生物质气化机理及应用

生物质气化机理及应用发电设备(2010N0.5)生物质气化机理及应用郑昀',邵岩2,李斌21.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)05-038504Mechanism 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 thegasification technologyKeywords: 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uM)w(w)wc)wA)an技术已经成熟,可贮存性好;(4)节能、环保效/%/%/%/(MJkg-1)果好杂草5.4368.7716豆秸5.1074.6517.123.131生物质气化的机理稻草4.9765.1116.0613.8613,970麦秸4.396719.358.9015.363生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物玉米秸4.871.4517.755.9315.450作气化剂,在高温条件下将生物质燃料中的可燃玉米芯15.0076.607.00140部分转化为可燃气(主要是H2、CO和CH4)的热棉秸6.7868.5420.713.9715.991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%~量多中国煤化工可燃气中,气收稿日期:2010-03-15CNMHG作者简介:郑昀(1983-),男,助理工程师长期从事电厂勒测设计工作E-mail:zhengyun1028g126.com发电设备(2010No.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CmH,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妒(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℃时为鼓泡床气化炉主要干燥阶段流化床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉(2)热解反应当温度升高到300℃以上时携带床气化炉开始进行热解反应。在300~400℃时生物质就可以释放出70%左右的挥发分,而煤要到800℃3.1固定床气化炉[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100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,气化剂由炉底部进气口加入,气体流动的方气发生反应,同时释放大量的热以支持生物于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1200℃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。口投入,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,出炉温度较高。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,气化剂从位于炉身一定高度处进入炉内,灰分落入炉栅下部的灰室。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可燃气体热值气化形式(标准状态)/(MJm-3)用途达到2000℃,超过了灰熔点,容易结渣,因此该空气气化5.440~7.32锅炉、干燥、动力炉只适用于含焦油和灰分不大于5%的燃料,如使用气氧气气化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区域管网、合成燃料氢气气化22.260~26工艺热源、管网3.2流化床气化炉气化介质热分解气化10.878~15.00燃料与发电、制造不使用流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术。汽油与酒精的原料流化床气化炉的温度一般在750~800℃。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"V山中国煤化工所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床CNMHG流化速度相对气化炉,它们又各有多种不同的形式,其分类见较高从冰中帝出的颗粒週理风分离器收集后,重新送入炉内进行气化反应。386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I级反应器的流化介质在第Ⅱl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Ⅱ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。这种方式对气可燃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电机发电。这种方式对气体的压力有要求,一般为高温砂子气化剂1~3MPa。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1100~1300℃,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41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℃,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[气化炉[燃烧净化器][风机[水封器空气高温过滤器燃气轮机气裂解炉「阡燃气管[阻火器图3生物质气化供气系统工艺流程图气化炉分离器生物质原料首先经过处理满足气化炉的使蒸汽轮机○用条件然后由送料装置送入气化炉中。不同类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图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,由鼓风机送入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7~30MW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)技术正处于一输送给用户。开发中国煤化工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CNMHGL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。用功,其整体效率可以达到60%有望成为21世发电设备(2010No.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5生物质气化技术面临的问题弃物每年即有3.08×10°t标准煤,薪柴资源量为1.3×10°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(: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,吴创之,郑舜鹏4MW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[门],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. The hydro gasification of woodMres,1988(27):256-264.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]骆仲泱张冀强姚向军.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):39-42.[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:化学工业出版社,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℃,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。从分离机转筒下定时间后应对转筒进行解体检查。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1GTPX517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解体检查分离筒油类型初始最大的时间间隔/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V山中国煤化工调整排污最佳间隔。参考文CNMHG(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[Z].197各个部件,尤其是各个相对移动的位置,并涂以388·