我国生物质气化技术概况与发展

2010年1月农机化研究第1期我国生物质气化技术概况与发展王建楠,胡志超,彭宝良,王海鸥,曹士峰(农业部南京农业机械化研究所,南京210014)摘要:介绍了我国生物质气化技术的发展现状以及生物质气化供气、发电的基本工艺流程。同时,在简述生物质气化的概念及其转化方式基础上,着重论述了生物质气化技术在国内的研究及应用现状,并对生物质气化技术所需要的关键技术装备及原理等以图示出。关键词:生物质气化;发展现状;关键设备中图分类号:S126文献标识码:A文章编号:1003-188X(2010)01-0198-040引言气化技术已成为我国能源及农业研发领域的一个热点内容能源是人类赖以生存的物质基础,是国民经济的基本支撑。我国是能源消费大国,当前能源供应主要1生物质气化原理依靠煤炭、石油和天然气等化石能源,而化石能源资生物质气化技术是一种热化学处理技术,通过气源的有限性及其开发利用过程对环境生态造成的巨化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的可燃大压力,严重制约着经济社会的可持续发展。同时,气体,用作燃料或生产动力。其基本原理是将生物质我国又是一个农业大国,每年有大量的农作物秸秆、原料加热,生物质原料进入气化炉后被干燥,伴随着畜禽粪便、农产品加工副产品和能源作物等植物生物温度的升高,析出挥发物,并在高温下裂解(热解);热质产生。而生物质气化技术正是以植物生物质为原解后的气体和炭在气化炉的氧化区与供入的气化介料,采用热解法及热化学氧化法在缺氧条件下加热,质(空气、氧气、水蒸气等)发生氧化反应并燃烧;燃烧使其发生复杂的热化学反应的能量转化过程,在反应放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应,最终生条件下按照化学键的成键原理,变成一氧化碳、甲烷、成了含有一定量CO,H2,CH4,CnH。的混合气体,去除氢气等可燃性气体的分子。最终利用这些气体进行焦油、杂质后即可燃用或者发电。生物质气化原理集中供气、发电,从而可在某些情况下替代现有的煤如图1所示。电以及天然气。其不仅减轻了因焚烧秸秆而对环境造成的污染,而且提高了秸秆的利用效果,并为能源的可持续发展提出了有效途径。夫分子有机物农业生物质能不仅具有可永续利用,具有环境友烃,芳吾化台物好和可再生双重属性,而且发展农业生物质能产业突破传统农业的局限,利用农产品及其废弃物生产新型能源,拓展了农产品的原料用途和加工途径,提升产品的附加值和市场竞争力,有利于转变农业增长方式,发展循环经济,延伸农业产业链条,提高农业效益,拓展农村剩余劳动力转移空间,在促进区域经济图1牛物质气化原理图发展、增加农民收入等方面大有可为。因此,生物质8. 1 The chart of biomass gasification theory收稿日期:2009-02-28中国煤化工基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD2806-02)作者简介:王建楠(1983-),男,河南信阳人,工程师,硕士。CNMHG20世纪80年代初通讯作者:胡志超(1963-),男,陕西蓝田人,研究员,博士,(E-期至今已开展了生物质能转换技术以及装置的研究l)zhongzi@163.com。和开发,形成了生物质气化集中供气燃气锅炉供热2010年1月农机化研究第1期内燃机发电等技术,把农林废弃物、工业废弃物等生生物质气化,在气化炉中把固体生物质转化为气体燃物质能转换为高效能的煤气、电能或蒸汽,提高生物料;二是气体净化,气化出来的燃气都含有一定的杂质能源的利用效率,实现以生物质替代气、油和煤的质,包括灰分焦炭和焦油等,需经过净化系统把杂质新型能源12。生物质气化集中供气即将生物质气化除去,以保证燃气发电设备的正常运行;三是燃气发炉产生的气体通过净化除焦、除尘后通过用户管网送电,利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电,有的工艺至用户以实现供暖、供热、供电。生物质气化集中供为了提高发电效率,发电过程可以增加余热锅炉和蒸气系统工艺流程如图2所示。汽轮机,典型的系统如图3所示。口e除尘除焦位备图3生物质气化发电工艺流程示意图1.上料器2.气化炉3.净化器4.分离器Fig 3 The chart of biomass gasification power generation process5罗茨风机6沉淀器7安全阀8.贮掘柜9.用户管网图2生物质气化集中供气系统工艺流程生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅Fg2 Process of concentrated gas supply of biomass gasification technol妒中燃烧,产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热,我国通过消化吸收国外先进技术与自主创新并产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电举,目前已研制出集中供气和户用气化设备,形成了能。生物质燃烧发电的技术已基本成熟,已进入推广多个系列气化炉产品,已进入实用化试验及示范阶应用阶段,这种技术在大规模下效率较高,单位投资段,可满足多种物料的气化要求,在生产、生活用能和也较合理,但它要求生物质集中,数量巨大3。发电、干燥、供暖等领域得到了一定利用。国内中科我国有着良好的生物质气化发电基础,在20世院广州能源所、山东能源研究所、大连市环境科学设纪60年代就开发了60kW的谷壳气化发电系统,目前计研究院及中国农业机械化科学研究院作为国内的160-200kW的生物质气化发电设备在我国已得到小生物质气化早期研究机构,相继研发了以下产品:中规模应用,显示出一定的经济效益。辽宁省能源研科院广州能源所对上吸式生物质气化炉的气化原理、究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物质气物料反应性能进行了大量试验,研制出GSQ型气化化发电系统采用木屑或稻壳为原料发电量160kW;炉;山东能源研究所研制的XFL系列秸秆气化炉在农江苏吴江县生产的稻壳气化炉,利用碾米厂下脚料驱村集中供气中得到了一定的应用;大连市环境科学设动发电机组,功率可达160kW,已进入示范应用阶段;计研究院研制Lz系列生物质馏热解气化装置建成了MW级的中型BGPG系统也已在近些年研究开发出可供1000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂;来,1998年10月中科院广州能源所完成1MW级的生中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气物质循环流化床气化一内燃机发电系统(GEC),5台化炉,其中ND-600型气化炉已在生产中得到了一定200kW发电机组并联工作,由于受气化效率与内燃机应用,并取得了一定的效益;云南省研制的QL-50和效率限制效率低于18%,单位电量生物质消耗量QL-60型户用生物质气化炉已通过技术鉴定并在农般大于112kg(kW·h)。在此基础上中国科学院广村进行试验示范。州能源研究所还在海南三亚建成了国内首个生物质在我国生物质气化技术不仅在集中供气方面有木屑气化发电厂并于2000年下半年投入运行;中国应用科研单位又将生物质气化技术进行衍生,利用林科院体产化学工业研究所以稻草、麦草等软秸秆和生物质气化技术发电,并且取得了良好的经济效益和稻壳八中国煤化工戎生物质气化发电装社会效益。生物质气化发电技术的基本原理,是把置CNMHG接经济收益。设备生物质转化为可燃气,再利用可燃气推动燃气发电设正常运行时,每年可处理约3万t多秸秆、稻壳、木屑备进行发电。气化发电过程主要包括3个方面:一是等生物质废料每年大大减少CO2的排放。2010年1月农机化研究3生物质气化技术的关键设备结构复杂,设备投资较多,常见的气化炉类型如图4所示。直接干馏热解的特点是生物质在隔绝空气条生物质气化是通过气化装置的热化学反应,可将件下进行热分解,产物为固体炭、液体的木焦油和木低效能的固体生物质转换成高效能的可燃气因此气醋液、可燃性气体,生产过程须外加能源。各气化化炉自然是生物质气化过程中的关键设备之一。我炉的工作原理及气流走向如图5所示。国使用的生物质热解气化技术,主要有固定床、流化下吸’化炉床和直接干馏热解3种工艺形式。固定床气化炉工艺一般采用空气为气化剂,气流方式有上吸式、下吸上吸式气化炉式或是平吸式,特点是设备结构简单、易于操作、可以固体床气化炉横吸式固定沐气化炉实现多种生物质原料的热解气化、投资少等。但是得到的生物质燃气热值低,通常在4200~7560kJ/m3之开心式固定床气化炉1间,属低热值可燃气,且生物质气焦油含量高,容易造单流化味’化炉成管路堵塞。流化床气化炉的工作特点:气固接触混合良好,停留时间都较短,床内压力降较高,受热均循环流化林气化炉瘐化床气化炉匀,加热迅速,气化反应速度快,可燃气得率高,炉内双流化床气化炉温度高而且恒定,可燃气中焦油含量较小,但出炉的泼化床’化炉可燃气中含有较多的灰分,可频繁启停,气化强度大、图4气化炉类型综合经济性好,非常适合于大型的工业供气系统,但可气化床耕料高砂子(a)下吸式固定床气化炉图)上吸式固定床气化炉图c横吸式固定床气化炉图(d单流化床气化炉图(e)循环流化床气化中国煤化工CNMHG图5气化炉的工作原理及气流走向2010年1月农机化研究第1期生物质气化产出物除可燃气外,还有灰分水分及气化技术装备进入市场的基本动力。可以预见随焦油等物质。大部分灰分由炉栅落入灰室,可燃气着农村整体经济实力增强,对高效能的洁净气化能源中的灰尘需经除尘装置分离出,然后将可燃气供给用的需求增大,生物质能必将与太阳能、风能、地热、沼户或者发电机使用。收集到的灰分进一步处理,可气等一起被列为农村能源开发与利用的重点,而且其加工成耐热保温材料,或提取高纯度的SiO2,也可用作市场覆盖面会越来越广阔。同时,生物质气化技术具肥料。因此,通过除尘装置将可燃气体中的灰尘分离有原料可再生及对环境友好的特点,因而受到关注程出来,不仅可以提高可燃气的质量减少对设备的损伤度越来越高,并在过去几十年里取得了重要进展,尤以及管道的堵塞,并且还可以提高产品附加值其是近20年我国在生物质气化发电研究方面已经取制约生物质气化技术快速发展的主要问题得了相当的成就,目前正是该技术步入商业化运用的关键阶段。1)焦油问题。焦油问题是影响气化气使用的最我国是一个农业大国,有着丰富的生物质资源大障碍,除了气化供热,气体燃料直接用于燃烧以外,大力发展生物质气化发电技术对于解决当前电力供无论是用于发电或供气,都有焦油问题。焦油会堵塞应不足、增加农民收入以及减少环境污染等方面具有管路,污染气缸,堵塞火花塞或燃气孔,使发电与供气十分重要的意义,生物质气化技术也为能源的可持续无法正常运行,还会引起二次污染。因此,焦油问题发展指明了道路。同时,发展生物质气化技术最终可是气化发电技术的关键之一。解决焦油问题最彻底实现以科技创新推动农村环境保护,建立农业生物质的方法就是把焦油裂解为永久性气体。目前虽有焦综合利用技术为主体的农村环保科技支撑体系,为加油热裂解与催化裂解的试验,但距实用仍存在一段距快社会主义新农村建设步伐,加快改善我国农民生产离,因此目前要解决焦油问题还应加大力度研究焦油与生活环境的进程提供技术保障。裂解的经济实用方法(。参考文献:2)二次污染问题。为了处理生物质气化中产生[1]刘晓娟,殷卫峰国内外生物质能开发利用的研究进展的焦油和对气体进行除尘,气化装置、净化装置需用[].洁净煤技术,2008,14(4):7-9大量的水作为除尘、除焦介质。除尘、除焦后的水含2]应浩蒋剑春生物质气化技术及开发应用研究进展[]有焦油和灰分等有害物质,在排放前需进行无害化处林产化学与工业,2005,25(10):151-15理,并尽可能循环使用,使排放的废水中有害物质高[3]马学良,方宪法陈开化我国生物质气化技术装备现状于环保要求,从而减少由于除焦、除灰带来了二次污与展望[.新能源,1995,17(7):25-28染。对于灰污染问题处理比较简单,只要提高气化效[4]谢军吴创之阴秀丽等生物质气化发电技术及应用前景[J].上海电力2005,18(1):54-57率,并对灰进行煅烧处理,即可满足要求。对于废水[5]黄英超李文哲,张波生生物质能发电技术现状与展望问题,就比较难处理,根本方法就是减少焦油的产生,[J].东北农业大学学报,2007,38(2):270-274.因为其主要来源于水洗除焦油(12[6]米铁,唐汝江陈汉平,等生物质气化技术及其研究进展3)气体热值偏低问题。由于生物质气化气可燃[J].化工装备技术,2005,26(2):50-56成分少,热值一般是天燃气热值的1/17~1/7,热值偏[7]杨启岳生物质气化技术[能源工程1994,1(3):41-低。为了满足热负荷的要求,就要消耗大量的气体,这就使得贮气柜体积增大,使贮气柜的投资增加。[8]姚志彪李云全应用生物质气化技术实现农业废弃物资4)提高气化技术的经济效益问题。目前已经建源化[J能源研究与利用,2005(3):35-37成运行的气化站,多数将燃气供给农民炊事之用,除[9]万仁新生物质能工程M]北京:中国农业出版社,199极少数冬季运行的气化站产出气应用于采暖外,其它10)clyM, Piskorz J. The hydro gasification of wood[J ].IndEng Chem Res,1988,27:256-264的应用形式很少,这样就影响了气化气的运行效果,[1]邱钟明,陈砺.生物质气化技术研究现状及发展前景气化机组闲置时间较长(一般只运行2-3h/d),售出[J].可再生能源,2002(4):16-19气量少,影响了气化站的经济效益,同时在一定程度[12孤油升枷质智化技术应用的问题及对策上也影响了气化站建设单位或个人的积极性。中国煤化工5生物质气化技术展望[13]CNMHG现状及应用前景展望[J].资源节约与综合利用,1999(2):24-27显著的技术优势和良好的经济性构成了生物质(下转第205页)2010年1月农机化研究第1期出版社,2006:11-33[]. AlAA Journal,1998,36(7):1291-1299[4]曾杰大型水平轴风力机载荷计算和强度分析的方法研7]TanD,GuoF,LiuS,etal. a Wind tunnel test on the entirety究[D].乌鲁木齐新疆农业大学,2001[5]全国风力机械标准化技术委员会.风力机械标准汇编comparative test of power generation[ c]//Proceedings of ei-[M].北京:中国标准出版社,2006:306-345jing International Conference on Wind, 1996[6] Singiresu S.,Rao, Li Chen Enic Mulkay. Unified Finite Element[8]D.勒古里雷斯风力机的理论与设计[M].施鹏飞,译北Method for Engineering Systems with Hybrid Uncertainties京:机械工业出版社,1987:77-81Aerodynamic Load Experiment of Wind Turbine Blade ModelZhao Danping., Tian De, Xu Baoqing",, Wang Haikuan, Ma Guangxing(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China2. Renewable Energy College, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 3. College of Energy andPower, Inner Mongolia Industry University, Huhhot 010051inaAbstract: For the aerodynamic load experiment of the mw class wind turbine blade is difficult to carry out, by the methods of test-in-truck and strain gauge testing technology, the experimental study on the aerodynamic load of modelblade of 1. 5MW is carried in this paper. Results show that the cross- section shear stress and tensile stress of the mod-el blade increase with increasing wind speed, and linear increase basically; at the same speed, for the equal intensity de-signed blade, shear stress values are basically the same, while the tensile stress values from the blade root to the bladetip decrease totally; the cross-section which is 430mm from the centre of the rotor, has the shear stress value of 372.5kPa, tensile stress value of 313. 7kPa, much higher than that of the other cross-sections; It shows that the design ofblade has much more effective to the aerodynamic loads, and it provides a feasible way to carry out exptal studyaerodynamic loads of the Mw class wind turbine bladeKey words: MW class wind turbine system; blade model; aerodynamic loads(上接第201页)Abstract ID:1003-188X(2010)01-0198-EAGeneral Situation of Biomass GasificationTechnology in ChinaWang Jiannan, Hu Zhichao, Peng Baoliang, Wang Haiou, CaogNanjing Research Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)Abstract: Introduction of current situation of biomass gasification and gas-supply, process of biomass-gasifier powergeneration. Brief introduction of the concept of biomass gasification and transformation mode, emphasis on research andapplication status of biomass gasification, graphic presentation of key equipments and theory of those that needed in thebiomass gasificationKey words: biomass gasification; current situation; key equipments中国煤化工CNMHG