生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)V:1.0精細(xì)整理，僅供參考生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)日期：20xx年X月生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)陽永富，孫龍，樊俊杰（勝利油田勝利動力機(jī)械有限公司，山東東營257032）摘要：隨著人們對能源需求的日益增長，作為人類目前主要能源來源的化石燃料卻迅速減少，而生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源,它分布廣泛,數(shù)量巨大。但由于它能量密度低，又分散，收集和運(yùn)輸困難，所以難以大規(guī)模集中處理。另一方面隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力供應(yīng)日益緊張，對電力需求很大，電價(jià)居高不下，在這種環(huán)境下，通過氣化發(fā)電技術(shù)，把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電力，既能大規(guī)模處理生物質(zhì)廢料，又能為生產(chǎn)提供電力，具有明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益。本文主要講述生物質(zhì)的氣化技術(shù)，生物質(zhì)氣凈化處理技術(shù)及生物質(zhì)氣用于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電技術(shù)。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；氣化；凈化；內(nèi)燃機(jī)；發(fā)電BiomassGasificationandGenerationTechnologyYangYongFu，SunLong，F(xiàn)anJunJie（ShengliOilFieldShengliPowerMachineryCo.,Ltd,DongyingShandong257032）Abstract:Energydemandisincreasingandthefossilfuelisdecreasing,whichistheimportantenergysource.Biomassisanimportantregenerativeenergy.Itdistributeswidelyandwithhighamount.Becauseitfeatureslowconcentrationanddistributedispersedly,soitisdifficultfortransportationandtreatmentinscale.Withrapideconomicdevelopment,electricityisingreatdemandgradually,itspriceishigh.Underthiscondition,biomassisconvertedintoelectricitybygasificationtechnology.Supportedwiththistechnology,massivewastebiomassistreatedandelectricityisproducedtosupplyforproductionresultinginsignificantlysocialandeconomicalbenefits.Thepaperintroducesbiomassgasification,biogastreatmentandelectricitygenerationbyfuelingbiogasoninternalcombustionengine.KeyWords:Biomass；Gasification；purification；InternalCombustionEngine；ElectricityGeneration1生物質(zhì)氣化技術(shù)簡單地講，氣化是以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，在高溫的條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)猓ㄖ饕獮橐谎趸肌錃夂图淄榈龋┑臒峄瘜W(xué)反應(yīng)。氣化和燃燒是密不可分的，燃燒是氣化的基礎(chǔ)，氣化是部分燃燒或缺氧燃燒。氣化可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的氣態(tài)燃料，直接應(yīng)用作為鍋爐燃料或發(fā)電，產(chǎn)生所需的熱量或電力。生物質(zhì)氣化后一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，另外還有少量的焦油。得到的生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過水洗、凈化后即可使用，可民用，也可直接用于發(fā)電。氣化方法干餾氣化法干餾氣化屬于熱解的一種特例，是指在缺氧或少量供氧的條件下，生物質(zhì)進(jìn)行干餾的過程。主要產(chǎn)物為醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油、木炭和可燃?xì)?。可燃?xì)獾闹饕煞质嵌趸?、一氧化碳、甲烷、乙烯和氫氣等，其產(chǎn)量和組成與熱解溫度和加熱速率有關(guān)。燃?xì)獾臒嶂禐?5MJ/m3，屬中熱值燃?xì)狻？諝鈿饣ㄒ钥諝庾鳛闅饣瘎┑臍饣^程，空氣中氧氣與生物質(zhì)中可燃組分發(fā)生氧化反應(yīng)，提供氣化過程中其它反應(yīng)所需的熱量，不需要額外提供熱量。由于空氣隨處可得，不需要消耗額外能源進(jìn)行生產(chǎn)，所以它是一種極普遍、經(jīng)濟(jì)、設(shè)備最簡單且容易實(shí)現(xiàn)的氣化形式。空氣中含有21%的氧氣和79%的氮?dú)?，氮?dú)馐且环N惰性氣體，不參與化學(xué)反應(yīng)。但氮?dú)庠诨瘜W(xué)反應(yīng)過程中會吸收部分反應(yīng)熱，降低反應(yīng)溫度，阻礙氧氣的充分?jǐn)U散，降低反應(yīng)速度。而且不參與反應(yīng)的氮?dú)庀♂屃松镔|(zhì)燃?xì)庵锌扇冀M分，降低了燃?xì)鉄嶂?。燃?xì)鉄嶂狄话銥?MJ/m3，屬低熱值燃?xì)狻?.1.3氧氣氣化法以純氧作為氣化劑的氣化過程。在此反應(yīng)過程中，需嚴(yán)格控制氧氣的供給量，方可保證氣化反應(yīng)所需的熱量，避免生成二氧化碳。同空氣氣化相比，由于沒有氮?dú)鈪⑴c，提高了反應(yīng)溫度和速度，縮小了反應(yīng)空間，提高了熱效率。生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂悼蛇_(dá)到15MJ/m3，屬中熱值燃?xì)?，可與城市煤氣相當(dāng)。但是生產(chǎn)純氧需要消耗大量的能源，故不適于小型的氣化系統(tǒng)。水蒸氣氣化法以水蒸氣作為氣化劑的氣化過程。氣化過程中水蒸氣與炭發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣，同時(shí)一氧化碳與水蒸氣發(fā)生變化反應(yīng)和各種甲烷化反應(yīng)，故生物質(zhì)燃?xì)庵袣錃夂图淄榈暮枯^高，熱值可達(dá)到17MJ/m3～21MJ/m3，屬中熱值燃?xì)?。水蒸氣氣化的主要反?yīng)是吸熱反應(yīng)，需要額外的熱源，但是反應(yīng)溫度又不能過高，且該項(xiàng)技術(shù)比較復(fù)雜，不易控制和操作。水蒸氣-空氣氣化法主要用來克服空氣氣化產(chǎn)物熱值低的缺點(diǎn)。減少了空氣的供給量，并生成了更多的氫氣和碳?xì)浠衔?，提高了燃?xì)獾臒嶂担镔|(zhì)燃?xì)鉄嶂悼蛇_(dá)到11.5MJ/m3。此外空氣與生物質(zhì)的氧化反應(yīng)，可提供其他反應(yīng)所需的熱量，不需外加熱系統(tǒng)。氫氣氣化法以氫氣作為氣化劑的氣化過程。主要?dú)饣磻?yīng)是氫氣與固定碳及水蒸氣生成甲烷的過程。生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂悼蛇_(dá)到12.3MJ/m3～26MJ/m3，屬高熱值燃?xì)?。但氫氣氣化反?yīng)的條件極為苛刻，需要在高溫高壓下進(jìn)行，一般不常使用。生物質(zhì)氣化設(shè)備—?dú)饣癄t氣化爐是生物質(zhì)氣化的主要設(shè)備。在這里，生物質(zhì)經(jīng)燃燒、氣化轉(zhuǎn)化為可燃?xì)狻饣癄t可分為固定床氣化爐、流化床氣化爐及攜帶床氣化爐。固定床適用于小型設(shè)備，流化床比較易于大型化。在反應(yīng)過程中主要控制的是氣化爐中的反應(yīng)溫度和物料的停留時(shí)間。1.2.1固定床氣化爐

固定床氣化爐的氣化反應(yīng)一般發(fā)生在相對靜止的床層中進(jìn)行，生物質(zhì)依次完成干燥、熱解、氧化和還原反應(yīng)。根據(jù)氣流運(yùn)動方向的不同，固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式及開心式等幾種類型。

下吸式固定床氣化爐的特征是氣體和生物質(zhì)物料混合向下流動。通過高溫喉管區(qū)（只有下吸式設(shè)有喉管區(qū)）。生物質(zhì)在喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)，可燃?xì)怏w從喉管下部吸出，而且焦油也可以通過熾熱的木炭床時(shí)進(jìn)行裂解，因此揮發(fā)分中的焦油可以得到充分分解，燃?xì)庵薪褂秃枯^低，特別受到小型發(fā)電系統(tǒng)的青睞。一般情況下，下吸式固定床氣化爐不設(shè)爐柵，但如果原料尺寸較小也可設(shè)爐柵。此種氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行比較可靠，適于較干的大塊物料或低灰分大塊同少量粗糙顆料的混合物料，其最大處理量是500kg/h。目前歐洲的一些國家已用于商業(yè)運(yùn)行。

上吸式固定床氣化爐的特點(diǎn)是氣體的流動方向與物料運(yùn)動方向相反。向下流動的生物質(zhì)原料被向上流動的熱氣體烘干、裂解。在氣休爐底部，固定碳與空氣中的氧氣進(jìn)行不完全燃燒、氣化，產(chǎn)生可燃?xì)怏w。因?yàn)樵显诟稍飳雍蜔峤鈱涌梢猿浞掷眠€原反應(yīng)氣體的余熱，可燃?xì)怏w在出口處的溫度可以降至300℃以下，所以上吸式固定床氣化爐的熱效率比其它固定床氣化爐的高。且對原料要求不很嚴(yán)格，但是上吸式氣化爐燃?xì)庵薪褂秃枯^高，需作進(jìn)一步凈化處理。上吸式氣化爐目前沒有較大的型號，但在原理上其容量不受限制。該種氣化爐主要應(yīng)用1.2.2流化床氣化爐

流化床氣化爐具有氣、固接觸，混合均勻和反應(yīng)速度快、氣化效率高的優(yōu)點(diǎn)，是唯一在恒溫床上進(jìn)行反應(yīng)的氣化爐，反應(yīng)溫度為700℃~850℃，原料要求相當(dāng)小的顆粒。其氣化反應(yīng)在流化床內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生的焦油也可在流化床內(nèi)裂解。流化介質(zhì)一般選用惰性材料（如砂子），由于灰渣的熱性質(zhì)易發(fā)生床結(jié)渣而喪失流化床功能，因此要控制好運(yùn)行溫度。

流化床氣化爐分單床氣化爐、循環(huán)氣化爐和雙床氣化爐。單床氣化爐只有一個(gè)流化床，氣化后生成的氣化氣直接進(jìn)入凈化系統(tǒng)中；循環(huán)流化床的流化速度較高，能使產(chǎn)出氣體中帶走大量固體，經(jīng)旋風(fēng)分離器后使這些固體返回流化床，與單床相比，提高了碳的轉(zhuǎn)化率，適用于顆粒度較小物料的氣化；雙流化床與循環(huán)床相似，不同的是第1級反應(yīng)器的流化介質(zhì)被第2級反應(yīng)器加熱。在第1級反應(yīng)器中進(jìn)行裂解反應(yīng)。第2級反應(yīng)器中進(jìn)行氣化反應(yīng)，雙流化床的碳轉(zhuǎn)化率也很高。

1.2.3攜帶床氣化爐

攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，它不使用惰性材料，提供的氣化劑直接吹動生物質(zhì)原料，屬于氣流輸送。該氣化爐要求原料破碎成細(xì)小的顆粒，其運(yùn)行溫度高達(dá)成1100℃～1300℃生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋夹g(shù)不同氣化爐及不同氣化方式產(chǎn)出的氣體成分和熱值也不相同，其熱值一般在5MJ/m3～15MJ/m3。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體成分大致如下：CO：15%～23%；H2：8%～13%；CH4：1%～3%；CO2：11%～14%；O2：1.6%。其余基本為氮?dú)狻饣癄t溫度越高，H2含量越高，焦油含量越少，氣化爐溫度達(dá)到1200℃時(shí)，H2含量可達(dá)到20% 目前的生物質(zhì)氣化技術(shù)中焦油含量普遍較高，使得后續(xù)的凈化和使用都比較麻煩。針對這一特點(diǎn)，采取催化裂解法，將秸稈等生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化為焦油含量很低的燃?xì)?。水洗除焦在噴淋塔中將水與生物質(zhì)燃?xì)庀嘟佑|，將其中的焦油去除。此方法在技術(shù)上成熟可靠，且集除塵、除焦和冷卻三項(xiàng)功能于一身，是中小氣化系統(tǒng)采用較多的一項(xiàng)技術(shù)。主要缺點(diǎn)是會產(chǎn)生廢水，造成能量的浪費(fèi)和二次污染問題。過濾除焦將生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^裝有吸附性強(qiáng)的材料（如活性炭、濾紙和陶瓷芯）的過濾器將焦油過濾出來，具有除塵和除焦兩項(xiàng)功能，且過濾效率較高。主要缺點(diǎn)是需要經(jīng)常更換過濾材料。為了防止產(chǎn)生廢物，可以選擇生物質(zhì)作為過濾材料，如粉碎的玉米芯等。靜電除焦在高壓靜電下將生物質(zhì)氣電離，使焦油小液滴帶上電荷，小液滴聚合在一起形成大液滴，并在重力的作用下從燃?xì)庵蟹蛛x出來。其效率較高，可達(dá)到90%以上。但生物質(zhì)燃?xì)庵醒醯暮坎坏贸^1%，否則靜電放電容易點(diǎn)著燃?xì)?，?dǎo)致爆炸。故靜電除焦操作起來比較困難。2.4催化裂解除焦催化裂解法除焦是目前最先進(jìn)的除焦技術(shù)。焦油在1000℃～1200℃時(shí)可熱解為小分子氣體，但實(shí)現(xiàn)這樣高的溫度比較困難。催化裂解是利用催化劑的作用，在800℃～900℃時(shí)發(fā)生熱解反應(yīng)。其效率可達(dá)99%以上。熱解的產(chǎn)物為可燃?xì)?，可以直接利用。催化劑多采用木炭、白云石和鎳基催化劑。另外，對生物質(zhì)燃?xì)庥糜趦?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)不同的氣化設(shè)備和不同的工藝流程以及同一氣化爐，不同的原料都可導(dǎo)致生物質(zhì)燃?xì)獾牟煌蛻?yīng)用場合的不同。生物質(zhì)燃?xì)庵饕糜谔峁崃?、集中供氣、氣化發(fā)電和化工原料氣。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目是國家科技部“九五”期間在可再生能源技術(shù)領(lǐng)域的重大項(xiàng)目和研究課題。礦物能源的使用帶來了環(huán)境污染、全球溫室效應(yīng)的惡果，生物質(zhì)能是人類最早利用也是最大量使用的可再生能源，具有二氧化碳零排放、綠色環(huán)保能源的美譽(yù)。它利用木屑、玉米秸稈、谷殼等廢棄物經(jīng)化合反應(yīng)生成生物質(zhì)氣，可廣泛用于燃?xì)?、取暖、照明、發(fā)電以及制造新型能源材料?，F(xiàn)就山東省科學(xué)院能源研究所180GF-RFm型秸稈氣發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)情況對生物質(zhì)燃?xì)庥糜趦?nèi)燃機(jī)發(fā)電的技術(shù)做一介紹。內(nèi)燃式發(fā)電機(jī)組采用勝利油田動力機(jī)械有限公司專門研制的180GF-RFm型秸稈氣發(fā)電機(jī)組。180GF-RFm型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組保留了原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和動力性好的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器通用化程度較高。該機(jī)型于2004年10月開始開發(fā)、設(shè)計(jì)。首臺180GF-RFm型生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組于2005年4月交付山東省科學(xué)院能源研究所，用于生物質(zhì)氣發(fā)電試驗(yàn)。目前該機(jī)組經(jīng)前期現(xiàn)場調(diào)試與試驗(yàn)改進(jìn)，功率190kW穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)理想。180GF-RFm型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，其關(guān)鍵的創(chuàng)新內(nèi)容為：①采用電控技術(shù)，確保機(jī)組工作時(shí)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行精確控制；②采用高H2燃?xì)夥辣夹g(shù)，確保機(jī)組的防爆安全性。③采用TEM電子管理控制系統(tǒng)，機(jī)組的自動化程度很高。發(fā)動機(jī)各主要部件配置情況如下：進(jìn)氣部分：采用空氣過濾、空氣和煤氣混合后增壓方式。燃?xì)獾倪M(jìn)氣控制為閉環(huán)控制，通過溫度反饋調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣量來調(diào)節(jié)空燃比，從而達(dá)到控制燃燒的目的、實(shí)現(xiàn)各缸工作均勻。進(jìn)氣管的一端設(shè)有自動復(fù)位的防爆裝置，當(dāng)進(jìn)氣管發(fā)生回火時(shí)，防爆們自動打開，爆炸的高溫氣流從防爆門排出，起到卸壓和滅火的作用，確保機(jī)組在發(fā)生回火時(shí)，仍可以在不停機(jī)的情況下正常運(yùn)行。排氣部分：排氣管上設(shè)有6個(gè)排溫檢測接口。增壓系統(tǒng)：采用脈沖混流式增壓器，滿足發(fā)動機(jī)的要求。調(diào)速系統(tǒng)：調(diào)速系統(tǒng)采用GAC電子調(diào)速系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)：借鑒天然氣機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)。針對生物質(zhì)燃?xì)釮2含量高的特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)凸輪軸，減少氣門重疊角。點(diǎn)火部分：采用美國ALTRONIC公司的磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，包括磁電機(jī)、高壓線圈、火花塞等進(jìn)口部件，運(yùn)行安全可靠。冷卻部分：采用原天然氣機(jī)大流量高溫水泵，作為循環(huán)動力，外部循環(huán)采用熱交換器進(jìn)行冷卻換熱，由冷卻塔冷卻或做余熱利用。啟動部分：采用DC24V、ST710電啟動馬達(dá)啟動，啟動扭矩大，易于冷啟動?；钊B桿部分：根據(jù)其他燃?xì)鈾C(jī)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合點(diǎn)火提前角等因素，確定理想的活塞壓縮比。機(jī)組配套方案如下：發(fā)電機(jī)：選用按西門子許可證制造的1FC6系列無刷同步恒壓三相交流發(fā)電機(jī)?？刂破粒哼x用動力機(jī)械有限公司專門研制的PLT控制屏。具有多重自動保護(hù)功能。TEM控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對機(jī)組全部參數(shù)的自動采集、顯示等功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)空燃比的自動精確調(diào)整。監(jiān)控儀：對發(fā)動機(jī)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、遠(yuǎn)傳報(bào)警等功能。這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，解決了秸稈氣含H2高、壓力低的問題，保證了180GF-RFm型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在秸稈氣領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)先進(jìn)性。同時(shí)有效解決了高H2氣體在燃?xì)獍l(fā)動機(jī)利用過程中所發(fā)生的回火和“放炮”現(xiàn)象。表1為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。按160kW，日耗秸稈量為6070kg/d，全年8000h計(jì)算，年消耗秸稈2023噸，氣化爐產(chǎn)氣量為600m3/h，氣柜容積150m3。發(fā)電規(guī)模200kW，耗氣600m3/h，秸稈氣（低熱值）平均按5200kJ/m3計(jì)算，1表1發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)日期時(shí)間頻率Hz發(fā)電機(jī)功率kW排溫1℃排溫2℃排溫3℃排溫4℃排溫5℃排溫6℃2005-12-1014:32:4149.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4249.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4349.81193.23535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4449.81193.23535.5565.1539.2524.5531525.52005-12-1014:32:4549.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4649.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4749.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4849.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4949.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5049.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5149.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5249.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5349.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.5200514:32:5449.81194.4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5549.81194.4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5649.81194.4536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5749.81195.43536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5849.81195.43536.5566.1540.2525.5532526.52005-12-1014:32:5949