小型生物质气化发电系统的设计与测试

可再生能源20063(总第127期)究与试验小型生物质气化发电系统的设计与测试崔亨哲,王军2,任永志,赵勇1(1.辽宁省能源研究所,辽宁营口1150002辽宁省科学技术基金服务中心,辽宁沈阳110004)摘要:对小型生物质气化发电系统进行了设计和测试分析,阐述了以农作物秸秆为原料的小型生物质气化发电系统的技术可行性,总结出分散式的生物质能利用模式具有投资少、见效快并且易于操作和管理等优点认为在未来一段时间内,该系统的推广、应用具有一定的可行性和优越性。关键词:生物质;气化;发电中图分类号:TKl6;TK43文獻标识码:A文章编号:1671-5292(2006)03-0023-06Design and test on a small-scale biomassgasification for power systemCUI Heng-zhe, WANG Jun, REN Yong-zhi, ZHAO Yong2(1. Liaoning Institute of Energy Resources, Yingkou 115000, China; 2. Liaoning ScienceTechnology Funds Service Center, Shenyang 118200, ChinaAbstract: Design and test on a small-scale biomass gasification for power system have beenoresented in this paper, the system with agricultural residues as feedstock has wide application prospect, as a kind of distributed application of biomass energy, the system has thevantages of less initial investment, cost effective and easily operation. It is suitable for widelyuse in the near futureKey words: biomass; gasification; power1前言2系统设计方案1980-2000年,我国以能源消费翻一番的代根据前期讨论和外出调研的结果以及项目价实现了国内生产总值翻两番的目标。党的十六示范点的实际情况,对已经基本确定的系统方大提出了到2020年国内生产总值(GDP)要比案进行了优化调整,确定了以电为主、以气为2000年再翻两番的宏伟战略目标,这对能源安辅的系统设计方案,即生物质气化发电站首先全等问题提出了更高的要求。能源供应不足的问满足饲料加工厂生产用电,同时满足200户居题已成为我国经济社会发展的主要矛盾之一。实民生活用气。由于居民炊事用气高峰仅在早施多元化能源发展战略,积极发展可再生能源是晨、中午和晚上这3个时间段,完全可以避开解决能源问题的根本出路饲料加工厂生产用电高峰,因此在选择合适的我国作为一个农业大国,生物质资源非常丰机组和储气柜的情况下,完全可以实现气电联富。据统计,我国每年农作物秸秆总产量约为产,这样既可以为企业提供廉价的电源,又可604亿t可获得系数为85%,约513亿t,其发以提高当地居民的生活质量,同时也体现了较热量相当于3.I亿t标准煤。小型生物质气化发好的经济性。经过大概核算,本生物质气化机电技术相对简单,利用效率高,发展该技术是缓组的中国煤化工气发电机组的发解我国能源紧张问题的出路之一。电容CNMHGE炊事和发电用收稿日期:2006-04-17基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA403B0305)作者简介:崔亨哲(1967-),男,高级工程师,主要从事生物质气化技术的研究与开发研究与试验RENEWABLE ENERGY No.3 2006(127 Issue in All气需求。下吸式气化炉的理论进风量、气化强度以及生物质气化发电系统由原料处理设备、生物喉部的结构是决定气化炉产出气质量的关键因质气化机组、罗茨风机、储气柜、供气管网、炊事素。根据气化反应的热力学理论,当采用空气作为灶具和内燃式发电机组成。在发电的用户端,设气化剂,当量空气系数为0.25-0.3时,可以得到较置自动切换开关,以此来实现外电和生物质发电高热值的燃气,理论最佳当量空气系数为028,如的自动切换,保证饲料加工厂的生产用电,该系图2所示。根据生物质物料的元素分析结果,按公统的工艺流程如图1所示。式V=0.0889(C+0.375S)+0.265H0.03330可计进科器气化炉净乞器罗茨风机安全水封傭气柜燃气灶具算出物料完全燃烧时所需的理论空气量Vo,式中C,H,S和O为碳、氢、硫和氧元素的百分含量,具内然式憋气发屯机体数据见测试报告中玉米秸秆的元素分析结果。考虑到各种因素之后,气化炉当量空气系数按03选取,根据气化炉的小时物料消耗量,可以确定气图1系统工艺流程图化炉气化所需理论空气量为1397m3h经过原料处理设备粉碎之后的生物质物料由螺旋进料器送入生物质气化机组产出可燃气P=1×104体,经过多次过滤之后,由罗茨鼓风机送入储气柜,气体依靠储气柜的配重所产生的压力送入供气管网为居民提供炊事用燃气和内燃式燃气发电机发电用燃气(1)原料处理设备02000008100130当地的原料以玉米秸秆为主,选用一台铡草当量空气系数机作为预处理设备,其电机功率为3kW,玉米秸图2当量空气系数与产出气成分关系秆粉碎后的粒径为20-50mm。下吸式气化炉的气化强度为单位时间、单位(2)进料器喉部面积处理原料的能力。气化强度应根据生物螺旋进料器原料输送量的设计能力为7Uh,质物料的堆密度、颗粒度确定,气化强度的选择决总长45m,直径310mm,螺旋轴与电机采用皮定了物料在炉内的驻留时间并影响物料的燃尽程带传动,皮带轮传速比为31,电机功率为3kW,度。转数为960r/min,间歇运行。为了保证气化反应的温度和还原层的温度,(3)气化机组以达到焦油裂解所需要的温度,气化炉应具有足气化炉的性能直接影响整个系统的运行效够的气化强度;但过高的气化强度会使灰熔化,难果。本套机组采用下吸式气化炉,其特殊结构可于清除并增加产出气流动的阻力,且容易造成气大幅度减少燃气中的焦油含量。在气化炉的设计化炉喉部的烧损。考虑到项目建设点的原料以玉过程中,为了提高气化效率,并且保证在使用各米秸秆为主,在满足气化炉所需的粒径(20-50种原料时气化反应的稳定进行,适当地调整了喉mm)的条件下,其堆密度较小,仅为200kg/m3左管区结构及配风喷嘴位置,形成合理的空气动力右,过高的气化强度不利于气化炉内反应的控制场。合理地确定还原层的厚度,提高反应区的温容易出现喉部反应层烧穿的现象,因此选择气化度使产出气中焦油得以还原裂解,从而保证在使强度为530kg/(hm2)。用不同物料时,喉管区的气化反应均匀、稳定,气吸式气化炉的喉部截面积缩小,目的是保化效率高。按照这样的设计思路,取消了以往设证中国煤化工生,同时也强化了于气化炉体下段的冷却水套,提高了气化炉出该成CNMHG的作用效果,在下口温度,使产出气中的焦油在较高的温度条件下吸式气化炉的喉部布置8个进气喷嘴,喷嘴直径和催化剂的作用下进一步裂解为20mm,各喷嘴轴线相切于一个Φ60mm的虚万钙数据可再生能源2006.3(总第127期)拟圆,如图3所示。这种配风方式增加了气体的后的生物质经过晾晒后可以再投入气化炉中气扰动效果,在喉部形成空气动力场,保证了空气化,无二次污染。与物料的良好混合、较高的气化强度以及反应的完经过净化后,产出气中的焦油和灰分含量应全性。根据气化炉所需理论空气量(1397m/h),可低于10mg/m3,完全可以满足内燃式燃气发电机计算出每个喷嘴内的空气流速为1545m/s。的用气要求,并且无二次污染。(4)罗茨风机罗茨风机是整个气化过程和净化系统的动力源。罗茨风机的选型和匹配相当关键,既要保证系统的负压运行,也要使气化反应充分,不产生过多的CC图3喉部喷嘴布置在本系统中,罗茨风机置于气化机组的末段除此之外,喉部喷嘴所在平面与炉箅的距离和储气柜之前。在机组刚开始运行时,首先将产气对于气化炉的稳定运行也是致关重要的。距离过排空,当产出气在测试炉具中能够稳定燃烧后,通大,产气反应的稳定性增加,但产出气的流动阻过阀门切换输送到储气柜,依靠储气柜配重将气力会加大,严重时产生炉门喷火现象;距离过小,体送入供气管网,并在罗茨风机出人口间配有回炉内不能形成足够的炽热炭层,保证不了良好的流调节阀,以此来控制风机的输出流量,从而控制还原效果,堆密度较低的秸秆物料不能自然下空气量和气化炉的负荷。经过测算,选型的罗茨风落,增加了人工拨火的频率和劳动强度,产出气机参数如下:流量为63m/mn,全压为196kPa体成分不稳定,燃气热值也不稳定且产出气中焦电机转速为1500r/min,电机功率为50kW。油含量增高。根据以往其他炉型的运行经验,对(5)储气柜于玉米秸秆原料,喷嘴所在平面与炉箅的距离为储气柜除贮存气体外,还起着稳定供气压力300mm较为合适。的作用,减少气体成分的波动和压力的波动对内经过计算和经验推算,下吸式气化炉的主要燃式燃气发电机的影响。本系统储气柜有效容积设计参数如表1所示。为400m3,储气柜内压力392kPa。储气柜采用表1下吸式生物质气化炉的主要设计参数半地下式湿法储气方式,结构简单,外设太阳房保项目参数参数温,能够保证冬季的稳定运行。玉米秸秆粒径mm20-50设计气化效率%75(6)供气管原料处理量kgh142气化炉喉部直径m空气量m/h17484气化强度kg(mh)供气管网室外地下部分使用高密度聚乙烯产气量m3h30气化炉出口气体温度℃28030管,设计使用寿命50a室内及地上部分采用钢气体热值Mm500气化炉出口焦油含量r<200管。供气管网按《城市管道煤气管网设计手册)进主体尺寸mΦ1.5x265行设计,保证灶前压力098kPa。室外管网敷设于本套气化机组的后续净化处理部分包括传冻土层下,沿凝水缸方向保证0005的坡度。统的旋风除尘、喷淋等净化处理装置,不同之处(7)炊事灶具就是改进了清灰口和密封压盖的结构,使之更易炊事灶具为生物质气化气专用灶具,热效率于操作。产生的喷淋污水排入收集池进行浓缩,为50%,用户室内配有控制阀门和煤气计量表。然后进行燃烧,不会对环境产生二次污染。系统(8)内然式发电机采用湿式储气柜,水槽内的水可作为冷却循环用内燃式发电机的发电容量为80kW,火花塞水,水容量大约为400t。间接冷却法不会污染水点火,蓄电瓶启动,配有超速保护装置、紧急甩负质,冷却水将热量带人储气柜,有助于解决储气荷停中国煤化工电机的输出功率柜冬季运行时的结冻问题。燃气过滤设备是以吸可以CNMHG进行自动调节附性强的生物质为填料,进一步去除燃气中的水调节范围在额定负荷以下,输出电压为380V。发分和灰分以及残余焦油,填料需定期更换,失效电机热效率为30%,机械效率为90%。研究与试验RENEWABLE ENERGY No.3 2006(127 Issue in All)(9)生物质气化发电系统供电与外电网系统在燃气发电机入口处布置温度、压力和流量供电间的切换测点,测量可燃气体的温度、压力和流量以及发电为了在生物质气化发电机组发生故障期间机人口可燃气的成分和焦油含量;在燃气发电机不影响饲料加工厂的正常生产,在生物质气化发尾气出口处布置取样探头,测量燃气发电机尾气电系统和外电网系统间安装自动转换式切换控中一氧化碳等组分的含量;通过相应的传感器测制开关,实现饲料加工厂用电的自动切换。试发电机的转数和机油温度;通过测功仪(连接于3小型生物质气化发电系统的测试功率分别为50kW和30kW的2个负载箱)测3.1测试目的及内容试燃气发电机的实际输出功率。通过对小型生物质气化发电系统和内燃式燃气发电机的测试,考核生物质气化机组的气化效率和产出气的组分以及热值;考核燃气发电机的性能,包括产出气成分中氢气组分对内燃机爆来自气柜燃的影响;考核燃气发电机组尾气成分随发电机工况的变化。通过以上测试分析,对小型生物质图5燃气发电机组测试点布置示意图气化发电系统进行优化设计和合理配置,实现整-尾气分析C-气体成分分析T气体温度,P气体压力个系统的安全、可靠、平稳运行。F取样气体流量F2气体流量32生物质气化机组的测试方案36焦油和灰尘含量的测量气化原料为玉米秸秆。在不同负荷下,测试按GB12208-90的规定,采用称重法测定焦气化系统的物料消耗量、产气量、产气成分、焦油油和灰尘含量,使一定体积的可燃气体通过已知含量,从而计算气化系统的气化效率。质量的滤膜,以滤膜的增重和取样的体积计算出33生物质气化机组测点布置焦油和灰尘含量。生物质气化机组的测点包括气化炉出口温4测试结果和数据分析度、风机人口温度、风机出口温度、风机入口压由于测试现场的试验条件较试验台相差较力、风机出口压力以及气体成分取样点,同时通大,加上司炉操作以及物料一致性较差等原因的过湿式气体流量计控制焦油取样流量,如图4所影响,部分数据误差较大,不是十分理想,但是总示体上反映了系统的性能状况。4l1原料测试结果①①原料测试结果见表2表2原料测试结果图4生物质气化机组测点布置示意图工业分析(%)干基元素分析%)T气化炉出口温度,T风机入口温度,Ty风机出口温度,P项目数值项目数值风机入口压力,P2风机出口压力,F-焦油取样流量,G-气体成分水分,W(分析基)796碳,C取样点挥发分,V(干基)7668氢3.9234燃气发电机测试方案灰分,A干基)氮,固定碳,FC(干基)1438氧,O44.l4以生物质气化机组在不同负荷下产出的燃气分析基热,Q(kJkg)15840硫,S0为燃料,测试燃气发电机组在不同输出功率下的比气耗、发电机入口气体组分、尾气成分(NO,4.2生物质气化机组测试结果CO2,CO),从而计算在不同负荷下发电机的效率物质气化机组测试结果见表3。并绘制特性曲线,计算系统总效率;在不同工况中国煤化工比机组产气量逐渐下考察燃气发电机燃气入口过滤器清洁情况和接过CNMH的热值以及气化机火花塞积炭情况。组的效率同时增高,在绝大多数情况下,气化机组3.5燃气发电机测试点布置的气化效率在72%以上,表明生物质气化机组的万秀数据可再生能源20063(总第127期)研究与试设计是合理的。火以及司炉工的操作水平等是影响空气量的不表3生物质气化机组测试结果利因素,因此不可能完全达到实验室的条件。通过利用气化炉废热进行物料预热、减少物料水项目取样编号分、提高司炉操作水平、减少炉门开关次数等方进料量G(kg/h)法可以降低当量比,还可以提高气化机组产出气空气量V(m/h)203.6294.22180.95的热值,但为了保证较高的反应温度和较高的气当量比α0570.5304l产气量V(m/h2906287.3830555化强度,达到减少产出气中焦油含量的目的,不产出气气体CO21538160216.2814.66应使当量比处于一个较低的水平。成分(%)CH+C2H2050.520.36从测试现场检测炉具的燃烧情况来看,下吸CHs式气化炉对于反应温度和物料水分的变化较为H0M12913791823899敏感,这是由于温度过低时炉内不能形成稳定的48.664264534高温氧化层和还原层,从热解区析出的富焦油气1.371281391.32体不能实现二次裂解,使产出气中焦油含量增158153163114高,经过清洗和过滤后所剩的可燃气体组分减产出气热值Q(kJ/m3)4142.54238.14874l3581少,从而导致炉具出现熄火的现象。焦油和灰尘含量(mg/m3)15.114915.3147炭转化率vc(%)044045表3中第4个气样为燃气发电机入口气样,从产气率e(m3/kg该气样的气相色谱分析结果看,N2含量普遍比其它气化效率n%)172947215783气样的N2含量高,可以确定供气管路上存在微小随着当量比的减小,生物质气化机组产出气漏气点,由于燃气发电机运行时的抽吸作用而吸入的热值逐渐增大,气化效率逐渐增高;当量比增大少量空气,造成所取气样N2含量高,热值偏低。时,产出气中焦油含量会不同程度地减少。实际的43燃气发电机测试结果当量比要比设计值大一些,原因是机组实际运行表4为燃气发电机的测试结果。从燃气发电时达不到对空气量的理想控制。加料和开炉门拨机的测试结果和实际运行效果可以看出,燃气发表4燃气发电机的测试结果输出功率尾气成分转数机油温度空燃比燃气压力燃气流量比气耗/效率CO%HC%。0%NO%er/min℃LAMBDA Pam/w/%怠速18.7006823200341.028490ll.170.2516.0001453000191500681,159975/10.320.360.2016.70.0113.810.0291502842130046.39/15.315101917.50.0133020039150076446/22.5640.790.1917.60.01428500481500791075294016028393/25.580191782.700.053150081348/28.8762682.720.05815008310703430209633.34/30.060.1817800092.560.0681500841.067.-3430201.15309/3250电机启动容易,发电准备时间短,运行平稳,转速机的效率为(28±2)%,表明以生物质气化气为燃基本稳定在1500r/min,发电频率稳定在50Hz;料的内燃式燃气发电机的实际运行效果是比较随着燃气发电机发电功率的增加,发电比气耗逐理想的渐减小,效率逐渐增大。由此看来,根据用户负荷44产出气中H2组分对于燃气发电机的影响分析情况选择容量适合的燃气发电机是非常必要的。由于H2的燃烧反应速度快,试验前认为H2如果产出气中的焦油和灰分含量过多,会使组分V凵中国煤化工爆燃的现象。从火花塞积炭而不能打火在此项测试期间没有出气CNMH分含量最多为现火花塞积炭的情况。18.28%,最少为9.94%,试验期间没有发生爆燃现总体来看,在大部分负荷情况下,燃气发电象,这是因为以空气为气化介质的生物质气化气研究与试验RENEWABLE ENERGY No. 3 2006(127 Issue in Al中的N2含量在40%以上,起到了情性作用。因元;年用水100(1元/t),支出100元;年人工费此,以空气为气化介质的生物质气化机组与内燃用支出6000元;年设备维修费用1000元。合计式燃气发电机的组合是合理的,可行的。47708元45内燃式燃气发电机的尾气成分分析(3)年发电利润CO,HC,NO,PM(微粒、碳烟)等都是发动机本系统年发电利润为90532元在燃烧作功过程中产生的有害气体。这些有害气(4)年总利润体产生的原因各异,CO是燃气氧化不完全的中本系统年供气、发电总利润为113830元。间产物,当氧气不充足时会产生CO,混合气浓度(5)固定资产折旧及每年净收益大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加;HC本系统中各个设备平均使用寿命按15a计是由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部算,每年折旧费为分燃气未来得及燃烧就被排放出去的物质折旧费=总投资÷使用寿命=1064÷15=7.093是燃料在高温燃烧过程中产生的一种物质万元/a是燃气缺氧燃烧时产生的一种物质。则系统每年的净收益为从实际运行的效果看,未发现燃气发电机冒年供气、发电总利润折旧费=113830-70930黑烟的现象,表明可燃气体与空气的混合是较充42900元。分的,这是由于以分子状态存在的气体,相对于由于系统采用气电联产方式,提高了系统的经过雾化后的燃油的扩散性好,可燃组分的燃烧利用率,同时提高了经济收入,因此本系统在经济比较完全,保证了燃气发电机的效率。上是可行的由表4可以看出,尾气中的CO和HC的含5结论量在低负荷时较高,接近额定负荷时较低;当空从目前情况看,小型生物质气化发电联供系燃比大于1时,即存在过量空气时,尾气中的CO统投资比率约为13300元/kW,产气成本为0.2和HC的含量较低,反之较高;尾气中的NO含量元/m3,发电成本为027元/kWh。由于考虑供气在低负荷时较低,在高负荷和中等负荷时较高。部分,因此系统投资比率较高,并且发电成本高于当燃气热值较高时,NO,含量高,这是由于内燃机燃煤发电成本。但随着常规能源价格的日益增长,的燃烧温度高,促进了NO,的生成燃煤发电成本必然也会随之提高。因此,从长远角由于燃气发电机尾气目前尚无测试标准,因度来看,小型生物质气化发电联供系统将会逐渐此本次测试按照国家汽车尾气排放标准进行分体现出其经济可行性。以村办企业为单位,以当地析。国家汽车尾气排放标准中规定的指标为:CO-的农业废弃物或木材加工废料为原料的小型生物4.5%,HC-0.09‰因此,本套生物质气化发电系统质气化发电系统的应用,是适应目前中国国情的的尾气完全达到了国家汽车尾气的排放标准。能源发展形势的必然选择。这种分散式的生物质46系统整体效益分析能利用模式具有投资少、见效快、易于操作和管理本生物质气化发电系统的整体效率为等特点。因此,小型生物质气化发电联供系统具有20.16%左右,原料消耗比为15kg/kW左右。按广阔的发展前景。每天运行8h,年运行300d,发电负荷为72kW,当地电价为0.8元/kWh计算,本系统的收支参考文献:情况如下[吴创之,阴秀丽生物质焦油裂解的技术关键新源,1998,20(7):1-5(1)年发电收入本系统年发电量为17280kWh,年销售收[2]任永志,刘洪刚,崔亨哲等.50kW固定床生物质气入为138240元。中国煤化工1世纪太阳能新技术(2)年发电支出]CNMHG化炉的设计农村本系统年原料消耗量为1296t支出23328能源,200,(4):16-18.元;年耗电(气化机组耗电10kW/h)支出17280万3数据