0、前言
    大米草(Spartina)為多年生禾本科植物，生長(zhǎng)于沿海灘涂地區(qū)。為抵御風(fēng)浪、保灘護(hù)堤、促淤造陸，我國(guó)一些沿海地區(qū)在1984年從美國(guó)將其引進(jìn)（1-3）。但大米草根系發(fā)達(dá)、繁殖能力極強(qiáng)，具有耐鹽、耐堿、耐淹，抗逆性強(qiáng)，適應(yīng)性廣等生長(zhǎng)特點(diǎn)，大面積、高密度的大米草瘋長(zhǎng)、蔓延，破壞了近海生物棲息環(huán)境，同時(shí)影響了海水的交換能力，引發(fā)赤潮，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和生態(tài)帶來了巨大災(zāi)難，變成了全球性的、被稱為“食人草”的害草。在我國(guó)，北起遼寧錦西、南到廣東電白100多個(gè)縣（市）的沿海海灘上均有生長(zhǎng)，大約2億畝，其密度為150～2640株／m2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大米草草場(chǎng)一般每公頃年產(chǎn)鮮草15-30噸，高者可達(dá)37,5噸以上。面對(duì)如此巨大的大米草資源，如何變害為利、交廢為寶已成為國(guó)際公認(rèn)的難題。
    目前，國(guó)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(duì)規(guī)�；�、工業(yè)化應(yīng)用，尤其是將大米草氣化轉(zhuǎn)化為清潔能源等技術(shù)的應(yīng)用尚無報(bào)道�；�于以上資源狀況和研究背景，本文采用熱解氣化技術(shù)，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(zhuǎn)化為一氧化碳、氫氣，甲烷等可燃?xì)怏w，通過凈化處理后，成為優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的清潔能源，實(shí)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?xì)浠�合物，從植物學(xué)看，是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(zhì)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?xì)�，但其中還含有鉀、鈉、氯、硫、鈣、硅、磷等無機(jī)元素。根據(jù)大米草所含無機(jī)元素的種類數(shù)量、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝與采用的具體反應(yīng)設(shè)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(guān)無機(jī)元素可能在爐膛內(nèi)形成熔渣或進(jìn)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(shí)對(duì)換熱面造成嚴(yán)重腐蝕；在采用流化床進(jìn)行燃燒或氣化反應(yīng)時(shí)，原料中堿金屬可能與床料反應(yīng)形成低熔點(diǎn)的共晶化合物而引起顆粒聚團(tuán)，一般認(rèn)為，顆粒聚團(tuán)是灰中鉀、鈉等元素的化合物與砂中的Si0，反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)的共晶體，熔化的晶體沿砂的縫隙流動(dòng)，將砂料粘結(jié)，形成結(jié)塊，破壞流化。反應(yīng)方程式如下：
    2SiOZ+Na20→Na20·2S102    (1)
    4Si02+K20→K20·4Si02    (2)
    這兩個(gè)反應(yīng)可以形成熔點(diǎn)僅為650—700℃低于流化床通常運(yùn)行溫度的共晶體化合物，正是這些熔融態(tài)的物質(zhì)充當(dāng)顆粒之間的粘合劑而引起了聚團(tuán)。顆粒聚團(tuán)發(fā)生后降低了床內(nèi)的流化質(zhì)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(jī)會(huì)，加劇聚團(tuán)趨勢(shì)，最終導(dǎo)致流化失敗。另外，氯在高溫狀態(tài)時(shí)易造成爐內(nèi)部件腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)費(fèi)用上升，降低設(shè)備的可用率和縮短運(yùn)行周期。當(dāng)然，使用添加劑、水洗或燃燒前低溫?zé)峤鈿饣�（低�?00℃）可以去除部分鉀和氯，但大米草的規(guī)�；�利用將難以實(shí)現(xiàn)。因此，本文采用固定床氣化工藝進(jìn)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(yù)處理和輸送系統(tǒng)、氣化爐、燃?xì)鈨艋�系統(tǒng)、貯氣柜和燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)、燃?xì)夤�熱系統(tǒng)和燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)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(shè)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(jìn)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)，并通過試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)梯度燃燒；爐膛內(nèi)采用倒錐體設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)的梯度燃燒和氣化，并可調(diào)控反應(yīng)速度，提高燃?xì)鉄嶂�，提高爐內(nèi)氧化還原區(qū)的反應(yīng)溫度以降低焦油含量。
    燃?xì)鈨艋�設(shè)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(duì)燃?xì)庵械幕曳趾徒褂瓦M(jìn)行有效的去除。該系統(tǒng)具有集成創(chuàng)新，一次性無動(dòng)力排出污物，凈化效率高，焦油含量低等優(yōu)點(diǎn)。
    在運(yùn)行過程中，從布置于燃?xì)夤艿郎系娜�樣口�?duì)燃?xì)膺M(jìn)行了取樣，取樣過程貫穿于整個(gè)氣化過程的始終，平均間隔約20分鐘進(jìn)行一次取樣，燃?xì)馊�樣分析結(jié)果見表2．氣體成分采用氣相色譜分析儀進(jìn)行分析。通過分析可以得出燃?xì)庵蠧O、H2、CnHm、CH4、02、C02和N2的體積百分含量和熱值。

2.2燃?xì)夤��?br />     本系統(tǒng)中的供熱是由氣化機(jī)組制取的大米草燃?xì)�，通過輸配管網(wǎng)送至燃?xì)忮仩t進(jìn)行燃燒而實(shí)現(xiàn)的，燃?xì)忮仩t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(dòng)力燃燒方式。燃燒器具有下列優(yōu)點(diǎn)：可使用較低壓力空氣或熱空氣，在較高過�？諝庀禂�(shù)下仍能確保火焰穩(wěn)定，使火焰被吹熄的可能性降至最低；燃?xì)獾倪m用范圍大，當(dāng)燃?xì)赓|(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，只需改變?nèi)細(xì)馀c空氣的比例。另外，該燃燒器帶有完備的安全保護(hù)裝置：
    (1)該燃燒器具有自動(dòng)點(diǎn)火裝置。為清除爐膛內(nèi)的殘余燃?xì)�，防止暴燃，設(shè)計(jì)了點(diǎn)火前延時(shí)吹掃。
    (2)燃?xì)庠诶鋺B(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)不易點(diǎn)火，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了互套點(diǎn)火裝置。
    (3)為保證安全，該燃燒器設(shè)計(jì)了熄火報(bào)警裝置，水位及溫度控制裝置。
    經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，供熱鍋爐的熱效率為90%以上。
2.3燃?xì)獍l(fā)電
2.3.1燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組
    本系統(tǒng)中選用40kw燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，該發(fā)電機(jī)組為適用于低熱值燃?xì)�，開發(fā)了自吸式燃?xì)猓�空氣混合器，提高了發(fā)電效率；解決了燃?xì)夤┙o與內(nèi)燃機(jī)接口、點(diǎn)火系統(tǒng)、機(jī)組調(diào)速、控制系統(tǒng)的有效銜接，實(shí)現(xiàn)了全過程自動(dòng)控制：
(1)燃?xì)猓�空氣混合�?br />     燃?xì)猓�空氣混合器是燃�(xì)馀c內(nèi)燃機(jī)的接口部件，它是提高發(fā)電機(jī)組效率，防止燃?xì)庵袣埩艚共磳?duì)管路堵塞的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用自吸式專用燃?xì)猓�空氣混合器，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)大米草燃?xì)�，空氣不同混合比的要求，且具有混合時(shí)間長(zhǎng)、混合氣均勻、混合比穩(wěn)定的特點(diǎn)。
(2)點(diǎn)火系統(tǒng) 
    點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火控制模塊、點(diǎn)火線圈、高壓線、火花塞等組成。由于大米草燃?xì)獾臒嶂递^低，只有天然氣的1/4—1/6左右，因此點(diǎn)火系統(tǒng)采用每個(gè)火花塞使用一個(gè)高壓線圈的方式，具有點(diǎn)火能量高，點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確，點(diǎn)火時(shí)間調(diào)整方便等特點(diǎn)。
(3)電子調(diào)速系統(tǒng)
    本內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組采用了電子調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速響應(yīng)快，性能優(yōu)良。同時(shí)該調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，可滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需要。
(4)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)
    發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的控制屏用于控制發(fā)電機(jī)組的電能輸送，具有欠電壓、過電流、自動(dòng)調(diào)速、逆功率保護(hù)等功能，同時(shí)，可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、排氣溫度等參數(shù)并設(shè)有聲光報(bào)警輸出。
40kw燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組技術(shù)性能參數(shù)如表3。

    表4為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電過程中，機(jī)組的輸出功率和燃?xì)庀�耗量，由�?可知，隨著輸出功率的增大，燃?xì)庀�耗量呈下降趨�?shì)，氣耗率由1.8降至1.3，當(dāng)發(fā)電功率達(dá)到最大時(shí)，與此相對(duì)應(yīng)的氣耗率也相應(yīng)達(dá)到最小值，這說明當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于高負(fù)荷狀況下，燃?xì)膺M(jìn)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(jī)組在標(biāo)定功率點(diǎn)(發(fā)電機(jī)組輸出功率為39kW，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jì)所測(cè)的煙度為0 BSU，說明發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放極低。試驗(yàn)過程中發(fā)電機(jī)負(fù)載在連續(xù)運(yùn)行中能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明氣化設(shè)備所產(chǎn)燃?xì)馄焚|(zhì)較高且穩(wěn)定，能夠滿足發(fā)電的要求。
3、結(jié)論
    本項(xiàng)目的研究成功，可以建設(shè)獨(dú)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(jià)低品質(zhì)資源轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)能源（氣、電、熱）。它適合于分散、獨(dú)立的生物質(zhì)能源利用體系，其系統(tǒng)規(guī)模有較大靈活性。依托本技術(shù)，可以將大米草轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉�，控制大米草的生長(zhǎng)繁殖、減緩由此給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境帶來的危害。同時(shí)開發(fā)并擴(kuò)大了可再生能源的原料利用范圍，通過對(duì)原料種類和能源供給方式的擴(kuò)展，該技術(shù)同樣可應(yīng)用于其他農(nóng)林廢棄物的處理，是生物質(zhì)能綜合利用的一條有效途徑。這不僅可以全面擴(kuò)展生物質(zhì)資源的能源化應(yīng)用領(lǐng)域，更可有效改善我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，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(zhì)鍋爐同時(shí)也出售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。