生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展

第25卷,總第141期《節能技術(shù)》Vol.25, Sum. No. 1412007年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan.2007,No.1生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展盛建菊(上海市貿易學(xué)校,上海200092)摘要:本文對各種生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)及該技術(shù)在國內外的發(fā)展現狀做了綜述。目前我國的生物質(zhì)氣化發(fā)電僅僅是初具規模,熱效率很低且存在不少技術(shù)問(wèn)題。要利用氣化發(fā)電技術(shù)創(chuàng )造良好經(jīng)濟效益,同時(shí)取得良好的環(huán)保效益,在解決技術(shù)性問(wèn)題的同時(shí)，一定要因地制宜采用適宜的氣化發(fā)電技術(shù)形式。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;發(fā)電中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1002 - 6339 (2007) 01 -0067-04Progress on Biomass Gasification and Power GenerationSHENG Jian- jv(Shanghai School of Tade, Shanghai 200902, China)Abstract: This paper reviews the biomass gasification and power generation( BCCG) technologies at home andabroad. Though this renewable energy power generation has been adopted in China, there exist the lower themalfficiency and the other technological problems. Based on the principle of better economic benefits and cleanerenviroments , China goverment should take such stategies, which makes it suitable to national nature conditionsduring the development of BCPG technologies.Key words: bionass; gasification; power generation段,基本原理是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下熱解生成氣體1生物 質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)流程簡(jiǎn)介燃料,凈化后的氣體燃料燃燒驅動(dòng)燃氣輪機或燃燒生物質(zhì)能主要是指儲存在生物質(zhì)內部的能量，后產(chǎn)生蒸汽,驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。氣化發(fā)電過(guò)程包括可用于燃氣、取暖、照明、發(fā)電以及化工領(lǐng)域。生物3個(gè)方面:-是生物質(zhì)氣化。經(jīng)處理的生物質(zhì)原料質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)能利用的一種有效方式，由進(jìn)料系統送進(jìn)氣化爐內,揮發(fā)分(干基下為70%既有利于解決生物質(zhì)直接燃用熱效率不高的缺點(diǎn)，- 80%)熱解釋放出揮發(fā)性氣體如C.H。、H2、CO、又可以發(fā)揮燃氣發(fā)電設備緊湊而且污染少的優(yōu)點(diǎn)，CO2焦油和水蒸氣,產(chǎn)生的碳發(fā)生典型氣化反應是生物質(zhì)能最有效最潔凈的利用方法之一-。氣化發(fā)(水蒸氣+碳)和燃燒反應(碳+氧氣)[ ,通過(guò)燃燒電對改善我國以煤炭發(fā)電為主的電力生產(chǎn)結構,特反應釋放出的熱量促使生物質(zhì)熱解和碳的氣化反應別是對農村地區因地制宜提供清潔電力具有十分重進(jìn)行,從而把固體生物質(zhì)轉化為氣體燃料;二是氣體要的意義。目前,生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)處于初步商業(yè)化階凈化。氣化生成的燃氣都含有一定的雜質(zhì),包括灰分、焦炭和焦油等,需經(jīng)過(guò)凈化系統把雜質(zhì)除去,以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行;三是燃氣發(fā)電。凈收稿日期2006-09-19 修訂稿日期 2006-11-05化后的燃氣進(jìn)人燃氣輪機或內燃機的燃燒室燃燒驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電,或者燃氣在鍋爐內燃燒生產(chǎn)高溫高成分和熱值有變化時(shí)能夠保持穩定的燃燒狀態(tài),排壓蒸汽，驅動(dòng)蒸汽機帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。圖1為生物放物污染少而且對氣體要求不很?chē)栏?，?jīng)過(guò)旋風(fēng)分質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程示意圖。離器除去雜質(zhì)和灰分后即可使用,不需冷卻。(2)氣空氣化氣在燃氣輪機內燃燒帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。燃氣輪機生物質(zhì)原料廠(chǎng)下必須進(jìn)行相應的改造,將熱值較低的氣化氣增壓到9.8x104~29.4x10 Pa之間，否則發(fā)電效率較低。另外,燃氣輪機對氣化氣質(zhì)量要求高,并且需有較高;的自動(dòng)化控制水平,所以單獨采用燃氣輪機的生物氣化爐除塵、除焦設備質(zhì)氣化發(fā)電系統較少。(3)氣化氣在內燃機內燃燒圉!生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程示意圖帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。簡(jiǎn)單的內燃機組可單獨燃用低熱2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的分類(lèi)值氣化氣,也可以氣化氣、油兩用,設備緊湊,系統簡(jiǎn)單,因而應用廣泛，而且效率較高。但該種方式對氣生物質(zhì)氣化發(fā)電可使用農林廢棄物、水生植物、體要求嚴格,氣化氣必須凈化并冷卻。油料植物、城市和工業(yè)有機廢棄物及動(dòng)物糞便等生表1中國氣化發(fā)電系統主要參數對比物質(zhì)原料。原料來(lái)源廣泛,發(fā)電設備多種,發(fā)電規模發(fā)電量(kW)200不等,促使氣化技術(shù)呈多樣化發(fā)展。從發(fā)電規模上氣化器下吸式固定床循環(huán)流化床分,生物質(zhì)氣化發(fā)電系統可分為小型、中型、大型三總效率(%)12.517成本(元/kW)27503060種。小型氣化發(fā)電系統所需的生物質(zhì)數量較少，簡(jiǎn)耗電成本(元/kW)0.350.27單靈活,多采用固定床氣化設備,主要用于農村照明國內已投人使用機組數約 30或作為中小企業(yè)的自備發(fā)電機組,- -般發(fā)電功率小有的發(fā)電廠(chǎng)聯(lián)用兩種發(fā)電設備,在燃氣輪機發(fā)于200 kW。固定床氣化設備又可分為上吸式、下吸電的基礎上增加蒸汽鍋爐聯(lián)合循環(huán),充分利用余熱，式和開(kāi)心層下式3種,其中下吸式爐型有利于減少提高生產(chǎn)強度,稱(chēng)為生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電爐內熱解生成的焦油含量,因而被廣泛采用。中型系統(B- IGCC),該系統總效率可達40%以上，是目生物質(zhì)氣化發(fā)電系統主要作為大中型企業(yè)的自備電前發(fā)達國家重點(diǎn)研究的大型氣化發(fā)電技術(shù),發(fā)展前站或小型上網(wǎng)電站,是當前生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的景廣闊。B- ICCC工藝流程示意圖見(jiàn)圖2。主要方式,所需的生物質(zhì)原料量較大,可適應一種或原料↓燃氣輪機多種不同的生物質(zhì)原料,氣化方式以流化床氣化為合格產(chǎn)品工-。甲主,功率- -般為500~3 000 kW。流化床氣化技術(shù)又熱包括鼓泡床氣化、循環(huán)流化床氣化及雙流化床氣化第占口口凈化設備燃燒器余熱鍋爐蒸汽輪機3種,其中研究和應用最多的是循環(huán)流化床氣化技圖2 B- ICCC工藝流程示意圖術(shù),對生物質(zhì)原料適應性強,也可混燒煤、重油等傳統燃料,生產(chǎn)強度大,氣化效率高。大型生物質(zhì)氣化3生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現狀發(fā)電系統主要作為上網(wǎng)電站，它適應的生物質(zhì)較為廣泛,所需的生物質(zhì)數量巨大,必須配套專(zhuān)門(mén)的生物3.1國外發(fā)展現狀質(zhì)供應中心和預處理中心，系統功率一般在生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達國家受到廣泛重5000kW以上,雖然與常規能源相比仍顯得非常小，視,生物質(zhì)電能在總能源消耗中所占的比例增加迅但在技術(shù)發(fā)展成熟后,它將是今后替代常規能源電速。1988年丹麥誕生了世界第-座秸稈生物燃燒力的主要方式之一。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電規模越大,單位發(fā)電廠(chǎng)(3)。與同等規模每年發(fā)電1.38億kWh的燃發(fā)電量需要的成本就越低,也越有利于提高熱效率煤電廠(chǎng)相比，秸稈發(fā)電每年可節約煤炭10多萬(wàn)t,減和降低二次污染。由表1的國內200 kW級和少so2年排放量400t。目前丹麥已建立了13家秸1000kW級氣化發(fā)電系統各項運行參數的對比數稈發(fā)電廠(chǎng),還有一部分燒木屑或垃圾的發(fā)電廠(chǎng)也兼據，可見(jiàn)發(fā)電規模對推廣氣化發(fā)電的重要性(2)。燒秸稈。目前，以秸稈和木屑為主要原料的生物質(zhì)采用不同的發(fā)電設備，氣化發(fā)電技術(shù)又可分為能在丹麥可再生能源中的比重已超過(guò)40%。丹麥以下三類(lèi):(1)氣化氣直接作為蒸汽鍋爐的燃料燃的秸稈發(fā)電技術(shù)現已走向世界,并被聯(lián)合國列為重點(diǎn)推廣項目。芬蘭是世界上利用林業(yè)廢料、造紙廢棄物等生合格的產(chǎn)品氣物質(zhì)發(fā)電最成功的國家之一,福斯特威勒公司是芬料樂(lè )蘭最大的能源公司,也是制造具有世界先進(jìn)水平的燃燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床鍋爐公司,該公司可提供的生物質(zhì)發(fā)電機組的功率為3~ 47 MW。該公司生產(chǎn)余熱銅護1壓氣機7空的發(fā)電設備主要利用木材加工業(yè)、造紙業(yè)的廢棄物水鼎氣為燃料,廢棄物的最高含水量可達60% ,熱效率可圖3 Btelle生物質(zhì)B- ICCC發(fā)電系統達88%(4)。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩氽物的區-些國家開(kāi)展 了大型氣化發(fā)電系統其它技術(shù)路域供電站的計劃，生物質(zhì)能在總可再生能源利用中線(xiàn)的研究，如比利時(shí)(2.5MW)和奧地利(TINA的比例由原來(lái)的3%增到目前的25%,已擁有裝機6 MW)開(kāi)展的生物質(zhì)氣化與外燃式燃氣輪機發(fā)電技容量為1~2 MW的區域供熱站90座[5]。術(shù)[10), 目的是發(fā)展適合于中小型規模使用的生物質(zhì)在比利時(shí),有100年的歷史的布羅賽爾溫克能氣化發(fā)電技術(shù),基本原理是生物質(zhì)氣化后不需經(jīng)過(guò)源技術(shù)公司是生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)專(zhuān)用鍋爐的生產(chǎn)企除塵除焦，直接在燃燒器中燃燒,燃燒后的煙氣用來(lái)業(yè),是世界上最早采用生物質(zhì)為燃料的鍋爐制造公加熱高壓的空 氣,最后由高溫高壓空氣推動(dòng)燃氣輪司之一,如今已發(fā)展出適應木材廢棄物、建筑木質(zhì)廢機發(fā)電。該技術(shù)路線(xiàn)避開(kāi)了高溫除塵及除焦兩大難棄物、造紙廢棄物及城市垃圾等不同燃料的鍋爐設題,但需要解決高溫空氣供熱設備的材料和工藝問(wèn)備。與芬蘭、丹麥等國的技術(shù)不同,該公司的產(chǎn)品采題。由于該項目中設備的可靠性和造價(jià)問(wèn)題,目前用的是傾斜式液壓移動(dòng)式爐排,其熱效率可達;還很難進(jìn)入實(shí)際應用。85% ,比較適用于20 MW以下的生物質(zhì)發(fā)電[4)。3.2 國內發(fā)展現狀美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地我國從60年代起就曾開(kāi)始小型生物質(zhì)氣化發(fā)位,各類(lèi)生物質(zhì)發(fā)電站有350多座,發(fā)電裝機總容量電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā),代表作品是60 kW稻殼氣化發(fā)達700 MW ,提供了大約6.6萬(wàn)個(gè)工作崗位,據有關(guān)科電系統。但由于系統熱效率低下且氣化氣凈化帶來(lái)學(xué)家估計,到2010年,生物質(zhì)發(fā)電將達到13000 MW的含焦廢水二次污染問(wèn)題，氣化發(fā)電技術(shù)- - 度被放裝機容量,可安排過(guò)17萬(wàn)就業(yè)人員(6。美國的Bat-棄。迫于能源與環(huán)保壓力，1987年氣化發(fā)電重新提elle(63 MW)和夏威夷(6 MW)項目一-B- ICCC(整上議程,并列人國家科技部“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項目,20體氣化聯(lián)合循環(huán))氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)發(fā)年以來(lái)取得了不少可喜的進(jìn)展。如今有不少160 kw電技術(shù)的世界先進(jìn)水平,可生產(chǎn)中熱值氣體,系統示和200 kW級的氣化發(fā)電機組正在運行,如遼寧省能意圖見(jiàn)圖3。該氣化設備于1998年完成安裝并投入源研究所于2006年6月在意大利ENEATrisaia建成運行”。除美國外，也有一些國家開(kāi)展了B- IcCC .的流化床生物質(zhì)氣化發(fā)電系統,原料采用木屑或稻研究項目,如英國(8 MW)、瑞典(加壓生物質(zhì)氣化發(fā)殼,發(fā)電量160 kW。電4 MW)(8)、芬蘭(6MW)以及歐盟的3個(gè)7~近年來(lái)MW級的中型BGPG系統也已研究開(kāi)發(fā)12 MW生物質(zhì)氣化發(fā)電B- ICCC示范項目。從純技出來(lái)。1998 年10月中科院廣州能源所完成1 MW級術(shù)的角度看，要使B- IGCC達到較高效率,須具備的生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化-內燃機發(fā)電系統兩個(gè)條件:- -是氣化氣進(jìn)人燃氣輪機之前不能降溫，(GIEC),5臺200 kW發(fā)電機組并聯(lián)工作,但受氣化二是氣化氣必須是高壓的9)。這就要求系統必須采效率與內燃機效率的限制，效率低于18% ,單位電用生物質(zhì)高壓氣化和高溫凈化兩種技術(shù)才能使B _量的生物質(zhì)消耗量一般大于112 kg/(kW.h),在此基ICCC的總體效率較高(40%)。如果采用-般的常礎上2000年在海南三亞建成第二套中型氣化發(fā)電壓氣化和降溫凈化,由于氣化效率和帶壓縮的燃氣系統,裝機容量1.2 MW."十五”期間,廣州能源所現輪機效率都較低，系統的整體效率一般都低于在承擔的4 MW生物質(zhì)氣化氣一蒸汽整體聯(lián)合循35%。由于燃氣輪機改造技術(shù)難度很高,而且系統環(huán)發(fā)電示范 工程取得了較好的結果[1] ,設計條件下不夠成熟,造價(jià)也很高,限制了其應用推廣。以意大運行時(shí)，每年可處理約3萬(wàn)多t秸稈、稻殼、木屑等利12 MW的B- ICCC示范項目為例，發(fā)電效率約為生物質(zhì)廢料, 作為最直接的效果之- - ,每年可減少31.7% ,但建設成本高達25000元/kW,發(fā)電成本約CO2的排放約3萬(wàn).(12)。但該系統在進(jìn)- - 步向高品10示兒。守田性組蘭盾縣干佬輸的由能轉協(xié)古而惡到了該米臺休嘗由機組功率較小的制約,已成為氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)-一步系統也意味著(zhù) 高投資和復雜的機組系統,在地廣“人發(fā)展利用的瓶頸。這些實(shí)踐工作為研究進(jìn)一步大型稀或經(jīng)濟欠發(fā)達地區發(fā)展這樣的系統設施缺乏經(jīng)濟化氣化發(fā)電系統打下基礎,此外也為實(shí)際生產(chǎn)和運性。因此,我國應同時(shí)關(guān)注以村鎮為單位的中小型行提供了最佳運行參數。氣化發(fā)電機組和重點(diǎn)地區的大型氣化發(fā)電機組的研在引進(jìn)國外先進(jìn)的大型生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合發(fā)究與開(kāi)發(fā),根據規模的大小選用合適的生物質(zhì)氣化電技術(shù)時(shí),針對目前我國具體情況,采用內燃機代替發(fā)電系統技術(shù),保證在任何規模下都有合理的發(fā)電燃氣輪機,其它部分基本相同的生物質(zhì)氣化發(fā)電系效率,充分利用生物質(zhì)能源，改善我國的能源結構和統,不失為解決我國生物質(zhì)氣化發(fā)電規?；l(fā)展的生態(tài)環(huán)境。有效手段。一方面，采用氣體內燃機可降低對氣化參考文獻氣雜質(zhì)的要求(焦油與雜質(zhì)含量< 100 mg/m2即可),[1]吳創(chuàng )之.氣化發(fā)電的工作原理及工藝流程[J].可再可以大大減少技術(shù)難度;另-方面,避免了調控相當生能源,003,1:41-43.復雜的燃氣輪機系統,大大降低系統的成本。從技[2]C.Z. Wu,H. Huang, S.P. Zheng, et al. An econonic anal-術(shù)性能上看,這種氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統在常壓ysis of biomas gasifcation and power generation in China[J]. Biore-氣化時(shí)整體發(fā)電效率可達28% ~ 30% ,只比傳統的source Technology , 2002(83):65- 70.[3)Tory Bridgwater, Biomass for enengy(J] .Joumal of the Sei-低壓B- IGCC降低3% ~5%。但由于系統簡(jiǎn)單,技ence of Food and Agriculure,206,86:1755 - 1768.術(shù)難度小,單位投資和造價(jià)大大降低(約5000元/[4]袁振宏.歐洲生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)掠影[J].可再生能kW)。這種技術(shù)方案比較適合于我國目前的工業(yè)水源,2004,4:65.平,設備可以全部國產(chǎn)化，適合于發(fā)展分散的、獨立[5] Yamasaki, Yudai , Bionaes gifcation power generation的生物質(zhì)能源利用體系([13)。technology in Europe[J]. Joumal of the Japen Institute of Energy,2005, 12(84): 1019 - 1025.4結論[6]蔣劍春.生物質(zhì)能源應用研究現狀與發(fā)展前景[J].為了實(shí)現經(jīng)濟的可持續發(fā)展,必須保證電力生林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),0022(2);75 - 801.產(chǎn)的可持續發(fā)展，要想達到這一-目標,必須走電力生[7]米鐵,唐汝江，陳漢平,等.生物質(zhì)氣化技術(shù)比較及產(chǎn)與環(huán)境保護相協(xié)調的發(fā)展道路,積極發(fā)展高效清其氣化發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展[].能源工程,004,5:33 - 37.[8]朱鴻偉,郭民臣.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)展狀況的潔的發(fā)電技術(shù)必將對人類(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展做出重綜述[J].現代電力,2003, 10:10- 16.要的貢獻?？偟膩?lái)說(shuō)，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是所有[9]Gil J, Caballero M A, Martin J A, et al. Biomass Gsifica-可再生能源技術(shù)中最經(jīng)濟的發(fā)電技術(shù),綜合發(fā)電成tion with Air in A Fluidized Bed; Elect of The In- Bed Use of本可接近小型常規能源的發(fā)電水平。我國是一一個(gè)農Dolomite under Diferent Operation Condions[J]. Inustrial Engj-業(yè)大國,有豐富的價(jià)格低廉的農業(yè)廢棄物資源,而同neering and Chemistry Research, 1999 ,38:26 - 35.時(shí)農村地區的電力供應時(shí)常會(huì )出現短缺，因此日趨[0)Paisley, M.A. ;Anson, D. Bioness gaifcaion for gas tur-完善的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有廣闊的應用前景。bine - based power generation, Joumal of Engineering for Gas Tu-目前我國的生物質(zhì)氣化發(fā)電已初具規模,但利用效bines and Power[J]. Transections of the ASME, 1998,4( 120):284- 288.率仍十分低下,且仍存在不少技術(shù)問(wèn)題如二次污染([11]吳正舜,吳創(chuàng )之,鄭舜鵬,等.4 MW級生物質(zhì)氣化發(fā)和熱效率不夠高等,僅達到了廢物利用的目的,還遠電示范工程的設計研究[J] .2003,3:14- 17.未達到變廢為寶的程度。[12]劉平.生物質(zhì)能秸稈發(fā)電技術(shù)的展望[J].中州煤生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)形式多樣,要利用氣化發(fā)炭,2005,2:16-17.電設施創(chuàng )造良好社會(huì )經(jīng)濟效益,一-定要 因地制宜采[13]周勇.清潔生物質(zhì)秸稈能源研究進(jìn)展[J].應用化用適宜的氣化發(fā)電技術(shù)形式。增大發(fā)電規模有利于工,2005, 10(34):595 - 606.提高熱效率,有利于降低二次污染;但大型氣化發(fā)電