生物质能发电技术分析

能源研究与信息24卷第4Energy Research and InformationVol.24No.42008文章编号:1008-8857(2008)040199生物质能发电技术分析金宝生(城市建设研究院,北京100029)摘要:在不可再生能源濒临枯竭,环境污染日益加剧的今天,生物质能源替代化石能源利用的研究和开发,已成为国内外学者研究和关注的热点。介绍了国内外生物质能的主要转化利用技术,分析了生物质直接燃烧发电技术和气化发电技术,提出了符合能量梯级利用原则的生物质能发电方式,将是生物质能利用的主要形式关键词:生物质能;利用方式;燃烧;气化;发电中图分类号:TK6文献标识码:A生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源,被认为是第四大能源资源,它提供14%的世界能源需求,而在发展中国家生物质能更占到总能耗的35%。即便如此,现在生物质利用总量仍然不到其生产总量1%。而生物质能的主要利用方式乃是炉灶式的直接燃烧,其热效率很低,而且对环境污染严重。由此可见生物质能的开发利用前景十分广阔。因此,世界各国都在发展生物质能的高效、低污染的利用技术生物质的种类和特点生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。而生物质能,就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料。可利用生物质的种类很多,可以从各种各样的农作物、森林的原材料直接获得,也可以从森林工业的副产品回收利用家庭垃圾、回收利用毁坏的木材和纸张中获得。作为能源利用的生物质的种类及特点如表1所示。表2对煤与生物质的热值及成分进行了对比。表1生物质的种类及特点Table 1 Classification and features of biomass优点缺点木材残余物分布广泛产量大能量密度低农业废弃物绿色能源含水率高专门用于能量生产的庄稼(甘蔗杆和木薯)可再生性好堆积密度低城市固体垃圾(MSW)开发转化技术容易物理形态多样性中国煤化工收稿日期:200806-11CNMHG作者简介:金宝生(1979),男(满),工程师, jinbaoshengjbs@163com能源研究与信息2008年第24卷衰2煤与生物质的热值和组成成分的对比Table 2 Comparison of heat value and composition between coal and biomass燃料种类高位热值低位热值水分工业分析(不含水分)%元素分析(不含水分)/%/(kJkg)/(kJkg)/%挥发分灰分固定碳氮硫煤47129000硬木19771988580.02317.10.2001农作物18841318874419.746.2生活垃圾*91737000511206l003成都洛带焚烧发电厂垃圾分析数据。生活垃圾热值各地区差别较大,一般入炉焚烧的垃圾热值应大于500kg22生物质能的利用转化方式生物质转化的关键目的是提高其作为燃料相对较差的特性。生物质的利用转化方式有热化学法、生物化学法、提取法三种,如图1。热化学法是指高温下将生物质转化为其它形式能量的转化技术,主要包括四种方式:直接燃烧(直接将生物质完全燃烧放出热量)、气化(在气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下对生物质进行部分氧化而转化成气体燃料的过程)、热解(在没有气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下,单纯利用热使生物质中的有机物质等发生热分解从而脱除挥发性物质,常温下为液态或气态,并形成固态的半焦或焦炭的过程)、直接液化(在高温高压和催化剂作用下从生物质中提取液化石油等)。生物化学法是指生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品。提取法是利用生物质提取生物油本文将重点介绍生物质能利用的直接燃烧发电技术和气化燃烧发电技术,并对其关键技术设备进行系统分析。匚生物质热化学法牛物化学法][提取法直接烧][化解[部分氧[解][油生物质燃们[液体燃料[品气[沼气和液态燃烧图1生物质的各种转化路线Fig 1 Various conversion routes for biomass3国内外利用生物质能发电的现状3.1国外发展现状M凵中国煤化工北欧的芬兰和瑞典是生物质能发电发展和应用都CNMHG兰是工业化国家中使用生物质能最多的国家,生物质能(包括泥炭和纸浆黑液产生的能量)占总能耗的20%第4期金宝生:生物质能发电技术分析以上,利用生物质所发的电量占芬兰总电量的25%。芬兰政府还设立可持续税和可持续能源发展资助金来促进生物质能的利用和开发。瑞典有完善和广泛的集中供热系统,80%的城市是利用生物质能供热电站供热。生物质能是瑞典仅次与水电能的第二大可再生能源。美国以生物质为原料的电站的总装机容量已超过10GW,它是仅次于水电的第二大可持续资源。并且以生物质为原料的电站在电力系统中带基本负荷。3.2我国的发展现状生物质发电在我国起步相对较晚,过去建设的生物质电厂的设计和设备主要来自国外。近年来,在我国科研院所和高校科研工作者的辛勤努力下,在引进技术设备的同时进行自主研发,取得了一定的成果。目前国内已兴建了一批生物质能发电厂,其中包括几十个垃圾发电厂和十几个秸秆发电厂,也正在兴建生物质气化发电示范工程。目前国内从事生物质气化及直接燃烧发电技术的生产科研机构主要有:中国科学院广州能源硏究所、清华大学、浙江大学、中国林业科学研究院、华中科技大学、山东省科学院和其它一些科研院所,他们的一些研究成果已经进入商品化阶段4生物质能发电技术生物质能转化为电能的技术包括:直接燃烧(包括与煤混含燃烧)、气化和热解等。直接繁烧和气化是利用生物质原料发电的主要方式。41直接燃烧技术直接燃烧是将生物质转化为电能的传统技术。图2是生物质直接燃烧发电系统的图解。烟气生物质预处理鬥锅炉轮机发电机发电机空气灰渣图2生物质直接燃烧的发电系统概念图Fig. 2 Conceptual schematic of the power generation system with biomass direct combustion生物质的直接燃烧可分为三个阶段,即预热起燃中国煤化立炭燃烧阶段口直接燃烧发电的过程是:在生物质燃烧之前,经过预CNMHG分选、混合、成型、干燥。经过预处理的生物质与过量空气在锅炉中克,生的烟气們钢炉的热交换部能源研究与信息2008年第24卷件换热,产生出的高温高压蒸汽在汽轮机和发电机中发出电能。通常,在凝汽式循环中只发电,而在抽汽或背压式循环中可以实现热电联产。直接燃烧生物质电站中,除了凝汽和热电联供应用方式存在不同之外,使用的蒸汽轮机和发电机没有大的差别生物质直接燃烧发电的关键技术设备是燃烧锅炉,锅炉的种类一般有:堆状燃烧炉、给料式燃烧锅炉、悬浮燃烧锅炉和流化床燃烧锅炉。本文所述的燃烧锅炉在没有特殊说明的情况下,是指燃烧炉不包括余热锅炉。41.1固定/活动式炉排燃烧系统般把堆状燃烧炉、给料式燃烧锅炉、悬浮燃烧锅炉,称为固定/活动式炉排燃烧系统。在堆状燃烧器中,生物质堆积在炉中,在燃烧空气的参与下燃烧,空气是由堆下或堆上吹入。给料机式燃烧锅炉可以分为:固定倾斜炉排、移动炉排、振动炉排。这种锅炉的共同点是燃料的给料系统。与堆状燃烧炉相比,该给料系统能将一层燃料相对更均匀地散布在炉排上,在圊定倾斜炉排锅炉中,炉排是不动的,但是当燃料在斜面上向下滑动时,燃烧同时也在进行。在移动炉排式锅炉中,燃料被送到炉排的一侧,当炉排将燃料运送到灰的堆积点时,炉排上的燃料必须要燃尽。在振动炉排式锅炉中,燃料被均匀地散布在整个炉排上。炉排有一种振动运动,这将使燃料在炉排上均匀地散布。在悬浮燃烧锅炉中,当燃料被送入锅炉中时,燃料是以细小的颗粒状燃烧的。4.1.2流化床燃烧技术流化床燃烧涉及到一系列先进技术,包括常压鼓泡床燃烧、循环流化床燃烧、增压流化床燃烧。这些技术已经被应用到所有的固体燃料(包括生物质燃料、泥炭、褐煤、洗煤后废弃物、石油焦、城市垃圾和一系列有害的废物)。而且还开发了不同类的燃料和废弃物共烧的流化床技术。目前,已经广泛使用的流化床锅炉大体上可以分为鼓泡流化床(BFB)和循环流化床(CFB)。在鼓泡流化床中,所有的物料在床体内是静止的;而在循环流化床中,固体物料由床体进入旋风分离器中,然后再由旋风分离器返回到床体内。流化床燃烧系统一般由燃料和石灰石给料系统、流化床反应器(包括风箱、反应器的床区悬浮区、床内的热交换器)、余热锅炉、气体污染控制系统组成。反应剂是由像沙子的惰性颗粒、燃料燃烧后的灰和石灰石组成。燃烧用的空气由风箱通过布风板送入床体,将床粒向上吹成流动的气流。燃料通过床体或给料装置送入反应器中,并发生反应。通过传导、对流、辐射换热方式将热量传递给床料。单相的气气反应和多相的气固间反应都在流化床反应器中进行。大多数反应发生在悬浮区。表3对以上各种锅炉进行了比较。流化床燃烧具有相对高的效率和燃料适应性,发电效率接近或超过30%。如果电站仅仅燃生物质,那么活动炉排和循环流化被认为有较高效率。4.2生物质气化发电技术生物质气化发电的过程是:生物质通过热化学方式转化为气体燃料,净化后的气体燃料被送入锅炉、内燃发电机或燃气轮机的燃烧室中燃烧,进而发出电能。生物质气化发电系统依据燃料气送入不同的系统,可以有不同的实现形式。图3是生物质整体气化联合循环发电系统(BIGC的简单概念图,干净的燃气被送到燃气机的V凵中国煤化工,生成高温高压的气体驱动燃气机发电,从燃气机排出的气体经过CNMHG蒸汽,驱动蒸汽轮机发电。这种发电系统能源利用率高,在国外被广泌的应用。第4期金宝生:生物质能发电技术分析203表3常用的燃烧系统分类及特性Table 3 Classification and characteristics of the common combustion syster主要形式典型的燃料特点热效率/%城市垃圾、医用垃圾、生物质(如甘可处理高水分的燃料堆状燃烧炉蔗渣)需要周期性停炉燃烧很难控制,除灰困难炉固定倾斜炉排城市垃圾、生物质(木材)难以控制负荷及燃烧率排燃移动式炉排城市垃圾、医用垃圾、其他生物质连排灰烧容易控制燃烧振动式炉排木材废料、碳、其它生物质燃料维护少需要复杂的燃料悬浮式煤粉、干木粉、其它生物质预处理及给料系统流鼓泡式城市垃圾、医用垃圾、其他生物质受热面易损848888化床循环流化床城市垃圾、医用垃圾、其他生物质易于控制酸性气体排放烟气生物质预处理锅炉轮机发电机气化系统净化系统撚气轮发电机变电站图3生物质气化联合循环系统概念图Fig 3 Conceptual schematic of the biomassgasification combined cycle system生物质气化是生物质在高温下与气化剂发生化学反应的过程,气化得到的气体产物包含的可燃气体主要是氢气和一氧化碳,副产品有液体、焦油和灰渣。通常,气化剂包括空气、氧气和水蒸汽(或水蒸汽与氧气、空气的混合物)。在生物质气化中,使用的氧气含量通常是理论上完全燃烧所需要量的20%~40%,也就是说,气化的化学过程是在缺氧条件(还原气氛)条件下进行的。同时,整个气化系统是自供热的,从它自身内部的化学反应过程就可以产生完全气化所需的热量。气化过程主要包括氧化和其它放热反应、热解(也被称为轻度气化、碳化和脱挥发分)、气化(还原)三个阶段2。生物质气化系统在生物质气化发电的生产过程中中国煤化工器是气化反应的发生装置,它产生的燃料气通过净化系统变为干净CNMHG燃机以及其它动力设备对燃料气的严格要求。04能源研究与信息200年第24卷43生物质发电技术的比较美国燃气研究所和电力研究所归纳了生物质燃料直接燃烧、共燃、气化发电技术的特点见表4。裹4生物质燃料发电技术的对比Table 4 Comparison between different power generation technologies with biomass fuelIGCC直接燃烧电站容量/MW效率/%2300032900总投资成本/($kWh)2102271600总运行费用/(gkWh)3980550015991980效率/%32902000总投资成本/($kWh)18921745255200总运行费用/(gkWh)47401608~1989电站容量/MW效率%27700329002005总投资成本/(SkWh)16501510240500总运行费用/(ckWh)355047401604~1985显然,生物质气化发电技术( BIGCO)比直接燃烧的发电效率要高,运行费用也较直接燃烧的运行费用低。在我国现阶段,生物质发电厂的发展,应在以发展生物质直接燃烧发电系统为主的基础上,大力研究和发展生物质气化及其发电技术,特别是 BIGCC发电技术,使生物质发电技术在生物质能源的利用中更具有竞争力。5结论在不可再生矿产资源濒临枯竭,环境污染日益加剧的今天,生物质能源的生产和利用将成为人类能源的发展方向。生物质能源转换的技术将是这一转变的关键。而符合能量梯级利用的原则生物质发电技术,必将成为生物质能利用的主要形式參考文献[l]YuaNZhenhong.ResearchandDevelopmentonBiomassEnergyinChinaleb/ol].2001.Http://www.unescap.org/enrd/energy/ China/China Biomass. pdf.2]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,20033]刘建禹,翟国勋,陈荣耀.生物质燃料直接燃烧过程特性的分析[门.东北农业大学学报,201,32(3):290294[4] LUBY Peter. 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The researchand development of utilization technologies for biomass energy as substitutes for fossil energy havetherefore become one of the hot topics which domestic and overseas researchers are following withinterest. This paper introduces the primary conversion utilization technologies for biomass energyand analyses the direct combustion and gasification technologies of biomass for power generation. Itis concluded that the biomass power generation technologies according to cascaded utilization ofnergy will be the main biomass utilization forms in the near future.Key Words: biomass energy; utilization; biomass burning; gasification; power generation.接第198页)Sustainable development of rural energy in Tibet-problems andcountermeasuresLI WEI-HU DA WA(Agriculture and Animal Husbandry College, Tibet University, Linzhi 860000, China)Abstract: In this paper, the course of development of renewable energy resources in Tibet isntroduced, such as electric power, solar energy, geothermal energy, wind energy, and biomassenergy. By analyzing the current situation of energy utilization in rural and pastoral areas of Tibet,the major problems and difficulties that people have been faced with are discussed. On the basis ofthe discussion, countermeasures to ensure a sustainable development of energy utilization in Tibetrural areas are suggested:(1) Quicken the process of urbanization and realize a rational distributionof energy resources;(2)Adapt to local conditions and enable various energy resources tocomplement each other;(3) Adjust rural energy consu v凵中国煤化 Tely support theexploitation of renewable energy resourcesCNMHGKey Words: renewable energy; rural energy; sustainable development