生物质气化发电过程建模与优化

第24卷,总第139期《节能技术》Vol. 24, Sum. No. 1392006年9月,第5期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYSep.2006,No.5生物质气化发电过程建模与优化李大中,韩璞,张瑞祥(华北电力大学自动化系,河北保定071003)摘要:目前国内外在生物质气化发电技术方面,由于缺乏对生物质气化过程特性的建模和参数优化问题的研究,使得生物质燃气中焦油量和污染物的含量过高,燃气品质难以保证,进而对燃气轮机发电机组产生不利的影响,降低了气化燃气的利用价值。因此,对于生物质发电气化过程的建模和重要参数优化控制的研究和探讨具有重要的意义关键词:生物质;气化发电;建模;参数优化中图分类号:TK6:0141.4文献标识码:A文章编号:1002-6339(2006)05-0409-06Modelling and Optimizing on Biomass Gasification Power GenerationLI Da- zhong, HAN Pu, ZHANG Rui-xiangDepartment of Automation, North China Electric Power University, Hebei Baoding 071003, ChinaAbstract: Nowadays, because of the insufficient researches on modelling and optimizing, the tar and contanmination content of fuel gas in biomas gasification and power generation is too high to guarantee the gas qualityand power equipment safety. In order to develop and utilize the biomass energy effectively, this paper presentsour experiences on modelling and optimizing in biomass gasification and power generation systemKey words: biomass; gasification and power generation; modelling; parameter optimization1引言0.14亿吨,折合717万吨标煤据预测,到2010年我国可再生能源总装机容量我国是一个农业大国,农业废弃物资源分布广将达到6000万kW,占全国电力总装机容量的10%,泛,其中农业秸秆年产量超过6亿吨,可作为能源用其中,生物质能发电600万kW,占可再生能源发电途的秸秆3.5亿吨,约折合1.5亿吨标准煤;薪炭林量的9.3%。到2020年,预测生物质能发电装机容量和林业及木材加工废弃物的资源总量相当于2亿吨将达到2000万kW,年替代2800万吨标准煤们。年可利用生物质能源总量约亿吨标准2乙标准煤。同时,我国城市生活垃圾年产量约12亿根据国外发达国家的经验23,4,合理开发利用吨,预计2020年将达到2.1亿吨。初步估算,全国每生物质资源进行发电生产,以补充和替代日趋枯竭的不可再生的化石能源具有深远的意义和广阔的前禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。根据计景。目前国内外在生物质气化发电技术方面,由于算,目前我国禽畜粪便资源总量约85亿吨,折合缺乏对生物质气化过程特性建模问题的机理研究和7840多万吨标煤,其中牛粪5.78亿吨,折合4890万重要参数的代化培制组料气中焦油和污染物吨标煤,猪粪2.59亿吨,折合230万吨标煤,鸡粪的中国煤化工燃气轮机发电机组产CNMHG化燃气的利用价值。收稿日期2006-03-11修订稿日期2006-0626因此,对于生物质发电的气化过程特性的建模和参作者简介:李大中(1961~)男,教授数优化研究具有重要的意义。700-900℃),NO2的生成量很少,所以能有效控制2生物质气化发电温度型NO的排放;③经济性好,生物质气化发电技术灵活、简单,比其他可再生能源发电技术投资更气化发电技术基本原理小。因此,生物质气化发电技术是所有可再生能源生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转技术中最经济的发电技术,综合的发电成本已接近化为可燃气,再利用可燃气推动燃气轮机进行发电。小型常规能源的发电水平。典型的生物质气化发电它既能解决生物质难于燃用而且分布分散的缺点,工艺流程如图1所示7)。又可以充分发挥燃气发电设备紧凑而且污染少的优2.2气化发电技术的分类点,所以气化发电是生物质能最有效最洁净的利用由于生物质气化发电系统采用的气化技术和燃方法之一。气化发电过程包括3个方面:一是生物气发电技术的不同,其系统构成和工艺过程有很大质气化,把固体生物质转化为气体燃料;二是气体净的差别。从气化形式上看,生物质气化过程可以分化气化出来的燃气都含有一定的杂质,包括灰分、为固定床气化和流化床气化两大类89)。其中研究焦炭和焦油等需经过净化系统把杂质除去,以保证和应用最多的是循环流化床气化发电系统0。燃气发电设备的正常运行;三是燃气发电,利用燃气从燃气发电过程看,生物质气化发电可分为内轮机或燃气内燃机进行发电5。燃机发电、燃气轮机发电及燃气一蒸汽联合循环发电系统。一般来说,燃气一蒸汽联合循环生物质气生物质化发电系统采用的是燃气轮机发电设备,构成的系统称为生物质整体气化联合循环系统(B/IGCC)。它的效率一般可以达40%以上,是目前发达国家重水排水点研究的内容。从技术角度看,BCCC技术可以大大地提高生物质气化发电的总效率。目前国际上有很多先进国图1生物质气化发电系统流程家开展这方面研究,如美国 Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)项目,英国(8MW)和芬兰(6MW)的示范工生物质气化发电技术是生物质能利用中有别于程1等,但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术其他利用技术的一种独特方式0,它具有3个方面难度很高,仍存在很多问题。近年来,欧洲开展了新的特点:①技术灵活性好,由于生物质气化发电可以的气化发电工艺研究,如比利时(25MW)和奥地利采用燃气轮机也可以采用内燃机,甚至结合余热锅6MW)开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技炉和蒸汽发电系统即国外目前的主流技术BGC术。其主要目的是发展适合于中小型规模的生物质②具有较好的洁净性可以有效地减少C2、SO2等气化发电技术。从发电规模上生物质气化发电系统有害气体的排放而气化过程一般温度较低(大约在可分为小型、中型大型三种如表1所示。表1各种生物质气化发电技术特点规模气化过程电过程发晴主要用途小型系统<200kW固定床气化,流化床气化内燃机组,微型燃气轮机农村用电,中小企业用电中型系统5000300kW常压流化床气化内燃机大中企业自备电站、小型上网电站大型系统>5000kW常压流化床气化、高压流化床内燃机+蒸汽轮机、燃气轮机上网电站、独立能源系统化、双流化床气化蒸汽轮机3生物质气化过程的热化学特性3.1.1固体燃料的干燥生物质原料在进入气化器后,首先被加热析出3.1气化反应过程吸着在生物质表面的水分,在100~150℃主要为干在原理上,气化与燃烧都是有机物与氧发生反燥阶段大部分水分在105℃条件下释出。应,而生物质气化是在一定的热力学条件下,在有限3.12热分解反应氧的情况下使生物质发生不完全燃烧,生成CO、H2中国煤化工始发生高分子有机和低分子烃类等可燃气体。即气化是将化学能的载物在CNMHG并随温度的升高,分体由固态转换为气态,气化取得的可燃气体再燃烧解进行则可进一步释放出其具有的化学能。3.1.3还原反应3.1.4氧化反应生物质经热分解反应得到的炭与气流中的由于碳与CO2、水蒸气之间的还原反应物料的CO2、H2O、H发生还原反应生成可燃性气体,主要发热分解都是吸热反应,因此气化器内必须保持非常生如下化学反应高的温度。通常采用经气化残留的碳与气化剂中的(1)二氧化碳还原反应;(2)水蒸气还原反应;氧进行部分燃烧,并放出热量,也正是这部分反应热(3)甲烷生成反应;(4)CO变换反应为还原区的还原反应、物料的热分解和干燥提供了表2不同生物质气化后燃气成分必要的热量。燃气成分(%)位热值(标准状态),原料OH2 CH CnHm N2木材52.17.23.3玉米芯10.30.421.910.04.30.552.4花生壳42.020.96.92.70.359.7锯末油菜籽壳1179531.617.912.24.50.352,2稻壳3.2气化过程的指标及影响因素热效率为生成物的总热量与气化过程总耗热量3.2.1气化过程的指标之比。(1)比消耗量(7)气化强度比消耗量为气化1kg原料所消耗的气化剂(如在单位时间内,单位气化反应器横截面所能气空气、水蒸气、氧气)量。化的原料量称为气化器的气化强度。(2)气体燃料的产率气化强度[kg/(m2h)]=气化1kg原料所得到的气体燃料在标准状态下单位时间处理原料的量(kg/h)的体积称为气体产率。气体产率与生物质种类有气化器总截面积(m2)关,决定于原料中的水分、灰分及挥发分3.22气化过程的影响因素(3)气体的组成和热值(1)原料的气化特性气体燃料中CO、H2、CH4、C2H4等为有效组分原料的气化特性不仅影响气化指标,而且也决N2为惰性组分,C2、HS等为杂质。气体燃料的热定气化方法和器型选择。生物质作为气化原料比煤值是指标准状态下,其中可燃物热值的总和。作为气化原料有着突出的优点,即,①挥发分高、固(4)碳转换率定炭低;②炭反应性高;③炭灰分少;④含硫量低。碳转换率即指生物质燃料中的碳转换为气体燃(2)原料的挥发分料中的碳的份额,即一般原料中挥发分越高燃气热值就越高,但燃12(C02+C0+ CH4 +2.5C,Hm气热值并不是按挥发分量成比例增加。挥发分中除7c22.4×(298/273)×C气体产物外,还包括煤焦油和合成水分,当这些成分式中n—碳转换率,%高时,燃气热值就低。G气体(标准状态)产率,m3/kg(3)原料的反应性和结渣性C—生物质原料中碳的含量,%;反应性好的原料,可以在较低温度下操作,气化CO2,CO,CH4,CnHn分别为燃气中CO2、过程不易结渣,有利于操作和甲烷生成。对于反应CO,CH4以及不饱和碳氢化合物总和的体积性差的原料,应在较高温度下操作,以促使CO2还原含量,%。反应加强,提高水蒸气分解率,从而增加燃气中的(5)气化效率H2和CO的含量。生物质气化后生成的气体燃料的总热量与气化(4)原料粒度和粒度分布原料的总热量之比。原料粒度和粒度分布对气化过程影响较大,粒气化效率(%)=度较小能提供较多的反应表面,但通过气化器的压气体(标准状态)1.「干气体(标准状态)降中国煤化工影响气流分布的主低位热值(kJ/m3)率(m3kg)要因CNMHG原料低位热值(k/kg)(6)热效率反应温度、反应压力、物料特性、气化设备特性等也是影响生物质气化过程的主要因素。不同的气应。 Bilodeau等1)建立了生物质流化床气化的模化条件,气化产物成分的变化很大。如图2所示。型,该模型考虑了流化床的流体动力学特性、气体对流、汽泡相和乳化相之间的传质、生物质脱挥发分气体和炭的氧化、气化反应动力学以及床内的能量平衡等。 Says. Sadaka等4建立了空气和蒸汽作∞为汇的批平的用相能根小统里计算了气体产物的组分。 Jenner等(1提出了木材在循环流化床中的气化动力学模型,该模型包括流400500600700800动特性、气化反应的动力学、固体颗粒尺寸的分布和图2反应温度对气体成分和产量的影能量平衡等的子模块。 Hao liu和 Bemard mGibs1建立了循环流化床生物质气化动力学模型4建模与参数优化问题的考虑该模型不仅可以预测气体产物的组分,而且还可以预测焦油和含氮气体(NH3和NO)的排放。阴秀4.1建模问题丽①7)建立了循环流化床木粉气化器的数学模型,能生物质气化发电过程是以循环流化床和燃气轮机为核心的物质、能量转换过程,其中,气化过程是够模拟不同工况的气体产物组分、气体和固体随床温和床高的变化等。王智微18等对流化床中生物生物质能量交换最集中的重要环节之一。生物质的热解、气化焚烧是强非线性热力学过程,其间的化学质热解气化的模型进行了研究,得到了纯煤气产率反应进程与温度等参数间呈现出复杂的非线性关和热值的计算公式等。由于生物质气化发电过程的复杂性,用常规建系。因此,建立生物质气化的过程特性模型,准确的确定气化器产生的生物质燃料气的组分和热值等参模方法建立精确的数学模型存在一定的困难。因数,为 BIGCC系统的性能分析提供准确的数据,是此,有必要尝试采用其它先进的建模方法来建立生实现整个生物质气化发电过程参数优化的关键。物质气化的过程特性数学模型。目前智能优化建模到目前为止,对生物质气化的气体产率,特别是方法(如神经网络、模糊算法、遗传算法、粒子群算法等)在国内外工业过程的建模和优化控制中已被广气体组份,还没有一个较为通用的计算方法和计算泛应用,因此可在综合考虑影响生物质气化组分和模型。有关的文献也是针对某种特定的生物质或生物质某种成分的试验结果。因此气化的过程特性模焦油含量的诸因素基础上,确定一些主要因素作为型的建立要综合考虑影响生物质燃气品质和焦油含智能化建模的输入条件,在大量试验数据的基础上量的因素。以反应温度、反应压力物料特性气化.拟合出生物质气化过程特性模型。设备特性等影响生物质气化品质的主要因素作为模大量研究资料表明,国内外目前对生物质气化型的输入,分析出生物质燃气的组份和热值,从而达发电过程的建模研究主要集中在对生物质气化过程到燃气轮机发电机组对燃气品质的要求。的热力学特性、流体特性和性能计算等方面,还没有在传统建模方面,目前国内外对生物质气化过相关研究资料提出针对生物质气化的过程特性建模的研究报告。程建模的研究主要集中于循环流化床气化过程,其中, Chang CC等{1建立了描述生物质在流化床中气4.2影响生物质气化品质的主要因素化的反应动力学特性的动态模型,该模型考虑了生目前对于影响生物质气化燃气品质的因素方面物质的脱挥发分、挥发分之间的反应和炭的气化反的试验和文献已经很多,文献(19)给出了采用CFB表3生物质循环流化床气化炉典型运行结果锅炉生物质气化的运行结果,如表3所示。序空气量,加料量,炉温产气率,气体热量,碳转化率,气化效率,输出功率,2109741.93中国煤化工32,10CNMHG在生物质气化过程中,温度是一个很重要的影产平松呼仰们人的影响,因此,合理响因素02),温度对气化产物分布、产品气的组成、控制气化炉内的温度,可以有效提高生物质气化发412电系统的效率。文献(22)和[23〕的研究结果见图3验数据表明,与固定参数的模糊控制和PID控制相和表4,分析了在循环流化床谷壳气化反应中,谷壳比,在神经网络模型的辅助下,能够使系统在较大范对温度的反应非常敏感。当温度超过850℃时,谷围工况变化情况下具有良好的性能。壳灰便会发生熔融结渣现象,堵住炉内排渣口,影响气化炉的正常运行,因此,炉内温度的控制十分关结束语键。正常情况下,气化炉的反应温度应稳定在700从能源发展战略来看,生物质气化发电技术是800℃,当炉内温度显示低于600℃,或高于800℃本世纪人类有效利用可再生能源的一种可持续发展并继续上升时,需及时调节。的能源之路,合理开发利用生物质能将成为21世纪我国能源可持续发展战略的重要组成部分和基本选择之我国的生物质气化发电技术正处于起步阶段该领域中有许多的技术问题需要深人研究和开发。例如,生物质气化发电过程的建模,以及对生物质气化燃气品质有重要影响的参数(如气化温度、焦油温度T,℃图3生物质在不同温度下的产物分布量、燃气组分等)的优化控制等都是具有重要意义的研究课题。表4温度对生物质气化发电系统性能的影响事实表明,先进的智能优化方法在生物质气化发影响因素620℃产气率,m3/kg2.4电过程中的应用研究潜力很大。通过新技术的采用气化效率,%57将会使气化燃气中焦油量和主要污染物(硫氧化物、气体热值M/m3氮氧化物、烟尘、金属及其化合物等)含量大大降低碳转化率,%保护土地资源和生态环境提高生物质气化发电机组4.3参数优化的考虑的效率,使生物质气化发电技术达到一个新的水平。由于目前生物质气化发电过程中缺乏对重要运参考文献行参数的优化控制,使得燃料气中焦油量、NH3、NO41〕常振明,韩平,曲春洪可再生能源利用现状与未来和SO2等污染物的含量过高,对燃气轮机发电机组发展[〕).当代石油石化,2004,12(12):19-23产生不利的影响,进而降低了气化燃气的利用价值。〔2〕吴创之欧洲生物质能利用的研究现状及特点[J〕因此,在准确建立生物质气化过程特性模型的基础新能源,1931:30-35上,可以生物质燃气中NO2、焦油含量等重要参数为3)夏光喜庄新姝杨柏成,等国外先进的生物质气化优化目标,同时考虑影响其产率的关键因素,如温发电技术[J)农村能源,19019-21度,气化剂的类型添加等因素,建立优化目标函数4冬树声西欧三国生物质能技术考察情况[J.农村在此基础上运用先进的控制策略,如智能优化、模糊能源,199755〕马隆龙,吴创之生物质气化技术及其应用[M).北控制以及模型预测等相结合的先进控制方法,通过京化学工业出版社,0仿真和实验,探索出一套适合于生物质气化发电系[6吴创之气化发电的工作原理及工艺流程[〕.可再统的参数优化方法,来保证燃气轮机发电系统能够生能源,200,1:41-43在一种优化的工况和条件下运行。为生物质气化发〔7马隆龙,吴创之生物质气化技术及其应用(M〕.北电系统的工程应用提供依据和参考。京:化学工业出版社,2003例如,文献(24用混合神经网络模型对生物质8〕纪伟生物质能发电技术发展现状〔J〕.山东煤炭科气化过程进行了模拟,模型数据与实验数据吻合得技,20,445很好。文献[25〕研究了生物质气化炉的BP神经网[9]Ragnar wamecke. Gasfication of biomass: comparison of络控制算法,运用模糊控制概念赋予隐层含义,并决fixed bed and fluidised bed gasifer[J]. Biomass and Bioenergy定其节点数,同时用高斯核函数作为节点激励函数2000,18:21-25东今菇振沽筌采用流化床技术开发进行了仿真研究,控制效果良好。文献[26 Franciso利用中国煤化工:12-15Jurado等设计和开发了基于生物质气化发电技术的CNMHG能资源清洁转化利用模糊控制器,其中设计了一种神经网络根据生物质技术[M].北京:化学工业出版社,200.153-157发电过程的运行情况来调整模糊控制器的增益,实[12]Chang CC, Fan LT, Walawender WP. Dynamic modelingof biomass gasification in a fluidized bed (M). AIChE Symp Ser〔19〕吴创之,罗曾凡,等.生物质循环流化床气化的理论1984,234及应用〔〕煤气与热力,1995,15(5):3-7[13]Bilodeau J-F, Therien N, Proulx P, Czemik S. Hornet20〕曹晓玲.生物质高温空气气化的分析与探讨[J.华E. A mathematical model of fluidized bed biomass gasification [J]. ]