生物质气化机理及应用

生物质气化机理及应用发电设备(2010 No. 5)郑昀'，邵岩，李斌”(1.福建省电力勘测设计院，福州350003; 2.济南锅炉集团有限公司，济南250023)摘要:介绍了生物质气化机理 、工艺及设备,并介绍了目前应用较多的生物质气化供气和生物质气化发电方式.指出了生物质气化技术目前面临的问题，提高效率和可靠性、降低飞灰和焦油含量等是今后生物质气化技术应用的主要研究课题。关键词:生物质:气化机理;气化技术应用中图分类号:TK6文献标识码:A :文章编号:1671-086X(2010)05-0385-04Mechanism of Biomass Gasification and its ApplicationZHENG Yun'，SHAO Yan?，LI Bin'(1. Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China;2. Jinan Boiler Group Co., Ltd., Jinan 250023, China)Abstract: An introduction is being presented to the mechanism, technology and equipment of biomassgasification, including its wide application for gas supply and power generation. Problems existing in currentgasification technologies of biomass are listed, and how to improve the efficiency and reliability, reduce thefly ash emission and lower the tar content can be taken as future study subjects concerning biomassgasification technology.Keywords: biomass; gasification mechanism; application of gasification technology生物质能是指由光合作用产生的各种有机86%,生物质受热后在较低的温度下就能使大量体蕴含的热能,通常包括农业废弃物、木材及森的挥发分物质析出。几种常见生物质燃料的工林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能业分析成分见表1.源作物等。生物质能具有以下特点:(1)属于可表1几种生物质的工业分析成分再生能源,可保证能源的继续利用;(2)种类多而工业分析成分分布广,便于就地取材,利用形式多样;(3)相关.种类w(M) w(Vy) w(G) w(A>)技术已经成熟，可贮存性好;(4)节能、环保效1%___ /%___ /%_ /% /(M]+kg-I)果好叫。杂草5.43 68.77 16.40 9.4616. 192豆秸5.1074.65 17.12 3.13 16. 1461生物质气化的机理.褶草4.9765.1116.06 13.86 13. 970麦秸4.3967.3619.35 8. 9015. 363生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物玉米秸4.877]. 4517.755. 9315. 450作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃玉米芯15.0076. 607.00 1. 4014. 395部分转化为可燃气(主要是H2 .CO和CH, )的热棉秸6.7868.54 20,71 3. 9715. 991化学反应过程。20 世纪70年代,Ghaly首次提为了提供反应的热力学条件,气化过程需要出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低供给空气或氧气，使部分原料发生燃烧,并使尽的燃料。生物质的挥发分含量一般在76%~量多的能量保留在反应后得到的可燃气中。气收稿日期:2010-03-15作者简介:郑昀(1983 -),男.助理工程师,长期从事电厂勘测设计工作。E- mail; zhengyun1028@ 126. com发电设备(2010 No. 5)生物质气化机理及应用化后的产物含有H2、CO及低分子的C. H,等可.表3生物质气化炉的分类燃性气体。整个过程可分为干燥、热解、氧化和按运行方式分类按结构形式分类还原四个阶段。上吸式固定床气化炉(1)干燥过程生物质进入气化炉后,在热 .固定床气化炉下吸式固定床气化炉横吸式固定床气化炉量的作用下析出表面水分，在200~300 C时为鼓泡床气化炉主要干燥阶段。德化床气化炉循环流化床气化炉(2)热解反应当温度升高到 300 C以上时双流化床气化炉携带床气化炉开始进行热解反应。在300~ 400 C时生物质就可以释放出70%左右的挥发分.而煤要到800 C3.1固定床气化炉[3,3]才能释放出约30%的挥发分。热解反应析出的固定床气化炉是一种传统的气化反应炉,其挥发分主要包括水蒸气、H2.CO、CH,、焦油及其运行温度约为1 0000 C.他碳氢化合物。(1)上吸式气化炉中,生物质原料由炉顶加(3)氧化反应热解 的剩余木炭与引入的空人,气化剂由炉底部进气口加人,气体流动的方气发生反应,同时释放大量的热以支持生物干向与燃料运动的方向相反,向下流动的生物质原燥热解和后续的还原反应，温度可达到1000~料被向上流动的热气体烘干、裂解、气化。其主1 200 C.要优点是产出气在经过裂解层和干燥层时,将其(4)还原过程还原过程没有氧气存在,氧携带的热量传递给物料,用于物料的裂解和干化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木炭发燥,同时降低自身的温度,使气化炉的热效率提生反应,生成H2和CO等。这些气体和挥发分高,产出气体含灰量少。组成了可燃气体,完成了固体生物质向气体燃料(2)下吸式气化炉中,生物质由顶部的加料的转化过程。口投人,气化剂可以在顶部加入，也可以在喉部加入。气化剂与物料混合向下流动。其优点是2气化工艺有效层高度几乎不变。气化强度高,工作稳定性生物质气化有多种形式,见表2。不同气化好,可以随时加料，而且气化气体中焦油含量较技术所得到的热值不同，因而应用领域也有所不少。但是燃气中灰尘较多,出妒温度较高。同。表2列出了不同气化工艺产生可燃性气(3)横吸式气化炉中,生物质原料由气化炉体的热值及其主要用途。顶部加入,气化剂从位于炉身- -定高度处进人炉内,灰分落人炉栅下部的灰室。燃气呈水平流动，表2不同气化工艺技术的用途故称作横吸式气化炉。该气化炉的燃烧区温度可气化形式可燃气体热值用途达到2 000 C，超过了灰熔点,容易结渣,因此该(标准状态)/(M.m~)使用气氧气气化空气气化5.440~7.322锅炉 ，干燥、动力炉只适用于含焦油和灰分不大于5%的燃料，如10.878~18.200区域管网、 合成燃料无烟煤、焦炭和木炭等,但对于生物质问题不大。化介质水蒸气气化10.920~18.900 区城管网 合成燃料3.2流化床气化炉氢气气化22. 260~26. 040工艺热源、管网不使用热分解气化10.878~-15. 00燃料与发电、制造流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术。气化介质汽油与酒精的原料流化床气化炉的温度一般在750~800 C.这种气化炉适用于气化水分含量大.热值低、着火困3气化设备难的生物质物料,但是要求原料粒度相当小，可.气化炉是生物质气化反应的主要设备。按大规模、高效地利用生物质能。气化炉的运行方式不同可分为固定床、流化床和(1)鼓泡床气化炉炉中气流速度相对较旋转床三种类型(。目前国内生物质气化过程低,几乎没有固体颗粒从中逸出。所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床(2)循环流化床气化炉炉中 流化速度相对气化炉,它们又各有多种不同的形式，其分类见较高，从床中带出的颗粒通过旋风分离器收集表3。后,重新送入炉内进行气化反应。生物质气化机理及应用发电设备(2010No.5)(3)双流化床与循环流化床相似，见图2。 4.2 生物质气化发电技术不同的是第1级反应器的流化介质在第II级反生物质气化发电技术是目前研究与应用最应器中加热。在第I级反应器中进行裂解反应，多、装备最为完善的技术。目前,生物质气化发第1级反应器中进行气化反应。双流化床气化电有三种方式:炉碳转化率较高。(1)生成的可燃气体作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气丁燃气， 烟气体要求不是很严格,直接在锅炉内燃烧气化气，气化气经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可第1级反应器第II级反应器使用。燃烧器在气体成分和热值有变化时,能够;保持稳定的燃烧状态,污染物排放较少。气化剂碳粒燃烧炉(2)生成的可燃气体在燃气轮机内燃烧带动发生物质砂子电机发电。这种方式对气体的压力有要求,一般为高温砂子厂气化制空气1~3 MPa.该技术存在灰尘、杂质等污染问题。图2^双循环流化床示意图(3)生成的可燃气体在内燃机内燃烧带动发(4)携带床气化炉是流化床气化炉的一种电机发电。这种方式应用广泛,效率高。但是该特例,其运行温度高达1 100~1 300 C,产出气方法对气体要求极为严格,气化气必须经过净化体中焦油成分和冷凝物含量很低,碳转化率可以和冷却处理。达到100%。大型的生物质气化发电系统均采用燃气轮机发电机,这是目前世界上最先进的生物质发电4应用实例技术。该系统包括两种发电技术:整体气化联合4.1生物质气化供气循环(IGCC)和整体气化热空气循环(IGHAT)。生物质气化供气技术是指气化炉产出的生由于燃气轮机排放的尾气温度大于500 C ,所物质燃气,通过相应的配套装备,完成为居民供以增设余热锅炉和过热器产生蒸汽,再利用蒸汽应燃气的技术,其工艺流程见图3。循环进行发电,这就是生物质整体气化联合循环，可以有效提高发电系统效率,其工艺流程见图4。生物质气化设备原料}一D气化妒HC燃烧净化器][风机个[水封器h空气口高温过滤器燃气轮机尾气原料戮解炉r骨中0丹1°e燃气管网[组火蓉]气相一- J图3生物质气化供气系统工艺流程图生物质原料首先经过处理满足气化炉的使气化协分离器I蒸汽轮机to用条件,然后由送料装置送人气化炉中。不同类电。型的气化炉需要配备不同的送料装置。所产生的可燃气体,在净化器中除去灰尘和焦油等杂圈4生物质整体气化联合循环工艺流程图质。经过净化后的气体经过水封,由鼓风机送人该系统由物料预处理设备、气化设备、净化设储气罐中,水封相当于一个单向阀，只允许燃气备、换热设备、燃气轮机、蒸汽轮机等设备组成,发向储气罐中流动。储气罐出口的阻火器是一个电功率在 7~30 MW,整体效率可以达到40%。重要的安全设备。最后，燃气通过燃气供应网统整体气化热空气循环(IGHAT)技术正处于-输送给用户。开发阶段,它和IGCC的主要区别在于用同一个目前,生物质气化供气技术已经在山东、辽宁、燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮机。由吉林、安徽等十几个省市推广开来,已经成功气化水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮机输出有;的生物质包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麦秸等[4。用功,其整体效率可以达到60%,有望成为21世发电设备(2010 No. 5)生物质气化机理及应用纪的新型发电技术。我国生物质能资源十分丰富,仅各类农业废弃物每年即有3.08X10*t标准煤,薪柴资源量为5生物质气化技术面临的问题1.3X10* t标准煤。第15次世界能源大会将生生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然物质气化技术确定为优先开发的新能源技术之气的第四种能源资源，在能源系统中占有重要地--。目前,我国已经建立了500个以上的生物质位。当前,生物质气化技术在实际利用过程中，气化应用工程。 这些装置连续运行的经验表明，还存在以下问题口:生物质气化技术对处理大量的农作物废弃物、减(1)生物质灰熔点低、碱金属元素含量高,直轻环境污染、提高人民生活水平等方面都发挥着接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素腐蚀。积极作用。(2)生物质气化时,渣与飞灰的含碳量较高，参考文献:气化效率低。(3)燃气中焦油含量高,容易产生含焦废水，[1]吴正舜,吳创之,郑舜鹏.4 MW级生物质气化发电示范工程并影响设备的正常运行。.的设计研究[J]，能源工程，2003(3)14-17.(4)目前气化发电机组的尾气余热回收效果[2] GAHLY M, PISKORZ J. The hydro gaiation of wood[J]。Ind Eng Che Mres. 1882)25-264.不好,造成整个系统效率较低。[3]李传统.新能源与可再生能源技术[M].南京:东南大学出版所以,降低燃气中的飞灰和焦油含量,提高社,2005.系统效率和可靠性是今后利用生物质气化技术[4]骆伸读,张冀强，姚向军.中国生物质能利用技术评价[J].的主要研究课题。中国能源，2004,26(9) 139-42.[5]刘荣厚,牛卫生,张大雷.生物质热化学转换技术[M].北6结语京:化学工业出版杜，2005.(上接第369页)(2)由于目前采用油品为180号重油,而且各有机硅树脂润滑,使其滑动顺畅。控制操作水温个批次的产地不同。每一批次油品的含水量、固型度在15~60 C，防止有机硅树脂变得硬稠影响物的含量都不同。虽然原油在原油罐中经过沉淀活塞运动。同时应该检查操作水和操作气的品脱水,但是还是不同程度地有杂质进入分离机,这质,防止杂质影响活塞运动。使得分离机在处理油品的时候每分钟产生的油渣(4)在每次分离机或水操作模块解体检修也是不同的,所以确定分离机的油污排放间隔是很后,手动打开操作水和电磁隔离阀，进行喷水试重要的。为了检查排污间隔值是否适当，在运行一验,排尽操作水通道内的空气。从分离机转简下定时间后应对转简进行解体检查。如果积污空间的操作水刮盘装置上看,应该有连续不断的微弱没有明显的坚硬油污块,间隔可稍微延长;如果积水柱从洞口喷出时为好。污空间内积聚着一些硬油污,必须缩短间隔时间。ALFA LAVAL公司给出了一个重油的油4.结语污排放的推荐间隔时间表,见表1。分离机是燃料系统最重要的设备之一,直接表1GTPX-517型分离机重油处理油污排放间隔关系着燃气轮机用油的正常供应,尤其目前为节约成本普遍采用劣质的重油,使其工作环境更加油污排放间隔/h解体检查分离简油类型初始的时间间隔/周恶化,故障率上升。提高检修工艺、总结检修经验和准确判断故障原因能够大大提高检修人员重油0.52的处理分离机故障的能力和效率。由此可以看出,当重油批次变化时,要重新调整排污最佳间隔。(3)解体水操作模块活塞轴和活塞缸,清洗[1]南京燃气轮机研究所.重油处理装置技术手册[2].1997.各个部件,尤其是各个相对移动的位置,并涂以