生物质气化发电技术

2006年第4期(总第94期)内燃机与动力装置ICE& Powerplant2006年8月【环保与节能】生物质气化发电技术阳永富,申青连,段继宏,郭晋利,樊俊杰(胜利油田胜利动力机械有限公司,山东东营257032)摘要:随着人们对能源需求的日益增长,作为人类目前主要能源来源的化石燃料却迅速减少,而生物质能是一种重要的可再生能源,它分布广泛,数量巨大。但由于它能量密度低,又分散,收集和运输困难,所以难以大规模集中处理。另一方面随着经济的发展,我国电力供应日益紧张,对电力需求很大,电价居高不下,在这种环境下,通过气化发电技术,把生物质转化为电力,既能大规模处理生物质废料,又能为生产提供电力,具有明显的社会和经济效益。本文主要讲述生物质的气化技术,生物质气净化处理技术及生物质气用于内燃机的发电技术。关键词:生物质;气化;净化;内燃机;发电中图分类号:TK431文献标识码:A文章编号:1673-6397(200604-0047-05Biomass Gasification and Generation TechnologyYang Yongfu, Shen Qinglian, Duan Jihong, Guo Jinli, Fan junjieShengli Oil Field Shengli Power Machinery Co, Ltd, Dongying 257032)Abstract: Energy demand is increasing and the fossil fuel is decreasing, which is the important en-ergy source. Biomass is an important regenerative energy. It distributes widely and with high amount. Be-cause it features low concentration and distribute dispersedly, so it is difficult for transportation and treatment in scale. With rapid economic development, electricity is in great demand gradually, its pricehigh. Under this condition, biomass is converted into electricity by gasification technology. Supportedwith this technology, massive waste biomass is treated and electricity is produced to supply for productionresulting in significantly social and economical benefits. The paper introduces biomass gasification, biogastreatment and electricity generation by fueling biogas on intemal combustion engineWords: Biomass; Gasification; Purification; Intermal Combustion Engine; Electricity Genera1生物质气化技术质的气态燃料,直接应用作为锅炉燃料或发电,产生所需的热量或电力。生物质气化后一部分转变为可简单地讲,气化是以氧气(空气、富氧或纯氧)、燃气体,一部分转变为碳,另外还有少量的焦油。得水蒸气或氢气等作为气化剂,在高温的条件下通过到的生物质燃气经过水洗、净化后即可使用,可民热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气(主用,也可直接用于发电。要为一氧化碳、氢气和甲烷等)的热化学反应。气化1.1气化方法和燃烧是密不可分的,燃烧是气化的基础,气化是部1.1.1干馏气化法分燃烧或缺氧燃烧。气化可以将生物质转化为高品中国煤化上特例,是指在缺氧或CNMHG作者简介:阳永富(1978-),男,湖南邵阳人,学士,工程师,主要从事内燃机的设计与开发工作。收稿日期:2006-07-11内燃机与动力装置2006年8月少量供氧的条件下,生物质进行干馏的过程。主要是氢气与固定碳及水蒸气生成甲烷的过程。生物质产物为醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂木馏油、木炭和可燃气热值可达到123MJm3~26MJ/m3,属高热值燃燃气。可燃气的主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲气。但氢气气化反应的条件极为苛刻,需要在高温烷、乙烯和氢气等,其产量和组成与热解温度和加热高压下进行,一般不常使用速率有关。燃气的热值为15M/m3,属中热值燃气。1.2生物质气化设备-气化炉1.1.2空气气化法气化炉是生物质气化的主要设备。在这里,生以空气作为气化剂的气化过程,空气中氧气与物质经燃烧、气化转化为可燃气。气化炉可分为固生物质中可燃组分发生氧化反应,提供气化过程中定床气化炉、流化床气化炉及携带床气化炉。固定其它反应所需的热量,不需要额外提供热量。由于床适用于小型设备,流化床比较易于大型化。在反空气随处可得,不需要消耗额外能源进行生产,所以应过程中主要控制的是气化炉中的反应温度和物料它是一种极普遍、经济、设备最简单且容易实现的气的停留时间化形式。1.2.1固定床气化炉空气中含有21%的氧气和79%的氮气,氮气是固定床气化炉的气化反应一般发生在相对静止种惰性气体,不参与化学反应。但氮气在化学反的床层中进行,生物质依次完成干燥、热解、氧化和应过程中会吸收部分反应热降低反应温度阻碍氧还原反应。根据气流运动方向的不同,固定床气化气的充分扩散降低反应速度。而且不参与反应的炉可分为下吸式、上吸式、横吸式及开心式等几种类氮气稀释了生物质燃气中可燃组分,降低了燃气热型。值。燃气热值一般为5MJ/m3,属低热值燃气。下吸式固定床气化炉的特征是气体和生物质物1.1.3氧气气化法料混合向下流动。通过高温喉管区(只有下吸式设以纯氧作为气化剂的气化过程。在此反应过程有喉管区)。生物质在喉管区发生气化反应,可燃气中需严格控制氧气的供给量,方可保证气化反应所体从喉管下部吸出,而且焦油也可以通过炽热的木需的热量,避免生成二氧化碳。同空气气化相比,由炭床时进行裂解,因此挥发分中的焦油可以得到充于没有氮气参与,提高了反应温度和速度,缩小了反分分解燃气中焦油含量较低,特别受到小型发电系应空间,提高了热效率。生物质燃气热值可达到统的青睐。一般情况下,下吸式固定床气化炉不设15MJ/m3,属中热值燃气,可与城市煤气相当。但是炉栅,但如果原料尺寸较小也可设炉栅。此种气化生产纯氧需要消耗大量的能源,故不适于小型的气炉结构简单,运行比较可靠适于较干的大块物料或化系统。低灰分大块同少量粗糙颗料的混合物料,其最大处1.1.4水蒸气气化法理量是500kg/h。目前欧洲的一些国家已用于商业以水蒸气作为气化剂的气化过程。气化过程中运行。水蒸气与炭发生还原反应,生成一氧化碳和氢气,同上吸式固定床气化炉的特点是气体的流动方向时一氧化碳与水蒸气发生变化反应和各种甲烷化反与物料运动方向相反。向下流动的生物质原料被向应,故生物质燃气中氢气和甲烷的含量较高,热值可上流动的热气体烘干、裂解。在气体炉底部,固定碳达到17M/m3~21MJm3,属中热值燃气。水蒸气气与空气中的氧气进行不完全燃烧气化,产生可燃气化的主要反应是吸热反应,需要额外的热源,但是反体。因为原料在干燥层和热解层可以充分利用还原应温度又不能过高,且该项技术比较复杂,不易控制反应气体的余热,可燃气体在出口处的温度可以降和操作。至300℃以下,所以上吸式固定床气化炉的热效率水蒸气-空气气化法比其它固定床气化炉的高。且对原料要求不很严主要用来克服空气气化产物热值低的缺点。减格,但是上吸式气化炉燃气中焦油含量较高,需作进少了空气的供给量,并生成了更多的氢气和碳氢化一步净化处理。上吸式气化炉目前没有较大的型合物,提高了燃气的热值,生物质燃气热值可达到号中国煤化工。该种气化炉主要11.5MJm3。此外空气与生物质的氧化反应,可提供应CNMHG其他反应所需的热量,不需外加热系统。阅吸式是木飞化付点是空气由侧方向供1.1.6氢气气化法给,产出气体由侧向流出。气体流横向通过燃烧气以氢气作为气化剂的气化过程。主要气化反应化区。它主要用于木炭气化。在南美洲应用广泛并2006年第4期阳永富,等:生物质气化发电技术投入商业运行。2.1水洗除焦开心式固定床化炉同下吸式相似,气流同物料在喷淋塔中将水与生物质燃气相接触,将其中一起向下流动。但是由转动炉栅代替了喉管区。主的焦油去除。此方法在技术上成熟可靠,且集除尘要反应在炉栅上部的燃烧区进行。结构简单而且运除焦和冷却三项功能于一身,是中小气化系统采用行可靠。它是由我国研制的,主要用于稻壳气化,并较多的一项技术。主要缺点是会产生废水,造成能已投入商业运行多年。量的浪费和二次污染问题1.2.2流化床气化炉2.2过滤除焦流化床气化炉具有气、固接触,混合均匀和反应将生物质燃气通过装有吸附性强的材料(如活速度快、气化效率高的优点,是惟一在恒温床上进行性炭、滤纸和陶瓷芯)的过滤器将焦油过滤出来,具反应的气化炉,反应温度为700℃C~850℃,原料要求有除尘和除焦两项功能,且过滤效率较高。主要缺相当小的颗粒。其气化反应在流化床内进行,产生点是需要经常更换过滤材料。为了防止产生废物,的焦油也可在流化床内裂解。流化介质一般选用惰可以选择生物质作为过滤材料,如粉碎的玉米芯等。性材料(如砂子),由于灰渣的热性质易发生床结渣23静电除焦而丧失流化床功能,因此要控制好运行温度。在高压静电下将生物质气电离,使焦油小液滴流化床气化炉分单床气化炉、循环气化炉和双带上电荷,小液滴聚合在一起形成大液滴,并在重力床气化炉。单床气化炉只有一个流化床,气化后生的作用下从燃气中分离出来。其效率较高,可达到成的气化气直接进入净化系统中;循环流化床的流90%以上。但生物质燃气中氧的含量不得超过化速度较高能使产出气体中带走大量固体,经旋风1%,否则静电放电容易点着燃气,导致爆炸。故静分离器后使这些固体返回流化床,与单床相比提高电除焦操作起来比较困难了碳的转化率,适用于颗粒度较小物料的气化;双流24催化裂解除焦化床与循环床相似,不同的是第1级反应器的流化催化裂解法除焦是目前最先进的除焦技术。焦介质被第2级反应器加热。在第1级反应器中进行油在100℃-1200℃时可热解为小分子气体,但实裂解反应。第2级反应器中进行气化反应,双流化现这样高的温度比较困难。催化裂解是利用催化剂床的碳转化率也很高。的作用,在800℃~900℃时发生热解反应。其效率1.2.3携带床气化炉可达99%以上。热解的产物为可燃气,可以直接携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例,它用。催化剂多采用木炭、白云石和镍基催化剂。另不使用惰性材料,提供的气化剂直接吹动生物质原外,对大部分焦油成分来讲,水蒸气在裂解过程中有料,属于气流输送。该气化炉要求原料破碎成细小利于焦油的裂解和可燃气的产生,它和焦油的某些的颗粒,其运行温度高达成1001300℃,产出气成分发生反应,生成CO和H2等可燃气体。体中焦油成分及冷凝物含量很低,碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结,故选材较难。3生物质燃气用于内燃机发电技术2生物质燃气的净化技术不同的气化设备和不同的工艺流程以及同一气化炉,不同的原料都可导致生物质燃气的不同和应不同气化炉及不同气化方式产出的气体成分和用场合的不同。生物质燃气主要用于提供热量、集热值也不相同,其热值一般在5M/m2~15M/m。中供气、气化发电和化工原料气。生物质气化产生的气体成分大致如下:CO:15%生物质气化发电系统项目是国家科技部“九五23%;H2:8%~13%;CH4:1%~3%;CO2:1l期间在可再生能源技术领域的重大项目和研究课14%;O2:1.6‰%。其余基本为氮气。气化炉温度越题。矿物能源的使用带来了环境污染、全球温室效高,H含量越高焦油含量越少,气化炉温度达到应的恶果,生物质能是人类最早利用也是最大量使1200℃时,H2含量可达到20%用的V凵中国煤化工零排放、绿色环保能目前的生物质气化技术中焦油含量普遍较高,源的CNMHG杆、谷壳等废弃物经使得后续的净化和使用都比较麻烦。针对这一特化合及应生版生质气,叫丿泛用于燃气、取暖、照点,采取催化裂解法,将秸秆等生物质废料转化为焦明、发电以及制造新型能源材料。现就山东省科学油含量很低的燃气院能源研究所180GF-RFm型秸秆气发电机组现场内燃机与动力装置2006年8月试验情况对生物质燃气用于内燃机发电的技术做一火提前角等因素确定理想的活塞压缩比。介绍。机组配套方案如下内燃式发电机组采用胜利油田动力机械有限公发电机:选用按西门子许可证制造的1FC6系列司专门研制的180GF-RFm型秸秆气发电机组。无刷同步恒压三相交流发电机l80GF-RFm型燃气发电机组保留了原柴油机结构控制屏:选用动力机械有限公司专门研制的紧凑、可靠性高和动力性好的优点,机器通用化程度PT控制屏。具有多重自动保护功能较高。该机型于2004年10月开始开发、设计。首TEM控制系统:实现对机组全部参数的自动采台180CF-RFm型生物质气发电机组于2005年4月集、显示等功能。同时实现发动机空燃比的自动精交付山东省科学院能源研究所,用于生物质气发电确调整试验。目前该机组经前期现场调试与试验改进,功监控仪:对发动机进行适时监控,可实现声光报率190kW稳定运行,机组的各项参数理想警、远传报警等功能180CF-RFm型燃气发电机组,其关键的创新这些先进技术的应用,解决了秸秆气含H高、内容为:①采用电控技术,确保机组工作时对发动机压力低的问题,保证了180cF-RFm型燃气发电机进气进行精确控制;②采用高瑪燃气防爆技术确组在秸秆气领域应用的技术先进性。同时有效解决保机组的防爆安全性。③采用TEM电子管理控制了高H2气体在燃气发动机利用过程中所发生的系统,机组的自动化程度很高。火和“放炮”现象。表1为发电机组运行参数。发动机各主要部件配置情况如下按160kW,日耗秸秆量为6070kgd,全年80h进气部分:采用空气过滤、空气和煤气混合后增计算,年消耗秸秆2023吨,气化炉产气量为压方式。燃气的进气控制为闭环控制,通过温度反600m/h,气柜容积150m3。发电规模20W,耗气馈调节燃气进气量来调节空燃比,从而达到控制燃600m}/h,秸秆气(低热值)平均按5200Jm计算,烧的目的实现各缸工作均匀。进气管的一端设有m3可发电0.43kWh,lkg秸秤平均产秸秆气自动复位的防爆装置,当进气管发生回火时防爆们2.37m3,网电价格按05元/kWh计算(可再生能源自动打开,爆炸的高温气流从防爆门排出,起到卸压政策规定),利用秸秆气发电机组发电平均运行费用和灭火的作用确保机组在发生回火时仍可以在不0.12元/Wh,原料及人工成本为02元Wh。加停机的情况下正常运行。工1吨秸秆产生的焦炉煤气发电净收益:237m3排气部分:排气管上设有6个排温检测接口1000×043kW·h/m3x(0.5-0.12-0.2)元/Wh=增压系统:采用脉冲混流式增压器,满足发动机183.438元。按200kW秸秆气机组日耗6吨秸秆计的要求。算,日发电净收益:6×183.438=1100.628元。调速系统:调速系统采用GAC电子调速系统。我国大力发展可再生能源产业,不仅可以弥补配气系统:借鉴天然气机的成熟经验。针对生传统能源的不足,还能大量减少污染,创造新的就业物质燃气H2含量高的特点,重新设计凸轮轴减少机会。随着国家对能源利用的重视和对环保意识的气门重叠角加强,利用生物质气进行发电,既节约了能源,又利点火部分:采用美国 ALTRONIC公司的磁电机用了废弃物降低了污染,市场前景看好。但是生物点火系统,包括磁电机、高压线圈、火花塞等进口部质气成份复杂多样,其中的甲烷氢气和一氧化碳等件,运行安全可靠。可燃成份含量不稳定,导致在内燃机应用领域进展冷却部分:采用原天然气机大流量高温水泵,作相对缓慢。但是,生物质气作为可再生能源,在内燃为循环动力,外部循环采用热交换器进行冷却换热,机燃料市场有着深远的发展前景,再加上天然气价由冷却塔冷却或做余热利用。格的提升,用天然气作为燃料从经济性上将远远不启动部分:采用DC24V、sm70电启动马达启及生物质扭郏加也了生物质气在内燃机领动,启动扭矩大,易于冷启动。域内中国煤化间内推广开来。活塞连杆部分:根据其他燃气机的经验,结合点CNMHG2006年第4期阳永富,等:生物质气化发电技术51表1发电机组运行参数日期时间频率发电机排温1排温2排温3排温4排温5排温6功率kW℃℃℃2005-12-1014:30:4149.81194.31535.5565.1539.2524.5524.4206-12-1014:3:42481%31505565925245s15x4-12-1014:40:4249.8119.23535.5565.1539.2524.5524.42005-12-1014:45:4449.81193.23535.5565.1539.2524.553l525.5285-12-1040449811235%5s15:25155005-12-1014:55:4249.81536.5565,15392525.52005-12-1015:00:4249.81235365565.1539.2525.5531525.5x06-12-10150644.811235655s52s55ss52005-12-1015:10:4249.8119.23566.1525.5525.500-12-1015:5:42|4811925655615251506-12-101520448「1356.559235515.5208-12-1015-2424823536556154025255252005-12-1015:30:4249.8193.23536.5561540.25255531525.52005-12-1015:35:4249.81194.24536.5561540.2525.5531525512-101:40:4249.8119424536.5566.1540.25255531525.5-12-1015:45194.24536.5566.1540.2525.5005-12-1015:50:4249.8119543536.556.1540.2525.5531526.5005-12-1015:554249.81195.43536.5566.1540.2525.5532526.52005-12-1016:00:424981195.43536.5540.2525.5526.52005-12-1016:05:0049.81195.43536.5540.2525.526.5参考文献:[4]毛健雄赵树民.煤的清洁燃烧北京:科学出版社,2000[]崔心存内燃机的代用燃料北京:机械工业出版社,1905]刘荣厚,牛卫生张大雷生物质热化学转换技术北京:2]何学良.内燃机燃料的发展趋势.上海:上海交大出版化学工业出版社,2005社,199[6]姚向君,田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术.北[3]何学良,李疏松.内燃机燃料.北京:中国石化出版社京:化学工业出版社,2004中国煤化工CNMHG