生物质气化发电技术的进展

第25卷,总第141期节能技术》Vol 25 Sum. No 1412007年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan.2007,No.1生物质气化发电技术的进展盛建菊(上海市贸易学校,上海20002)摘要:本文对各种生物质气化发电技术及该技术在国内外的发展现状做了综述。目前我国的生物质气化发电仅仅是初具规模热效率很低且存在不少技术问题。要利用气化发电技术创造良妤经济效益,同时取得良好的环保效益,在解决技术性问题的同时,一定要因地制宜采用适宜的气化发电技术形式。关键词:生物质;气化;发电中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1002-639(207)01-007-04rogress on Biomass Gasification and Power GenerationSHENG Jian- jv( Shanghai School of Trade, Shanghai 200092, China)Abstract: This paper reviews the biomass gasification and power generation( BGCG )technologies at home andabroad. Though this renewable energy power generation has been adopted in China, there exist the lower thermefficiency and the other technological problems. Based on the principle of better economic benefits and cleanerenviroments, China goverment should take such strategies, which makes it suitable to national nattduring the development of BGPG technologiesKey words: biomass; gasification; power generation段,基本原理是生物质在缺氧状态下热解生成气体1生物质气化发电技术流程简介燃料,净化后的气体燃料燃烧驱动燃气轮机或燃烧生物质能主要是指储存在生物质内部的能量,后产生蒸汽,驱动发电机发电。气化发电过程包括可用于燃气取暖、照明、发电以及化工领域。生物3个方面:一是生物质气化。经处理的生物质原料质气化发电技术是生物质能利用的一种有效方式,由进料系统送进气化炉内,挥发分(干基下为70%既有利于解决生物质直接燃用热效率不高的缺点,-80%)热解释放出挥发性气体如CHn、H2、CO、又可以发挥燃气发电设备紧凑而且污染少的优点,CO2、焦油和水蒸气产生的碳发生典型气化反应是生物质能最有效最洁净的利用方法之一。气化发(水蒸气+碳)和燃烧反应(碳+氧气)),通过燃烧电对改善我国以煤炭发电为主的电力生产结构特别是对农村地区因地制宜提供清洁电力具有十分重反应释放出的热量促使生物质热解和碳的气化反应要的意义。进行凵中国煤化工气体燃料;二是气体目前生物质气化发电技术处于初步商业化阶净化CNMHG定的杂质,包括灰分、焦炭和焦油等,需经过净化系统把杂质除去,以收稿日期2005-09-19修订搞日期2006-11-05保证燃气发电设备的正常运行;三是燃气发电。净作者简介:盛建菊(196-),女教师化后的燃气进入燃气轮机或内燃机的燃烧室燃烧驱动发电机发电,或者燃气在锅炉内燃烧生产高温高成分和热值有变化时能够保持稳定的燃烧状态,排压蒸汽,驱动蒸汽机带动发电机发电。图1为生物放物污染少而且对气体要求不很严格,经过旋风分质气化发电工艺流程示意图。离器除去杂质和灰分后即可使用,不需冷却。(2)气化气在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。燃气轮机性生物质原料必须进行相应的改造,将热值较低的气化气增压到98×10~294×105Pa之间,否则发电效率较低。另外,燃气轮机对气化气质量要求高,并且需有较高除尘、除焦设备的自动化控制水平,所以单独采用燃气轮机的生物图1生物质气化发电工艺流程示意图质气化发电系统较少。(3)气化气在内燃机内燃烧带动发电机发电。简单的内燃机组可单独燃用低热2生物质气化发电技术的分类值气化气,也可以气化气、油两用,设备紧凑,系统简单,因而应用广泛,而且效率较高。但该种方式对气生物质气化发电可使用农林废弃物水生植物、体要求严格,气化气必须净化并冷却。油料植物、城市和工业有机废弃物及动物粪便等生表1中国气化发电系统主要参数对比物质原料。原料来源广泛发电设备多种,发电规模发电量(W)1000不等,促使气化技术呈多样化发展。从发电规模上气化器下吸式固定床循环流化床分,生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型三总效率(%)2750种。小型气化发电系统所需的生物质数量较少,简耗电成本(元AW)0.35单灵活,多采用固定床气化设备,主要用于农村照明国内已投入使用机组数约30或作为中小企业的自备发电机组,一般发电功率小有的发电厂联用两种发电设备,在燃气轮机发于200kW。固定床气化设备又可分为上吸式、下吸电的基础上增加蒸汽锅炉联合循环,充分利用余热,式和开心层下式3种,其中下吸式炉型有利于减少提高生产强度称为生物质整体气化联合循环发电炉内热解生成的焦油含量,因而被广泛采用。中型系统(B-IGCC),该系统总效率可达40%以上,是目生物质气化发电系统主要作为大中型企业的自备电前发达国家重点研究的大型气化发电技术,发展前站或小型上网电站,是当前生物质气化发电技术的景广阔。B-ICC工艺流程示意图见图2。主要方式,所需的生物质原料量较大,可适应一种或燃气轮机多种不同的生物质原料,气化方式以流化床气化为合格产品气燃烧器主,功率一般为500~3000kW。流化床气化技术又产品气焦油焦炭余热包括鼓泡床气化、循环流化床气化及双流化床气化修口3种,其中研究和应用最多的是循环流化床气化技余热锅炉蒸汽轮机图2B-IGCC工艺流程示意图术,对生物质原料适应性强,也可混烧煤、重油等传统燃料生产强度大,气化效率高。大型生物质气化3生物质气化发电技术的发展现状发电系统主要作为上网电站,它适应的生物质较为广泛,所需的生物质数量巨大,必须配套专门的生物31国外发展现状质供应中心和预处理中心,系统功率一般在生物质气化及发电技术在发达国家受到广泛重500kW以上,虽然与常规能源相比仍显得非常小,视,生物质电能在总能源消耗中所占的比例增加迅但在技术发展成熟后,它将是今后替代常规能源电速。1989年丹麦诞生了世界第一座秸秆生物燃烧力的主要方式之般来说发电规模越大单位发电厂。与同等规模每年发电138亿kWh的燃发电量需要的成本就越低,也越有利于提高热效率煤媒电厂相比秸秆发电每年可节约煤炭10多万,减和降低二次污染。由表1的国内200kW级和少S02年排放量400t目前丹麦已建立了13家秸100k级气化发电系统各项运行参数的对比数秆发中国煤化工或垃圾的发电厂也兼据,可见发电规模对推广气化发电的重要性(2烧和CNMH主要原料的生物质采用不同的发电设备,气化发电技术又可分为能在丹麦可再生能源中的比重已超过40%。丹麦以下三类:(1)气化气直接作为蒸汽锅炉的燃料燃的秸秆发电技术现已走向世界,并被联合国列为重烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式在气体点推广项目。·驱方数据芬兰是世界上利用林业废料、造纸废弃物等生合格的产品物质发电最成功的国家之一,福斯特威勒公司是芬兰最大的能源公司,也是制造具有世界先进水平的燃烧生物质的循环流化床锅炉公司,该公司可提供的生物质发电机组的功率为3~47MW该公司生产的发电设备主要利用木材加工业、造纸业的废弃物为燃料,废弃物的最高含水量可达60%,热效率可图3 Battelle生物质B-IGCC发电系统达88%4一些国家开展了大型气化发电系统其它技术路域供电站的计划,生物质能在总可再生能源利用中线的研究,如比利时(25MW)和奥地利(TNA的比例由原来的3%增到目前的25%,已拥有装机6MW)开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技容量为1~2MW的区域供热站90座5术0),目的是发展适合于中小型规模使用的生物质在比利时,有100年的历史的布罗赛尔温克能气化发电技术,基本原理是生物质气化后不需经过源技术公司是生物质热电联产专用锅炉的生产企除尘除焦直接在燃烧器中燃烧燃烧后的烟气用来业,是世界上最早采用生物质为燃料的锅炉制造公加热高压的空气,最后由高温高压空气推动燃气轮司之一,如今已发展出适应木材废弃物建筑木质废机发电。该技术路线避开了高温除尘及除焦两大难弃物造纸废弃物及城市垃圾等不同燃料的锅炉设题,但需要解决高温空气供热设备的材料和工艺问备。与芬兰丹麦等国的技术不同,该公司的产品采题。由于该项目中设备的可靠性和造价问题,目前用的是倾斜式液压移动式炉排,其热效率可达还很难进入实际应用。85%,比较适用于20MW以下的生物质发电(43.2国内发展现状美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地我国从60年代起就曾开始小型生物质气化发位,各类生物质发电站有350多座,发电装机总容量电技术的研究开发,代表作品是60kW稻壳气化发达700MW,提供了大约6.6万个工作岗位,据有关科电系统。但由于系统热效率低下且气化气净化带来学家估计,到2010年生物质发电将达到1300的含焦废水二次污染问题,气化发电技术一度被放装机容量,可安排过17万就业人员6。美国的Bat弃。迫于能源与环保压力,1987年气化发电重新提ele(63MW)和夏威夷(6MW)项目—B-GC(整上议程,并列入国家科技部“七五”重点攻关项目,20体气化联合循环)气化发电示范工程代表生物质发年以来取得了不少可喜的进展。如今有不少160kW电技术的世界先进水平,可生产中热值气体,系统示和20kW级的气化发电机组正在运行,如辽宁省能意图见图3。该气化设备于199年完成安装并投入源研究所于20069年6月在意大利 ENEATrisaia建成运行。除美国外,也有一些国家开展了B-CC的流化床生物质气化发电系统,原料采用木屑或稻研究项目,如英国(8MW)、瑞典(加压生物质气化发壳,发电量160kW。电4MW)8、芬兰(6MW)以及欧盟的3个7近年来MW级的中型BCPG系统也已研究开发2MW生物质气化发电B-ICC示范项目。从纯技出来。1998年10月中科院广州能源所完成1MW级术的角度看,要使B-ICC达到较高效率,须具备的生物质循环流化床气化-内燃机发电系统两个条件:一是气化气进入燃气轮机之前不能降温,(GEC),5台200kW发电机组并联工作但受气化二是气化气必须是高压的。这就要求系统必须采效率与内燃机效率的限制,效率低于18%,单位电用生物质高压气化和高温净化两种技术才能使B-量的生物质消耗量一般大于112kg/(kWh),在此基IC的总体效率较高(40%)。如果采用一般的常础上200年在海南三亚建成第二套中型气化发电压气化和降温净化,由于气化效率和带压缩的燃气系统装机容量1.2MW。“十五”期间,广州能源所现轮机效率都较低,系统的整体效率一般都低于在承担的4MW生物质气化气一蒸汽整体联合循35%。由于燃气轮机改造技术难度很高而且系统环发几中国煤化工结果),设计条件下不够成熟,造价也很高,限制了其应用推广。以意大运行CNMHG秸秆、稻壳、木屑等利12MW的B-IGCC示范项目为例,发电效率约为生物质废料,作为最直接的效果之一,每年可减少31.7%,但建设成本高达2500元kW,发电成本约CO2的排放约3万)。但该系统在进一步向高品1.2元/kWh,实用性很差。质、易于传输的电能转换方面,受到了该类气体发电机组功率较小的制约,已成为气化发电技术进一步系统也意味着高投资和复杂的机组系统,在地广人发展利用的瓶颈。这些实践工作为研究进一步大型稀或经济欠发达地区发展这样的系统设施缺乏经济化气化发电系统打下基础,此外也为实际生产和运性。因此我国应同时关注以村镇为单位的中小型行提供了最佳运行参数。气化发电机组和重点地区的大型气化发电机组的研在引进国外先进的大型生物质整体气化联合发究与开发,根据规模的大小选用合适的生物质气化电技术时,针对目前我国具体情况,采用内燃机代替发电系统技术,保证在任何规模下都有合理的发电燃气轮机,其它部分基本相同的生物质气化发电系效率,充分利用生物质能源,改善我国的能源结构和统,不失为解决我国生物质气化发电规模化发展的生态环境。有效手段。一方面,采用气体内燃机可降低对气化参考文献气杂质的要求(焦油与杂质含量<100mg/m3即可),〔1吴创之.气化发电的工作原理及工艺流程[J.可再可以大大减少技术难度;另一方面避免了调控相当生能源,03,:4-43复杂的燃气轮机系统,大大降低系统的成本。从技[2]CZ Wu, H Huang, S.P.Zheng, et al.An economic术性能上看这种气化及联合循环发电系统在常压 ysis of biomass gasification and power generation in China〔门气化时整体发电效率可达28%~30%,只比传统的 urce Technol,00(8:65-70低压B-IcCC降低3%~5%。但由于系统简单,技[3]Tony Bridgwater, Biomass for energy[J]. Joumal of the Sci-ence of Food and Agriculture, 2006, 86: 1755-1768术难度小,单位投资和造价大大降低(约5000元4〕袁振宏.欧洲生物质发电技术掠影〔J.可再生能kW)。这种技术方案比较适合于我国目前的工业水源,0,4:6平设备可以全部国产化适合于发展分散的独立(5)Yamw,yoi, Biomass gasification power generation的生物质能源利用体系13)technology in Europe[ J]. Joumal of the Japan Institute of Energy2005,12(84):1019-10254结论〔6蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景[J为了实现经济的可持续发展,必须保证电力生林产化学与工业,2002,22(2):75-801产的可持续发展,要想达到这一目标,必须走电力生〔7)米铁唐汝江,陈汉平,等.生物质气化技术比较及产与环境保护相协调的发展道路,积极发展高效清其气化发电技术研究进展(能源工程,004,5:33-37洁的发电技术必将对人类社会的可持续发展做出重〔8〕宋鸿伟郭民臣.生物质气化发电技术发展状况的综述[J.现代电力,2003,10:10-16要的贡献。总的来说,生物质气化发电技术是所有〔9〕GiJ, Caballero m a, MartinA,etl可再生能源技术中最经济的发电技术综合发电成 tion with Air in A Fluidized Bed; ERect of The In- Bed Use of本可接近小型常规能源的发电水平。我国是一个农 Dolomite under Different Operation Conditions[. ndustrial Eng业大国,有丰富的价格低廉的农业废弃物资源,而同 neering and Chemistry Research,99,38:26-35时农村地区的电力供应时常会出现短缺,因此日趋[10]Paisley, M. A: Anson, D Biomass gasification for gas tur-完善的生物质气化发电技术具有广阔的应用前景。bne- based power generation, Joumal of Engineering for Gas Tur-目前我国的生物质气化发电已初具规模,但利用效 bines and Power[J. Transactions of the asme,94(12):234率仍十分低下,且仍存在不少技术问题如二次污染和热效率不够高等仅达到了废物利用的目的,还远〔1〕吴正舜,吴创之,郑舜鹏,等.4MW级生物质气化发电示范工程的设计研究[2003,3:14-17未达到变废为宝的程度。〔12〕刘平.生物质能秸秆发电技术的展望〔J.中州煤生物质气化发电技术形式多样,要利用气化发炭,2005,2:16-17电设施创造良好社会经济效益,一定要因地制宜采〔13〕周勇.清洁生物质秸秆能源研究进展[J〕.应用化用适宜的气化发电技术形式。增大发电规模有利于工,200,1034):595-606提高热效率,有利于降低二次污染;但大型气化发电中国煤化工CNMHG·方数据