玉米秸秆气化集中供气集成模式的研究

李 伟， 刘新萍， 潘鹏飞， 徐广印

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002；2.生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)



玉米秸秆气化集中供气集成模式的研究

李 伟1,2， 刘新萍1,2， 潘鹏飞1,2， 徐广印1,2

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002；2.生物质能源河南省协同创新中心，河南 郑州 450002)

对玉米秸秆气化集中供气进行了流程和技术分类，采用技术集成方法构建出满足实际生产需要的玉米秸秆气化集中供气集成模式，并用层次分析法对模式进行决策分析。以河南为例计算了10种模式的偏好性，以热解气化为核心的模式1～4偏好性依次为:模式1>模式2>模式4>模式3；以生物气化为核心的模式5～10偏好性依次为: 模式7>模式6>模式5>模式10>模式9>模式8。

玉米秸秆；气化；集成；模式

中国是农业大国，也是农作物秸秆资源量较为丰富的国家之一。近年来，政府为了改变农村地区经济结构，提高农民收入，满足农户的能源需求，在农作物秸秆资源化利用方面投入大量资金。如沼气工程方面，中国是世界上户用沼气现存数量最多的国家，户用沼气池的建造和使用技术已达到国际领先水平[1]。中国是能源消耗大国，对新型能源的开发利用迫在眉睫，而秸秆作为清洁可再生能源具有较高的利用价值，各国对秸秆气化技术研究较早，已形成了较为成熟的应用体系，因此对玉米秸秆气化集中供气集成模式研究具有实际意义。玉米秸秆的基本组织结构以纤维素、半纤维素、木质素为主[2]，玉米秸秆的这种理化特性使其适合用于秸秆气化，秸秆气化是指将秸秆等固态生物质原料通过化工、生物等方法转变成高热值可燃气体的过程。秸秆气化是一种清洁高效的可再生能源转换途径,可有效提高秸秆资源利用率并减少环境污染，是一种理想的秸秆深层利用途径。秸秆新型能源化利用体系中将广义上的秸秆气化分为秸秆热解气化(狭义秸秆气化)和秸秆生物气化(秸秆沼气生产)[3-5]。本研究对玉米秸秆气化集中供气技术进行分类和集成，以实际技术应用和经济条件为基础，建立可行的玉米秸秆气化集中供气模式；采用层次分析法对模式进行决策分析，以河南省为例计算模式的偏好性，以期为玉米秸秆气化的有效利用提供技术支持。

1 农业工程集成技术

农业工程技术是以复杂的农业系统为研究对象，多学科交叉应用的综合性工程科学技术。农业工程技术的发展对于提高农业生产水平和促进农业生产方式转变具有不可替代的作用。农业工程集成技术就是将农业工程技术进行集成整合和创新，体现集成技术的整体性、高效性和创新性，消除原有单一技术的缺陷和不足，更大程度的让工程技术服务于农业生产[6,7]。

集成技术根据技术流程可先分为几个大类技术，每个大类技术下包含多个可供选择的中类技术，中类技术包括主体、实施主体、工艺、设施设备等[8-11]。本研究将玉米秸秆气化集中供气集成技术主要流程分为:玉米秸秆→玉米秸秆集运→玉米秸秆气化→集中供气。这里包括玉米秸秆集运和玉米秸秆气化两大类技术。

2 玉米秸秆气化集中供气集成技术

玉米秸秆的集运技术分为联合收割及运输和分段收割及运输，玉米秸秆气化技术分为热解气化和生物气化，这两类技术都由秸秆预处理、秸秆气化、燃气净化输配等复杂过程组成。玉米秸秆气化集中供气集成技术见图1。

图1 玉米秸秆气化集成技术Fig.1 Corn straw gasification integration technology

2.1 玉米秸秆集运技术

玉米秸秆集运技术中分为秸秆的收集和运输2个过程，由于受实施主体的制约，这2个过程中可选择的技术和设施设备有限。玉米收获机械化是起步较早但实现较慢的机械收获作业，玉米秸秆收获也主要以人工收获和半机械化收获为主，分为联合收割和分段收割。由于集中供气站规模较大，需要秸秆量比较多，运输设备以大型运输车为主。玉米秸秆集运技术内容见图2。

2.2 玉米秸秆气化技术

图2 玉米秸秆集运技术Fig.2 The collection and transportation of corn straw

2.2.1 玉米秸秆热解气化技术 玉米秸秆热解气化是指将秸秆等固态生物质在高温裂解条件下转化成清洁可燃性气体，提高秸秆的燃烧热值。热解气化技术工艺的核心设备就是气化炉。根据秸秆用料连续性和生产规模不同可将气化过程分为投料式和流料式，分别对应的是固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉对投料连续性要求不高，反应速度较慢，产气效率低，适合于规模小、户型少的供气系统。流化床气化炉可实现连续投料生产，产气效率较高，结构复杂，产气稳定，适用于规模化生产[12-14]。

气化炉的选取在实际设计和运行过程中都有不同条件要求，每一种秸秆热解气化设备都有其自身优缺点，要根据应用环境、供气规模以及秸秆资源种类等选择适宜的秸秆气化设备和技术，以求达到理想的应用效果和经济效益。

2.2.2 玉米秸秆生物气化技术 玉米秸秆生物气化是指利用微生物学特性在厌氧环境下分解有机物产生沼气的过程。中国秸秆沼气发酵工艺多种多样，根据物料在反应发生器中的形态可分为湿发酵、干发酵工艺和固液两相发酵工艺[15]。目前用于大中型规模化沼气发酵工程的技术工艺主要有完全混合式厌氧发酵技术、车库式厌氧发酵技术和一体化两相厌氧发酵技术。

建设规模化集中供气的大型沼气设备多以政府为主导，主要追求设施工程带来的环境效益和社会效益，而建设户用型沼气池主要以能给农户带来多大的经济效益为驱动因素。

3 玉米秸秆气化集中供气集成模式

根据玉米秸秆集运技术和气化技术的分类，结合实际生产的要求，遵循可行性、适用性、经济性和安全性等集成要求，对玉米秸秆气化供气技术进行集成，构建模式见表1。

表1 玉米秸秆气化集中供气集成模式Table 1 The mode of corn stover gasification and gas centralized supply

4 玉米秸秆气化集中供气集成模式的层次分析

玉米秸秆气化集中供气集成模式的层次分析可分为以下5个步骤。

第一步：根据需要决策的问题提出总目标，在玉米秸秆气化集中供气工程的总目标是：明确玉米秸秆气化集中供气模式偏好程度。

第二步：把问题分为若干层建立一个层次结构，第一层为目标层，中间层依次分成准则层、子准则层等，最底层是方案层(图3)。

第三步：求同一层次上的权系数，由高层到底层，设A1,…,An是当前层次上的因素，针对上一层因素C(可以不止1个)，对所有因素A1,…,An进行两两比较得到数值aij，则A=(aij)n×n表示当前层次因素A1,…,An相对于上一层因素C的判断矩阵。记A的最大特征根为λmax，其标准化特征向量为w=(ω1,…,ωn)T，则ω1,…,ωn给出了因素A1,…,An相应于因素C的按偏重程度的一个排序。其中,aij的定义和解释见表2。

图3 玉米秸秆气化集中供气集成模式的层次结构Fig.3 The hierarchy of the mode of corn stover gasification and gas centralized supply

用线性代数的方法可以计算λmax和其标准化特征向量，但从实际角度出发一般采用方根法近似计算，方根法有以下3步：

(1)

表2 aij的定义和解释Table 2 The definition and interpretation of aij

(2)

ωi即特征向量ω的第i个分量。

(3)求λmax。

(3)

(4)

以此方法自上而下求出各层的所有因素组合权系数，根据最低层权系数的分布给出一个关于各方案优先程度的排序。由式(4)可知，对于k层上的所有因素相对于上一层有关因素的权向量按列组成矩阵Bk，则k层组合权系数向量Wk满足：

Wk=Bk·Bk-1·…·B2·B1

(5)

其中，B1=(1)，可根据所求的Wk判断优劣程度。

第五步：一致性检验。避免判断矩阵A出现与判断的不一致性现象，引用CR作为判断依据，CR称为随机一致性比率，通常要求CR≤0.1，否则需要对矩阵进行调整。其中：

(6)

CI作为度量判断矩阵偏离一致性的指标，有

(7)

RI是判断矩阵的平均随机一致性指标，对于低阶(阶数N≤15)的判断矩阵，RI指标的分值见表3。

表3 RI指标的分值Table 3 Index score of RI

5 实例分析

以河南省为实例，参照河南省各地秸秆气化集中供气站数据，综合考虑地区秸秆资源量、机械化运输水平、秸秆集运成本等因素，以表3为参照采用多位专家9级分值赋值法对各因素分值赋值[16]。以玉米秸秆热解气化供气模式为方案层的模式1～4进行层次分析，准则层关于目标层的两两比较得到判断矩阵A为:

利用公式(1)～(3)求出λmax和B2为:

λmax=4.078 6B2=(0.103，0.130，0.526，0.241)T

利用公式(6)和(7)对判断矩阵进行一致性判断有:CR=CI/RI=0.029 1

可知CR<0.1符合一致性判断。

子准则层有8个因素，求出关于上一层4个因素的比较矩阵的特征向量，并将它们按列排列组成子准则层的组合权系数矩阵。

根据公式(1)～(4)可求子准则层权向量矩阵。

方案层的模式1～4相对于子准则层相关因素比较后确定组合权系数，方案层相对于子准则层的8个因素比较“单位燃气经济效益”“能源替代效益”“秸秆可利用资源量”模式1～4同等重要，“秸秆气化效率”和“吨秸秆减排CO2量”判断矩阵相同，“吨秸秆集运成本”和“机械化运输水平”判断矩阵相同，其比较矩阵如下：

根据以上方法逐步计算，得到方案层特征向量按列组成矩阵B4为：

B4=

根据公式(5)可求得方案层组合权系数为

W4=B4·B3·B2=(0.269 2,0.267 6,

0.230 8,0.232 4)T

同样方法，以玉米秸秆生物气化供气模式为方案层的模式5～10进行层次分析，用同样的方法步骤最终计算得到方案层的组合权系数为：

W6=(0.178 9，0.182 3，0.183 4，0.150 2,

0.151 6,0.153 6)T

根据所求得以热解气化为核心技术的模式1～4偏好性见表4。根据所求得以生物气化为核心技术的模式5～10偏好性见表5。

表4 模式1～4的偏好性Table 4 The preference of mode 1 to 4

表5 模式5～10的偏好性Table 5 The preference of mode 5 to 10

从表4和表5可以看出，玉米秸秆热解气化集中供气模式中最优的是模式1，玉米秸秆生物气化集中供气模式中最优的是模式7。不同气化方式的模式选取以实用性作为主要参考指标，河南省的秸秆气化站以这2种模式运行较好。由判断矩阵A和特征向量B2可知，玉米秸秆气化集中供气模式中4个指标重要性依次是环境、实用、经济、技术。秸秆气化供气站多以政府主导建设，把环境指标放在第一位，旨在平衡区域内的环境保护和能源消耗。

6 结论

1)本研究以玉米秸秆集运和玉米秸秆气化集中供气为层次划分，总结出10个玉米秸秆气化集中供气集成模式；结合河南省实际情况利用层次分析方法确定模式之间的偏好性，其中以热解气化为核心的模式1～4偏好性依次为:模式1>模式2>模式4>模式3,以生物气化为核心的模式5～10偏好性依次为:模式7>模式6>模式5>模式10>模式9>模式8。

2)玉米秸秆气化集中供气是重要的秸秆能源化利用途径，技术已较为成熟，但多数气化站要依靠政府补贴维持正常运行，投资回报率低，经济可行性较差。气化站选址应在玉米作物主产区、秸秆资源丰富的地方，这样可有效的降低玉米秸秆集运成本。

3)综合河南省农村地区经济发展水平和交通运输条件等因素，应以河南中东部玉米主产区为主要区域建设气化站；以政府为主导力量加大资金投入和技术支持，积极开展玉米秸秆气化集中供气技术研究和应用推广。做好对当地农民的宣传和动员工作，加强供气站的运行管理和供气服务。从玉米秸秆的集运、气化以及输配等环节入手，多途径降低生产成本，以保证气化站长期有效运行。

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(责任编辑：蒋国良)

Research of the mode of corn stover gasification and gas centralized supply

LI Wei1,2, LIU Xinping1,2, PAN Pengfei1,2, XU Guangyin1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;2.Collaborative Innovation Center of Biomass Energy of Henan Province, Zhengzhou 450002, China)

This paper classifies the process and technology of corn straw gasification and gas centralized supply,builds modes of corn straw gasification and gas centralized supply to meet the needs of production,and analyze the modes with the AHP.Figuring out the preference of the ten modes taking Henan Province as an example,the preference of the mode 1 to 4 is:mode 1>mode 2>mode 4>mode 3;the preference of the mode 5 to 10 is:mode 7>mode 6>mode5>mode 10>mode 9>mode 8.

corn straw; gasification; integration; model

2014-08-19

国家公益性行业(农业)科研专项(201303099-04)

李 伟(1987-)，男，河南信阳人，硕士研究生，从事能源规划与系统分析。

徐广印(1963-)，男，河南南阳人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2015)02-0213-06

S216

A