边是紧贴和托起铁锅的结构，常用硬泥或混合泥做成。一般大锅的锅边厚度为25～30厘米，抹锅边为20～25厘米，小锅、特小锅15～20厘米。抹锅边时，应边抹边用锅试，力求抹严、不跑气；锅沿超出灶面的高度要控制在3厘米以内，以便增大锅的受热面积。
（5）砌烟囱 烟囱具有一定的抽力，可以保证燃烧室内进入充足的空气，并将燃烧过程中产生的废气排到大气中。户用炉灶的烟囱高度在3米左右，出口内径为12～18厘米。在烟囱的适当位置上要设置闸板，以控制调节烟囱的抽风量，在烟囱的基部要留掏灰孔。如果采用预制结构烟囱，内径不得小于16厘米。一般情况下，烟囱应高出屋脊0.5米。
（6）粉刷 粉刷要在炉灶测试合格以后进行，一般灶台面、出烟口等部位最好使用1∶3的水泥砂浆粉刷。灶台面如贴瓷砖，一般应在灶的各种性能达到技术要求且灶体阴干后进行。
（六） 灶的内部施工
（1）砌进风道 风道的高度和宽度都可取锅径的1/4，纵深与炉箅里端平齐。其底部大多砌成斜坡式的，以增强引风效果。进风道应砌得坚固耐用，内壁平滑无缝，以减少进风阻力。
（2）安装炉箅 安装炉箅前，先在进风道上量出锅底中心线，以此为基础确定炉箅的偏移量和倾斜度。后拉风灶的炉箅安装位置是以锅脐为中心，炉箅总长的1/5～1/3朝向烟囱，2/3～4/5背向烟囱，炉箅的安装角度从外向里倾斜12°。前拉风灶的炉箅可以平放。烧柴草的炉箅要横放于灶膛，这样可以减少柴草的不完全燃烧损失。烧煤灶的炉箅可顺放，以便于清除灰渣。
（3）填加保温材料 炉箅放置好之后，就可在周围填加配制好的保温材料，边加边捣实。材料一般选用草木灰、锯末、煤灰等，有条件的可选用矿渣棉和珍珠岩等。
（4）抹制燃烧室 燃烧室是指围着炉箅上方到拦火圈之间的空间，宽120～140毫米，高60～80毫米，其上口内缘与锅底之间留出50～60毫米的间隙。砌筑燃烧室除可用珍珠岩等商品材料外，一般宜用红砖、蓝瓦、混合泥等。应将燃烧室的底面制作与炉箅安装结合起来，否则施工麻烦。
（5）砌拦火圈 拦火圈是燃烧室上部和锅壁之间的部位。其作用是调整火焰和烟气的流动方向，合理控制流速，以提高热效率。拦火圈的施工在砌好灶体，抹制好燃烧室，充填保温层到燃烧室上端，并将填科压实抹平之后进行。拦火圈可用黏土掺麻头或头发等材料制作。如煤灰50%、黄泥25%、水泥5%、头发或麻头20%，加食盐水少许混合。将拌和好的硬泥抹成锅底或台阶形初坯，其厚度不得少于4～5厘米。把铁锅放上去用力压一压，并旋转几下，然后取出铁锅，对初坯进行修整。拦火圈与锅底的间隙要严格控制。在靠出烟口方向留0.5～1厘米，然后向两侧逐渐将间隙加大，到出烟口对面为2～4厘米。
（6）砌回烟道和出烟口 回烟道的主要作用是增加高温烟气在锅底周围回旋的路程和时间。回烟道有两种：一种是明烟道，即在拦火圈外壁与灶体内壁间砌成深3～4厘米、宽5～8厘米的烟道；另一种叫暗烟道，砌在灶膛外面与灶体之间，深12厘米，宽13～14厘米。出烟口面积大于或等于炉箅有效通风面积。经验尺寸是：宽等于或稍大于灶门的宽度，高约等于或略大于灶门宽度的一半。出烟口应位于灶膛的最高处，其上沿低于锅台面3～4厘米。
（七）其他节能灶
（1）水箱式节能灶 水箱式节能灶是目前普遍采用的节能灶，主要特点是炉灶体采用中空结构，里面充满水构成一个大水箱，在烟囱管道外面也包绕着一个水箱，这些部位都能接触到很高的热能，炉灶在应用的同时，2个水箱也烧开大量的热水，实现了一灶两用，与传统的节能灶相比，节约燃料5倍以上。为了克服水箱保温效果差，热水只能即热即用的缺陷，也可配合采用独立的保温水箱，延长热水的供应时间，同时防止灶体水箱的散热损失，提高灶的热效。
（2）太阳能秸秆节能炉 在水箱式节能灶上加装太阳能热水器，可利用来自太阳能热水器的温水，使该炉具既可以用作炊事炉具，又可以用作取暖工具。同时，还具有提供热水的功能，克服现有炉具功能单一的缺陷，方便生活的需要。由于所使用的能源为农作物废弃物，且部分采用太阳能的能源，所以，具有较少污染，节约能源的优点。
（3）炕连灶 炕连灶一般有省柴灶、进烟口、炕洞、炕面、炕墙、炕檐、垫土层、出烟口和烟囱等部分组成。在采暖期，燃料投入灶内，即可做饭，同时高温烟气通过进烟口进入烟洞一端，在炕洞中高温烟气进行均匀分流，把热流传给炕面，在炕洞另一端烟气汇合通过炕的烟囱排出。在非采暖期，灶内的烟气，不经过炕洞而直接从烟囱排出。现阶段，我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。这种能源消费结构在相当长的时期内不会发生质的变化，因此在农村，特别是偏远山区，生物质炉灶仍然是农民炊事、取暖的主要生活用能设备。
三、节能灶的应用
推广省柴节煤炉、灶、炕始终应该是我国农村节能减排工作的重点，适合于我国绝大多数农村地区。东部和中部部分地区，越来越多富裕的农民今后将以工厂化商品煤炉或者生物质炉并配套使用液化石油气，作为日常生活的炊事及取暖用具；西部地区和少数中部地区的农民则将仍以传统的省柴灶和节煤炉为主；在北方大部分地区，仍有很多农产冬季取暖需采用节能炕。
第二节 秸秆锅炉直燃技术
一、秸秆直燃锅炉
（一）秸秆直燃锅炉开发的国内外现状
目前，英国、荷兰、丹麦等国家已采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电联产。我国秸秆直燃供热技术起步较晚，适合我国农村特点的、运行费用低于燃煤锅炉的小型秸秆直燃锅炉的研究正加紧进行。
生物质直燃技术完全以生物质为燃料，燃烧设备针对生物质的特性进行专门的设计，辅助以整套的生物质储运预处理以及给料设备，可以实现大规模连续的生物质燃烧转化利用，是生物质能利用的重要方式。从技术现状分析，目前的生物质直燃技术可以分成2个层面。首先是针对低碱优质生物质燃料的直燃技术，这种利用技术的发展在全球范围，特别是北美和欧洲已经有较长的历史，也拥有大量的工程实践。例如美国2002年统计，这种技术层面燃烧生物质的发电装机容量有5886兆瓦，其主体是众多木制品企业拥有的小型生物质直接燃烧热电站，燃烧形式包括悬浮、炉排和流态化等各种类型。我国也有很多的类似应用，比较典型的有广西等地大量的蔗渣燃烧锅炉，各个锅炉厂都有开发生产业绩的燃用稻壳、木加工厂下脚料的直燃锅炉等，炉型以炉排炉为主，也有采用流态化燃烧技术的，容量一般在35吨/小时以下。这类燃烧技术需要考虑生物质的物理特性以及高挥发分、低灰分等燃烧特性，但是由于燃料中无机杂质很少，不需要过多考虑生物质含钾含氯带来的灰熔点低、受热面容易沉积以及高温腐蚀等问题。该类燃烧技术的关键在于成熟的给料以及恰当的炉膛设计，能够根据生物质特性组织好炉内生物质的挥发分燃烧和半焦燃尽即可保证燃烧质量。
对于我国，生物质的主体是农作物秸秆，属于高碱生物质燃料，而木质燃料和稻壳、蔗渣等的资源量很小且受地域限制较大，因此更为关注针对高碱生物质燃烧利用的秸秆直燃技术，从全球范围看，目前秸秆直燃主要的技术代表是丹麦的秸秆水冷振动炉排炉直接燃烧技术。除了丹麦，奥地利等国也有其他不同类型的高碱生物质燃烧的技术，但是从工程实践经验的积累上还有欠缺。
针对我国生物质资源现状，从2005年开始，随着《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施，我国大力促进秸秆直燃发电产业的发展，各种技术流派相继涌现，从技术层面看主要有引进技术、引进技术消化改进技术和国内自主开发技术三类。中国引进的主要是丹麦的水冷振动炉排秸秆直燃技术，该技术针对秸秆等高碱生物质燃料特点开发，具有特殊设计的炉排可保证炉排上生物质燃料的燃尽以及低熔点灰渣的排除，炉膛和受热面的设计也充分考虑了生物质灰渣熔融以及生物质无机杂质带来的高低温腐蚀问题。该技术引进后除了燃料预处理和给料在适应国内燃料品种品质变动方面存在一些问题外运行情况良好，但是高昂的价格是阻碍其推广的主要因素。我国秸秆直燃技术中的引进技术改进型主要指以丹麦技术为基础结合各锅炉生产厂家对秸秆燃烧过程的理解开发的国产炉排秸秆锅炉，这些锅炉大多数也采用水冷振动炉排的基本形式以及自主开发的燃料预处理和上料系统，由于价格低廉目前在国内市场占有率较高。该类技术存在的问题是由于缺少经验积累和实践经验，各示范工程或多或少存在各种问题，例如给料、炉排结构和排渣等，在一定程度上影响机组的正常运行。但是应该看到，随着工程项目推进，经验的积累，一些设计上的缺陷正在逐步被克服，锅炉的运行质量正在逐步接近国外进口技术。最后一类是新开发的秸秆燃烧技术，其主要的代表是基于循环流化床的秸秆燃烧技术，循环流化床技术应用于高碱生物质燃料的燃烧在国际上尚无先例，国内相关研发单位在对秸秆燃烧特性和碱金属问题进行了较深入研究的基础上，提出了创新的燃烧组织思路和特殊设计的秸秆流化床直燃技术路线，该技术经过示范工程的验证运行，目前正处于推广阶段。由于该技术利用流态化的低温燃烧特点抑制秸秆燃烧中的碱金属问题，同时能很好地适用于中国生物质燃料品质变化大和预处理程度低的特点，具有非常强的生命力，有望在各方面赶超国外同类进口技术。
（二）直燃锅炉设备——秸秆水冷振动炉排炉
丹麦开发的水冷振动炉排技术主要针对麦秆。麦秆收割后要打包成0.5吨左右的麦秆捆，储存，最后由皮带输送到炉前。秸秆进炉燃烧一般有2种：一是将麦秆捆送入炉膛，同时将破碎的秸秆以抛撒或者风力输送的方式送入炉膛燃烧。燃烧后散落或者未燃尽的麦秆、半焦等在炉排上继续燃烧。另一种是炉前破碎后入炉燃烧，国内一般多采用这种模式。为了防止结渣产生并提高燃烧效率，炉排采用水冷振动炉排，这也是丹麦技术的独特之处。丹麦技术示意图见图3-4。
图3-4 丹麦水冷振动炉排技术示意图
国内锅炉厂家根据我国秸秆直燃实际情况对引进的丹麦技术进行了改进。这些技术基本采用水冷振动炉排的形式，并且自主研发了燃料预处理系统、给料系统以及排渣系统。
1.主设备 生物质燃料主要分黄色秸秆和灰色秸秆2大类，接近草质类的如小麦、玉米、稻草秸秆等称之为黄色秸秆，接近或为木质类的如棉花秸秆、灌木、果木枝条、木片等称之为灰色秸秆。针对黄色秸秆和灰色秸秆的不同物理特性，分别采用正置和倒置水冷振动炉排。
燃用黄色秸秆，锅炉采用正置水冷振动炉排；燃用灰色秸秆，锅炉采用倒置水冷振动炉排。它不同于国内的链条炉排和往复马丁炉排，水冷振动炉排由宽鳍片模式水冷壁组成，鳍片上开孔用来通过秸秆燃烧所需的一次热风，炉排通过弹性水管与水冷壁和集箱相连。根据锅炉大小，炉排由或多或少几片单独的振动炉排组成，由变频电机传动的类似于凸轮装置的机构驱动炉排振动并控制其振动频率。
由于秸秆锅炉烟气温度较低，一般不超过1000℃，锅炉采用单炉膛、多烟道的布置形式，烟道中布置大量的对流受热面以保证蒸汽的温度足够高。为防止空预器的低温氯腐蚀，其空气加热系统采用介质间接加热方式，尾部烟道布置有烟气冷却器，送风机出口布置有空气加热器，通过给水在两者之间的循环，加热空气并冷却烟气，有效地解决了烟气冷却器低温段的结露腐蚀。
锅炉不采用悬吊而是支撑式安装，汽包通过两端的下降管支撑；炉顶安全阀排气管道由安装在两侧水冷壁上集箱上的钢架负责支撑。这些都不同于国内传统的全悬吊锅炉形式，安装工艺要求很高。
在运行中对水冷振动炉排的频率控制是关键，频率过低，清渣不畅，炉排会大面积结渣；频率过高，秸秆燃烧不充分，甚至会造成连接弹性管破裂。由于经验不足，就曾出现炉排结渣和弹性管根部振裂爆管事故而导致的停炉，给生产带来了不安全因素，造成了经济损失。不过随着运行经验的不断丰富，这些难题都顺利得到解决。
2.炉前给料系统 国外技术的给料装置对于不同特性的秸秆采用不同的方案。对于稻草和小麦秸秆，采用成捆上料，秸秆捆在料仓顶部被双螺旋装置撕碎推至料仓，通过料仓底部的螺旋给料装置推送到炉排上燃烧；对于玉米秸秆和灰色秸秆，为防止给料装置堵料，需要对其进行破碎后再上料，但玉米秸秆的给料装置又不同于灰色秸秆，其为两级螺旋给料，料仓底部有一级给料机，再经落料口到二级给料机送至炉排，给料机与锅炉水冷壁接口处有水冷套，防止给料机出口超温和火焰反窜；对于灰色秸秆，给料系统则由料仓、螺旋取料机、一级螺旋给料机、螺旋分配机、二级给料机和脉冲式配风装置组成，螺旋取料机设在圆形料仓底部，螺旋装置同时自传和公转，将料仓底部秸秆均匀收集到出口进入一级给料机，由一级给料机送到分配机，分配机再将秸秆分配给多个二级给料机，秸秆在二级给料机出口处，由脉冲配风装置将其送到炉排靠炉膛后墙的位置上。为了防止棚料，生物质燃料的料仓没有采用锥形的，一般都是采用桶形或倒锥形，并且料仓底部满布取料装置。
3.输料系统 活底料仓采用往复式给料，广泛用于木材加工行业的木片输料系统，但在秸秆发电是首次采用。仓底满布钢架焊接的篦子，液压油缸推动篦子往复运动，利用篦子与秸秆的摩擦力将其推送到导料槽。由于破碎的秸秆藕断丝连，流动性极差，并且含土量大，活底料仓运行一段时间后，仓底沉积的浮土将篦子空隙填满了，篦子无法把秸秆带出料仓，设备出力不能满足要求。后来厂家通过设备改造，把篦子上的倒齿加高，问题得到了解决。
事故料斗给料机采用多排对称正反螺旋结构给料，设备跨在皮带输送机上，料斗中部是落料口，两侧同轴上设有正反螺旋，通过螺旋轴旋转，将秸秆向料斗中部推进，通过落料口送到皮带上。料斗底部平行设置了多根螺旋轴，螺旋之间安装有导料角板，料斗中部落料口上方也安装有导料角板。实际运行中多次出现棚料现象，需要人工进行拨料。主要原因就是角板将秸秆团担空了，无论下面螺旋如何旋转，就是不落料。后来经过厂家同意，把角板全部去除，并且在螺旋端部安装了拨料杆，大大降低了棚料现象。另外，也是由于螺旋装置存在死区现象，层多次堵料导致齿轮打齿，后通过消除死区将该问题解决。
斜板犁式卸料器在犁料式出现过在斜板处堆料散落现象，后对犁板进行了加高，但效果并不理想。主要是忽略了秸秆流动性差的特性，若犁板与皮带角度能够小于秸秆流动角，应该会缓解这一现象。目前还没有针对秸秆输料特别设计的卸料器，设计院在设计过程中应尽可能减少输料系统中分配环节，若无法避免，可考虑采用大倾角挡板三通或螺旋分配装置进行配料。
另外，浙江大学循环流化床燃烧技术方案已经在宿迁生物质发电厂实施应用，这是世界上第一台具有自主知识产权的纯烧秸秆的循环流化床锅炉。宿迁生物质发电厂于2007年年初并网发电并成功运行。除了浙江大学以外，国内还有一些机构进行生物质循环流化床锅炉的研发，如哈尔滨工业大学就与长沙锅炉厂合作研制了多台生物质流化床锅炉，可以适用于甘蔗渣、稻壳、碎木屑等多种生物质；武汉凯迪控股有限公司自主开发了生物质循环流化床锅炉；中国科学院和济南锅炉厂也在合作开发燃用生物质的循环流化床锅炉。另外，太原锅炉厂、泰安锅炉厂都已自主开发了生物质循环流化床锅炉。
二、秸秆直燃供暖
秸秆直燃供暖在我国起步较晚，2013年我国首次尝试使用秸秆直燃供暖设备供暖，河北省平泉县卧龙镇八家村在新民居投资208万元建成了国内首家秸秆直燃锅炉供暖系统，该锅炉技术从波兰引进，主要燃料为当地玉米秸秆，经过简单的打捆进行直接燃烧，共为八家村新民居148户居民及相关办公用房供暖，供暖面积近4万米2。经过测试该锅炉一个取暖期燃用秸秆2000多吨，可以消纳全村年90%以上秸秆产量，相对于燃煤锅炉年取暖费用节约10多万元。
在燃料资源日益紧缺，而秸秆资源在大量浪费的同时带来巨大环境压力的背景下，秸秆直燃供暖技术具有广阔的发展前景。
三、秸秆直燃发电
（一）直燃发电技术介绍
我国的生物质发电行业还处于起步阶段。截止到2006年，我们的生物质发电装机容量在2000兆瓦左右，包括1700兆瓦的甘蔗渣发电、燃烧200万吨的城市生活垃圾发电以及一些气化和沼气发电，几乎没有利用农林废弃物进行发电。在《中华人民共和国可再生能源法》制定后，我国的生物质发电行业开始了迅速发展。根据国家可再生能源中长期项目计划，生物质发电在2010年达到5632兆瓦，在2020年更要达到30720兆瓦。
目前存在的生物质发电途径有：气化发电、沼气发电、直燃发电。从发电规模而言，直燃发电的规模较大，带来的效益也相对较大，结合我国的生物质资源储量和产业化前景等方面考虑，直燃发电是主要的发电技术。
生物质燃烧发电的核心技术在于燃烧设备，从生物质方面分类可分为纯生物质燃烧发电和生物质混烧发电技术。而纯生物质燃烧发又可根据燃烧的燃料性质进行分类，一种是欧美国家针对木质生物质燃烧的燃烧技术，另一种是秸秆燃烧技术。我国是一个秸秆大国，所以直燃发电技术的研究和发展应该主要集中在秸秆燃烧技术上。
（二）燃烧设备
在国内，生物质燃烧发电锅炉主要有2种：一种是秸秆炉排炉，另一种是秸秆循环流化床锅炉。
1.秸秆炉排炉 国内的秸秆炉排炉是根据国能生物质发电公司引进丹麦BWE公司研发的秸秆生物质燃烧发电技术以及结合国内实际情况而改进的技术。
近年来国内也出现了一些水冷秸秆炉排炉的设备，有旋转水冷炉排炉、水冷排炉燃烧器、立式双层炉排锅炉等。
2.秸秆循环流化床锅炉 循环流化床锅炉解决了秸秆燃烧设备燃烧率低、污染环境、设备成本高的问题，可用于大规模处理棉秆、玉米秆和树枝等可再生能源，产生电能和热能。它的结构包括炉膛、下料口、排渣口、冷却装置、点火燃烧室、返料器、二次风口、水冷壁等。具有以下优点：
（1）锅炉效率在85%以上，同时还具有很好的负荷调节性能，可在30%～110%负荷范围内调节。
（2）将管壁温度最高的高温过热器至于外置式换热器中，由于外置换热器中基本无腐蚀性气体，且固体物料粒径小，流化速度低，有效地防止了高温过热器的腐蚀和磨损。
（3）水平烟道布置对流管束。对流管束属于蒸发受热面，可作为炉膛吸热不足的补充，并且将燃烧过程中挥发出的碱金属凝结下来，防止尾部竖井受热面结灰堵塞。
（4）燃料的适应性好。本设备可用于大规模处理棉秆、玉米秆和树枝等条状秸秆。
（三）应用实例
中国第一批秸秆生物燃烧发电厂在河北省石家庄晋州市和山东省菏泽市单县建设，装机容量分别为2×12兆瓦和25兆瓦，发电量分别为1.2亿千瓦·时和1.56亿千瓦·时，年消耗秸秆20万吨，其中单县电厂已经点火运行。国能生物发电有限公司分别在江苏、安徽、河南、吉林和黑龙江等省投资建设一批生物质电厂，2006年年底约有5个项目投产发电。另外，中国节能环保集团公司拟在江苏宿迁和句容市投资建设两座生物质直燃发电厂，已于2005年12月开工，其中宿迁项目已点火投产（图3-5）。
图3-5 江苏宿迁生物质电厂
国内相关机构也正在开展生物质与煤混合燃烧研究。清华大学热能工程系与秦皇岛福电集团在75吨/小时燃煤循环流化床锅炉上进行了混燃发电试验，结果表明，混燃比小于20%时，燃煤锅炉无须改进即可稳定运行。2005年，中国首台煤粉秸秆混燃发电机组在山东枣庄华电国际十里泉发电厂成功投产。该厂增加一套秸秆收购、储存、粉碎、输送设备，同时在5号锅炉对角增加2台秸秆燃烧器，并对供风系统及相关控制系统进行改造。改造后的锅炉在基本保持原锅炉的性能及参数不变的情况下，既可以混燃秸秆，也可以单独燃烧煤粉。按年运行7236小时计算，改造后的机组每年将燃用10.5万多吨秸秆，相当于减少7.56万吨原煤消耗。
一般来说，混烧发电具有建设周期短、投资少的特点。在掺烧率较低的情况下，生物质燃料的转化效率相当高。与煤相比，生物质氮、硫含量低，和煤混合燃烧后能够有效降低污染气体排放量。鉴于这些优势，混烧发电是一种值得推广的发电技术。
由于技术改造和资金的要求太大，在国内政策没有向混烧发电倾斜的前提下，在大型电站锅炉上进行混烧技术推广是不合时宜的。因此，在较小机组上进行类似混烧改造，一方面可以自由组织燃料，节约成本；另一方面也可以较好地利用生物质能，对可持续发展具有重要意义。
当然，生物质混烧发电是建立在对生物质燃料预处理和燃烧特性深刻理解和研究的基础上的。就国内目前生物质直接燃烧发电产业状况来看，离这一目标还有一定的距离。国内生物质燃料的存储、收集和预处理系统有待进一步完善；生物质燃料的炉内燃烧特性也有待进一步研究。
（四）存在的问题
1.燃烧设备及辅助系统需要较高费用 和传统火电厂相比，生物质发电厂需要更高的投资。目前，生物质电厂单位造价为每千瓦1万～1.5万元，其中很大一部分是燃烧设备的高昂设备费用。与此同时，生物质燃料所需的费用也很高。除了购买燃料本身需要花费以外，燃料的预加工、运输和储存费用也是影响价格主要因素之一。由于生物质本身能量密度较小，所以生物质燃料占用的存储空间很大。国能生物发电集团有限公司投资的单县生物质电厂有8个存储场地，每个场地大约20～40亩[1]，每天的存储费用相当高。另外，生物质电厂的税务负担很重。传统火电厂的有效税率大约在6%～8%，小水电的有效税率大约在3%，而生物质电厂的有效税率为11%。
2.燃料预处理和给料 燃料的预处理对生物质电厂运行来说是相当关键，也是一直困扰中国生物质电厂发展的问题。燃料破碎系统和给料系统是最容易出问题的2个环节。燃料破碎系统能耗高、磨损大，而且出力低，这种现象对稻草麦草等软秸秆比较严重。燃料破碎不均匀往往造成给料系统的问题。而给料系统的稳定与否直接影响着生物质电厂的运行。无论是国内技术还是国外技术，目前的设备运行小时数都偏短，主要是燃料处理上料系统问题和燃烧设备成熟度不高等因素造成的。
目前国内普遍采用螺旋给料装置，这种装置能够保证密封，但是由于生物质燃料具有较强的纤维性、韧性，对转的螺旋叶片容易缠绕，燃料在螺旋叶片与壳体之间容易挤塞，影响正常运行。
3.国家政策的限制 虽然现存的法律和政策已经给生物质发电提供了一个有利的环境以及合法的保护，但是对于生物质电厂来说，这些激励政策和措施还是不够的。为了促进生物质发电的发展，政府给予在脱硫煤基础上，每度电补贴0.25元。但是这种补贴是在脱硫煤基础上的，而生物质燃料和煤是不同的。在生物质电厂运行15年以后，就不能再享受这种补贴。而且2010年以后的可再生能源电厂所享受的补贴逐年递减2%。另外，财政部的“可再生能源专属基金暂定措施”主要致力于风能、太阳能和海洋能源的普及发展，这其中并不包括生物质能源。
由于中国生物质分布分散，成为大规模利用生物质直接燃烧技术发电较大障碍。然而秸秆类生物质因为含有较多的K、Cl等无机物质，在燃烧过程中很容易出现严重的积灰、结渣、聚团和受热面腐蚀等碱金属问题，碱金属问题是秸秆大规模燃烧利用面临的严峻挑战。这些还需要进一步研究解决问题的方法。
第四章 秸秆沼气工程技术
第一节 沼气概述
一、沼气工程发展
（一） 国外沼气工程技术发展
1776年，意大利科学家沃尔塔通过分析，测定沼气的主要成分为甲烷和二氧化碳，1781年，法国科学家穆拉发明人工沼气发生器，之后沼气逐渐被人们所利用。欧盟国家在近几十年发展沼气的过程中，经历了以处理生活污水无害化产生的污泥为主，到以获取优质可再生能源为主、能源和环保兼顾的战略性转折，原料范围显著扩大，规模迅速向产业化方向发展。欧盟2007年沼气总量约达100亿米3，其中50%来自垃圾填埋气，30%来自农业废弃物和能源作物，20%来自下水道处理产生的污泥。瑞典在全球率先开发车用生物天然气；德国的沼气厂由2000年的1000家发展到2010年的约5000家，发电产能为2700兆瓦；瑞士则非常重视沼气原料的种植及沼气发酵技术的研究创新和开发；英国现有38座沼气厌氧工程，垃圾填埋气占全部沼气产量的约90%，主要用于燃气轮机发电和供热；法国议会于2010年7月通过新环保法案，强制性收购生物天然气并给予并入天然气管网的优惠性补贴。减排温室气体和提高天然气自给率是欧盟产业沼气大发展的最大推动力，而立法和扶持政策在其产业沼气的成长阶段发挥了决定性作用。随着传统原料资源量的日渐匮乏，生产沼气专用能源作物应运而生，其潜力远大于其他资源。
（二）国内沼气工程
我国是世界上最早发现和利用天然气的国家，早在2000多年以前的秦汉时代就出现了所谓“火井”，利用天然气来熬盐。虽然很早就发现了沼气，但我国真正开始推广应用是在20世纪20年代后期，60年代末到70年代初，我国出现兴建沼气的热潮，全国建起了600多万个沼气池，基本上都是农村家用沼气池及少量大中型人、畜粪便沼气池。但由于技术水平的限制及发展速度过快，沼气池的设计和施工都很不规范、缺乏正确的技术管理，能有效使用的沼气池为数很少。1979年，国务院成立了全国沼气建设领导小组，认真总结了沼气工作中的经验教训，1988年又成立了中国沼气协会，组织1700多名沼气技术工作者，对沼气的关键技术进行协作攻关，提出了“因地制宜、坚持质量、建管并重、综合利用、讲求实效、积极稳步发展”的沼气建设方针，开展了大规模的基础应用技术研究，引进消化国外厌氧研究新成果，逐步形成了规范标准的水压式沼气池及相配套的科学建池技术、发酵工艺及配套设备，使我国沼气建设进入了健康、稳步发展的阶段。至1997年底，全国农村户用沼气池638万个，大中型沼气工程600多处，年产沼气13亿米3。2002年全国户用沼气池总量达到1000万个，畜禽养殖场沼气工程1100多处，城镇污水沼气净化池近10万处。同时建立了从国家到省、地、县的沼气管理、推广、科研、质检及培训体系。探索了一些以沼气池为纽带的农村生态模式，将农村沼气和农业生态紧密结合起来，促进了农村经济和农业生产的发展，使农村沼气更具生命力。
我国沼气的基础研究始于20世纪80年代。1980年北京师范学院在国内首次分离获得了甲烷八叠球菌的培养物。接着浙江农业大学、中国科学院成都生物研究所和微生物研究所相继派人到美国加州大学、美国佛罗里达大学进修或合作研究，陆续分离出多株产甲烷细菌、产氢产酸菌和厌氧纤维素分解菌，探索了厌氧食物链中各菌类的相互关系。随后浙江农业大学、中国科学院成都生物研究所、农业部成都沼气研究所等许多院所相继建立了厌氧微生物实验室。其中成都沼气研究所建立了农业部厌氧微生物重点开放实验室，对沼气发酵微生物学、生态学和生物化学进行了比较广泛的研究，发表了大量论文，取得了多项成果，使我国在沼气基础研究的某些方面逐渐接近国际先进水平。
沼气作为一种新兴的生活能源，随着世界各国工业化的发展，能源危机的加剧，环境污染的日益恶化，越来越引起国内外人们广泛的重视和极大的兴趣。当前，无论能源丰富的国家或能源短缺的国家，无论是发达国家或发展中国家，都在从各方面研究和利用它。由于沼气是一种取之不尽、用之不竭的可再生的生物能源，它具有资源丰富、造价低廉、热效率高、清洁卫生等特点，还可以综合利用，一举解决能源、环境卫生、生产有机肥料、维持环境的生态平衡等工农业生产中的重大问题。有人预料，沼气不仅是当今世界能源的一种重要补充，而且将在未来的“超工业时代”中发挥更重要的作用。
二、沼气发酵原理
（一）沼气发酵过程
沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体的复杂的生物化学过程。为了研究方便，把沼气发酵过程大致分为水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段3个阶段，各阶段之间既相互衔接又相互交叉，构成一个有机物厌氧降解的生物链系统，并没有明显界限。
第一阶段为水解阶段，又叫液化阶段。固体有机物质通过酶解转化成可溶于水的物质。这些液化产物可以进入微生物细胞，并参加微生物细胞内的生物化学反应。
第二阶段为产酸阶段。第一阶段液化产物通过产酸细菌吸收，进入细胞体内，在胞内酶的作用下，进一步转化成挥发性小分子化合物，如脂肪酸、醇、酮、醛等。此阶段的主要产物是有机酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，其中乙酸约占80%，故称为产酸阶段。第一阶段和第二阶段是一个连续过程，统称为不产甲烷阶段。在这个阶段中，除形成大量的小分子化合物外，还产生大量的二氧化碳和少量的氢气，这些都是合成甲烷的准备阶段，即将复杂的有机物质转化成可供沼气细菌利用的物质，特别是低分子乙酸。大致70%的甲烷都是在发酵过程中由乙酸生成的。
第三阶段为产甲烷阶段。经上述两个阶段的发酵，沼气池内的含氧量大量降低，甲烷细菌数量大量增加，活动增强。产甲烷细菌利用第二阶段产物（主要是乙酸），产生甲烷和二氧化碳等气体，故称之为产甲烷阶段。
（二）沼气发酵的微生物
沼气发酵微生物包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌5大类群。这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂有机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用而完成的。
在沼气发酵过程中，5大类群细菌构成一条食物链。前3类群细菌主要在第一、二阶段发挥作用，可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后2类群细菌主要在第三阶段发挥作用，可使各种有机酸转化成甲烷，因此将其统称为产甲烷菌。
第一阶段由厌氧和兼性厌氧的水解性细菌或发酵性细菌将纤维素、淀粉等水解成单糖，并进一步形成丙酮；将蛋白质水解成氨基酸，并进一步形成有机酸的氨；将脂类水解为甘油和脂肪酸，进一步形成丙酸、乙酸、丁酸、乙醇等。用于厌氧消化的原料几乎都是不溶性有机大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质等，只有通过水解酶把它们分解成较小的分子后才能被产氢产乙酸菌和产甲烷细菌利用，最终产生甲烷。水解过程通常较缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。影响水解速度与水解程度的因素很多。胞外酶能否有效接触到底物是影响水解速率的关键。因此，大颗粒比小颗粒底物降解要缓慢得多。许多微生物可以产生胞外酶，其中主要的水解酶有脂肪酶、蛋白酶和纤维素酶等。它们的作用是将复杂的大分子水解为可被微生物同化的单体。在有机聚合物占多数的废物厌氧生物处理中，水解作用是整个过程的限速步骤。
第二阶段由产氢产乙酸细菌群利用第一阶段产生的有机酸，氧化分解成乙酸和分子氢。近10年来的研究发现，产氢产乙酸菌包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等。这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。
第三阶段由严格厌氧的产甲烷细菌群完成。产甲烷细菌是生物链上的最后一个成员。利用乙酸的产甲烷细菌有索氏甲烷丝菌和巴氏甲烷八叠球菌，两者的生长速率差别较大。在一般的厌氧反应器中，约70%的甲烷由乙酸分解而来，30%由氢气还原CO2而来。在厌氧反应器中，甲烷产量的70%是由乙酸歧化菌产生的。在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为CO2。
沼气发酵过程实际上是由各种微生物所进行的一系列生物化学的偶联反应，是一个产甲烷细菌和不产甲烷细菌相互作用、相互制约的动态平衡过程。在这个庞杂的混合发酵体系中，不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需的基质，创造适宜的氧化还原条件，并清除有毒物质；产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制，创造热力学上的有利条件；并且两类菌共同维持环境中适宜的pH。产甲烷细菌和不产甲烷细菌间通过互营联合实现甲烷的高效形成。
三、沼气工程分类
从运行成功和在建的秸秆沼气示范点看，我国秸秆沼气工艺类型多样。在我国已建成的沼气工程中，所采用的厌氧消化工艺，主要有以下4类，即升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器、污泥床滤器和塞流式消化器，国外则主要采用完全混合式厌氧消化器。
1.升流式厌氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Bed，简称UASB）UASB是由Lettinga等于1974—1978年研究成功的一项新工艺（图4-1），是世界上发展最快的消化器。高浓度有机废水经过预处理，去除大的悬浮物及沉淀，然后由提升泵泵入UASB反应器（污泥反应区、气液固三相分离器包括沉淀区和气室3部分组成）底部（图4-2），污水在厌氧状态下反应，分解有机物，产生沼气。通过气、液、固三相分离器，气体进入集气室，经过除水脱硫后进入贮气柜贮存备用；出水往往需进一步好氧处理，才可达标排放；底部污泥进入污泥池进行浓缩后至堆肥场堆肥，以供农用。UASB是一种以环保治理为主，生产能源为辅的能源环保型沼气工程技术。
图4-1 UASB 工艺流程图
图4-2 UASB反应器示意图
该工艺的优点为：①除三相分离器外，消化器结构简单，没有搅拌装置及供微生物附着的填料；②长的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）使其达到了很高的负荷率；③颗粒污泥的形成，使微生物天然固定化，改善了微生物的环境条件，增加了工艺的稳定性；④出水的悬浮固体含量低。
缺点：①需要安装三相分离器；②进水中只能含有低浓度的悬浮固体；③需要有效的布水器使其进料能均匀分布于消化器的底部；④当冲击负荷或进料中悬浮固体含量升高，以及遇到过量有毒物质时，会引起污泥流失，要求较高的管理水平。
由于该消化器结构简单，运行费用低，处理效率高而引起人们的普遍兴趣。该消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。北京市环境保护科学研究院于1983年首先开展了利用UASB处理丙酮丁醇生产废水的工艺研究，至今我国已对COD为300～500毫克/升的生活污水，1000～2000毫克/升啤酒废水，3000～5000毫克/升的屠宰废水，8000～10000毫克/升的豆制品废水及30000～40000毫克/升的酒醪滤液等进行了研究工作，并且多数已投产应用。该工艺将污泥的沉降与回流置于一个装置内，降低了造价。
2.升流式固体反应器（Upflow Solids Reactor，简称USR）升流式固体反应器是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器（图4-3）。各种畜禽粪便经过预处理，去除大颗粒和粗纤维物质，原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。本工艺最大优点是单体池容可以较大，同时不使用机械搅拌。但沼渣沼液COD浓度含量很高，不适宜直接排放，一般用于农田施肥进行生态化处理。
首都师范大学利用USR进行了鸡粪沼气发酵研究，其进料浓度：TS为5%～6%，COD为42～55克/升，悬浮固体为45～55克/升，在35℃条件下，USR的负荷可达COD 10千克/（米3·天），产气率488米3/（米3·天），CH4含量60%左右，COD去除率85%左右，SS去除率为66.16%。据计算，当HRT为5天时SRT为25天。留民营鸡粪污水中温沼气发酵工程、房山区琉璃河猪粪废水沼气发酵工程、房山区南韩继和平谷县南独乐河猪粪废水沼气工程的厌氧消化器均采用USR工艺，运行稳定，效果较好。
图4-3 USR工艺流程图
3.污泥床滤器（UBF）它是将UASB和厌氧滤器结合为一体的厌氧消化器。其下部为污泥床，上部设置纤维填料。由于附着于纤维填料上的生物膜补充了污泥床上部微生物的不足，所以效益较高。但每立方米填料价值300～500元，使工程造价上升。顺义肉联厂的屠宰废水处理采用UBF工艺。它对低浓度低悬浮固体污水的厌氧消化效果较好。用于高浓度高悬浮固体废水处理易产生堵塞。
4.塞流式反应器（Plug Flow Reactor，简称PFR）塞流式反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出。
优点：①不需要搅拌，池形结构简单，能耗低；②适用于高SS废水的处理，尤其适用于牛粪的厌氧消化，用于农场有较好的经济效益；③运行方便，故障少，稳定性高。
缺点：①固体物容易沉淀于池底，影响反应器的有效体积，使HRT和SRT降低，效率较低；②需要固体和微生物的回流作为接种物；③因该反应器面积/体积比较大，反应器内难以保持一致的温度；④易产生厚的结壳。
5.完全混合式厌氧消化器（Complete Stirred Tank Reactor，简称CSTR）CSTR为完全混合式厌氧消化器，原料经过预处理，去除大的悬浮物，在搅拌机的搅拌下混合均匀；原料经泵泵入CSTR厌氧反应器，反应器采用上进料下出料或者下进料上出料的方式，内设立式搅拌机，在厌氧反应器内原料经过搅拌机的进一步搅拌混合均匀，在厌氧菌的作用下厌氧发酵，产生的沼气进入贮气柜，沼气经过脱水、脱硫，用来发电或直接户用；CSTR反应器出来的沼渣沼液自流进入二次发酵罐进一步发酵，发酵后的沼渣沼液经过固液分离，沼渣用来做有机肥，沼液进行综合利用，本工艺属于能源生态型工艺。具体工艺流程如图4-4所示。
图4-4 CSTR工艺流程图
根据秸秆物料在反应器中的形态，沼气发酵工艺还分为液态消化、固态消化和固液两相消化工艺。液态消化是指秸秆物料在有流动水状态下进行的厌氧消化过程，发酵原料固体含量在8%左右，消化反应器为立式或卧式，通常采用序批式或连续式进出料方式，沼液回流循环使用，减少了沼液外排。固态消化是指没有或几乎没有流动水状态下进行的秸秆厌氧消化过程，分为序批式和连续式工艺。由于秸秆固体浓度高，进出料困难，因此我国秸秆沼气工程以序批式投料为主，主要有覆膜槽干式、车库式和红泥塑料厌氧消化工艺。固液两相厌氧消化是指固态和液态发酵原料分别在不同装置中进行厌氧消化的过程，将固相和液相发酵原料分在不同区域，以达到产酸相和产甲烷相分离，有利于产酸菌和产甲烷菌在各自的反应区内保持适宜的生长环境，根据反应器个数的不同，可分为分离式两相和一体化两相厌氧消化技术。
四、智能化沼气工程
智能化沼气工程与普通沼气工程的工艺流程一致，包括进料前处理、进料、发酵、储存和进化、输送、沼液沼渣处理等，但在运行过程中的技术装备有较大改进，沼气工程管护从手工操作转变为智能化操作。智能化沼气工程技术系统具有显著的先进性，智能化沼气工程安装了酸化池和沼气池的pH监测计、酸化池液位监测计、分批进料流量计、温度自动控制系统、太阳能加热系统、沼气搅拌系统、沼气流量监测计、互联网远程控制系统（电脑、PLC控制柜、宽带、数据储存系统等），从而实现了智能化自动分批进料，自动控制沼气池沼气搅拌工作，自动为沼气池发酵液加热，电脑实时记录酸化池水位、沼气池温度、酸化池和沼气池的pH、沼气池和储气柜气压值，同时养猪场管理人员和技术服务机构可远程实时监控上述数据，通过智能系统自动调整运行状态，提高产气率。智能化沼气工程的工艺运行流程如图4-5所示。
图4-5 智能化沼气工程的工艺运行流程
五、沼气工程与生态农业
生态农业系统是一个社会经济自然复合生态系统，它不仅有生物组成和环境条件组成，还包括人类生产活动和社会、政治、经济条件，是这些复杂因素组成的多层次、多因素的统一体。这就决定了生态农业建设的政策性、技术性、复杂性、区域性、长期性。
以沼气工程为纽带，结合农牧生产的资源综合利用和能源建设工程模式是我国应用广泛、生态经济效益显著的生态农业工程模式类型之一。据统计，我国是世界上拥有沼气池最多的国家，仅小型农家沼气池已达到569万个。20世纪90年代以来，我国沼气利用已经从解决农村居民燃料发展成为现代化生态农业建设的有效途径。以养殖业为基础，以沼气工程为纽带，多层次综合利用资源，改善农村生态环境，变废为宝，化害为益，取得了显著的社会、经济和生态效益。发展以沼气工程为纽带生态农业工程模式，特别是大型的生态农业工程，必须因地制宜，选择适度规模开发应用。
第二节 秸秆户用沼气工程
一、秸秆户用沼气工程的设计与施工
（一）农村家用沼气池池型
1.曲流布料沼气池
（1）池型结构及工艺特点 农村常用的曲流布料沼气池分为A、B、C三型。地底由进料口向出料口倾斜，池底部最低点设在出料间底部，在倾斜地底作用下，形成一定的流动推力，实现主发酵池进出料自施，可以不打开天窗盖把全部料液由出料间取出。B型设有中心进出料管和塞流板。中心管有利于从主池中心部位抽出或加入原料；塞流板有利于控制发酵原料在康部的流速和滞留期，同时有固菌作用。C型增设了布料板、中心破壳输气吊笼和原料预处理池。这些装置有效地增加新料扩散面，充分发挥池容负载能力，提高产气率和延长连续运转周期。
发酵原料为人、畜、禽粪便；采用连续发酵工艺能维持比较稳定的发酵条件，使沼气微生物区系稳定，保持适宜的原料消化速度，提高原料利用率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身耗能少，简单方便，容易操作。
（2）材料、结构及施工要点 沼气池的池墙、池拱、地底、上下圈梁的材料采用现浇渥凝土；水压间圆形结构的采用现挠混凝土，方形结构的采用砖砌；进料管为圃管可采用现提混凝土，也可采用混凝土预制管；各口盖板、中心管、布料板、塞流国菌板等采用钢筋混凝土预制板。中心破壳输气吊笼为层圆形竹编。
整体现浇大开挖支模浇注法：按图纸放线并挖去全池土方。先浇池底圈梁混凝土，然后浇注池墙和池拱混凝土。池墙外模可利用原状土壁，池墙和地拱内模用钢模。混凝土灌注要连续，振捣密实，由下而上进行，池拱外表采用原浆反复压实抹光，并注意养护。
（3）标准图 见图4-6至图4-11（标注单位：毫米）
图4-6 A型主视图
图4-7 A型剖视图
图4-8 B型主视图
图4-9 B型剖视图
图4-10 C型主视图
图4-11 C型剖视图
2.预制钢筋混凝土板装配沼气池
（1）池型结构及工艺特点 预制钢筋混凝土板装配沼气池是在现浇混凝土沼气池和砖砌沼气池基础上研制和发展起来的一种新的建池技术，它较容易实现工厂化、规范化、商品化生产和降低成本、缩短工期、加快建设速度的优点，主要特点是将池墙、池拱进出料管等都先做成钢筋混凝土预制件，运到建池现场，在大开挖的池坑内装配即可，方便快捷。
（2）材料、结构及施工要点 沼气池的池墙、池拱、进出料管、水压间墙、各口及盖板均为钢精混凝土预制件，池底和水压间底部为现浇混凝土。
按图纸放线并挖去全池土方。先浇池底圈梁混凝土，然后按池墙、池拱预制板编号进行组装，注意各部位的垂直度、水平度是否符合并注意接头处黏结牢固。
（3）标准图 见图4-12至图4-17。
图4-12 池型图
图4-13 连接图
图4-14 配筋图
图4-15 构件1
图4-16 构件2
图4-17 构件3
3.圆筒形沼气池
（1）池型结构及工艺特点 该池型是我国应用历史较早的池型，其结构简单，施工容易；适应粪便、秸秆混合原料等不同工艺。
（2）材料、结构及施工要点 沼气池池墙、池拱、池底、上下圈梁等采用现浇混凝土，进出料管采用现浇混凝土或者预制混凝土圆管，水压间底部采用现浇混凝土，墙可用现浇混凝土或砖砌，各口盖板采用钢筋混凝土预制件。
按图纸放线并挖去全池土方，先浇池底圈梁混凝土，然后浇筑池墙和池拱，池墙外模可以利用原状土壁，池墙和池拱内模用钢模，混凝土浇注要均匀连续，振捣密实。
（3）标准图 见图4-18至图4-23（标注单位：毫米）。
图4-18 池型图
图4-19 构造图
图4-20 构件1
图4-21 构件2
图4-22 构件3
图4-23 构件4
（二）沼气池的施工
1.建池点的选择 沼气池的建池地点选择是否正确直接关系到了日后沼气池能否正常运转和管理，所以沼气池建池点选择要充分考虑确定才行。
沼气池与猪圈（畜圈）、厕所相结合建造，并且在水压间附近建设溢流池，方便人、畜粪便随时流入沼气池以及发酵液自动益处沼气池和贮肥；为了更好地保持和增加池内的温度，沼气池应该建设在向阳、避风、地温较高的地方，避免热量流失，达不到发酵温度，从而导致产气率低。
为了减少沼气压力在输送时的损失，水压式沼气池或贮气浮罩与用具的距离应该不超过25米为佳。
2.建池过程 确定好要修建的沼气池地点和池型后即可进行施工，修建混凝土或者砖砌沼气池一般按以下步骤进行：①查看地形，实际考察建池地点，合理规划并确定建池点；②拟定施工方案；③购买建池材料，水泥、沙石、泥砖、压力表配件等建池材料及配件，沼气发酵用的原材料；④放线，挖坑；⑤支模，浇注（砖砌）；⑥养护；⑦拆模，回填土；⑧密封沼气池；⑨安装配件；⑩检漏、试压。
二、秸秆户用沼气工程的维护与管理
（1）沼气池进出料后都必须及时加盖 避免人畜不慎掉进沼气池。
（2）日常进料管理 新建沼气池要尽快与猪圈、厕所连通，使每天都有充足的新鲜原料流进沼气池。否则，花费劳力从远处运输原料进池，劳动强度大，且进料不及时，造成添加的原料和水混合不均衡，影响沼气池正常产气。
（3）勤出料 至少做到3～5天小出料一次，坚持先出后进，出多少进多少的原则，保证贮气室的空间相对稳定，产气均衡。进出料后要始终保持液面达到正常水位，防止沼气因水位低从进料管溢出。
（4）经常观察气压表 若发现上下波动时，要及时检查导气管、活动盖口、输气管道、开关、接头和压力表等处是否漏气、堵塞。
（5）勤搅拌回流 搅拌回流是提高沼气产气率的主要措施，不仅可破除池内浮壳，而且可改善池内发酵微生物与发酵原料的接触状态，及时补充新鲜营养。
（6）破结壳 沼气池内料液严重结壳，即进出料管口大量翻气泡时，需要揭开天窗口（活动盖），打破结壳层。
（7）保温增温措施 温度是影响沼气池产气率的重要因素，因此，在冬季必须采取保温增温措施，用塑料日光温室及池体上加盖秸秆杂草等提高池温，增加产气量。
（8）注意沼气池的保养 在天气炎热的季节，新建沼气池要用水连续养护20天以上，在混凝土达到设计强度后才能进料。大换料前，必须先收集大量发酵原料后方可进行，并留下足够的发酵接种物，以保证沼气池能够迅速重新投入正常运转，切忌空池暴晒、风干，以防沼气池产生干裂。沼气池活动盖破损后，必须及时维修或更换。
第三节 秸秆大中型集中供气沼气工程
一、秸秆原料的预处理技术
发酵前对秸秆进行预处理，破坏秸秆的空间结构，使厌氧菌及酶更容易附着在纤维素和半纤维素上，有利于原料的酸化水解，提高后续发酵的产气量。同时，预处理可以增加原料的密度，有效抑制进料后原料上浮及结壳现象。
高效经济的预处理需要满足以下几个要求：①形成具有活性的纤维，以便于酶的攻击；②避免破坏纤维素和半纤维素；③避免产生抑制水解酶和发酵微生物的物质；④对于能源的需求降到最低；⑤降低原料的破碎费用；⑥降低预处理反应器的建设成本；⑦产生较少的残留；⑧少消耗或不消耗化学药品，使用廉价的化学药品。
目前，中国秸秆沼气工程中原料的预处理主要有以下方法：
①物理方法。目前应用最多的是机械破碎。此方法对秸秆的沼气发酵效率提高有限，且过细的破碎耗能较大，因而该方法一般与其他处理方式结合使用。
②化学处理法。目前在中国已运行的秸秆沼气工程中主要使用氢氧化钠对秸秆进行处理。该方法在山东德州、黑龙江佳木斯、广西临桂以及河南洛阳等地的秸秆沼气工程中较为常见。碱可以溶解秸秆中的木质素，对秸秆的预处理效果较好。
③热处理法。目前，已经应用的主要是高压水蒸气爆破法，旨在破坏秸秆结构，提高秸秆利用率。
④生物法。利用微生物对秸秆进行预处理主要包括以乳酸菌为核心的青贮方法，以降解木质素的白腐真菌为核心绿秸灵复合菌剂，以及利用沼液中的水解微生物对秸秆进行堆沤等。生物法处理成本较低，条件温和且无需专门的设备设施，处理效果较好，因而近年来受到极大的关注。
二、秸秆大中型沼气工程的设计与施工
做大秸秆沼气站，坚持“一站多供”的发展模式。选择村镇集中的住宅区，建设大中型秸秆沼气站，通过不断扩大供气户数，站内重复建设厌氧发酵罐，实现秸秆沼气站的滚动式发展。
建设大中型秸秆沼气站，将控制系统、输送系统、工艺系统、安全消防系统等先进的技术装备，设计应用到秸秆沼气站建设中，并按现代企业管理模式，做好秸秆沼气站运营管理。秸秆沼气集中供气技术建设内容和工艺流程见图4-24。秸秆沼气集中供气工程以秸秆为主要原料，利用庆氧发酵技术制取沼气，为农户提供炊事用能。以“一池三建”为基本建设内容，即建设沼气发酵池、原料预处理设施（包括沉淀、调节、计量、进出料、搅拌等装置）、沼气利用设施（包括沼气净化、贮存、输配和利用装置等）和沼肥利用设施（包括沼渣、沼液综合利用和进一步处理装置）。
图4-24 秸秆沼气集中供气工程工艺流程图
三、秸秆大中型沼气工程的运行与管理
（一）准备工作
（1）检查各处理构筑物和设施内的杂物是否清除干净。
（2）厌氧消化器、贮气罐、脱硫设备、气水分离器、水封及阻火器等进行试水和气密性检验。
（3）检查各类管道、阀门和设备是否清理、疏通，并已处于备用状态。
（4）对水泵、电机、加热装置、搅拌装置、气体收集系统及其他附属设备等应进行单机试车和联动试车。
（5）校正各种仪表。
（6）准备好充足的沼气发酵原料。
（7）制定出启动调试方案、运行操作规程和相关管理规定，并对沼气工程的运行管理人员、操作人员、维修人员及安全管理人员进行专业技术培训。
（8）监控室及设施、设备附近的明显部位，张贴必要的工作图表、安全注意事项、操作规程和设备运转说明等。
（二）启动技术要点
（1）启动初始时，低浓度启动，逐渐增加浓度。
（2）每次进料要在预处理阶段升温到高出系统运行温度3～5℃。
（3）新料液pH调节到6.5～7。
（4）每次进料量是沼气池内料液量的5%～10%，进料量的多少，由沼气池内料液pH高低来确定。
（5）每间隔7～8 天进料一次，此阶段为启动的第一阶段。此后，逐渐缩短每次进料间隔，逐渐增加每次进料量，直至通过实践得出每天的最大进料量，并能满足沼气池正常运行。
（6）经常检测pH、挥发酸、总碱度、温度、气压、产气量和沼气成分等。
（7）启动过程中应用氮气或沼气将厌氧消化器、输气管路及贮气罐内的空气置换出去。
（三）管理人员要求
（1）运行管理人员必须熟悉沼气工程工艺和设施、设备的运行要求与技术指标。
（2）操作人员必须熟悉本岗位设施、设备的运行要求和技术指标，并了解沼气工程工艺流程。
（3）操作人员应按时准确地填写运行记录。运行管理人员应定期检查原始记录。
（4）运行管理人员和操作人员应按工艺和管理规定巡视检查构筑物、设备、电器和仪表的运行情况。
（四）日常管护
（1）投料量和周期应按工艺设计参数进行，并在实践中摸索出最佳参数。
（2）维持相对稳定的厌氧消化温度。
（3）厌氧消化器的搅拌根据工艺要求进行。采用沼气搅拌的，在启动期间或产气量不足时，应辅以机械或泵等其他方式搅拌。
（4）厌氧消化器的搅拌不得与排泥同时进行。
（5）每日监测pH、温度、气压、产气量和沼气成分等指标。掌握厌氧消化池的运行状况，根据监测数据及时调整运行方案，采取相应措施。
（6）厌氧消化器内的污泥浓度维持在40%～60%为宜，污泥过多时，应进行排泥，过少时，可以从后沉淀池进行回流。
（7）厌氧消化器排泥时，应将厌氧消化器与贮气罐连通，避免系统或装置内形成负压。
（8）厌氧消化器溢流管必须保持畅通，并保持其规定的水封高度。
（9）沼气应充分利用。需排放的沼气应通过火炬燃烧后排入空气中。
（10）湿式贮气罐水封池内的水封液应满足设计要求。定期检查水封高度；
（11）输气管道内的冷凝水应定期排放，排水时应防止沼气泄漏。
（12）脱硫装置中脱硫剂应定期再生或更换，冬季气温低于0℃，应采取防冻措施。
（13）发现运行异常时，应采取相应措施，及时上报并记录后果。出现操作人员正常工作范围之外或不能解决的问题，应及时向主管部门汇报并组织维修，记录后果，以便分析查找原因。
（五）维护保养
（1）定期检查贮气罐、沼气管道及闸阀是否漏气。厌氧消化器体、各种管道及闸阀每年应进行一 次检查和维修。
（2）厌氧消化器的各种加热设施应经常除垢、检修和维护。
（3）当采用热交换器加热时，管路和闸阀处的密封材料应定期更换。
（4）搅拌系统应定期检查维护。
（5）寒冷地区冬季应做好设备和管道的保温防冻；贮气罐、溢流管、防爆装置的水封应有防止结冰的措施。
（6）厌氧消化器、贮气罐运行5年宜清理、检修一次。
（7）湿式贮气罐的升降装置应经常检查，添加润滑油。
（8）沼气报警装置应每年检修一次。
第四节 “三沼”在农业生产中的应用
一、沼气在农业生产中的应用
（一）沼气发电
目前，用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机，主要机理是沼气燃烧使内燃机或汽轮机转动带动发电机发电。内燃机一般由柴油机和汽油机改制而成，分为双燃料式和单燃料式两种。由于沼气的着火点很高，靠压缩自燃比较困难，因此需要采取一定的技术措施。一般单燃料式烧纯沼气，用电火花点火；双燃料式喷柴油点火。
（二）沼气增产
沼气中含有二氧化碳，燃烧的沼气可产生一定量的二氧化碳。所以，通过沼气在大棚里的燃烧，可以为大棚菜的生长提供适量的二氧化碳，以方便大棚菜更好地生长，并可以改善大棚菜的品质。在大棚里安装沼气灯要布局合理，并与大棚面积相配套。一般情况下50米2的大棚要安装一盏沼气灯为宜。大棚菜生产中，以蔬菜生长前期施用二氧化碳效果比较好些。二氧化碳的浓度应当根据蔬菜的种类、大棚里的光照时间强度和大棚里的温度、湿度而定。一般情况下，在气温适宜时及蔬菜的叶面积较大时可施用的二氧化碳的浓度高些。反之，二氧化碳的浓度要低些。
（三）沼气保鲜技术
利用沼气中甲烷和二氧化碳含量高、含氧量极低及甲烷无毒的特性贮藏水果，贮存期长，好果率高，而且成本低，无药害，外观、硬度、甜度等基本保持鲜果风味，并在一定程度上减轻了由于贮存、保鲜、运输销售等环节滞后给果农带来积压卖难困扰，提高了经济价值。其原理就是通过控制贮室中空气的成分和温度，使贮果的呼吸降到最低程度而不至窒息发生生理病害，以达到保鲜的目的。
（四）清洁能源
随着能源的日益短缺，退耕还林的实施，煤炭价格不断上涨，沼气替代煤的节能效益将不断增加。煤炭特别是劣质有烟煤炭燃烧后要排出大量的烟雾和粉尘，造成大气环境污染，而沼气燃烧后无烟雾和粉尘。
（五）沼气灭虫
沼气灯光的波长在300～1000纳米。许多害虫都对330～400纳米的紫外线有较大的趋光性，因此，沼气可以用于引诱害虫。夏秋季即是沼气池产量的高峰期，也是各种害虫活动猖獗的季节。这段时间，沼气灯的燃烧温度较高，沼气灯光波长向短波方向移动，紫外线的成分有所增加，杀虫效果提高，是一种值得提倡的灭虫方法。
二、沼液的精准施用技术
（一）沼液浸种
该项技术简便、安全、效果好，不需投资，因而很适宜于在农业生产中推广。利用沼液浸种具有明显的抗病、壮苗、增产作用。实验表明，沼液浸种对玉米大小斑病、小麦叶锈病、西瓜枯萎病有较强的抑制作用。对比试验表明，沼液浸种可使玉米增产5%～10%，小麦增产5%～7%。
（二）沼液拌料喂猪
将沼液作为一种饲料添加剂，拌入饲料中，起到促进生猪生长，缩短育肥期，提高饲料转换率，降低肉料比，从而达到增加收入的目的。据测定，沼液中除了含有生猪生长8种必需氨基酸和非必需氨基酸外，还含有铜、铁、锌等微量元素。沼液喂猪能有效解决农村猪饲料营养不全的问题。
（三）沼液叶面施肥
沼液是经过充分腐熟发酵后的产物，其中富含多种作物所需的营养物质，因而极宜作根外施肥，其效果比化肥好，作物生长季节都能进行，特别是当农作物及果树进入花期、孕穗期、灌浆期、果实膨大期，喷施效果明显，对水稻、小麦、棉花、蔬菜、瓜类、果树都有增产作用。沼液既可单施，也可与农药混合施。叶面喷施沼液，可调节作物生长代谢，补充营养，促进生长平衡。尤其是施用于果树，有利于花芽分化，保花保果，果实增重快、光泽度好，成熟一致，商品果率提高。
（四）沼液防治病虫害
沼液中除含有氨基酸、微量元素、植物生长营养素以外，还含有某些抗生素、有机酸、维生素等，对病菌有明显的抑制作用。沼液中的氨和铵盐、抗生素对虫害有直接作用。
三、沼渣在农业生产中的应用
（一）配制营养土
在蔬菜生产中经常用到营养土，但是对其营养条件要求较高，自然土壤往往难以满足。沼渣营养全面，完全满足营养条件要求，可以广泛生产。用沼渣配制营养土，应采用腐熟度好、质地细腻的沼渣，其用量占混合物总量的20%～30%，再掺入50%～60%的大田土、5%～10%的锯末、0.1%～0.2%的尿素和磷酸二氢钾即可。
（二）作基肥
一般在蔬菜生产中，用沼肥做基肥的施用量为30.0～37.5吨/公顷。根据实践，番茄可增产13%左右。四川省农业科学院生产试验证明，施沼肥22.5～37.5吨/公顷，连施3年，土壤有机质增加0.20%～0.83%，活土层从34厘米增加至42厘米。
（三）作追肥
沼渣在蔬菜生产中作为追肥，施用量22.5吨/公顷为宜，可以直接开沟挖穴浇灌作物根部周围，但要避免直接与作物根系接触，以免发生灼伤，并覆土以提高肥效；也可结合灌水，把沼渣加入水中，随水均匀施入田中。
通过“三沼”综合利用不仅解决了生活能源问题，而且可以作为肥料、饵料和“准农药”，用于作物浸种、防治病虫害，提高作物、果品产量和质量，为农产品贮存保鲜等，降低生产成本，提高经济效益。
第五章 秸秆压缩成型技术
第一节 秸秆压缩成型的工艺与设备
一、秸秆压缩成型的原理
植物细胞中含有纤维素、半纤维素和木质素（或称木素）。虽然不同的植物其组成成分不同，但纤维素、半纤维素和木素是植物体的主要成分，一般占植物体成分的2/3以上。其中纤维素的含量在木材中为40%～55%，在禾本科植物的茎秆中占40%～50%；木素的含量在木材中达25%以上，在禾本类中占有14%～25%。
木质素是一类以苯丙烧单体为骨架，具有网状结构的无定型高分子化合物。当温度达70～110℃时，软化黏合力开始增加；在200～300℃时，软化程度加剧而达到液化，此时加以一定压力，可使其与纤维素坚密黏接，同时与邻近的秸秆颗粒互相交接。这样经过一定形状的成型孔、眼，可以形成具有固定形状的压缩成型棒、粒燃料。
二、秸秆压缩成型工艺
（一）常温压缩成型工艺
该工艺采用的是15～35兆帕的压力，成型后的块状秸秆含水率在10%～25%，块密度为0.6～1.2克/厘米3，在密闭模具下加压成型。秸秆原料在数日的常温水解条件下，其中的纤维素、半纤维素，变得柔软或者成为小分子化合物，在成型工艺中起到黏结剂的作用，从而达到块状结构的效果。
图5-1 压缩工艺流程图
户用秸秆燃料常温压缩成型工艺对于农村秸秆资源的应用前景非常广阔，既经济又方便，简单的杠杆和密闭模具就可以生产型块。相比较而言，其他两种工艺虽然优点很多，但是设备复杂、操作和维护不易、占地较大以及投资较大。因此，在农村地区大力推广常温压缩成型工艺具有重要意义。
（二）热压成型工艺
热压的意思就是在加压成型的同时给予模型外部适宜的温度，使破碎物料在受压的同时受热。适宜的温度不仅能够使物料内部的木质素软化、熔融成为黏合剂，而且能够使型块表面炭化，从而与模具脱离。热压成型工艺，要求物料在模具内停留足够的时间，保证传热以达到更好的效果。
热压成型是国内外普遍研究和应用的成型工艺。主要工艺参数是温度、压力和物料在成型模具内的滞留时间。该工艺的主要特点是物料在模具内被挤压的同时，需对模具进行外部加热，将热量传递给物料，使物料受热而提高温度。
对生物质物料施加压力的主要目的是：①使物料原来的物相结构破坏，组成新的物相结构；②加固分子间的凝聚力，使物料变得致密均实，以增强成型块的强度和刚度；③为物料在模内成型及推进提供动力。
成型物料在模具内所受的压应力随时间的增加而逐渐减小，因此，必须有一定的滞留时间，以保证成型物料中的应力充分松弛，防止挤压出模后产生过大的膨胀。另外，也使物料有较长时间进行热交换。此外，挤压时物料的含水率和颗粒度对成型影响也较大。含水率过高，挤压过程中物料的水分受热蒸发，水蒸气通过成型筒迅速排放，导致失败。
不同种类的生物质中木质素和纤维素含量及物料的形状等都不相同。因此，成型时对温度和压力参数值的要求也不一样。即使同一种生物质，形态相似而含水率和颗粒度不同，则成型时所需温度和压力等也不相同。实践证明，温度和压力选得过高和过低都会导致成型失败。温度选得过低则生物质中的木质素未能塑化变黏，物料不能黏结成型。反之，如温度选得过高，则成型燃料的表面出现裂纹，严重时成型块一出口就变成了“散花”。此外，若施加压力过小，则会使成型燃料无法黏结，而且也无法克服摩擦阻力，因而无法成型。若施加压力过大，则会使成型燃料在模具内滞留时间缩短，使生物质物料加温不足而无法成型。总之，热压成型工艺参数难以有效控制。
除了工艺参数难以控制外，该工艺的设备也存在一定的技术难题。热压成型设备的螺杆、柱塞和套筒等关键部件在经受高压的同时还受到高温的影响。在高温高压和原料颗粒的摩擦作用下，磨损十分严重。尤其是螺杆热压成型，当挤压螺杆的压缩段磨损到一定程度时，成型机便不能正常工作。这是目前国内研制的螺杆热压成型机不能推广应用的主要原因。国内有关单位在螺杆的制造材料上进行了许多研究，如采用合金钢制造及局部热处理方法，也采用碳化钨焊条堆焊和局部渗硼处理方法，但螺杆的使用寿命仍只有80～200小时。也有试验采用陶瓷材料制造螺杆，或在金属螺杆的压缩段喷涂非金属材料（包括陶瓷材料），但在工艺上均存在一定的难度，推广应用上也存在问题。因此，如何解决这一设备缺陷直接影响了该技术能否顺利推广。
（三）预热成型工艺
顾名思义，即原料在进入成型设备之前要进行预热处理，进行预热处理的目的是使物料内的木质素受热转化为内在黏合剂，同时减少随后物料与模具在成型过程中的摩擦力和降低所需压力。预热处理还能够大大延长成型设备的寿命，降低单位产品的能耗。将预热工艺与传统工艺对比得出，预热成型工艺的整个系统能耗下降了40.2%，成型部件的寿命延长了2.5倍。
图5-2 预热成型工艺流程
详细流程：物料先由切碎机1初切碎，经振动筛分选，细碎物料直接输送到预热器7预热，而粒度较粗部分，由螺旋喂料器2输送到原料粉碎器3进行二次粉碎，然后将粒度符合要求的物料输送到预热器7，采用油加热方法预热物料，当温度达到设计要求后，物料被送入压缩成型机的预压腔9预压，最后由压缩成型机8压缩成型，经冷却输送器13冷却后输出。该工艺流程将生物质加热与挤压成型分离，能克服热压成型工艺中参数难以有效控制的缺陷，避免压缩成型关键部件严重磨损的现象。
（四）炭化成型工艺
炭化成型工艺根据炭化和成型的先后顺序分为先炭化后成型和先成型后炭化两种形式。先炭化后成型工艺的基本特征是：首先把秸秆原料炭化或部分炭化，然后进入成型设备压缩成型。秸秆原料在高温炭化过程中，释放出一部分挥发分，使压缩性能得到改善，明显降低了成型设备的机械磨损和压缩过程的功率消耗；但炭化原料压缩成型后力学强度较差，在运输储存和使用过程中容易发生破碎现象。因此，一般炭化成型工艺需要加入一定量黏合剂，提高成型型块的耐久性，否则需要较高的成型压力来保证成型型块的使用性能。先成型后炭化工艺的基本特征是：首先把秸秆原料压缩成具有一定密度和形状的型块，然后在高温条件下使型块发生热裂解转化为木炭。
1.炭化原理 炭化是在隔绝空气或者氧气的条件下，将生物质在400～600℃下加热，得到气体、液体、固体等产物的技术。生物质炭化过程，归根到底属于生物质热解的一种过程。我们可以将生物质热解过程划分为以下4个阶段：
（1）干燥阶段 一般地，生物质中的水分在达到 100℃之后就会大量蒸发，然而，一部分与生物质中一些化合物组成的聚合水分子，会在稍微高的温度下才会蒸发散失。因此，该阶段温度一般为120～150℃。期间生物质的热解速度非常缓慢，主要为生物质所含水分有外界提供的热量蒸发。
（2）预炭化阶段 该阶段温度一般为 150～275℃。在这样的温度下，如果生物质接触氧气则必然将发生燃烧反应。由于隔绝氧气，生物质会在该温度段的加热下，开始出现比较明显的热分解。生物质中的化学成分开始发生变化，其中一部分不稳定成分（如半纤维素、木质素）开始发生分解，产生二氧化碳、一氧化碳以及少量的醋酸等物质。上述的2个阶段，消耗大量的热能，因此，需要外界提供热能保证反应进行，属于吸热反应阶段。
（3）炭化阶段 该阶段的温度一般为275～450℃，生物质在该温度区间热解反应十分剧烈，并伴随有大量的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、醋酸、焦油产生。这一阶段是生物质炭化的核心阶段，也是生物质成碳的关键阶段。理论上，该阶段不需要外界提供热量，并且放出大量的反应热能，属于放热反应阶段。
（4）煅烧阶段 该阶段为450～550℃，在外界供给热能和内部反应放热的共同作用下，热能对成型的木炭进行煅烧，排除残留在木炭的各种杂质，提高木炭的含碳率。也是在这个阶段木炭内部发生变化，开始形成多孔介质，炭化比表面积开始增大。
图5-3 生物质热解流程图
2.炭化设备 依据考古发现及史料记载，烧炭在我国有将近2200多年的历史了。在长沙马王堆出土的西汉墓穴中，经常能发现里面有厚达30～40毫米的木炭层，总重大约超过了5000吨。这充分说明了早在公元前 200 多年，我国就已经开始尝试生产木炭。大诗人白居易有一首叙事性古诗《卖炭翁》：“卖炭翁，卖炭翁，伐薪烧炭南山中。”，也已说明早在1300多年前的唐朝，烧炭已经成为当时的一项常见生产技能。当今社会，人们对于炭化设备的研究从未停止过。
总的来说炭化设备分为以下几个种类。
（1）炭窑 用炭窑烧炭是一种最简单的生物质热解炭化方法，采用建窑取炭法。炭窑由炭化室、烟道、燃烧室和排烟部分组成。这种方法得炭率为25%左右，且周期非常长，一般为3～7天。现阶段可以通过鼓风加温等手段缩短一定的炭化周期。通过炭窑熄火方式的不同，烧炭所得结果也不同。使用窑外熄火的方式能够得到白炭，而采取闷窑熄火的方式得到的则为黑炭。通常情况下，林木、薪炭材的炭化采用炭窑烧炭，而秸秆炭化有时候也会用到此法。
（2）果壳炭化炉 顾名思义，果壳炭化炉的炭化对象一般为农产品中剩余的果壳、果核等体积小、质量轻的细碎原材料，有时也能炭化部分农业生产中采摘剩余的秸秆、藤蔓。一般的，将原材料经过风选，送至炭化炉顶部的加料槽里，通过预热室、炭化室和冷却室3个部分从卸料室出料。这种炭化器材一般得炭率为25%～30%，炭化周期较短，为4～5小时。得到的炭化产物灰分少、挥发分较多。
（3）移动式炭化炉 这种炭化炉的设计就是为了解决由于炭窑烧炭时劳动强度大、受季节影响多的因素。一般2毫米的钢板焊接，由顶盖、炉上体和下体连接而组成。得炭率也为25%左右，炭化周期24小时。
（4）自燃式炭化炉 利用自燃方式直接产生定型木炭技术，特别适用农林秸秆及其剩余物的生物质转化。其既结合了传统工艺的生产方式，有采用了现代机械制造技术，整个系统无气压，动力无高压，并设有自动保护和接地装置，确保安全。
三、秸秆压缩成型设备
根据成型原理的不同，压缩成型机可分为以下几种类型。
1.冲压式活塞压块机 其产品是压缩块，生物质原料的成型是靠活塞的往复运动实现的（图5-4），其进料、压缩和出料过程都是间歇进行的，即活塞每工作次可以形成一个压缩块。在压缩管内块与块挤在一起，但有边界。当生物质压块燃料从压缩管的出口处被挤出时，在自重的作用下能自行分离。此类压块机按驱动动力不同又可分为2类：一类是用发动机或电动机通过机械传动驱动压块饥的，即机械驱动活塞压块机；另一类是用液压机构驱动的，即液压驱动活塞压块机。
图5-4 冲压式压缩成型原理图
相比于螺杆挤压式成型机，冲压式成型机采用间断的工作方式，降低了机械部件的磨损程度，减小了生产的能耗。但由于在该种成型部件与原料的作用方式下机械瞬间振动荷载较大，给机器的稳定运行带来不便，且噪声较大。
2.螺旋压块成型机 此类压块机是较早被研制开发。也是当前各地推广应用较为普遍的一种机型，其结构原理如图5-5所示。
根据挤压过程温度的不同，可以将螺杆式挤压成型机分为加热式和不加热式两种。两种成型机的区别在于原料的预处理上。不加热式成型机的物料在预处理过程中需要加入黏合剂，然后再进入螺杆式加压成型机在螺杆输送过程中加压应力逐渐加大，在模具出口处达到最大，挤压成型。成型原料连续的由成型机出口处挤出。加热式成型机需要添加加热装置，在挤压成型过程利用物料热分解后具有的黏性挤压成型。这类成型机技术成熟、运行稳定、可连续生产，但存在机械部件磨损严重、产品能耗较高的缺点。
图5-5 螺旋压块机成型原理
3.压辊式成型机 其产品是压缩粒。一种是平板模造粒机，如图5-6（左）。在极模上有4～6个滚子，滚子随滚子轴作圆周运动。原料在滚子与膜板间受挤压，多数原料被挤入膜板孔中。切割刀将模板孔中挤出的压缩条按需要长度切割成粒；另一种是环板模造粒机，如图5-6（右），其结构较简单，工作时模板与滚子的磨损较少，故消耗能量也较低。
压辊式成型机成型条件的选择和确定还没有形成系统化，挤压成型影响因素较多，包括压力、温度、加压时间以及原料的物理特性、粒径、含水率等。成型条件的选取主要参考生产企业的经验，属处于起步阶段。
图5-6 环模（左）、平模（右）秸秆成型设备工作原理图
表5-1 螺杆挤压式、冲压式和压辊式成型机三者的技术性能对比
四、影响秸秆成型的因素
秸秆成型的影响因素可以分为预处理因素、成型过程因素。预处理因素包括：秸秆的粉碎粒径和含水率；成型过程因素包括：成型压强、成型模具和成型温度。
1.预处理因素 秸秆原料在成型前需要进行粉碎处理。粉碎粒径的大小、均匀程度是衡量物料粉碎程度的指数。
在低压条件下，粉碎秸秆和切断秸秆中切断长度对压缩能无明显影响，但切断秸秆耗能较高，其型块松弛密度较小。两者在低压条件下均不能形成牢固型快。在压力相同的条件下粉碎粒径越细越好，成型型块越紧密，型块密度越大。但也不宜过细，过细原料降低了型块的抗变形能力。
成型过程中需要秸秆原料保持适当的含水率，过高或低的含水率都会影响压缩成型效果。秸秆原料含水率太高会影响物质间热量的传递，并增大了物料间以及物料与模具间的摩擦力；含水率太低会造成较大的烟尘而且使型块黏合性降低。在压力一定的条件下，物料的含水率，适宜范围内越高压缩密度越大。在松弛密度一定的条件下，物料的含水率，适宜范围内越高所需成型压力越大。
2.成型过程因素 成型压力是秸秆原料成型的推动力，成型压力能够破坏物料原本的物象结构，增加分子间的凝聚力，使成型燃料型块更加密实。压缩过程分为2个阶段：一个是惯性阶段，就是松散状态物料密实的过程；另一个是弹性阶段，即物料颗粒间黏合的过程。
成型物料和成型模具一定时，成型压力随压缩密度的增加而增大，当压缩密度达到一定值后，成型压力随压缩密度的增大呈指数级增加。
成型模具是成型设备重要的组成部分，模具的形状、大小决定了成型燃料型块的形状、密度。成型模具形状、物料和成型密度一定时，成型模具尺寸越小所需成型压力越大。模具尺寸越小，导致秸秆在压缩过程中容易出现交错和折叠的现象，增大了压缩阻力。但模具尺寸太大，给使用带来不便，且成型型块出模后膨胀较大。目前，国内主要采用圆柱形模具进行试验研究。
成型温度不仅可以加速秸秆中木质素、纤维素的软化过程，还可以缩短黏合剂的黏合时间，增加物料流动性，引起永久塑性变形。成型温度不需要经外界加热也会升高，在物料压缩挤压过程，物料之间和物料与模具之间摩擦生热，模具升温很快。成型温度与燃料型块的耐久度密切相关，高温度压缩成型可以使型块具有更长的保存时间。
第二节 秸秆成型燃料的应用
一、秸秆成型燃料的特性
秸秆成型燃料的物理特性是指其在成型后的使用、运输和贮存要求。主要表现为型块的松弛密度和耐久性2个指标。
1.松弛密度 秸秆固化型块在成型过程结束后离开模具，由于原料本身弹性和应力的影响，其会发生弹性变形，导致型块密度逐渐减小，经过一段时间达到稳定密度，此时型块的密度就是松弛密度。通常采用松弛比（即物料的最终压缩密度与松弛密度比来表示）用来描述型块的松弛程度，松弛比是其物理性能与燃烧性能的双重指标。
通常提高松弛比有2种途径：一种是通过适宜的压缩时间使模具内物料的弹性应力减小，减小物料出模后密度减小的趋势；另一种是把秸秆粉碎至尽可能小，增强结合力。
2.耐久性 秸秆固化型块的使用性能和贮藏性能就是秸秆成型燃料的耐久性，耐久性的大小主要取决于成型燃料的松弛比和压缩过程。检验成型燃料耐久性，一般通过测试其拉伸和剪切强度、抗跌滚性能以及抗渗水性的强弱来判定，本质上就是检验燃料型块的黏合性能。
3.秸秆成型燃料标准 用秸秆成型燃料的开发利用在许多国家，如瑞典、丹麦、意大利、德国、美国、英国等已有很多年的历史，在户用秸秆成型燃料的标准和规范的制订方面他们都有相当成熟的经验。
中国于20世纪70年代末制订了木炭和木炭试验方法（GB/T17664—1999）、户用秸秆燃料发热量测试方法（GB5186—1985、NY/T12—1985）等标准（表5-2）。
表5-2 户用秸秆成型燃料的质量标准
但随着颗粒成型燃料、机制炭等固体成型燃料的市场化、标准化工作出现了严重的滞后，没有针对性的相关标准，只是参考现有的标准进行相应的测试和分析。为适应秸秆成型燃料原料多元化和大规模生产，加强燃料的生产和使用管理，及时制订不同形式的秸秆成型燃料基础标准、构建相应的标准体系就显得极为迫切。
二、秸秆成型燃料应用
（一）户用秸秆成型燃料技术
我国于20世纪80年代中期开始着重秸秆燃料的研发工作。早在我国从20世纪60年代就开展了一系列秸秆成型方面的工作，由于当时我国秸秆利用技术的水平较低，未能探寻出一种高效成型燃料利用方式，没有引起各方面的重视。90年代初，我国引进美国、日本、欧洲的以锯木屑为原料的生物质压缩成型生产线，采用螺杆挤压式成型原理生产“炭化”原料。
经过成型后的秸秆燃料具有燃烧时间长、燃烧充分、便于运输与贮藏、清洁卫生等优点，并且该技术对设备要求低，可普遍采用现用的普通户用节能灶，操作简单、成本低，十分适宜在农村地区推广，具有良好的发展前景。
户用秸秆燃料成型技术对于新农村建设意义重大，除解决农民自身用能需要，还可以建立成型燃料市场，解决区域供暖供热问题。而且对于露天焚烧秸秆带来的严重的环境污染问题有望得到解决。
（二）生物质成型燃料集中供热技术
燃烧煤炭产生的污染物包括硫氧化物（主要是二氧化硫）、氮氧化物（主要是二氧化氮或过氧化氮）、一氧化碳、二氧化碳，以及各种大小的颗粒物，包括可吸入颗粒物（PM10）及可入肺颗粒物（PM2.5）。而生物质成型燃料的原料是典型的可再生能源，转化过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物质能源的使用过程又生成二氧化碳和水，经过处理后二氧化碳零排放，绿色低碳。因此，对空气的污染和对人体的损害要比燃煤小得多。
燃煤排放烟尘浓度50毫克/米3（标准立方米），生物质28毫克/米3；燃煤排放二氧化硫100毫克/米3，生物质5～6毫克/米3；燃煤排放二氧化物200毫克/米3，生物质110毫克/米3。而经过处理后，二氧化碳则是零排放。与其他新能源相比，生物质成型燃料具有适应性广、经济性强等优点。不仅燃烧性能好，热值高，还便于运输和实现自动化控制，可广泛用于中小企业生产、城镇和农村家庭取暖，而价格则相当于燃油的50%，相当于燃气的70%。此外，由于生物质成型技术可以与资源的收集半径相对应，因此生物质成型燃料能实现适度的规模经济，比其他能源转化方式加工成本低，热效率高。
我国拥有丰富的秸秆生物质资源，产业前景广阔，但受当前政策不完善等因素制约，仅在长春、浙江平湖等少数地区试点。一些业内专家认为，在新一轮能源大战中，生物质成型燃料有望成为我国的优势，政府应加大培育力度，推动其发展壮大。
（三）生物质成型燃料发电技术
生物质成型燃料发电技术是生物质成型燃料技术和生物质发电技术的重要结合，是我国《中华人民共和国可再生能源法》鼓励发展的方向，也是国家科技部可再生能源与新能源国际科技合作计划的优先领域。生物质成型燃料可应用于生物质直燃发电、混烧发电和气化发电。生物质成型燃料应用于发电技术，可形成一套集生物质干燥、粉碎及成型于一体的自动化的生物质成型燃料供应系统，保证成套设备运行的稳定性、可靠性和经济性。生产生物质成型燃料的密度、粒度及燃烧特性指标接近煤，对锅炉等燃烧设备、气化炉等气化设备具有较好的适应性；同时，通过建立健全生物质原料的收集、存储及加工体系，形成一套持续稳定的成型燃料生产运作模式，保证生物质发电燃料稳定供应。
1.生物质成型燃料直燃发电技术 生物质成型燃料直燃发电主要是指循环流化床燃烧发电，采用生物质成型燃料成型技术及设备，根据生物质成型燃料燃烧特性，在现有小火电厂基础上，对循环流化床锅炉进行技术改造，利用生物质成型燃料替代煤炭燃烧发电。根据生物质成型燃料的燃烧及流化特性，选取适宜的流化床锅炉运行工艺参数，对流化床锅炉进行改造，解决生物质在燃烧时的结渣与碱金属对换热器的腐蚀问题，合理进行一次风与二次风的进风量比例的调整。利用现有燃煤火力发电厂的燃煤发电机组，建设成能利用生物质成型颗粒燃烧系统，并使该技术工程化、产业化。在我国众多的小型火力发电厂原有设备的基础上经改进后使用生物质成型燃料与煤混烧发电，具有投资少和技术要求不高的特点，同时可解决小型火电厂关停的问题，比较适合我国国情。
2.生物质成型燃料混烧发电技术 生物质是可再生资源中与煤的理化特性最为接近的一种，因此利用生物质成型燃料与煤进行混烧发电是合理利用生物质资源、减少煤燃烧带来污染的有机结合。生物质成型燃料的掺混比例理论上可达到80%，且生物质与煤混合燃烧发电既解决了常规能源的不可再生及短缺问题，又克服了生物质资源季节性变化导致电厂运行不稳定的难题。生物质和煤混合燃烧发电技术经济性较好，规模灵活，可充分利用燃煤电厂的原有设施和系统；根据生物质资源的丰富程度，调整混烧生物质的比例，减少原料供应风险，保证电厂顺利运行，具有较好的发展前景。该技术可用于电厂、工业锅炉等各种利用循环流化床锅炉的行业，与低热值的煤混烧时，锅炉的热利用率与烧煤相比，热利用率可提高10%左右，SO2的排放量减少50%以上，氮氧化物的排放量减少30%以上。