生物质能源转化技术与应用(Ⅵ)——生物质发电技术和设备

第42卷第2期生物质化学工程Vol 42 No. 22008年3月Biomass Chemical EngineeringMar.2008ccEcc/sC/sc专题讲座生物质能源转化技术与应用生物质发电技术和设备刘宝亮2,蒋剑春(1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室,江苏南京210042;2.常州工学院理学院化学系,江苏常州213022)摘要:生物质能源是惟一的可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或产品的碳资源随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境污染问题的关注,生物质能替代化石能源利用的研究和开发,已成为国内外众多学者研究和关注的热点。本系列讲座主要讲逑以生物质能源为主要原料,通过不同的途径转化为洁净的、高品位的气体、液体或体燃料。本讲主要介绍了国内外生物质发电的技术和设备的发展状况,及一些国家对生物质发电的规划,重点介绍了目前主要的发电技术:直燃发电、气化发电和沼气发电。关键词:生物质能源;气化;然烧;沼气;发电中图分类号:TQ91;TQ3512文献标识码:A文章编号:1673-5854(2008)02-0055-06Conversion Technology and Utilization of Biomass Energy ( VI)-Technology and Equipment for Biomass Power GenerationLIU Bao-liang",JIANG Jian-chun'1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; Key and Open Lab. on Forest Chemical Engineering, SFA, Nanjing210042, China; 2. Department of Chemistry, School of Science, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China)Abstract: Biomass is the sole renewable carbon resource that can be transferred into gas, liquid, and solid fuels as well as otherchemicals. As the fossil energy will be exhaustive, human pay more attention to the problem of global environment. Manyscholars and researchers in the world have been focusing on the research and development of biomass energy to substitute for fossilenergy. The clean and high quality gases, liquid and solid fuels converted from renewable biomass resource by different wayswere described in the course series. In this paper the development of biomass power generation at home and abroad, and the planof some countries are introduced. The main technologies of biomass power generation have three types: direct combustion powergeneration, biomass gasification for power generation and power generation by methaneKey words: biomass energy; gasification; combustion; methane power generation矿物燃料的大量使用,推动了社会的发展,但生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物由于矿物燃料是不可再生能源使用时间有限,还质中的能量。生物质资源包括农作物秸秆和农业有矿物燃料的大量使用,引起了日益严重的环境加工剩余物、薪材及林业加工剩余物禽畜粪便、问题。因此各国政府和科学家对资源丰富、可再工业有机废水和废渣城市生活垃圾和能源植物生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物资生物质能可转换为多种终端能源如电力气体燃源的开发利用给予了极大的关注。料、固体燃料和液体燃料等。生物质是一种可再中国煤化工收稿日期:200707-20CNMHG基金项目国家“十一五”科技支撑计划:农林剩余物制备生物燃气关键技术研究(2006BAD07A03)者简介:刘宝亮(1977-),男河北唐山人,博士,从事生物质热化学转化利用的研究;联系电话:13861032499;Ema1: Ibliangl977生物质化学工程第42卷生能源,具有以下特点:1)可再生性;2)低污染造具有世界先进水平的燃烧生物质的循环流化床性(生物质硫含量、氮含量低燃烧过程中产生的锅炉公司最大发电量为30万千瓦。该公司利用SO2、NOx较低、生物质作为燃料时,二氧化碳净木材加工业造纸业的废弃物为燃料废弃物的最排放量近似于零,可有效地减少温室效应);3)广高含水量可达60%,排烟温度为140℃,热电效泛的分布性6。生物质发电技术是将生物质能率达88%;奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩源转化为电能的一种技术,作为一种可持续发展余物的区域供电站计划,生物质能在总能耗中的的能源生物质发电在国际上越来越受到重视在比例由原来2%~3%激增到19年的10%,国内也越来越受到政府的关注和民间的拥护。生到20世纪末已增加到20%以上。到目前为止,物质能是惟一的一种可再生又可直接贮存与运输该国已拥有装机容量为1~2MW的区域供热站的能源,是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能及供电站80~90座;瑞典和丹麦正在实施利用生源资源,约占全球总能耗的14%。在发展中国家物质的热电联产计划,使生物质在转换为高品位则更为突出生物质能占总能耗的35%。据预电能的同时满足供热的需求以大大提高其转换测,到2050年,生物质能用量将占全球燃料直接效率。用量的38%,发电量占全球总电量的17%根据我国《可再生能源中长期发展规划》确定的2国内生物质发电技术的发展现状主要发展目标,到2010年,生物质发电达到550中国有着良好的生物质气化发电基础,在20万千瓦,到2020年,生物质发电装机容量达到世纪60年代就开发了60kW的谷壳气化发电系3000万千瓦。统,目前160~200kW的生物质气化发电设备在1国外生物质发电技术的发展现状我国已得到小规模应用,最示此一定的经济效益生物质发电技术在发达国家已受到广泛重20世纪80年代初期开始研究开发木质原料和农视。奥地利丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国业剩余物的气化技术2。先后承担了国家、部、等国家的生物质能在总能源消耗中所占的比例增省级重点项目和国际合作项目近10项,研究开发加相当迅速了以林业剩余物为原料的上吸式气化炉,进行了美国在利用生物质能发电方面处于领先地气化发电试验研究,电的转化率为13%左右。位,1992年利用生物质发电的电站约有1000家,2001年开展国家“十五”攻关课题“160kW流化发电装机容量已达650万千瓦,年发电42亿床生物质气化发电机组技术产业化研究”,并在kWh,消耗4500万吨生物质燃料。纽约斯塔藤垃安徽友勇米业有限公司粮食加工厂建成示范装圾处理站投资2000万美元,采用湿法处理垃圾,置,原料可用稻草、麦草等软秸秆和稻壳等农业剩日产26万立方米沼气,用于发电、回收肥料效益余物燃气热值稳定输出5.2M/m3以上,最高达可观预计10年可收回全部投资。根据有关科学5.8M/m3,焦油含量小于20mg/m3,已经投入运家预测,美国政府制定的生物质能发展规划,到行,通过经济计算,有明显的直接经济收益。在安2010年生物质能在美国总能耗中所占比例达到徽望江联河米业建立了一套400kW生物质气化12%,生物质发电将达到13000MW装机容量,发电机组,已经连续稳定运行12个月。美国能源部(DOE)生物质发电计划的目标是到20世纪90年代,中国科学院广州能源所进2020年实现生物质发电的装机容量为行循环流化床的研究,在生物质气化发电技术研45000MW,年发电2250~3000亿kWh究、开发和商业化方面取得了不少成果和经欧洲是生物质能开发利用非常活跃的地区,验B6。“九五”期间进行了“1MW生物质气化新技术不断出现,并且在较多的国家得以应用,发电中国煤化工中国情的中1991年,在瑞典瓦那茂兴建了世界上第一座生物型生第一台循环流质气化燃气轮机/发电机-汽轮机/发电机联合发化床CNMH船vX组配套,出力电厂,净发电量6MWh,净供热量9MW,系统总1MW的稻壳气化发电机组,在福建莆田华港米效率达到80%以上;芬兰福斯特威勒公司是制业公司的碾米厂成功运行。“十五”期间,“国家第2期刘宝亮,等:生物质能源转化技术与应用M863计划”在1MW的生物质气化发电系统的基艺为了提高发电效率,发电过程可以增加余热锅础上,研制开发出4~6MW的生物质气化燃炉和蒸汽轮机气——蒸汽联合循环发电系统,在江苏兴化建成气化炉类型分为固定床气化炉和流化床气化了示范工程,燃气发电机单机功率为500kW,系炉。统效率也提高到28%,为生物质气化发电技术的3.2.1固定床气化炉固定床气化炉中气化反产业化奠定了很好的基础。应在一个相对静止的床层中进行,依次完成干燥、国能生物发电有限公司是国家电网公司旗下热解、氧化和还原反应过程将生物质原料转变成从事生物质能综合开发利用的专业化公司。公司可燃气体。根据气流方向的不同,固定床气化器在国内独家引进国际先进的生物质能直燃发电技又分为上吸式气化器和下吸式气化器。术,积极投资开发中国丰富的生物质能资源加快图1为上吸式气化炉,原料从上部加入,然后推进中国可再生能源产业发展。2004年11月8依靠重力向下移动;空气从下部进入,向上经过各日,单县龙基生物发电工程项目奠基仪式在山东反应层,燃气从上部排出。原料移动方向与气流省菏泽市单县举行。这一项目是国家发改委首批方向相反,又称逆流式气化器。刚进入气化器,原核准的生物质能发电项目,年消耗生物质(主要料遇到下方上升的热气流,首先脱除水分,但温度是秸秆)约20万吨,年发电量达1.56亿千瓦时。提高到250℃以上时,发生热解反应,析出挥发目的是将国际上最先进的生物发电技术引进中国分,余下的木炭再与空气发生氧化和还原反应内地,更好地利用我国丰富的秸秆等生物质资源,空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应,温缓解能源紧张,改善生态环境,促进农民增收,建度迅速升高到1000℃以上,然后通过还原层转成中国第一个环保新型清洁能源生物发电示范项变成含一氧化碳和氢等可燃气体后进入热解层目与热解层析出的挥发分合成为粗燃气,也是气化3生物质发电技术和设备器的产品。图2为下吸式气化炉,作为气化剂的空气从3.1燃烧发电气化炉侧壁空气喷嘴吹人,产出气的流动方向与生物质在适合生物质燃烧的特定锅炉中直接物料下落的方向一致,故下吸式气化炉也称为顺燃烧,产生蒸汽驱动汽轮发电机发电。包括生物流式气化炉。吹入的空气与物料混合燃烧这一质锅炉直接燃烧发电和生物质-煤混合燃烧发区域称为氧化区,温度约为900~1200℃,产生电。生物质发电装备中锅炉是关键设备,世界上的热量用于支持热解区裂解反应和还原区还原反生物质燃烧发电发达的几个国家目前均使用的是应的进行;氧化区的上部为热解区,温度约为振动炉排锅炉,技术较为成熟热效率也很高,达300~700℃,在这一区域生物质中的挥发分(裂到91%以上。炉排炉的核心部件是炉排,通过解气、焦油以及水分)被分离出来;热解区的上部可移动、可调节的炉排控制生物质在炉中的移动,为干燥区,物料在此区域被预热;氧化区的下部为并使炉排炉的一次空气量可调节,达到调节燃烧还原区,氧化区产生的CO2炭和水蒸气在这一区进程的目的。炉排冷却方式炉排材质方面的改域进行还原反应,同时残余的焦油在此区域发生进也大大提高了炉排的使用寿命。裂解反应,产生以CO和H2为主的产出气,这3.2气化发电区域的温度约为700~900℃。来自热解区富含生物质气化发电技术的基本原理是把生物质焦油的气体须经过高温氧化区和以炽热焦炭为主转化为可燃气,再利用可燃气推动燃气发电设备的还原区,其中的焦油在高温下被裂解,从而使产进行发电。气化发电工艺包括3个过程,一是生出气中的焦油大为减少。物质气化,把固体生物质转化为气体燃料;二是3.2TV凵中国煤化工烧是一种先进气体净化气化出来的燃气都带有一定的杂质,包的燃CNMH已获得了成功,括灰分焦炭和焦油等需经过净化系统把杂质除但用m咪题。与固定床相去,以保证燃气发电设备的正常运行;三是燃气发比,流化床没有炉栅,一个简单的流化床由燃烧电,利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电有的工室、布风板组成气化剂通过布风板进入流化床反生物质化学工程第42卷应器中。按气固流动特性不同,将流化床分为鼓燃气。通过控制运行参数可使流化床床温保持在泡流化床和循环流化床。鼓泡流化床气化炉中气结渣温度以下,床层只要保持均匀流化就可使床流速率相对较低,几乎没有固体颗粒从流化床中层保持等温,这样可避免局部燃烧高温。流化床逸出,比较适合于颗粒较大的生物质原料,而且一气化炉良好的混合特性和较高的气固反应速率使般必须增加热载体。而循环流化床气化炉中流化其非常适合于大型的工业供气系统。因此,流化速率相对较高,从流化床中携带出的大量固体颗床反应炉是生物质气化转化的一种较佳选择,特粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气别是对于灰熔点较低的生物质。化反应。流化床气化炉一般气化过程采用空气作气化剂所以流化床气化炉下部一般是燃烧的热空气,中上部为燃气混合气,两部分的气体体积变化较燃气大,为了保证流化床运行在合理的流化速率范围,一般设计采用下部小(d1)、上部大(42)的变截面干燥结构,如图3所示。热解还原氧化空气生物质图1上吸式气化器原理Fig. 1 The principle of up draft gasifier焦炭原料图3流化床气化炉结构图干燥Fig 3 The frame chart of fuidized bed gasifer热解中国林业科学研究院林产化学工业研究所开氧化发研制了内循环锥型鼓泡流化床系统,工艺流程如图4。由于锥形流化床截面积随高度变化,存还原燃气在着速度梯度;底部截面积较小,流速较高,可以保证大颗粒的流化,而在顶部截面积较大流速低,可防止颗粒的带出。这样在一定的流体流量图2下吸式气化器原理下,能使大小不同的颗粒都能在床层中流化另Flg. 2 The principle of down draft gasifier方面可以使流化床轴方向气速基本不变,有效降在生物质气化过程中,流化床首先通过外加低流化床炭粉夹带量,同时增加设备的操作弹性。热达到运行温度床料吸收并贮存热量。鼓入气内循环锥形流化床气化炉作为气化装置流化床化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流气化炉的气化能力比固定床高5~10倍气体的化,床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒热值可提高20%左右。气化产生的灰渣直接由定的温度。当合适粒度的生物质燃料经供料装置煤气中国煤化工连续长时间稳加入到流化床中时,与高温床料迅速混合,在布风定地CNMHG板以上的一定空间内激烈翻滚,在常压条件下迅子阮m阴丌及循环流化床速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程,使之在工艺流程图如图5。循环流化床化速度最快它等温条件下实现了能量转化,从而生产出需要的适用于较小的生物质颗粒,在大部分情况下,它可第2期刘宝亮,等:生物质能源转化技术与应用D以不必加流化床热载体因此运行最简单。循环个新的水平,它为生物质的大规模工业化应用流化床气化装置的成功运行,使气化技术提高到奠定了基础。22456/891011.富氧装置 oxygen-enriched device2.分气缸加fer;3.气化炉 gasifier;4.贮灰槽 ash tank;5贮檀tank6泡沫塔 bubble washing tower;7.水泵pump8冷却器 cooler;9.鼓泡塔 bubbling tower,10.过滤器fer1l罗茨风机 Root's blower12集液器 tar tank;13.贮槽tnk;14.水封 water sealers;15.煤气柜 gas tank6水封 water sealers17螺旋进料器 screw feeder;18料斗hopr;19212旋风分离器 cyclone separator,20.文丘里 Venturi scrubber图4内循环鼓泡流化床系统Fig 4 The system of inner conical bubbling fluidized bed生物质排水排水排水图5循环流化床发电系统Fig. 5 The system of circulated fluidized bed for power generation沼气发电沼气发电机组发电,并可充分利用发电机组的余沼气发电是利用工业农业或城镇生活中的热用于沼气生产,使综合热效率达80%左右,大大量有机废弃物(例如:酒糟液、禽畜粪、城市垃大高于一般30%~40%的发电效率。圾和污水等),经厌氧发酵处理产生的沼气驱动沼气发酵的3个阶段:多糖低级挥发性脂肪酸蛋白质肽或氨基酸醇类、中性化合物甲酸、甲醇脂肪肪酸和甘油乙酸消化阶段H中国煤化工CNMHG不产甲烷阶段图6沼气发酵的3个阶段生物质化学工程第42卷参考文献[1]蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景[J]林产化学与工业,2002,2(2):75-802[2]朱清时生物质洁净能源[M],北京:化学工业出版社,2001浮渣层[3]GROSS R, LEACH M, BAUEN A. 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