生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與分析

1、第28卷第12期2006年12月水利電力機(jī)械WATERCONSERVANCY&ELECTRICPOWERMACHINERYVol.28No.12Dec.2006生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與分析Developmentandanalysisofbiomassstrawpowergenerationtechnology馬洪儒,張運(yùn)真MAHong2ru,Yun(安陽工學(xué)院(MechanicalDepartmIofAnyang455000,China)摘要:,著重論述了生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外的研究、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電3種工藝的分析和對(duì)比。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)秸稈;直接燃燒;生物質(zhì)-煤混

2、燃;氣化;發(fā)電中圖分類號(hào):TK6:S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-6446(2006)12-0009-05Abstract:Utilizationofthebiomassstrawisintroduced.Currentdomesticandforeignresearch&theapplicationsit2uationofthebiomassstrawgenerationtechnologyismainlydiscussed.Bytheanalysisandcomparisonofthreekindsoftechnology,iethebiomassstrawboilerdir

3、ectly-burningpowergeneration,thebiomassstraw-coalhybridburningpowergenerationandbiomassstrawgasificationpowergeneration,itcanbeconcludedthatthebiomassstrawpowergenerationwillbeChinasdevelopmentdirectionineffectiveutilizationofbiomassenergy.Keywords:biomassstraw;directly-burning;thebiomassstraw-coalh

4、ybridburning;gasification;powergenera2tion0引言生物質(zhì)秸稈是一種潔凈的可再生能源,它包括玉米稈、小麥稈、稻稈、油料作物秸稈、豆類作物秸稈、雜糧作物秸稈、棉花稈等多種作物的莖稈。作為新能源中最具開發(fā)利用價(jià)值的一種綠色可再生能源,生物質(zhì)秸稈發(fā)電受到高度重視,世界上許多國家將其作為21世紀(jì)發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點(diǎn)和具備發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。秸稈發(fā)電技術(shù)已被聯(lián)合1國列為重點(diǎn)項(xiàng)目予以推廣。在歐洲,尤其是北歐的一些國家利用秸稈發(fā)電已經(jīng)有10余年的歷史,世界上第1座生物質(zhì)秸稈發(fā)電廠于1988年在丹麥投產(chǎn)(Haslev,5MW),如今,丹麥已建成100多家秸稈發(fā)電廠,

5、秸稈發(fā)電量占該國2總發(fā)電量的24%。目前,世界上最大的秸稈發(fā)電廠是位于英國坎貝斯的Elyan生物質(zhì)能發(fā)電廠,裝機(jī)收稿日期:2006-08-07容量為38MW。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)資源十分豐富。據(jù)19982003年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算,我國可開發(fā)的生物質(zhì)資源總量約7億t標(biāo)準(zhǔn)煤,其中農(nóng)作物秸稈約3.53億t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前我國農(nóng)作物秸稈中大約有1.45億t用作畜牧飼料,0.91億t用作還田肥料,0.14億t用作工業(yè)原料,2.8億t作為農(nóng)民傳統(tǒng)的生活燃料,余下的14億t左右大部分在田間地頭被直接焚燒了。這不僅污染環(huán)境,還造成能源的浪費(fèi)。近幾年來,隨著農(nóng)村液化氣、煤炭等優(yōu)質(zhì)能源的大量使用,使得農(nóng)作物秸稈、谷

6、殼等農(nóng)作物廢棄物的剩余量越來越大。生物質(zhì)秸稈為低碳燃料,而且含硫量低,是一種較為清潔的燃料。利用秸稈發(fā)電,不僅可為缺電地區(qū)提供寶貴的電力,而且會(huì)極大地改善環(huán)境質(zhì)量,對(duì)環(huán)境保護(hù)非常有利;另外秸稈通常含有3%5%的5作者簡介:馬洪儒(1966-),男,河南內(nèi)黃人,安陽工學(xué)院機(jī)械系副教授,工學(xué)碩士,主要從事可再生能源開發(fā)方面的研究和教學(xué)工作。10水利電力機(jī)械2006年12月表1固定床氣化爐與流化床氣化爐性能比較灰分,這種灰分以鍋爐飛灰和灰渣/爐底灰的形式被收集,灰分中含有豐富的鉀、鎂、磷、鈣等成分,可用作高效農(nóng)業(yè)肥料。所以,生物質(zhì)秸稈資源是新能源中最具開發(fā)利用價(jià)值的一種綠色環(huán)?？稍偕茉础ｎ愋褪褂迷?/p>

7、料碳轉(zhuǎn)化率燃?xì)庵酗w灰含量技術(shù)性能結(jié)構(gòu)簡單,堅(jiān)固耐用;容量小;加熱緩慢;床內(nèi)溫度不均勻;運(yùn)行負(fù)荷可在設(shè)計(jì)負(fù)荷的20%110%;容量大;加熱迅速;床內(nèi)溫度均勻;運(yùn)行負(fù)荷只能在設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%120%之間變動(dòng)綜合經(jīng)濟(jì)性建設(shè)投資低,運(yùn)行投資高;綜合經(jīng)濟(jì)性一般建設(shè)投資高,運(yùn)行投資低;綜合經(jīng)濟(jì)性好1生物質(zhì)秸稈能源轉(zhuǎn)換技術(shù)研究進(jìn)展生物質(zhì)秸稈發(fā)電主要工藝分3類:生物質(zhì)鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電。目前,生物質(zhì)發(fā)電量已占發(fā)達(dá)國家可再6生能源發(fā)電量的70%。1.1生物質(zhì)秸稈氣化發(fā)電技術(shù)20世紀(jì)70年代,Chaly7固定床氣化爐特定種類、形狀、尺寸一致;顆粒尺寸較大90%99%低8的研究

8、,。生物質(zhì)受熱后,在相對(duì)較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出,生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達(dá)70%以上。因此,氣化技術(shù)非常適合生物質(zhì)原料的能量轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)秸稈氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為高品位的燃料氣,再利用燃料氣推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。這樣既能解決生物質(zhì)秸稈燃燒效率低,分布分散的缺點(diǎn),又可以充分發(fā)揮燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、污染少的優(yōu)點(diǎn)。所以,氣化發(fā)電是生物質(zhì)秸稈最有效、最潔凈的利用方式之一。氣化發(fā)電工藝主要包括3個(gè)方面:一是生物質(zhì)秸稈氣化,在氣化爐中生物質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為氣體燃料;二是氣體凈化,氣化后的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì),包括灰焦炭和焦油等,需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去,以保

9、證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行;三是燃?xì)獍l(fā)電,利用內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。有的工藝為了提高發(fā)電效率,發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪9機(jī)。生物質(zhì)氣化技術(shù)是通過熱化學(xué)反應(yīng),將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。生物質(zhì)秸稈氣化技術(shù)根據(jù)采用的氣化反應(yīng)爐的不同可以分為固定床氣化和流化床氣化。在氣化過程中使用不同的氣化劑,采用不同的過程運(yùn)行條件,可以得到3種不同熱值3的氣化產(chǎn)品:低熱值4.6MJ/m(使用空氣和蒸3汽/空氣);中等熱值1218MJ/m(使用氧氣310和蒸汽);高熱值40MJ/m(使用氫氣)。固定床氣化爐與流化床氣化爐有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和一定的適用范圍。其性能比較見表1?；癄t和可;顆粒尺寸較小左右,

10、燃?xì)膺M(jìn)行除塵凈化處理可以看出,流化床氣化爐比固定床氣化爐具有更好的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)成為今后生物質(zhì)氣化研究的方向。生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(BIGCC)作為先進(jìn)的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù),從1990年開始得到廣泛研究。BIGCC通過2級(jí)燃燒方式,利用2種工質(zhì)將勃雷登(Broyton)循環(huán)和朗肯循環(huán)疊加在一起,具有較高的發(fā)電效率和較大的發(fā)電規(guī)模。但由于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?爐子出口氣體溫度較高(800以上),要使BIGCC達(dá)到較高效率,需具備2個(gè)條件:一是燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前不能降溫,二是燃?xì)獗仨毷歉邏籂顟B(tài)的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和燃?xì)飧邷貎艋瘍煞N技術(shù)才能使BIGCC的總體效率較高(40%)。目前

11、,歐美一些國家正在開展這方面的研究,也建設(shè)了多個(gè)生物質(zhì)氣化發(fā)電BIGCC示范項(xiàng)目。但由于焦油處理技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度大,限制了其應(yīng)用推廣。我國對(duì)生物質(zhì)秸稈氣化技術(shù)的深入研究開始于20世紀(jì)80年代。目前,國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置基本上是以空氣為氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù),如河北的ND系列,山東的XFL系列,廣州的CSQ系列和云南的QL系列。其技術(shù)上存在的問題主要有:燃?xì)赓|(zhì)量不穩(wěn)定且燃?xì)鉄嶂档?CO含量過高,不符合城市居民使用的燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn);燃?xì)鈨艋敖褂偷奶幚砑夹g(shù)落后;整套裝置的可靠性差、使用壽命短;氣化系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與施工規(guī)范尚未建立,難以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化技術(shù)的工程化。我國于1998年10月建成了1M

12、W谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng),2000年7月通過了中科院鑒定;1999年1MW木屑?xì)饣l(fā)電示范工程建成并投入運(yùn)行;2000年6MW秸稈氣化發(fā)電示范工程建成并投入運(yùn)行;第28卷第12期馬洪儒,等:生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與分析112005年5月由中國科學(xué)院廣州能源研究所開發(fā)的4MW生物質(zhì)聯(lián)合發(fā)電項(xiàng)目,在江蘇興化市投入運(yùn)行。由于受氣化效率與內(nèi)燃機(jī)效率的限制,簡單的氣生物質(zhì)秸稈和煤在組成和特性(如發(fā)熱量)等1111方面存在明顯的差異,見表2和表3。表2生物質(zhì)秸稈元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及熱值3生物質(zhì)稻稈玉米稈棉花稈Q在現(xiàn)役燃煤電廠實(shí)施生物質(zhì)秸稈-煤共燃較為簡單,僅僅涉及在已有的燃料系統(tǒng)中進(jìn)行生物質(zhì)秸12稈的摻混

13、,通常有下面2種方式:(1)在給煤機(jī)上游與煤混合,再一起制粉后噴入爐膛燃燒。(2)采用專門的粉碎裝置進(jìn)行生物質(zhì)秸稈的切割和粉碎,或通。(1)摻燒比例。綜合國外在這方面的大量試驗(yàn)和工程應(yīng)用研究,采用生物質(zhì)秸稈-煤共燃時(shí),一般生物質(zhì)秸稈熱量配比(生物質(zhì)秸稈發(fā)熱量大約為煤的一半)小于15%或質(zhì)量配比小于5%。若超過此限度,可能會(huì)造成燃料及制粉系統(tǒng)的堵塞,影響制粉系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(2)生物質(zhì)秸稈燃料的制備。生物質(zhì)秸稈與煤在共燃時(shí),必須首先將其粉碎成尺寸為3mm左右的顆粒;生物質(zhì)秸稈含水量不能太高,故在粉碎前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行干燥處理。研究表明,當(dāng)顆粒尺寸大于3mm,秸稈中水分含量大于40%時(shí),將不易充分燃13

14、小麥秸稈41.283下標(biāo)“ad”為空氣干燥基。表3煙煤(山西大同)元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及熱值3Car/%49.8Har/%3.25Oar/%5.67Nar/%1.07Sar/%0.80Q/(MJ/kg)20.273下標(biāo)“ar”為空氣收到基。(1)生物質(zhì)秸稈資源豐富,而且分布廣泛。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,每年產(chǎn)生的生物質(zhì)秸稈量超過7億t,除去40%作為飼料、肥料和工業(yè)原料外,尚有360%可用作能源開發(fā),大約折合2.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤。(2)可以提高生物質(zhì)秸稈的燃燒效率。煤粉發(fā)電燃燒效率高,可以達(dá)到35%以上,生物質(zhì)秸稈與煤共燃,可以借用其高效率的優(yōu)點(diǎn)。(3)生物質(zhì)秸稈-煤共燃技術(shù)簡單易行,可以利用現(xiàn)役燃煤

15、電廠而無需大量投資。生物質(zhì)秸稈價(jià)格相對(duì)較低,大量使用可以降低燃料成本。(4)降低有害氣體排放,有利于環(huán)境保護(hù)。生物質(zhì)秸稈燃料低碳、低氮,在與煤粉共燃時(shí)可以降低電廠廢氣中SO2和NOx的含量。生物質(zhì)秸稈燃燒被看作CO2零排放,所以,采用生物質(zhì)秸稈-煤共燃技術(shù),是現(xiàn)役燃煤電廠降低CO2排放量的有效措施之一。燒14。(3)腐蝕問題。生物質(zhì)秸稈中氯和堿金屬含量較高,它們在燃燒中生成氯化物而凝結(jié)在受熱面上,可能會(huì)引起受熱面金屬腐蝕。因此,在共燃生物質(zhì)秸稈時(shí),堿金屬氯化物的腐蝕問題需要關(guān)注。(4)對(duì)催化劑活性的影響。研究表明,煤粉燃燒電廠共燃生物質(zhì)秸稈,會(huì)出現(xiàn)選擇性催化還原,致使煙氣脫硫系統(tǒng)催化劑的活性顯

16、著降低,其原因可能是生物質(zhì)秸稈燃料中豐富的堿金屬和堿土金屬會(huì)15引起上述系統(tǒng)中催化劑中毒。1.3生物質(zhì)秸稈直接燃燒技術(shù)生物質(zhì)秸稈直接燃燒是最簡單,也是最早被采用的生物質(zhì)能利用方式。但在過去的傳統(tǒng)燃燒方式中,生物質(zhì)燃燒效率極低,一般只有10%左右,造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)。若能開發(fā)一種方便、高效的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù),必將具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效16益。12水利電力機(jī)械2006年12月鍋爐燃燒是一種先進(jìn)的燃燒技術(shù),把生物質(zhì)秸稈壓縮成型后作為鍋爐的燃料燃燒,可以提高生物質(zhì)能的利用效率,適應(yīng)于生物質(zhì)資源相對(duì)集中,可大規(guī)模利用的地區(qū)。生物質(zhì)(秸稈)成型技術(shù)(BiomassBriquettingTechnology

17、)是指在一定溫度和壓力下,將各類分散的、沒有規(guī)則形狀的生物質(zhì)廢棄物壓制成具有規(guī)則形狀的、密度較大的各種成型燃料的高新技術(shù)。生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料的工藝流程如下:秸稈收集干燥粉碎成型成品燃燒發(fā)電(供熱)。用于生物質(zhì)秸稈成型的設(shè)備主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、機(jī)械活塞沖壓式成型機(jī)、17標(biāo)來看,產(chǎn)成本低,目前在我國還不成熟。型,比較而言前者生產(chǎn)率高,但主要部件壽命低;而后者主要工作部件壽命可達(dá)前者2倍,但最高生產(chǎn)能力不足前者的1/2?？紤]總體產(chǎn)品成本,液壓活18塞成型機(jī)較低?，F(xiàn)有的國內(nèi)外絕大多數(shù)生物質(zhì)成型工藝要先將秸稈粉碎至極為細(xì)小的顆?；蚍勰?然后經(jīng)成型設(shè)備壓縮成型,否則將不能成型或難以成型。樊峰鳴,19張

18、百良利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB-型生物質(zhì)秸稈成型設(shè)備進(jìn)行粗大秸稈擠壓成型試驗(yàn),將原料粒度大大放寬,粗大玉米稈只需要簡單切碎,對(duì)麥秸稈、豆秸稈、稻殼、花生殼等直徑小于1cm、長度小于25cm的大粒徑松軟生物質(zhì)秸稈,不需要粉碎便可輸入成型機(jī)擠壓出成型燃料。不但降低了能耗,減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié),還有效地提高了生產(chǎn)效率。農(nóng)作物秸稈經(jīng)壓縮后的成型燃料密度可達(dá)30.81.4g/cm,便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。而且其熱值大于木材,熱值為1417MJ/kg,相當(dāng)于中質(zhì)煙煤,適于直接燃燒,具有黑煙少、火力旺、燃燒充分、不飛20灰、干凈衛(wèi)生以及NOx,SOx極微量排放等優(yōu)點(diǎn)。秸稈鍋爐為水冷式振動(dòng)鍋爐或鏈條爐排鍋爐,是專門為秸稈

19、燃燒發(fā)電而開發(fā)的設(shè)備。馬孝琴,駱仲泱設(shè)計(jì)的生物質(zhì)秸稈成型鍋爐采用雙膽反燒結(jié)構(gòu),經(jīng)燃燒試驗(yàn),表明該爐具有較高的熱效率和環(huán)保效益,燃用秸稈成型燃料燃燒穩(wěn)定,床層不易結(jié)渣且煙氣中飄塵含量達(dá)標(biāo)。21僅SO2,NOx等有害氣體排放量極小,而且具有CO2零排放的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)測算,建設(shè)一個(gè)212MW的秸稈發(fā)電廠,與同等規(guī)模的燃煤電廠相比,利用秸稈發(fā)電每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6萬t,減少SO2排放量600t,減少煙塵排放400t22。一方面提高了農(nóng)村的生活環(huán)境,另一方面也改善了農(nóng)民的生活質(zhì)量。秸稈發(fā)電鍋爐排放的灰渣還可作為農(nóng)家肥再利用,其生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。(2),。如我河,每年所需的近20萬t秸稈全部從當(dāng)?shù)厥召?按

20、市場價(jià)格100元/t計(jì)算,可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收2000萬元/年2。另外,生物質(zhì)秸稈的收購、運(yùn)輸及儲(chǔ)存等也會(huì)形成一系列的產(chǎn)業(yè),從而帶動(dòng)農(nóng)民收入的增加。(3)秸稈發(fā)電作為一項(xiàng)新技術(shù),建設(shè)秸稈發(fā)電廠的一些設(shè)備還需要進(jìn)一步完善,一些技術(shù)問題還有待于進(jìn)一步解決。開發(fā)效率較高的秸稈發(fā)電系統(tǒng),是我國開發(fā)生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)的一個(gè)主要課題,也是我國能否有效利用生物質(zhì)能源的關(guān)鍵。應(yīng)積極引進(jìn)、消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù),嫁接商品化、集約化、規(guī)?；墓芾斫?jīng)驗(yàn),并不斷創(chuàng)新,早日實(shí)現(xiàn)秸稈成套發(fā)電設(shè)備的國產(chǎn)化。(4)我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源,若能充分利用,不僅能減少環(huán)境污染,變廢為寶,而且還是能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我國的可

21、再生能源法已于2006年1月1日正式實(shí)施,相關(guān)的價(jià)格、稅收、強(qiáng)制性市場配額和并網(wǎng)接入等鼓勵(lì)扶持政策也相繼出臺(tái),這些措施的落實(shí),將使我國的可再生能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)加速發(fā)展時(shí)期。參考文獻(xiàn):1章繼華.秸稈發(fā)電技術(shù)前景廣闊J.蘇南科技開發(fā),2006,(1):23,24.2張茜,尚俐君.秸稈發(fā)電生態(tài)效益可觀J.華北電力,2005,(1):22,23.3孫振鈞.中國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)及發(fā)展取向J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(5):15.4羅永忠.秸稈發(fā)電商品化前景分析J.中國能源,2005,27(3):3941.5鄧可蘊(yùn).21世紀(jì)我國生物質(zhì)能發(fā)展戰(zhàn)略J.中國電力,2000,33(9):8284.2結(jié)束語(1)生物

22、質(zhì)秸稈作為一種潔凈能源,利用時(shí)不第28卷第12期馬洪儒,等:生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與分析136HatjeW,RuhlM,HuttlRF,etal.Useofbiomassfor7CahlyM,PiskorzJ.ThehydrogasificationofwoodJ.IndEngchenRes,1988,27:256264.8馬隆龍,肖艷京,任永志,等.生物質(zhì)氣化發(fā)電J.能源15BaxterLL.Biomass2coalco2combustion:opportunityforaffordablerenewableenergyC.Newcastle:PersentedatInternationalSymposiumonUtilizationofcoalandbiomass,2003.16肖波,郭勇,楊加寬,等.生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)研究J.能源技術(shù),2004,25(5):197199.17邱凌.生物質(zhì)致密成型研究進(jìn)展J.能源技術(shù),1998,(3):5761.18雷群.J.木材加工程,2000,(2):46.9謝軍,吳創(chuàng)之,陰秀麗,等.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用工機(jī)械(1):3519,.前景J.上海電力,2005,(1):5457.10米鐵,唐汝江,陳漢平,等.生物質(zhì)氣化技術(shù)比較及其J.,2005,24(2):398,陳開碇,張百良.國內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料及燃?xì)饣l(fā)電