生物质气化发电技术优化

4.2.3.1　生物质气化发电技术

中国有良好的生物质气化发电基础,早在20世纪60年代初就开展了该方面的工作。在原来谷壳气化发电技术的基础上,对生物质气化发电容量的大小和不同生物质原料进行了进一步的研究,先后完成了2.5～200kW的各种机组的研制。中国近几年特别重视中小型生物质气化发电技术的研究和应用,中小规模的生物质气化发电技术具有投资少、灵活性好等特点。已研制的中小型生物质气化发电设备,其功率从几千瓦到4000kW不等,气化炉的结构也不相同,具体有层式下吸式气化炉、开心式气化炉、下吸式气化炉和循环流化床气化炉四种。中小型物质气化设备多采用单燃料气体内燃机和双燃料内燃机,单机最大功率为200kW。其中,循环流化床气化发电系统对于处理大规模生物质具有显著的经济效益,推广广泛而迅速,已经成为国际上应用最多的中型生物质气化发电系统。

1.生物质气化发电原理

生物质气化技术是以气化和净化装置将农林废弃物等生物质燃料转换成洁净的燃气。利用废弃物气化发电,是生物质能得以应用的重要方面,中国每年产生稻壳大约为4000万t,秸秆7亿t,相当于约4亿t标准煤,利用稻壳气化发电有较大进展和发展空间。

生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化为可燃气,再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。它既能解决生物质难于燃用而且分布分散的缺点,又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而污染少的优点。

2.生物质气化发电过程

气化发电过程如下：首先是生物质气化,即把固体生物质转化为气体燃料；其次是气体净化,气化出来的燃气都带有灰分、焦炭和焦油等杂质,需经过净化系统除去杂质,以保证燃气发电设备的正常运行；最后是燃气发电,即利用燃气轮机或内燃机进行发电。有的工艺为了提高发电效率,发电过程中可以增加余热锅炉和蒸汽轮机。

生物质原料经过预处理(以符合不同气化炉的要求)后,由进料系统送入气化炉。由于氧气不充足,生物质在气化炉内不完全燃烧,发生气化反应,生成可燃气体——气化气。气化气要与物料进行热交换以加热生物质原料；然后经过冷却系统及净化系统,将灰分、固体颗粒、焦油及冷凝物除去；净化后的气体即可用于发电,通常采用内燃机、燃气轮机及蒸汽轮机进行发电。

4.2.3.2　生物质气化发电的特点

生物质气化发电技术具有以下3个特点。

1.灵活性

生物质气化发电可以采用内燃机或者燃气轮机,也可结合余热锅炉和蒸汽发电系统,即可以根据规模的大小灵活选用合适的发电设备,保证在任何规模下都有合理的发电效率。这一技术的灵活性,能很好地满足生物质分散利用的特点。

2.洁净性

生物质本身属于可再生洁净能源,可以有效地减少二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放,而气化过程一般温度较低(大约在700～900℃),氮氧化物的生成量很少,所以能有效地控制氮氧化物的排放。

3.经济性

生物质气化发电技术的灵活性,可以保证该技术在小规模条件下有较好的经济性；同时,燃气发电过程简单,设备紧凑,比其他可再生能源发电技术投资更小。所以总的来说,生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技术。(www.xing528.com)

4.2.3.3　生物质气化发电系统分类

生物质气化发电系统根据所采用的气化技术、燃气发电技术及发电规模的不同,其系统结构和工艺过程有很大的差别。

根据生物质气化形式不同分类,从气化形式上看,生物质气化过程可以分为固定床和流化床两大类。另外,国际上为了实现更大规模的气化发电方式,提高气化发电效益,正在积极开发高压流化床气化发电工艺。

根据燃气发电技术不同分类,从燃气发电过程上看,生物质气化发电主要有3种方式：一是将可燃气作为内燃机的燃料,用内燃机带动发电机组发电；二是将可燃气作为燃气轮机的燃料,用燃气轮机带动发电机组发电；三是用燃气轮机和汽轮机实现两级发电,即利用燃气轮机排出的高温废气把水加热成蒸汽,再用蒸汽推动汽轮机带动发电机组发电。

内燃机发电系统简单,以燃气内燃机组为主,可单独燃用低热值燃气,使用方便；也可以燃气、油两用,稳定性好、效率较高。该系统机组属于小型发电装置,优点是设备紧凑、操作方便、适应性较强；缺点是系统效率低,运行时间短,单位功率投资较大。它适用于农村、农场、林场的照明用电或小企业用电,也适于粮食加工厂、木材加工厂等单位进行自供发电。燃气轮机发电系统采用低热值燃气轮机,燃气需增压,否则发电效率较低。燃气轮机不仅对燃气质量要求高,还对自动化控制水平和燃气轮机改造技术有要求,所以一般单独采用燃气轮机的生物质气化发电系统较少。

燃气-蒸汽联合循环发电系统是以内燃机、燃气轮机发电为基础,增加余热生成蒸汽推动发电的联合循环,该种系统可以有效地提高发电效率。一般来说,燃气-蒸汽联合循环的生物质气化发电系统采用燃气轮机发电设备,最好采用高压气化方式,构成的系统称为生物质整体气化联合循环(B/IGCC)。它的系统效率一般可达40%以上,是目前发达国家重点研究的内容。

根据生物质气化发电规模分类,从发电规模上分,可分为小型、中型、大型3种。根据生物质气化发电规模分类,从发电规模上分,可分为小型、中型、大型3种。

小型气化发电系统简单灵活,主要作为农村照明或中小型企业自备发电。它所需的生物质数量较少,种类单一,所以可以根据不同生物质形状选用合适的气化设备。小型生物质气化发电系统一般采用固定气化设备,发电规模在200kW以下,主要集中在发展中国家,特别是非洲、印度、中国及东南亚国家。美国、欧洲等发达国家的小型生物质气化发电技术虽然非常成熟,但由于发达国家生物质能源相对较贵,所以对劳动强度大、使用不方便的小型生物质气化发电技术应用非常少,只有少数试验装置供研究使用。中型生物质气化发电系统适用于一种或多种不同的生物质,所需的生物质数量较多。生物质需要粉碎、烘干等预处理,所以采用流化床气化工艺,发电规模在400～3000kW之间。该系统在发达国家应用较早,技术较成熟。但由于该类型系统设备造价高、发电成本高,所以极少应用,只在欧洲有少量的几个项目。所谓大型生物质气化发电系统是相对的,与常规能源系统相比,其仍属于小规模系统。考虑到生物质资源分散的特点,一般将大于3000 kW、采用了联合循环发电方式(IGCC)的气化发电系统归入大型的行列。在国际上,大型生物质气化发电系统技术远未成熟,主要的应用仍停留在示范和研究阶段。生物质IGCC作为先进的生物质气化发电技术,能耗比常规系统低,总体效率可大于40%。很多发达国家开展了这方面的研究,如美国Battelle(巴特勒)(63MW)和夏威夷(6MW)项目,欧洲的英国(8MW)和芬兰(6MW)的示范工程等。但其经济性较差,以意大利12MW的IGCC示范项目为例,建设成本高达25000美元/kW,发电成本约1.2美元/(kW·h),所以有待进一步探索研究。瑞典的Varna生物质示范电站是欧洲发达国家一个B/IGCC发电示范项目,它的主要目的是建设一个完善的生物质IGCC示范系统,研究生物质IGCC的各部分关键过程。所以该生物质发电站更适合于生物质气化发电的R&D(研究与开发)活动,而不是完全的商业化运行,投资和运行成本都非常高。该项目采用了目前欧洲在生物质气化发电技术研究的所有最新成果,包括采用高压循环流化床气化技术(18MW)、高温过滤技术、燃气轮机技术(4.2MW)和余热蒸汽发电系统。

在我国,要研究开发与国外相同技术路线的生物质IGCC,基于资金和技术问题,将更加困难。如何利用已较成熟的技术,研制开发在经济上可行、而效率又有较大提高的系统,是目前发展生物质气化发电的一个主要课题,也是发展中国家今后能否有效利用生物质的关键。

大型生物质气化发电系统主要适合于上网电厂,它可以适用的生物质较为广泛,所需的生物质数量巨大,必须配套专门的生物质供应中心和预处理中心,是今后生物质利用的主要方面。

各种生物质气化发电的特点见表4.7。

表4.7　各种生物质气化发电的特点

近年来,中国的生物质气化技术有了长足的进步,根据不同原料和不同用途主要发展了三种工艺类型：第一种是上吸式固定床气化炉,其气化效率达75%,最大输出功率约1400 MJ/h。该系统可将农作物秸秆转化为可燃气,通过集中供气系统供给用户炊事用能。第二种是下吸式固定床气化炉,其气化效率达75%,最大输出功率约620MJ/h。该系统主要用于处理木材加工厂的废弃物,每天可生产2600m3可燃气,作为烘干过程的热源。第三种是循环流化床气化炉,其气化效率达75%,最大输出功率约2900MJ/h。该系统主要处理木材加工厂的废弃物(如木粉等),为工厂内燃机发电提供燃料。生物质气化发电技术投资少、发电成本较低、灵活性好,在同类技术中最具竞争力,比较符合发展中国家的情况。　“十五”期间,在国家“863”计划的支持下,广州能源所研制成功了“4MW生物质气化燃气-蒸汽联合循环发电系统”,示范工程于2005年在江苏兴化建成。该电厂单位投资7500元/kW左右,燃气发电机组单机功率达500kW,但在配套设备和系统优化集成方面仍然存在不足,电厂的自动化控制程度仍较低。生物质气化发电技术的成套性成为产业化的主要瓶颈。

在中国,“八五”期间国家科学技术委员会安排了“生物质热解气化及热利用技术” 的科技攻关专题,取得了显著成果：采用氧气气化工艺,研制成功生物质中热值气化装置；以上吸式流化床工艺,研制成功100户生物质气化集中供气系统与装置；以下吸式固定床工艺,研制成功食品与经济作物生物质气化烘干系统与装置；以流化床干馏工艺,研制成功1000户生物质气化集中供气系统与装置。“九五”期间,国家科学技术委员会安排了“生物质热解气化及相关技术”的科技攻关专题,重点研究开发了1MW大型生物质气化发电技术、小型生物质气化发电技术和农村秸秆气化集中供气技术。