生物质气化技术比较及其气化发电技术研究进展

惭能源及工艺生物质气化技术比较及其气化发电技术研究进展米铁,唐汝江,陈汉平,刘德昌,吴创之2,常杰(1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074:2.中国科学院广州能源研究所,广东广州510640)摘要:生物质能是一种理想的可再生能源,由于其在燃烧过程中二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减少温室效应,因而越来越受到世界各国的关注。首先对生物质能的概念及其转化方式进行了简单介绍,着重介绍了生物质气化技术在国内外的研究及应用发展现状,通过对固定床气化炉和流化床气化炉的技术性能的对比提出了研究开发经济上可行、效率较高的生物质发电系统,是我国今后有效利用生物质能的发展方向。关键词:生物质;气化;固定床;流化床中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1004-3950(2004)05-0033-05Comparison with biomass gasification technology and development ofgasification power generation technologyMI Tie, TANG Ru-jiang, CHEN Han-ping, LIU De-chang, WU Chuang-zhi, CHANG Ji(1. Coal Combustion National Key Lab, Huazhong University of science technology, Wuhan 430074, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: Biomass energy is an ideal renewable energy source. More and more countries pay attention on it because its COdischarge colse zero, it can effectively reduce greenhouse effect. This article briefly introduces the conception and transformmode of biomass energy; emphasis introduces the technology at home and abroad and its state of the art. Through the contrastthe eco-ely utilizaKey words: biomass; gasification; fixed bed; fluidized be的转化。生物质气化生成的高品位的燃料气既可0前言供生产、生活直接燃用,也可通过内燃机或燃气轮生物质是一种可再生能源,具有以下特点:①机发电,进行热电联产联供。生物质气化反应温可再生性;②低污染性;③广泛的分布性。利用生度低,可避免生物质燃料燃烧过程中发生灰的结物质作为替代能源,对改善大气酸雨环境减少大渣、团聚等运行难题。气中二氧化碳含量,从而减少“温室效应”都有着从不同的角度对生物质气化技术进行分积极的意义。类2。根据燃气生产机理可分为热解气化和反应20世纪70年代, ghaly et al,首次提出了将性气化,其中后者又可根据反应气氛的不同细分气化技术用于生物质这种含能密度低的燃料,使为空气气化水蒸气气化氧气气化、氢气气化;根气化技术成为生物质转化过程最新的技术之一。据采用的气化反应炉的不同又可分为固定床气生物质原料挥发分高达70%以上,生物质受热化、流化床气化和气流床气化。另外,还可以根据后,在相对较低的温度下就可使大量的挥发分物气化反应压力的不同来对气化技术进行分类。在质析出。因此,气化技术非常适用于生物质原料气化过程中使用不同的气化剂、采取不同过程运收稿日期:2004-06-05基金项目:国家高新技术发展研究“863项目基金资助(2001-AA-51-40作者简介:米铁(1969-),男,博士,江汉大学化学与环境工程学院讲师,H中国煤化工CNMHG教学与科研。现在华中科技大学煤燃烧国家重点实验室从事博土后研究工作2004⑤能源工程-33新能源及工艺行条件,可以得到三种不同热值的气化产品气:低流接着上升到还原层,将燃烧层生成的CO2还原热值—46M/m3(使用空气和蒸汽/空气);中等成CO;气化剂中的水蒸气被分解,生成H和CO热值—12-18MJ/m3(使用氧气和蒸汽);高热值这些气体与气化剂中未反应部分一起继续上升-40M/m3(使用氢气)。加热上部的原料层,使原料层发生热解,脱除挥发1生物质气化反应炉分,生成的焦炭落入还原层。生成的气体继续上升,将刚入炉的原料预热、干燥后,进入气化炉上生物质气化按照使用的气化炉类型不同分为部,经气化炉气体出口引出。固定床气化和流化床气化两种。气流床气化对于人炉颗粒粒度要求细(一般要求小于0.4mm),对生物质于生物质而言,要满足气流床气化的粒度要求还有许多技术经济难题需要解决。1.1生物质固定床气化炉固定床是一种传统的气化反应炉,其运行温温度分布居挥发分度在1000℃左右。固定床气化炉分为逆流式、并流式,如图1、2所示。逆流式气化炉是指气化原料与气化介质在床中的流动方向相反,而并流式气化炉是指气化原料与气化介质在床中的流动方向相同。这两种气化炉按照气化介质的流动方向14001000600200灰不同又分别称为上吸式、下吸式气化炉。下面对上图2下吸式固定床生物质气化炉及其床内温度分布吸式固定床生物质气化炉的运行工艺作简单介绍。1.2流化床生物质气化炉流化床燃烧是一种先进的燃烧技术,应用于生物质生物质燃烧上已获得了成功3,但用于生物质气化仍是一个新课题。与固定床相比,流化床没有炉栅,一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成气化剂通过布风板进入流化床反应器中。按气固干燥焦油及烟气流动特性不同,将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床,如图3所示。鼓泡流化床气化炉中气流温度分布速度相对较低,几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。而循环流化床气化炉中流化速度相对较高,从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气化反应。图1上吸式固定床生物质气化炉及其床内温度分布燃气出口在上吸式固定床气化炉中,生物质原料从气化炉上部的加料装置送入炉内,整个料层由炉膛二次风下部的炉栅支撑。气化剂从炉底下部的送风口进入炉内,由炉栅缝隙均匀分布、并渗入料层底部区燃料预热灰渣被冷却。气化剂随后上升至燃烧在域的灰渣层,气化剂和灰渣进行热交换,气化剂被流化风燃烧层,气化剂和原料中的炭发生氧化反应,放出充化床大量的热量,可使炉内温度达到1000℃,这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。气H中国煤化工CNMHG化床气化妒任生物质气飞化过程中,沉化床首先通过外加34- ENERGY ENGINEERING 20045新能源及工艺热达到运行温度,床料吸收并贮存热量。鼓入气固定床多,出炉燃气温度和床温基本一致化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流1.3.3能量利用和转换化,床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒固定床中由于床内温度不均匀,导致热交换定的温度。当合适粒度的生物质燃料经供料装置效果较流化床差,但固体在床中停留时间长,故碳加入到流化床中时,与高温床料迅速混合,在布风转换效率高,一般达90%~99%。流化床出炉燃板以上的一定空间内激烈翻滚,在常压条件下迅气中固体颗粒较多,造成不完全燃烧损失,碳转换速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程,使之在效率一般只有90%左右。两者都具有较高热效等温条件下实现了能量转化,从而生产出需要的率。燃气。通过控制运行参数可使流化床床温保持在1.3.4环境效益结渣温度以下,床层只要保持均匀流化就可使床固定床燃气飞灰含量低,而流化床燃气飞灰层保持等温,这样可避免局部燃烧高温。流化床含量高。其原因是固定床中温度可高于灰熔点气化炉良好的混合特性和较高的气固反应速率使从而使灰熔化成液态,从炉底排出;而流化床中温其非常适合于大型的工业供气系统。因此,流化度低于灰熔点,飞灰被出气带出一部分。所以流床反应炉是生物质气化转化的一种较佳选择,特化床对环境影响比固定床大,必须对燃气进行除别是对于灰熔点较低的生物质。尘净化处理。1.3固定床气化炉与流化床气化炉性能比1.3.5经济性在设计制造方面,由于流化床的结构较固定固定床气化炉与流化床气化炉有着各自的优床复杂,故投资高。在运用方面固定床对原料要缺点和一定的适用范围。下面从以下五个方面对求较高,流化床对原料要求不高,故固定床运行投流化床和固定床气化炉的性能进行比较。资高于流化床;固定床气化炉内温度分布较宽,这技术性能可能产生床内局部高温而使灰熔聚,比容量低、启从目前情况来看,固定床和流化床气化炉的动时间长以及大型化较困难;流化床具有气化强设计运行时间,一般都小于500h前者结构简度大、综合经济性好的特点。综合考虑设计和运单,坚固耐用;后者结构较复杂安装后不易移动,行过程流化床对固定床具有更大的经济性,应该但占地较小,容量一般较固定床的容量大。启动成为我国今后生物质气化研究的主要方向。时,固定床加热比较缓慢,需较长时间达到反应温2生物质气化发电技术发展现状6-9度;流化床加热迅速,可频繁起停运行过程中,固定床床内温度不均匀,固体在2.1生物质气化发电技术在国外的发展及现状床内停留时间过长,而气体停留时间较短,压力降生物质气化及发电技术在发达国家已受到广较低;流化床床温均匀,气固接触混合良好,气固泛重视,如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和停留时间都较短,床内压力降较高。固定床的运美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例行负荷可在设计负荷的20%~110%之间变动,增加相当迅速。奥地利成功地推行了建立燃烧木而流化床由于受气流速度必须满足流化条件所材剩余物的区域供电站的计划,生物质能在总能限,只能在设计负荷的50%-120%之间变化。耗中的比例由原来的3%增到目前的25%,已拥1.3.2使用的原料有装机容量为1~2Mwe的区域供热站90座。瑞流化床对原料的要求较固定床低。固定床必典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计须使用特定种类,形状、尺寸尽可能一致的原料;划,使生物质能在转换为高品位电能的同时满足流化床使用的原料的种类、进料形状、颗粒尺寸可供热的需求,以大大提高其转换效率。一些发展不一致。前者颗粒尺寸较大,后者颗粒尺寸较小。中国家,随着经济发展也逐步重视生物质的开发固定床气化的主要产物是低热值煤气,含有利用,增加生物质能的生产,扩大其应用范围,提少量焦油油脂苯氨等物质需经过分离净化高中国煤化工亚以及非洲的处理。流化床产生的气体中焦油和氨的含量较些CNMHG能的气化、成型固低,气体成分热值稳定,出炉燃气中固体颗粒较化、热解等技术的研究开发,并形成了工业化生2004⑤能源工程35新能源及工艺L示范项目为例,发电效率约为31.7%,但建设成生物质气化的发电技术有以下三种方法:带本高达25000元/kW,发电成本约1.2元/kWh,实有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是用性很差。近年欧美开展了其它技术路线的研引擎的常压生物质气化带有 Rankine循环的传究,如比利时(25MW)和奥地利(6MW)开展的生统生物质燃烧系统。传统的生物质气化联合发电物质气化与外燃式燃气轮机发电技术,美国的史技术(BGCC)包括生物质气化、气体净化、燃气轮特林循环发电等,但这些技术仍未成熟,成本较机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低高。(约5.02M』/m3),炉子出口气体温度较高(800℃美国在利用生物质能发电方面处于世界领先以上),要使BCCC达到较高效率,须具备两个条地位。美国建立的Btll生物质气化发电示范件:一是燃气进入燃气轮机之前不能降温,二是燃工程代表生物质能利用的世界先进水平,可生产气必须是高压的。这就要求系统必须釆用生物质中热值气体。这种大型生物质气化循环发电系统高压气化和燃气高温净化两种技术才能使 BIGCC包括原料预处理、循环流化床气化、催化裂解净的总体效率较高(40%)。目前欧美一些国家正开化燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等设备,适合于展这方面研究,如美国的 Battelle(63MWe)和夏威大规模处理农林废物。此工艺使用两个独立的反夷(6MWe)项目、英国(8MWe)、瑞典(加压生物质应器①气化反应器,在其中生物质转化成中热值气化发电4Mwe)、芬兰(6Mwe)以及欧盟建设3个气体和残炭;②燃烧反应器,燃烧残炭并为气化反7~12MWe生物质气化发电ICC示范项目,其中应供热。两个反应器之间的热交换载体由气化炉个是加压气化,两个是常压气化。但由于焦油和燃烧室之间的循环沙粒完成。图4的工艺流程处理技术与燃气轮机改造技术难度大,这些问题图表明了两个反应器以及它们在整个气化工艺中限制了其应用推广。以意大利12MW的BGCC的配合情况。烟气生物质原料气化产品气供料影悬热回图4 Battelle生物质气化工艺流程图这种 Battelle工艺与传统的气化工艺不同,不除了将生物质气化用于发电之外,欧盟进而需要制氧装置,它充分利用了生物质原料固有的开展了生物质气化合成甲醇、氨的研究工作高反应特性。生物质的气化强度超过146/hm2,1998年,欧盟建立了四个规模在4.8~12.ltd之而其他气化系统的气化强度通常小于/h·m2。间不等的生物质气化合成甲醇的示范工厂。其生Battelle气化工艺的商业规模示范建在弗蒙特州物质气化装置均为流化床气化炉,使用氧气或者的柏林顿MNel电站,该项目的一期工程,用Bat-水蒸气作气化剂,产出中热值燃气。在滤出焦油tle技术建造日产200t燃料气的气化炉,在初始和杂质、脱除CO2、N2、CH以及其他碳氢化合物阶段生产的生物质气用于现有的MNel电站锅之后定压力下,使CO0和H2O反应生成H,炉。二期工程安装1台燃气轮机来接受从气化炉再中国煤化工合导入合成塔,加来的高温生物质气,组成联合循环。该气化设备CNMHG泛使用含1%于1998年完成安装并投入运行。3%甲醇的混合汽油,内燃机结构无须进行较大改36- ENERGY ENGINEERING 200465新能源及工艺动,其输出功率近似于燃用纯汽油的内燃机的输很大困难。利用现有技术,研究开发经济上可行出功率。目前,生物质气化合成甲醇的技术已经效率较高的生物质气化发电系统是发展我国今后成熟,只是其产品的经济性还不能与石油、煤化工能否有效利用生物质的关键。相竞争。芬兰的一家化肥厂在世界上首次采用木3结论屑气化产出的燃气合成氨取得成功。2.2生物质气化发电技术在国内发展与现状本文从以下几点对生物质气化技术及其发展我国对生物质气化技术的深入研究始于上世现状进行了综述纪80年代。经过20多年的努力,我国生物质气(1)生物质气化技术是一项较新的技术,其化技术日趋完善。但与发达国家生物质气化技术技术目前还不很成熟,还有许多方面需要完善;相比,国内生物质气化装置基本上是以空气为气(2)对固定床、流化床两种常用的生物质气化剂的常压固定床气化技术,如河北的ND系列、化炉进行了介绍,并对两种气化炉的各自特性及山东的XFL系列、广州的GSQ系列和云南QL系其性能进行了分析,认为流化床生物质气化炉比列。这些固定床气化炉应用在不同场合取得了一固定床生物质气化具有更大的经济性,应该成为定的社会、环保和经济效益。其技术上的存在问我国今后生物质气化研究的主要方向题主要是:燃气质量不稳定且燃气热值低;CO含(3)对生物质气化技术在国内外的发展现状量过多,不符合城市居民使用燃气标准;燃气净化进行了综述。与欧美国家相比,目前我国生物质及焦油的处理技术落后;整套装置的可靠性差、使气化还是以中小规模、固定床、低热值气化为主,利用寿命短;气化系统质量标准与施工规范尚未建用现有技术,研究开发经济上可行效率较高的系立,难以实现气化技术的工程化。上述因素制约统,是目前发展我国生物质气化发电技术的一个主了生物质气化技术在我国的商业化推广要课题,也是我国能否有效利用生物质的关键。上世纪60年代,我国就开始了生物质气化发电的研究,研制出样机并进行了初步推广,后因经参考文献:济条件限制和收益不高等原因停止了这方面地研1 Gally M, Piskorz I,al. The Hydro gasification of wood究工作。近年来,随着乡镇企业的发展和人民生[J]. Ind Eng Chem Res, 1988, 27: 256-264活水平的提高,一些缺电、少电地方迫切需要电2] Ergudenler E, Ghaly A E. Quality of gas produced from能;其次是环境问题,丢弃或焚烧农业废弃物将造wheat straw in a dual-distributor type Fluidized Bed Gasi成环境污染,生物质气化发电可以有效的利用农fier[J]. Biomass& Bioenergy, 1992, 3(2): 419-430业废弃物。所以以农业废弃物为原料的生物质3] Saloum d,ea, Control of in-bed agglomeration by fuelblending in a pilot scale straw and wood fuelled AFBC[J]气化发电逐渐得到人们的重视。Biomass and Bioenergy, 1993, 4(2): 117-123我国“九五”期间进行了Mwe的生物质气(4]TBe,. Biomass gasification principle and technolog化发电系统研究,旨在开发适合中国国情的中型[M]. Published in the United States, 1981生物质气化发电技术。1Mwe的生物质气化发电s] Peter McKendry. Energy production from biomass(pan系统已于1998年10月建成,采用一炉多机的形2): Conversion technologies[ J]. Bioresource Technology式,即5台20kWe发电机组并联工作,2000年72002,83:47-54.月通过中科院鉴定。由于受气化效率与内燃机效[6] A ACM Beenackers. Solar Energy R& D in the European率的限制,简单的气化-内燃机发电循环系统效Community Series E Advanced gasification[ M]. Published率低于18%,单位电量的生物质消耗量一般大于by D. Reidel publishing Company, 19861.2kg/kWh。以中科院广州能源所为主承担的7] Ayhan demirbas. Biomass resource facilities and biomassconversion process for fuel and chemical[ J]. Energy Con十五”863项目—4MWe的生物质气化发电装ersion and Management, 2001, (42): 1357-1378置正处于研究开发之中[8]绵军生物质能括术研究与开发[M].北京:目前,我国的生物质发电技术的最大装机容中国煤化工量与国外相比,还有很大差距。在现有条件下研9CNMHG电技术应用分析[究开发与国外相同技术路线的BGCC系统,存在新能源,1995,17(5):5-11004⑤能源工程-37