生物质热电联产发展现状

第25卷第12期建筑科Vol 25. No 122009年12月BUILDING SCIENCEDec.2009[文章编号]10028528(2009)12000106生物质热电联产发展现状樊瑛,龙惟定2(1.同济大学机械工程学院,上海201804:2.同济大学中揣工程学院,上海2009摘要]生物质热电联产具有能源供给稳定温室气体排放量极低等优点,解决了能源消耗与环境相矛盾的问题。本文介绍了生物质原料类型、生物质转换路线及其优缺点;阐述了生物质热电联产的直接燃烧和气化技术的设备、特点、存在的问题和解决的办法以及商业化程度;分析了不同原动机的生物质热电联产系统;简介了芬兰、瑞典及丹麦生物质热电联产的发展状况。鉴于当前的国际能源局势,可以认为生物质热电联产的前景是美好的[关键词]生物质热电联产;技术;原动机;发展[中图分类号]TK6;TK019文献标识码]ADevelopment Status of Biomass Combined Heat and Power GenerationFAN Ying, LONG Wei-ding2(1. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China: 2. Sino-German Schoolof Applied Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)( CHP)has some advantagesemissions, and so on. With this system, the problems of energy consumption and environment could be solved In this paper, types of biomassfeedstock, biomass conversion paths and its advantages and disadvantages were firstly introduced. Secondly, the appliances, characteristicsxisting problems and solutions of direct-fired technology and gasification for biomass CHP were discussed, as well as its commercializationdegree. Thirdly, the different biomass CHP systems with various prime movers were analyzed. Finally, the status of development of biomass CHPin Finland, Sweden and Denmark were briefly presented. According to the current intemational energy situation, it was considered that biomassCHP had a promising future[Keywords] biomass combined heat and power generation, technology, prime mover, development1引言固体废弃物(MSW)和生物质等,其中生物质的应用日益受到重视全球变暖引起世界各国对温室气体排放量的关生物质原料包括农业废弃物、动物废弃物、林业注,《京都议定书》规定了缔约国温室气体排放量的木材废弃物、专用能源种植物城市固体垃圾和掩埋限额。为了实现《京都议定书》的减排目标,可再生气、污水处理生物质气、城市木材废弃物以及食品残能源的开发利用和能效的提高已成为各国减排的主渣。目前有机废弃物和残渣一直是主要的生物质资要途径。提高热电部门的供应效率为近期温室气体源,但专用能源种植物正逐渐受到重视。用生物质减排提供了一个机会。传统化石燃料发电系统的平代替化石燃料有许多潜在的优点,具体取决于生物均综合效率数十年以来一直保持在35%-37%,而质的来源和用途,通常包括:降低温室气体和其它污一般的热电联产系统的综合效率达60%-80%,最染物排放;节省成本;加快地方经济发展;减少废弃先进的热电联产系统的综合效率可达到90%以上。物的数量;增强国内燃料供给的稳定性;同时生物质热电联产具有可减少温室气体排放量降低热电网更加灵活可靠。生物质能与其它可再生能源,如输送系统的投资、增强能源供给的稳定性等优点,理太阳能、风能、水能相比不受气候条件、季节或昼夜论上几乎适合于任何燃料,如天然气媒柴油、城市变化「Ⅵ凵中国煤化工其碳中性的特性收稿日期]20090603符合CNMHG是生物质作为燃蕃金项目]低磯区城开发中建筑能源规划导则研究(c0851⑩56)料,其能源密度较低,这也正是其只能小规模应用或作者简介]樊瑛(197),女,在读博士研究生[联系方式] Mrsfanying@163,com混合燃烧的原因。建筑科第25卷生物质热电联产是一个综合的能源系统,系统形式和组成取决于生物质燃料类型和末端用户的需求。生物质原料的燃料特性差别很大,因此在应用新燃料源过程中所考虑的问题也不同。不同的生物质原料需要不同的收集、储存、运输以及转化技术。生物质的图2直接燃烧热电联产系统组成转化路线如图1所示,图中所示为用于热电联产的生物质的转化路线,大体分为二类:直接燃烧技术和排下向上供给燃料和空气,而后者的燃料从炉排上气化技术,后者包括固体生物质直接气化、固体生物供给空气则由炉排下向上送。上送炉排进一步分质高温分解生成生物油后气化,以及湿生物质(如动为集中式供给(mse)和撒布式供给( spreader),物废弃物)经厌氧发酵生成生物质气在集中式供给炉排里,燃料被连续地送至炉排的-=热地联端,当燃烧的时候,燃料沿着炉排运动,在炉排的另端清除灰渣;撒布式供给炉排是最普通的炉排锅固体生物质甲醇炉,燃料被均匀地散在炉排面上,空气从炉排下供给。炉排锅炉的效率约为65%。高温分解生物油流化床锅炉分为常压流化床锅炉和带压流化床锅炉。根据流化速度的不同,常压流化床锅炉又分油作物提炼生物柴油为沸腾(或称为泡沫)流化床锅炉和循环流化床锅炉。与炉排锅炉相比,流化床锅炉燃烧效率高,可有糖作物发酵效燃烧生物质和低级燃料,SO2和NO,的排放量低。改质流化床锅炉的效率约为85%。影响生物质燃烧效率的主要因素是生物质的含湿生物厌氧发酵生物质气水量、引入锅炉的过量空气和未燃烧或部分燃烧的生物质的百分比。高热值、低含水量的生物质比低图1生物质转换路线热值、高含水量的生物质效率高。生物质热电联产系统的原动机具有不同类型,直接燃烧生物质热电联产系统与燃煤热电联产如蒸汽轮机、燃气轮机、燃料电池、往复式发动机和系统相比增加了生物质准备工场生物质处理设备燃料电池等。模块化系统出现了一些正处于研发阶(干燥器、筛选机和研磨机等)捕集大颗粒粉尘的旋段或正在商业化过程中的新技术,如有机朗肯循环风分离器、处理细微粒的囊式集尘室、干式筛分系(ORC)、“熵"循环、热空气透平以及斯特林发动机。统氮氧化物排放量控制装置以及其它控制设备直接燃烧包括混合燃烧( cofiring)和专用生物质燃2生物质热电联产中的生物质转化技术烧。混合燃烧指的是将少量的生物质原料与化石燃生物质转化是将生物质转化为可用于发电供热料混合作为锅炉的燃料。生物质燃料的热值占锅炉的能源的过程。用于生物质热电联产的主要转化技总热值的5%~15%时,锅炉以及配套设备几乎不术为直接燃烧技术与气化技术用做大的改动就可以运行。混合燃烧具有降低原料2.1直接燃烧技术成本、改善空气污染物排放量、多样化原料供应以及直接燃烧技术可追溯至19世纪,当今依然广泛适于节能改造的优点。但是碱含量高的生物质燃料应用。图2为直接燃烧热电联产系统组成图,常用在燃烧过程中会在换热器等设备表面出现结渣、结于生物质燃烧的锅炉为炉排锅炉和流化床锅炉,这垢问题;氯含量高的生物质燃料在燃烧过程中,尤其2种锅炉完全依幕生物质来维持燃烧或者将媒与生在商凵中国煤化工这些问题可以通物质混合燃烧过CNMHG量高的生物质原炉排锅炉根据燃料供给位置的不同分为下送炉料,如阜、;用科加們。大多数木制材料排( under feed)和上送炉排( over feed)锅炉,前者从炉与废纸不会出现结渣、结垢和腐蚀问题2。将既有第12期樊瑛,等:生物质热电联产发展现状锅炉改造成适合混合燃烧的锅炉,附加成本大约占影响气化器运行性能的主要因素包括生物质含到生物质系统的15%~30%水率、气体净化及工作压力。生物质原料中水分的22气化技术含量会影响到合成气的热值。水分含量越高,合成气化技术是指将生物质通过高温分解或厌氧发气热值越低,可利用程度越小。如果水分含量过高酵产生中、低热值的合成气。合成气的热值在3726且没有外部热源时,气化器不能正常工作。固定床18630k/m3之间,具体数值取决于生物质的含碳气化器的生物质原料含水率通常要小于20%,流化量、含氢量以及气化器的特性。图3为生物质气化床气化器的生物质原料含水率通常要小于30%。热电联产系统示意图气化器制成的合成气中含有多种类型的污染物,在气体处理装量用作下游设备的燃料之前,需要进行净化。如燃料空气发动机的冷却循环电池蒸汽轮机、发动机都需要清洁的气体。合成气DH网中的主要污染物及相应的净化方法如表2所示。气Ic发动机体净化过程中损失了显热,目前针对此问题的高温气体净化技术正在研究中。气化器可在常压或高压下运行,高压下产生的合成气无需压缩可直接引入燃气轮机燃烧。厌氧发酵制成畜甲烷的沼气技术不在此赞述。图3生物质气化热电联产系统示意图表2合成气中的主要污染物及其相应的净化方法污染物净化设备气化器包括固定床气化器与流化床气化器。按焦油湿式尘器、静电除尘器挡板过滤器催化转换器或燃烧照空气气流方向不同,固定床气化器可分为向下送旋风除尘器、纤维过滤器、静电除尘器或湿式除尘器风式、向上送风式与交叉流。向下送风式是指空气性化1)将合成气冷却至6Q℃,使汽魔:2)用旋风除尘器通过固定床由上向下流动,合成气在炉排下侧流出;催化转换器碳氢化合物改质或湿式除尘器向上送风式是指空气通过炉排由下向上流动,在固定床上侧收集合成气;交叉流是指空气流向与固定气化技术与直接燃烧技术相比,具有气体燃料床交叉,空气从一侧进入,合成气从另一侧流出。按用途广泛、适于处理不同类型的生物质原料以及低照空气气流流速由小到大的顺序流化床气化器可排放量的特点,是一项很有潜力的技术。一些研究分为沸腾式、再循环式与夹带式。与固定床气化器甚至表明气化热电联产与传统的燃煤热电联产厂经相比,流化床气化器结构复杂造价高。然而流化济性相同。床气化器具有较好的灵活性,可处理大范围的生物2.3直接燃烧技术与气化技术的商业化程度质原料,甚至包括含水率达到30%的生物质。固定固定炉排锅炉直接燃烧技术已有100多年的历床气化器与流化床气化器的典型参数见表1。史,流化床锅炉直接燃烧技术近年已在欧洲、美国广表1固定床气化器与流化床气化器的典型参数泛推广,混合燃烧适合于多种类型的锅炉。固定床固定床气化器气化器是正在出现的技术,目前全世界在运行的生(向下送风式)流化床气化器物质气化系统的实际数量估计低于25个。流化床燃料尺寸/mm10~100气化器的商业化程度比固定床气化器要好。燃料含灰量(%重量)工作温度/℃790-1400730~9503不同原动机的综合生物质热电联产技术调节比容量/(MW热量)数小时中国煤化工机( team engine)焦油含量(keg/×10-)0.86内燃型透平都是较成熟高位热值/(J/m3的技CNMH为旋转式,而蒸汽机为往复式动力机械,蒸汽机的主要缺点是电热比建筑新辱第25卷低,仅为0.1~0.15。内燃机包括柴油发动机和奥托OMTS也有缺陷,高温ORC过程中总热回收效率偏发动机(汽油发动机),具有单位投资成本低建设周低。期短、启闭快、部分负荷时高效、容易维修以及适合生物质能,尤其是生物质厌氧发酵能是达到欧多种燃料的特点。这些原动机的详细介绍见文献洲实施可再生能源目标的最具吸引力的选择之[6]。直接燃烧锅炉蒸汽轮机生物质热电联产(>5具有替代化石燃料的潜力。然而,这项技术仅在MW。)模块化直燃锅炉小型蒸汽轮机生物质热电有补贴时,在经济方面才是可行的。图6为一个联产(<5MW)以及以厌氧发酵生物质气为燃料的ORC生物质热电联产系统示意图将动物废弃物内燃机、微型透平、燃气轮机热电联产都是已商业化有机垃圾和能源种植物倒入储存装置根据需要送的技术。本节介绍在生物质应用中处于研发阶段或人发酵罐制生物质气(富甲烷),产生的生物质气流研发示范阶段的新技术。入气体储存罐,根据需求调节供气量,气体脱硫后进31有机朗肯循环( Organic Rankine Cycle,ORC)人大型内燃机( Large Intemal Combustion Engine)发有机朗肯循环是用有机流体替代水作为工质的电余热供给ORC系统的蒸发器,驱动系统运行,从朗肯循环(见图4)。ORC可回收地热、太阳能辐射而实现同时发电供热。简单地说该循环为采用内热量和低温余热用于发电,图5为地热ORC发电燃机的余热加热的ORC循环。流程图。ORC工质的选择对ORC过程的使用起着关键的作用,工质类型取决于其用途和余热能级有机垃圾/能源种植物过热器粪便汽轮机燕发器生物质气除硫装置预热器型内燃机生物质气发酵池冷凝器①循环泵图4带回收器的ORC工质图6ORC生物质热电联产系统示意图u发电机ORC的发电效率为6%~17%,虽然发电效率发器冷却水地热水冷凝器低,但是它有其它的优点:维修量小、人工费低;有机流体的高压与膨胀蒸汽之间的焓差小,相应地质量流量大,从而减小了间默损耗;ORC气轮机效率可达到85%以上;显著的部分负荷性能2。生物质图5地热ORC热电联产示意图ORC技术目前还未完全商业化,其发电范围为3001500kW。ORC很适合于用生物质作为燃料的热电联产系统。低温时有机流体有着更高的循环效率;应用32斯特林发动机于小规模的生物质热电联产厂时,部分负荷下有机斯特林发动机是一种外燃往复式发动机。用外部流体的透平效率较高这就是ORC用于生物质热电驱动中国煤化工加热后带压膨胀,联产的主要原因。在大多数生物质的应用中,八甲CNMHG膨胀气体被冷却压缩准备下-礼加絷循邛。符林发动机的构造主三硅氧烷(OMIS)一直被选为ORC的工质,但是要分成3类:a型、型与Y型。a型发动机由2个成第12期樊瑛,等:生物质热电联产发展现状90夹角的独立汽缸组成,其中一个汽缸被加热,另已开发了1台9kWa的生物质气斯特林机、1台35一个汽缸用水或空气间接冷却;型由具有热区与kW的以木柴片为燃料的斯特林机,并在奥地利建冷区的一个汽缸组成置换剂在汽缸里面;y型是在成了1个35kW的小规模生物质热电联产厂。现型的基础上改造的由2个单独的汽缸组成,置换场测试的斯特林发动机发电效率为20%,热电联产剂在其中的一个汽缸内。图7显示了每种类型斯特的总发电效率为92%,综合效率为90%,测试所用林发动机的外形。木柴片含水率为30%左右。斯特林生物质热电联产是新的技术,目前处于研发示范阶段。33熵循环、热空气透平熵循环与有机朗肯循环(ORC)相似,而热空气透平就是布雷顿循环,目前都处于研发阶段。这2项技术以及ORC均适用于直燃模块系统(<5MW),以含水率为20%的柳枝稷作为燃料的系统规模、成本以及系统效率如表3所示。表3直燃模块系统的规模、成本及效率图7斯特林发动机的类型类型规模成本热电联产发电/kW率/%斯特林发动机具有相当低的排放量(特别是有机朗肯循环300~30006000-9000NO,)、噪音小、运行安静、维修量小。但是斯特林发熵循环100-30001800-380动机的发电效率相当低,当用天然气作为燃料时,发热空气透平50~1000280~5500电效率大约为25%~30%;当用固体燃料,如生物质作为燃料时,效率低达15%;但总效率与其它热4欧洲生物质热电联产技术发展状况14电联产方式差不多叫。斯特林发动机适合于住宅、欧盟2010年的可再生能源目标是国内总能源宾馆等场所其发电量通常低于100kW。德国的消耗量中可再生能源份额为12%,绿色电力为soLo斯特林cmH在004年已生产了一系列燃气221%。要实现这个目标即意味着2010年需要大斯特林161发动机。SOO斯特林161(2-95kWa;约74Mue的生物质生物质发电量为32Moe8-26kW)的参数如下。1)发动机数据:V2斯特林4.1芬兰发动机缸容量为160cm3,运行气体为氦,介质最大芬兰在热电联产方面的发展居世界领先地位运行压力为150bam,发动机公称转速为1500 r/mino2007年,热电联产发电量已占到国内总发电量的2)性能数据:外环最大出口温度为65℃,加热人口29%,热电联产在区域供热和热电生产中所占份额性能温度为50℃,输出电力为2-95kWa,发电效如图8所示。芬兰的能源局势主要受到本国的寒冷率为22%~24.5%,输出热能力为8~26kW,制热气候、降低能源进口以及努力降低碳排量3方面的效率为65%-75%,总效率为92%~%6%。3)外形影响。生物质在芬兰是最大的可再生能源供应源,尺寸:长为1280mm,宽为700mm,高为980mm,重在2001年占到可再生能源的85%。量为460kg。4)燃烧器与燃烧室:燃烧器性能最小为了促进可再生能源的发展,芬兰政府长期资为16kW,最大为40kW,燃料为天然气和液态气,系助此方面的研发工作。在芬兰,生物质热电联产厂统为无焰氧化系统。5)燃料消耗量与排放量:NO排已有20年的历史,已建成10多个生物质热电联产放物为80-120mgm3,CO排放物为40~60mgm3,厂。如2001年建成的炉排锅炉与蒸汽轮机组合的以燃料消耗量(净热值10kWh/Nm3)为12-38Nm3/树皮中国煤化工l电厂,年发电量h。6冷却系统:冷却流体体积(内部)为4.21m3。为5三 Kymijarvi电厂经用生物质作为燃料的斯特林热电联产系统的研改造CNMH召解元的生物质热电联发工作在丹麦技术大学的主持下已进行了10多年,产厂,气化技术使当地的廉价燃料得以利用;建于6建筑科兽第25卷∞“热的盘版““叠产华的倍中化的技术;混合燃烧作为一项有效的节能改造技术,商业化程度高,实际应用很成功;流化床锅炉直燃技术近年在欧洲应用广泛,是一项新技术;气化技术是正在出现的技术;模块化生物质热电联产技术因具有使用灵活方便、启停快的优点,尤其适合于远离城市的偏远地带的发电供热,如直燃小型蒸汽轮机生物质热电联产已商业化。用生物质作为热电联产的燃料,与燃气热电联图8芬兰热电联产在区域供热和热电生产中所占份额产相比,系统会出现许多问题,如结垢、结渣和腐蚀1992年的以木材废弃物为燃料的 Kuhmo电厂采用等而且不同的生物质原料会存在不同的问题。然了循环流化床技术,额定发电量为4.MW,额定供而,碳中性以及能源供给稳定的特性使生物质在可热量为12.9MW:20年建成的以泥炭、木片为燃再生能源中占有重要位置料的 Kokkola电厂采用沸腾流化床技术,额定发电生物质热电联产在欧洲各国发展状况不同,与量为20MW额定供热量为50MW;在芬兰的皮耶塔国内能源结构及政府能源政策有关。瑞典主要以核尔萨里,2002年投产的目前世界上规模最大的生物能和水能发电生物质热电联产份额不高;芬兰和丹质热电联产厂— Alholmens Kraft发电厂,其燃料以麦政府支持生物质热电联产,且国内生物质资源丰废木材泥炭为主,煤炭和油为辅,常在启动时使用,富该系统发展很好。其总发电容量为240MW,蒸汽产量为100MWa。与太阳能、风能等可再生能源相比,生物质能源4.2瑞典供给稳定、温室气体排放量接近零、可规模化发电供瑞典能源主要依靠核能与水能,所以热电联产热、可加强本土资源的利用、降低对进口能源的依赖发电在2001年仅占7%。据瑞典国家能源部门的预性减少国内市场受到国际能源局势的冲击。生物测,2010年瑞典总发电量的8%将由热电联产供给。质热电联产在解决能源问题的同时环境影响很小在瑞典与集中供热热网相连的生物质热电联产厂符合目前减排的局势在近些年应具有很好的发展约有15个,其中3个生物质热电联产厂由于经济原前景。因已停止运行,仍在运行的生物质热电联产厂,如[参考文献]Falun Energi生物质热电联产厂采用沸腾流化床锅炉,以树皮、木材废弃物和木片为燃料,额定发电量1]A. Combined Heat and Power, Evaluating the Benefits of Greater为8MW,额定供热量为22MW; Kristianstad生物质Global Investment[ R].2008热电厂采用循环流化床以木材为燃料额定发电量2]EPA, Biomass Combined Heat and Power Catalog of Technologies为135MW额定供热量为35MW。然而,从政治方(3] Patricia Thomley, Increasing biomass based power generation in the面考虑,瑞典可能会减少核电厂,同时禁止水力发电UK[J]. Energy Policy,2006,34(5):2087-209的建设,从而会推动生物质热电联产的发展[ 4] Rentizelas A, Karellas S, Kakaras E, et al. Comparative techno-4.3丹麦economic analysis of ORC and gasification for bioenergy applications[]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(3): 674-681丹麦热电联产发电量占到其年发电量的70%,[5]Badn1, Kirschner. Biomass greens US power production[J].Rene在供电供热方面占着重要的份额。丹麦政府能源政Energy World,1998,3:40~45策自1986年以来一直推广热电联产,1992年后,能(61 Wu dw, W吗gRz. Combined cooling, heating and power:.ri源政策设法鼓励使用本土燃料,对生物质热电联产lI]. Progrese in Energy and Combustion Science, 2006, 32(5-6)的示范工程还给予额外补贴。到1999年,丹麦已有0个生物质热电联产厂和10个研发工程在运行。7]5结论THa中国煤化工 cycle using dry fluidsCNMHG9:99- 1007(下转第38页)炉排锅炉与蒸汽轮机相结合的技术是一项标准38建筑科学第25卷协助,在此表示衷心的感谢。能源技术,1985,1:36-40[12]NY/T58-1987民用炕连灶热性能测试方法[S]北京:中国农[參考文献]业出版社,1987[13]徐洪波,焦庆余,徐国堂高效预制组装架空火炕的研究[门[1] Zhi Zhuang, Yuguo Li, Bin Chen, et al. Chinese Kang as a domestic农业工程学报,1991,27(3):8-86heating system in rural northen China-a review[J]. Energy and [14] Zhuang Z, Li YG, Duanmu L, ef al. 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