作物的能源化利用过程中,如果采用燃烧方式实现农作物的能源化利用,则燃烧过程消耗02,产生C02,从而实现农作物替代化石燃料,减少C02的排放。
21世纪初,国内外都把农作物采用大容量锅炉进行燃烧发电、供热和热电联产,作为农作物能源化利用的主要应用技术加以研究和推广应用,但在推广应用的过程中发现,由于不同种类的农作物含有不同种类和数量的碱金属,使农作物在燃烧过程中造成灰熔点的温度降低。如果不降低锅炉的燃烧温度,就会使农作物燃烧产生的灰渣处于熔融状态,引起锅炉受热面的沾污和腐烛,影响锅炉的日常安全运行，加重维护成本。如果降低农作物燃烧的温度,使农作物燃烧产生的灰渣处于固态,则使锅炉的炉膛烟温要降到800°C以下,这不仅降低了锅炉的热效率,也使炉膛内的燃烧工况不断恶化,造成不稳定燃烧。为了解决农作物燃烧过程中所存在的问题,国内外对不同种类农作物在不同燃烧条件下碱金属对灰溶点的影响规律和锅炉安全运行的条件进行了大量的研究,得出了不同碱金属对灰溶点的影响规律,也找到了一些使锅炉安全运行的技术措施[9]。
但是到目前为止,尚没有从根本上解决农作物中碱金属对锅炉受热面的沾污和腐烛的问题,从而制约了农作物采用锅炉燃烧进行能源化利用的推广。近年来,我国先后建立了将近100座以农作物为燃料的生物质发电厂,但大多数都在运行1年左右后出现严重的受热面沾污和腐烛的现象,严重影响了这些生物质电厂的安全运行和经济效益,有三分之一以上的生物质发电厂处于停产和半停产状态,这些原因使我国调整了农作物能源化利用的方向。
(2)农作物的碳化技术
农作物的碳化技术是将预处理成型后的农作物进行加热,使其水分挥发或蒸发掉,得到木炭产品[10]。木炭作为固体燃料进行燃烧,可作为家庭日常炊事用燃料,也可用于冶金、化工等领域。因此,农作物碳化技术既是一种农作物秸秆的能源利用技术,也是农作物的资源化利用技术。但是，总体来说,国内外农作物碳化技术的规模化应用不多。
(3)农作物的热解技术
农作物燃烧是在过量空气系数大于1的情况下进行的热化学反应,而农作物热解则是在过量空气系数为零,即没有空气存在的情况下进行加热,进行热化学反应,农作物经过水分蒸发、干馏、气体产出等不同阶段,得到气体燃料,同
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时产生焦油和固定碳。热解过程根据温度范围可分为低温热解(热解温度<500°C)、中温热解(热解温度为500~800°C)和高温热解(热解温度>800°C) [11]。对于农作物的低温热解,木炭是其主要产品,热解产生的焦油和可燃气体是副产品;但对于农作物的中温热解和高温热解来说，主要产品是热解过程产生的气体燃料,而热解过程产生的焦油和焦炭是副产品。国内外对农作物秸秆的热解过程也进行了大量的理论探索和实验研究，为农作物的热解技术商业化应用奠定了较为扎实的理论方面和技术方面的基础。农作物热解技术在国内外都得了商业化推广应用。我国也有多套农作物热解装置进行了商业化运行。但在农作物热解的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,一直是热解气体净化过程中较难以解决的技术难题，这会造成热解工艺的二次污染,影响了热解装置运行的安全性和经济性，同时也制约农作物热解的大规模商业化应用。因此，农作物热解技术，目前在国内外都不是农作物能源化利用的主流技术方向。
(4)农作物的气化技术
农作物气化是在过量空气系数小于1的情况下进行的热化学反应。农作物气化以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气作为气化介质,在高温条件下通过热化学反应将农作物中的高分子有机物转化成可燃气体性燃料,气化过程产生的焦油和少量的固定碳则是气化过程的副产品[12]。我国目前有300套以上农作物气化装置投入了商业化运行[15],包括为农村提供了炊事用气体燃料。但在农作物气化的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,同样造成了气化装置中的管道堵塞和设备腐烛等问题，给后期装置的运行维护带来了不利条件。在脱除焦油的过程中,也会产生二次污染,影响了农作物气化装置运行的安全性和经济性。
(5)农作物制备液体燃料
农作物制备液体燃料分为制备生物油和乙醇两种形式。用农作物制备生物油的直接液化技术,是将农作物在高温、高压和溶剂存在的条件下,进行热化学反应,从而制备成生物油。农作物制备乙醇则是采用发酵的方法，将农作物进行降解，制备成乙醇。生物油和乙醇都可作为液体燃料,乙醇还可以作为在化工领域广泛使用的原料。因此,农作物制备液体燃料可视为农作物能源化利用和资源化两者利用相结合的技术。国内外对农作物制备液体燃料的理论基础、工艺流程等也进行了大量的研究探索，为农作物工业化制备生物油和乙醇奠定了理论和技术基础。在农作物制备生物油方面，虽然技术上是成熟和可行的,但由于制备的生物油成本比较高,如果没有政府以财政形式进行补贴的话,在价格上
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难以与石油炼成的燃料油进行直接竞争,从而制约了农作物制备生物油的规模化推广应用。对于农作物制备乙醇,国内外都有大规模工业化装置在运行。
世界上利用农作物制备乙醇产量最多的国家是南美洲的巴西,该国利用甘蔗澄制备的乙醇,可以满足本国汽油添加20%乙醇的要求,2013年乙醇产量将达到1.5亿升[16]。由于农作物制备乙醇的生产率比较低,农作物制备乙醇的技术在我国并没有大规划商业化应用。
(6)农作物制备沼气
农作物制备招气是将农作物破碎后与水混合成液体发酵原料,在厌氧条件下,经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段,将农作物中可降解的有机物降解为CH4、C02、H2、H2S等气体,这些气体的混合物称为沼气。农作物秸秆制备沼气的主产品是沼气,副产品是沼液和沼渔。沼气可以作为燃料直接进行能源化利用。
通过纯化提高甲烷浓度后并入天然气管网，以作为燃料进行资源化利用。沼液和沼渣是理想的有机肥料，因此，农作物制备沼气的技术是典型的农作物能源化和资源化的利用技术,且具有污染排放低、能源化与资源化利用率和转换率高、易实现模块化等优势，是国内外近年来广泛受青睐的农作物能源化与资源化利用技术。近年来,国内外对农作物制备沼气的基础理论、工艺流程、污染排放、经济与环保效益等方面的内容进行了广泛和深入细致的研究,取得了丰富的成果,为农作物制备沼气的大规模商业化推广应用奠定了技术实用基础,促进了农作物制备沼气技术的推广与应用。许多国家都把农作物制备沼气技术作为本国农作物能源化与资源化利用的主导技术之一。
1.2.2农作物的资源化利用
农作物资源化利用是对农作物进行合理利用的主要途径之一,常见的农作物资源化利用技术主要包括如下几个方面:
(1)农作物的堆肥技术
农作物堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥这两类。好氧堆肥是将预处理后的农作物通入氧气,经历升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段这四个主要步骤,将农作物制成有机肥，同时伴有NH3、C02等气体的产生,气体经过净化后排入大
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气中，当然这其中对大气是有污染的。好氧堆肥过程中产生的热量用以加热堆肥原料或对外供热，实现热能回收利用。从好氧堆肥的目的来看,主要目的是获得有机肥料。因此,农作物的好氧堆肥视为农作物的资源化利用更为合适些。农作物的厌氧堆肥,是将农作物破碎预处理后,在厌氧的条件下经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段制备成有机肥—沼渣沼液,同时产生沼气。与农作物制备沼气不同,农作物厌氧堆肥产生的有机肥是主产品,沼气是副产品,沼气大多数情况下通过净化后排入大气,并不进行能源化利用。因此,农作物厌氧堆肥是属于农作物的资源化利用技术。在农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的实际应用过程中,大规模的堆肥厂好氧堆肥占主导地位，小型或家用农作物堆肥,则是以厌氧堆肥为主。国内外对农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的机理和工艺流程、堆肥过程的温度和通风控制方法、肥料的有效成分、堆肥的生态与环境效益等方面进行了广泛和深入的研究,为农作物堆肥技术的规模化应用奠定了理论基础。在发达国家，农作物的工业化堆肥产品的价格较高,堆肥厂可以获得较好的经济效益和社会效益。而在我国,大型堆肥厂的堆肥产品售价定得太低,无法与化肥进行市场竞争,即便有政府的财政补贴,也难以获得较好的经济效益。因此我国已建成的数家大型农作物堆肥厂,都处于半停产或关闭的状态。
如上所述,农作物堆肥技术可分为好氧堆肥和厌氧堆肥两类,虽然好氧堆肥过程中有热能利用的情况，但农作物的好氧堆肥和厌氧堆肥都作为农作物的资源化利用更为合适。
(2)农作物成型燃料技术
农作物经过压缩、成型等处理方式，将其制备成成型燃料,这能提高了燃料的密度,由于成型过程中脱除了大量得水分,使其单位质量的成型燃料的热值比原农作物的热值得到显著提升，农作物，比如秸秆成型燃料的密度为:1.2~1.4g/em3,干基高热值为14~20MJ/kg,使农作物秸秆成型燃料比原农作物更易于进行燃烧和储存[15]。国内外对农作物的破碎原理、成型设备、成型能耗、成型燃料的燃烧过程等方面进行了大量的研究,发出几十种不同类型的农作物成型燃料成型机。我国也有数十家农作物成型机制造厂家，国产农作物成型机的最大额定出力为2t/h。农作物,尤其秸秆类的农作物，成型燃料可作为农村炊事用燃料,也可以用于燃煤电厂或水泥厂与煤进行混烧,不仅节省了化石燃料的消耗量,而且也可以降低燃煤电厂或水泥厂的气体污染物排放。因此,农作物成型燃料技术是农作物能源化利用技术主要方向之一,是国内外感兴趣的农作
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物能源化和资源化利用的方向。而农作物成型燃料成型过程的高能耗,成为该项技术大规模推广应用的主要障碍。
如上所述,农作物成型燃料技术可视为农作物的能源化利用技术或资源化利用技术。但农作物成型燃料主要作为燃料进行燃烧,农作物成型燃料热值较高,且含硫量低,灰分小,具有输运方便、工艺简单等优点。因此,农作物成型燃料技术视为农作物的能源化利用技术更为合适。随着化石燃料价格的不断攀升和农作物成型燃料成型过程能耗的不断下降,有理由相信,农作物成型燃料的应用规模将得到迅速扩大。
(3)农作物制备建筑材料、包装材料等
以农作物，尤其是秸秆类为原料,不仅可以制备成建筑材料如保温材料,农作物还是造纸业的主要供料之一,农作物还可加工成各种轻质板材,用作家具的辅助型材料。此外，农作物还可以用作编织材料，制作箱包等等。由此可见,农作物的资源化利用途径是多种多样的,但上述农作物的资源化利用途径的规模都不是很大,很难实现农作物的规模化资源利用。
1.3 我国沼气产业发展存在的主要问题
从总体发展水平来看，我国沼气产业的整体水平与发达国家相比还有较大差距，还没有实现“产业化”。德国和中国是目前世界上处理农业废弃物沼气工程数量最多、发展最快的国家。但我国沼气工程的整体技术水平和运行效率与德国还相差甚远。本论文将通过对比我国和德国沼气产业的发展现状，详细分析我国沼气产业发展存在的主要问题。
（1）大规模工业化生产比例小，整体运行效率低
目前，我国沼气建设主要还是以农村户用沼气为主，池容通常只有 6~10m，产生的沼气主要用于农户炊事。处理农业废弃物的沼气工程也主要是建在规模化畜禽养殖场，由于受养殖场数量、规模和地域等条件限制，其数量有限，规模也以中小型为主。而且，这些农村户用沼气及农业废弃物沼气工程的建设大都是在国家扶持的情况下建设并推广的，否则推广起来是非常困难的。因此，我国沼气产业尽管发展势头良好，数量很大，但规模小、平均装置容积小、产气率低、技术水平上升缓慢、沼气的利用更多是采用“自产自消”型的
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