0、前言
大米草(Spartina)為多年生禾本科植物，生長于沿海灘涂地區(qū)。為抵御風浪、保灘護堤、促淤造陸，我國一些沿海地區(qū)在1984年從美國將其引進（1-3）。但大米草根系發(fā)達、繁殖能力極強，具有耐鹽、耐堿、耐淹，抗逆性強，適應性廣等生長特點，大面積、高密度的大米草瘋長、蔓延，破壞了近海生物棲息環(huán)境，同時影響了海水的交換能力，引發(fā)赤潮，對當?shù)氐慕?jīng)濟和生態(tài)帶來了巨大災難，變成了全球性的、被稱為“食人草”的害草。在我國，北起遼寧錦西、南到廣東電白100多個縣（市）的沿海海灘上均有生長，大約2億畝，其密度為150～2640株／m2。據(jù)統(tǒng)計，大米草草場一般每公頃年產(chǎn)鮮草15-30噸，高者可達37,5噸以上。面對如此巨大的大米草資源，如何變害為利、交廢為寶已成為國際公認的難題。
目前，國內(nèi)外已有利用大米草作為牲畜飼料、制取食品、藥物等，但用量較少。對規(guī)模化、工業(yè)化應用，尤其是將大米草氣化轉化為清潔能源等技術的應用尚無報道�；谝陨腺Y源狀況和研究背景，本文采用熱解氣化技術，解決了原料富含鉀、鈉、氯等元素引發(fā)的堿金屬問題，將大米草中的碳、氫等元素轉化為一氧化碳、氫氣，甲烷等可燃氣體，通過凈化處理后，成為優(yōu)質、廉價的清潔能源，實現(xiàn)了氣、電、熱三聯(lián)供。
1、大米草的組成成分及氣化工藝的確定
1.1大米草的組成成分
大米草是禾本植物，本身含碳化物和碳氫化合物，從植物學看，是由纖維素、半纖維素和木質素等組成，但其組成成分又有別于其他植物的秸稈，其成分如表l所示。從表1中可以看出，與普通的生物質秸稈相比，大米草中碳、氫含量較高，并含有氯、硫、鈣、硅、磷等元素。
1.2大米草氣化工藝的確定
從大米草成分中可以看出，碳和氫的含量較高，這將有利于獲取較高熱值的燃氣，但其中還含有鉀、鈉、氯、硫、鈣、硅、磷等無機元素。根據(jù)大米草所含無機元素的種類數(shù)量、熱化學轉化工藝與采用的具體反應設備類型不同，將引發(fā)不同的堿金屬問題。在高溫燃燒環(huán)境下，堿金屬及其相關無機元素可能在爐膛內(nèi)形成熔渣或進入氣相，以蒸汽和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面，影響熱效率，同時對換熱面造成嚴重腐蝕；在采用流化床進行燃燒或氣化反應時，原料中堿金屬可能與床料反應形成低熔點的共晶化合物而引起顆粒聚團，一般認為，顆粒聚團是灰中鉀、鈉等元素的化合物與砂中的Si0，反應，生成低熔點的共晶體，熔化的晶體沿砂的縫隙流動，將砂料粘結，形成結塊，破壞流化。反應方程式如下：
2SiOZ+Na20→Na20·2S102 (1)
4Si02+K20→K20·4Si02 (2)
這兩個反應可以形成熔點僅為650—700℃低于流化床通常運行溫度的共晶體化合物，正是這些熔融態(tài)的物質充當顆粒之間的粘合劑而引起了聚團。顆粒聚團發(fā)生后降低了床內(nèi)的流化質量，往往引起床內(nèi)溫度不均，出現(xiàn)局部高溫，增加床內(nèi)的處于熔化狀態(tài)的堿金屬化合物出現(xiàn)的機會，加劇聚團趨勢，最終導致流化失敗。另外，氯在高溫狀態(tài)時易造成爐內(nèi)部件腐蝕，導致設備維護費用上升，降低設備的可用率和縮短運行周期。當然，使用添加劑、水洗或燃燒前低溫熱解氣化（低于500℃）可以去除部分鉀和氯，但大米草的規(guī)�；脤㈦y以實現(xiàn)。因此，本文采用固定床氣化工藝進行大米草氣化，其系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，該系統(tǒng)主要由物料預處理和輸送系統(tǒng)、氣化爐、燃氣凈化系統(tǒng)、貯氣柜和燃氣輸配系統(tǒng)、燃氣供熱系統(tǒng)和燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組等部分組成。
2、大米草氣、電、熱系統(tǒng)
2.1丈米草的氣化
根據(jù)大米草的特性，研制氣化設備使其符合大米草元素成分及燃燒和氣化特性的要求：采用進風量自動調(diào)節(jié)，并通過試驗獲取了適合大米草的氣化爐高徑比，確保了物料層、氧化層和還原層處于合適的高度，實現(xiàn)了爐內(nèi)梯度燃燒；爐膛內(nèi)采用倒錐體設計，徹底解決了物料下落過程中的膨料問題：選擇合理的爐村材料，抑制由于氣態(tài)氯的釋放不斷將金屬由管道表面內(nèi)層向外層輸送，降低金屬的腐蝕。上述結構的改進和優(yōu)化實現(xiàn)了爐內(nèi)的梯度燃燒和氣化，并可調(diào)控反應速度，提高燃氣熱值，提高爐內(nèi)氧化還原區(qū)的反應溫度以降低焦油含量。
燃氣凈化設備采用集噴淋、沖激、降膜吸收和脫濕功能于一體的閉路循環(huán)凈化系統(tǒng)，對燃氣中的灰分和焦油進行有效的去除。該系統(tǒng)具有集成創(chuàng)新，一次性無動力排出污物，凈化效率高，焦油含量低等優(yōu)點。
在運行過程中，從布置于燃氣管道上的取樣口對燃氣進行了取樣，取樣過程貫穿于整個氣化過程的始終，平均間隔約20分鐘進行一次取樣，燃氣取樣分析結果見表2．氣體成分采用氣相色譜分析儀進行分析。通過分析可以得出燃氣中CO、H2、CnHm、CH4、02、C02和N2的體積百分含量和熱值。
2.2燃氣供熱
本系統(tǒng)中的供熱是由氣化機組制取的大米草燃氣，通過輸配管網(wǎng)送至燃氣鍋爐進行燃燒而實現(xiàn)的，燃氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽由供熱管道送至用戶。鍋爐中的專用燃燒器采用動力燃燒方式。燃燒器具有下列優(yōu)點：可使用較低壓力空氣或熱空氣，在較高過剩空氣系數(shù)下仍能確�；鹧娣�(wěn)定，使火焰被吹熄的可能性降至最低；燃氣的適用范圍大，當燃氣質量發(fā)生變化時，只需改變?nèi)細馀c空氣的比例。另外，該燃燒器帶有完備的安全保護裝置：
(1)該燃燒器具有自動點火裝置。為清除爐膛內(nèi)的殘余燃氣，防止暴燃，設計了點火前延時吹掃。
(2)燃氣在冷態(tài)點火啟動時不易點火，本系統(tǒng)設計了互套點火裝置。
(3)為保證安全，該燃燒器設計了熄火報警裝置，水位及溫度控制裝置。
經(jīng)實際運行測試，供熱鍋爐的熱效率為90%以上。
2.3燃氣發(fā)電
2.3.1燃氣發(fā)電機組
本系統(tǒng)中選用40kw燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，該發(fā)電機組為適用于低熱值燃氣，開發(fā)了自吸式燃氣，空氣混合器，提高了發(fā)電效率；解決了燃氣供給與內(nèi)燃機接口、點火系統(tǒng)、機組調(diào)速、控制系統(tǒng)的有效銜接，實現(xiàn)了全過程自動控制：
(1)燃氣／空氣混合器
燃氣／空氣混合器是燃氣與內(nèi)燃機的接口部件，它是提高發(fā)電機組效率，防止燃氣中殘留焦泊對管路堵塞的關鍵。本系統(tǒng)采用自吸式專用燃氣／空氣混合器，可以滿足發(fā)動機在不同工況下對大米草燃氣，空氣不同混合比的要求，且具有混合時間長、混合氣均勻、混合比穩(wěn)定的特點。
(2)點火系統(tǒng)
點火系統(tǒng)由點火控制模塊、點火線圈、高壓線、火花塞等組成。由于大米草燃氣的熱值較低，只有天然氣的1/4—1/6左右，因此點火系統(tǒng)采用每個火花塞使用一個高壓線圈的方式，具有點火能量高，點火時間準確，點火時間調(diào)整方便等特點。
(3)電子調(diào)速系統(tǒng)
本內(nèi)燃機發(fā)電機組采用了電子調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速響應快，性能優(yōu)良。同時該調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾性強，可滿足長時間運行的需要。
(4)發(fā)電機組控制系統(tǒng)
發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的控制屏用于控制發(fā)電機組的電能輸送，具有欠電壓、過電流、自動調(diào)速、逆功率保護等功能，同時，可以監(jiān)控發(fā)動機的轉速、水溫、油溫、油壓、排氣溫度等參數(shù)并設有聲光報警輸出。
40kw燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組技術性能參數(shù)如表3。
表4為燃氣發(fā)電機組發(fā)電過程中，機組的輸出功率和燃氣消耗量，由表4可知，隨著輸出功率的增大，燃氣消耗量呈下降趨勢，氣耗率由1.8降至1.3，當發(fā)電功率達到最大時，與此相對應的氣耗率也相應達到最小值，這說明當內(nèi)燃機處于高負荷狀況下，燃氣進行充分的燃燒，發(fā)電效率較高。
由表5可以看出，大米草氣體燃料發(fā)電機組在標定功率點(發(fā)電機組輸出功率為39kW，發(fā)動機轉速為1500r/min)的主要有害排放物HC的濃度為44ppm左右，CO排放的濃度為0.54%，NO排放的濃度為57ppm左右，利用波許煙度計所測的煙度為0 BSU，說明發(fā)動機的碳煙排放極低。試驗過程中發(fā)電機負載在連續(xù)運行中能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明氣化設備所產(chǎn)燃氣品質較高且穩(wěn)定，能夠滿足發(fā)電的要求。
3、結論
本項目的研究成功，可以建設獨立、完整、資源一能源一環(huán)境一體化的大米草能源系統(tǒng)，將廉價低品質資源轉換為高品質能源（氣、電、熱）。它適合于分散、獨立的生物質能源利用體系，其系統(tǒng)規(guī)模有較大靈活性。依托本技術，可以將大米草轉變?yōu)榍鍧嵞茉�，控制大米草的生長繁殖、減緩由此給當?shù)亟?jīng)濟和生態(tài)環(huán)境帶來的危害。同時開發(fā)并擴大了可再生能源的原料利用范圍，通過對原料種類和能源供給方式的擴展，該技術同樣可應用于其他農(nóng)林廢棄物的處理，是生物質能綜合利用的一條有效途徑。這不僅可以全面擴展生物質資源的能源化應用領域，更可有效改善我國能源產(chǎn)業(yè)結構，具有重大的能源戰(zhàn)略意義。
三門峽富通新能源銷售生物質鍋爐同時也出售生產(chǎn)生物質顆粒燃料的顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等機械設備。
