生物質(zhì)能發(fā)電課件ppt

生物質(zhì)能發(fā)電1235.1生物質(zhì)能

5.2生物質(zhì)燃燒發(fā)電

5.3生物質(zhì)氣化發(fā)電

5.4沼氣發(fā)電

5.5垃圾發(fā)電

45.1生物質(zhì)能

5.1.1生物質(zhì)能的概念5.1.2生物質(zhì)能存在的形式5.1.3生物質(zhì)能的開發(fā)利用55.1.1生物質(zhì)能的概念生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。目前廣泛使用的化石能源如煤、石油等也是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變而來的。生物質(zhì)能是可再生能源，其原料通常包括6個方面：①木材及森林工業(yè)廢棄物；②農(nóng)作物及其廢棄物；③水生植物；④油料植物；⑤城市和工業(yè)有機廢棄物；⑥動物糞便。在世界能源消耗中，生物質(zhì)能約占10%，而在不發(fā)達地區(qū)卻占60%以上。生物質(zhì)能屬于清潔能源，其優(yōu)點是燃燒容易、污染少、灰分較低，燃燒后二氧化碳排放屬于自然界的碳循環(huán)，不形成污染，并且生物質(zhì)能含硫量極低，不到煤炭含硫量的1/4，可顯著減少二氧化碳和二氧化硫的排放；缺點是熱值及熱效率低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，體積大而且不易運輸。6生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為直接燃燒方式、物化轉(zhuǎn)換方式、生化轉(zhuǎn)化方式和植物油利用方式四大類，各類技術(shù)又包含了不同的子技術(shù)，各種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的分類和子技術(shù)如圖5-1所示。785.1.2生物質(zhì)能存在的形式1.森林能源及其廢棄物92.農(nóng)作物及其副產(chǎn)物103.禽畜糞便114.生活垃圾125.1.3生物質(zhì)能的開發(fā)利用生物質(zhì)能的開發(fā)和利用，也就是生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為人們所需要的熱能或進一步轉(zhuǎn)化為清潔二次能源，如電能。1.生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化的能源形式（1）直接燃燒獲取熱能。

（2）沼氣。（3）乙醇。（4）甲醇。（5）生物質(zhì)汽化產(chǎn)生的可燃氣體及裂解產(chǎn)品。132.生物質(zhì)能的實用轉(zhuǎn)化技術(shù)利用物理、化學(xué)以及生物技術(shù)，把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體、氣體或固體形式的各種燃料，屬于生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)。目前研究開發(fā)的轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有物理干餾、熱裂解法、生物發(fā)酵，包括利用干餾技術(shù)制取木炭、秸稈汽化制取燃氣、生物發(fā)酵制取乙醇、生物質(zhì)直接液化制取燃料油、干濕法厭氧消化制取沼氣等。1）生物質(zhì)壓縮成形和固體燃料制取技術(shù)2）生物質(zhì)汽化技術(shù)3）生物質(zhì)熱裂解液化制取生物油技術(shù)。4）干濕法厭氧消化制取沼氣技術(shù)143.生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用前景1）高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備2）薪材集約化綜合開發(fā)利用3）生物質(zhì)能的液化、汽化等新技術(shù)開發(fā)利用。4）城市生活垃圾的開發(fā)利用5）能源植物的開發(fā)154.我國發(fā)展和利用生物質(zhì)能源的意義（1）拓寬農(nóng)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域、增加農(nóng)民收入。（2）緩解我國能源短缺、保證能源安全。（3）治理有機廢棄物污染、保護生態(tài)環(huán)境。165.2生物質(zhì)燃燒發(fā)電

5.2.1生物質(zhì)燃燒技術(shù)5.2.2固體燃料成型技術(shù)5.2.3生物質(zhì)燃燒熱發(fā)電5.2.4生物質(zhì)燃燒的污染排放與控制17生物質(zhì)燃燒的過程可以分為以下四個階段：預(yù)熱和干燥階段，揮發(fā)分析出及木炭形成階段，揮發(fā)分燃燒階段，固定碳燃燒階段。（1）預(yù)熱和干燥階段：在該階段，生物質(zhì)被加熱，溫度逐漸升高。（2）揮發(fā)分析出及木炭形成階段：生物質(zhì)繼續(xù)被加熱，溫度繼續(xù)升高，到達一定溫度時便開始析出揮發(fā)分，并形成焦炭。（3）揮發(fā)分燃燒階段：生物質(zhì)高溫?zé)峤馕龀龅膿]發(fā)分在高溫下開始燃燒，同時釋放大量熱量，一般可提供占總熱量70%份額的熱量。（4）固定碳燃燒階段：生物質(zhì)中剩下的固定碳被燃燒著的揮發(fā)分包圍著，減少了擴散到碳表面的氧的含量，抑制了固定碳的燃燒；隨著揮發(fā)分的燃盡，熾熱的固定碳開始和氧氣發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，且逐漸燃盡，形成灰分。185.2.1生物質(zhì)燃燒技術(shù)生物質(zhì)直接燃燒主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒。爐灶燃燒投資小、操作簡便，但燃燒效率較低，造成生物質(zhì)資源的浪費。當(dāng)生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的功率大于100KW時，一般采用現(xiàn)代化的鍋爐燃燒技術(shù)，適合生物質(zhì)大規(guī)模利用。生物質(zhì)現(xiàn)代燃燒技術(shù)主要分為層燃、懸浮燃燒和流化床等三種形式。1.層燃技術(shù)圖5-2層燃過程192.流化床技術(shù)流化床是基于氣固流態(tài)化的一項技術(shù)，即當(dāng)氣流流過一個固體顆粒的床層時，若其流速達到使氣流流阻壓降等于固體顆粒層的重力時，固體床料被流態(tài)化。其適應(yīng)范圍廣，能夠使用一般燃燒方式無法燃燒的石煤等劣質(zhì)燃料、含水率較高的生物質(zhì)及混合燃料等。此外，流化床燃燒技術(shù)還可以降低尾氣中氮與硫的氧化物等有害氣體含量，保護環(huán)境，是一種清潔燃燒技術(shù)。流化床的下部裝有布風(fēng)板，空氣從風(fēng)室通過布風(fēng)板向上進入流化床，當(dāng)氣流速度發(fā)生變化時，流化床上的固體燃料層將先后出現(xiàn)固定床、流化床和氣流輸送三種不同的狀態(tài)。20當(dāng)氣流速度較低時，燃料顆粒的重力大于氣流的向上浮力，燃料顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)，稱為固定床。當(dāng)氣流速度逐漸增加到某一臨界值時，顆粒出現(xiàn)松動，顆粒間空隙增大，床層體積出現(xiàn)膨脹。如果再進一步提高氣流速度，燃料顆粒由氣流托起上下翻騰，呈現(xiàn)不規(guī)則運動，燃料層表現(xiàn)出流體特性，稱為流化床。當(dāng)氣流速度進一步增加，超過攜帶速度時，燃料顆粒將被氣流攜帶離開燃燒室，燃料顆粒的流化狀態(tài)遭到破壞，稱為氣流輸送。對于流化床可以分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床。為了保證流化床內(nèi)穩(wěn)定的燃燒，流化床內(nèi)常加入大量的惰性床料來儲存熱量，占總床料的90%～98%，惰性床料有石英砂、石灰石和高鋁礬土等。21鼓泡流化床燃燒存在一些問題，如飛灰可燃物大、埋管受熱面磨損嚴(yán)重、大型化困難、石灰石脫硫時鈣的利用率低等，制約了其進一步發(fā)展。為了解決上述問題，20世紀(jì)80年代循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)運而生。循環(huán)流化床主要優(yōu)點之一是燃料適應(yīng)性廣，幾乎可以燃用所有的固體燃料，燃燒效率也更高，能達到95%～99%。它的這一優(yōu)點對于充分利用劣質(zhì)燃料，開發(fā)和節(jié)約能源具有重要的意義。3.懸浮燃燒技術(shù)225.2.2固體燃料成型技術(shù)生物質(zhì)固體燃料成型技術(shù)，就是將各類生物質(zhì)廢棄物，如秸稈、稻殼、鋸末、木屑等，經(jīng)干燥并粉碎到一定粒度，在一定溫度、濕度和壓力條件下，擠壓成規(guī)則的、較大密度的固體成型燃料，生物質(zhì)固體燃料成型技術(shù)是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用的一種重要方式。1.生物質(zhì)燃料成型機理2.生物質(zhì)燃料成型工藝及設(shè)備圖5-3錐形螺旋擠壓成型機23圖5-4活塞沖壓成型機1-液壓或機械驅(qū)動2-活塞3-喉管4-成型快245.2.3生物質(zhì)燃燒熱發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要是利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物為原料，也可以將城市廢棄物作為原料，采取直接燃燒或氣化的發(fā)電方式。生物質(zhì)燃燒發(fā)電的技術(shù)路線主要有生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電、城市廢棄物焚燒發(fā)電。1.生物質(zhì)直燃發(fā)電圖5-6生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)原理252.生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電表5-1生物質(zhì)混燃發(fā)電方式的比較發(fā)電方式直接混燃間接混燃技術(shù)特點生物質(zhì)與煤直接混合后在鍋爐中燃燒生物質(zhì)氣化后與煤在鍋爐中一起燃燒主要優(yōu)點技術(shù)簡單、使用方便；不改造設(shè)備情況下投資最省通用性較好、對原燃煤系統(tǒng)影響很??；經(jīng)濟效益明顯主要缺點生物質(zhì)處理要求較嚴(yán)、對原系統(tǒng)有些影響增加氣化設(shè)備、管理較復(fù)雜；有一定的金屬腐蝕問題應(yīng)用條件木材類原料、特種鍋爐要求處理大量生物質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)263.城市廢棄物焚燒發(fā)電圖5-7城市廢棄物焚燒發(fā)電的典型工藝流程275.2.4生物質(zhì)燃燒的污染排放與控制285.3生物質(zhì)氣化發(fā)電

5.3.1生物質(zhì)的氣化技術(shù)5.3.2生物質(zhì)氣化發(fā)電5.3.3城市固體廢棄物氣化熔融技術(shù)295.3.1生物質(zhì)的氣化技術(shù)1.生物質(zhì)氣化的基本原理生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)為原料，以氧氣（空氣或者富氧、純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)化為可燃氣的過程。生物質(zhì)氣化的過程隨反應(yīng)器類型、反應(yīng)條件和原料性質(zhì)而變化，對于單個生物質(zhì)顆粒而言，其主要經(jīng)歷如下反應(yīng)過程：（1）干燥（2）熱解（3）焦油二次裂解（4）木炭、氣態(tài)產(chǎn)物的氧化反應(yīng)(5)木炭、氣態(tài)產(chǎn)物的還原反應(yīng)302.生物質(zhì)氣化的工藝根據(jù)所處氣體的環(huán)境，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、富氧氣化、水蒸氣氣化和熱解氣化。3.生物質(zhì)氣化反應(yīng)設(shè)備氣化爐是氣化反應(yīng)的主要設(shè)備。針對氣化爐運行方式的不同，可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種，而固定床氣化爐和流化床氣化爐又分別具有多種不同的形式。31圖5-8下吸式固定床氣化爐的工作原理32圖5-9上吸式固定床氣化爐的工作原理33圖5-10鼓泡流化床氣化爐的工作原理34圖5-11循環(huán)流化床氣化爐的工作原理35圖5-12雙循環(huán)流化床氣化爐的工作原理365.3.2生物質(zhì)氣化發(fā)電生物質(zhì)氣化發(fā)電的基本原理是把生物質(zhì)原料在氣化爐氣化生成可燃氣體并凈化，再利用可燃氣體推動燃氣發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電。這是一種最有效和最潔凈的現(xiàn)代化生物質(zhì)能利用方式。設(shè)備緊湊，污染少，可以克服生物質(zhì)燃料的能量密度低和資源分散的缺點。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)按燃氣發(fā)電方式可分為內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。3738圖5-13生物質(zhì)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝流程395.3.3城市固體廢棄物氣化熔融技術(shù)歐洲在世界上最早開發(fā)了城市固體廢棄物焚燒技術(shù)，并將固體廢棄物焚燒余熱用于發(fā)電和區(qū)域性集中供熱。但是，焚燒過程對大氣環(huán)境造成的二次污染一直是人們關(guān)注的熱點。城市固體廢棄物氣化熔融技術(shù)正是在此背景下，結(jié)合生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)和高溫熔融技術(shù)，提出并發(fā)展起來的。它實現(xiàn)了徹底的無害化、顯著的減容性、廣泛的物料適應(yīng)性和高效的能源與物資回收，因此氣化熔融技術(shù)被稱為新一代的廢物處理技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?0圖5-14城市固體廢棄物氣化熔融系統(tǒng)415.4沼氣發(fā)電

5.4.1沼氣的產(chǎn)生原理5.4.2沼氣燃燒發(fā)電5.4.3沼氣燃料電池發(fā)電5.4.4沼氣發(fā)電的控制策略425.4.1沼氣的產(chǎn)生原理沼氣是由多種厭氧微生物混合作用后發(fā)酵而產(chǎn)生的。在發(fā)酵過程中，這些微生物相互協(xié)調(diào)、分工合作，完成沼氣發(fā)酵過程。圖5-15沼氣發(fā)酵過程43圖5-16傳統(tǒng)的消化池示意圖44圖5-17水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)1-進料口2-零壓水位3-輸出閥門4-蓋板5-溢流口6-儲留室7-水壓箱8-滲井9-發(fā)酵室10-儲氣室455.4.2沼氣燃燒發(fā)電a)沼氣發(fā)動機發(fā)電結(jié)構(gòu)46b）燃氣輪機發(fā)電結(jié)構(gòu)47c）蒸汽輪機發(fā)電結(jié)構(gòu)48圖5-19不同種類動力發(fā)電裝置的效率比較4950圖5-20典型的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程51圖5-21垃圾處理場沼氣發(fā)電站的工藝流程1-污泥進料口2-發(fā)酵池3-循環(huán)管道4-循環(huán)泵5-溢流管6-沼氣儲氣罐7-沼氣發(fā)動機8-三相交流發(fā)電機9-消化污泥閥10-沉淀池11-溢流管12-排渣閥13-儲留池14-排污管52圖5-22沼氣與天然氣雙氣源的鍋爐53圖5-23沼氣和天然氣雙氣源鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖545.4.3沼氣燃料電池發(fā)電燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它就可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融硅酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池等。沼氣燃料電池是將沼氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，它所用的“燃料”并不燃燒，而是直接產(chǎn)生電能。沼氣燃料電池是一種清潔、高效、噪聲低的發(fā)電裝置，近年來在日本和歐美國家研究較多，國內(nèi)研究也在不斷增多。

55沼氣燃料電池系統(tǒng)一般由三個單元組成：燃料處理單元、發(fā)電單元和電流轉(zhuǎn)換單元。1）燃料處理單元的主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。2)發(fā)電單元的基本部件由兩個電極和電解質(zhì)組成，氫氣和氧化劑在兩個電極上進行電化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)則構(gòu)成電池的內(nèi)回路，其工作原理簡圖如圖5-24所示。56圖5-24沼氣燃料電池（磷酸型燃料電池）的工作原理簡圖573）電流轉(zhuǎn)換單元的主要任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負載使用還可以實現(xiàn)并網(wǎng)供電。沼氣燃料電池所用的沼氣，其純度要求較高，因而需要對沼氣進行提純58圖5-25雙塔式吸收法提純沼氣工藝流程59沼氣燃料電池的主要優(yōu)點：①電池的工作效率高，能量轉(zhuǎn)換的效率可達90%左右，而一般內(nèi)燃機受卡諾循環(huán)的限制，效率僅達40%；②電池在工作時沒有或極少有污染物排放；③電池在工作時不產(chǎn)生噪聲和機械振動；④維護管理容易。沼氣燃料電池的主要缺點：①缺乏長期運行經(jīng)驗；②排氣中可能含有微量磷廢氣，它們對環(huán)境的影響尚不清楚。605.4.4沼氣發(fā)電的控制策略圍繞著提高沼氣燃燒發(fā)電或沼氣燃料電池的轉(zhuǎn)化效率，沼氣發(fā)電的控制主要從以下兩個方面進行考慮：1.凈化及提純沼氣凈化及提純沼氣，提高沼氣發(fā)電機的轉(zhuǎn)化效率和熱電聯(lián)合利用效率，提高沼氣燃料電池的燃料利用率。沼氣發(fā)動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合。61圖5-26沼氣熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)622.沼氣燃料電池的發(fā)電控制沼氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的工作方式與內(nèi)燃機相似，必須不斷地向電池內(nèi)部輸入燃料氣體與氧化劑才能確保其連續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。同時還必須連續(xù)不斷地排除相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物，如所生成的水及熱量等。沼氣在進入燃料電池之前必須經(jīng)過重整改質(zhì)，轉(zhuǎn)化成富氫氣體并去除對陽極氧化過程有毒的雜質(zhì)。目前一般燃料電池的電能轉(zhuǎn)化效率為40%～60%，而剩余的部分大多數(shù)以熱能形式存在，因而為保持電池的工作溫度不致過高，必須將這些熱量排出電池本體或者加以循環(huán)利用。一套完整的沼氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)除了具備沼氣燃料電池組、沼氣供氣系統(tǒng)、沼氣凈化及提純系統(tǒng)、DC-DC變換器、DC-AC逆變器以及熱能管理與余熱回收系統(tǒng)之外，最重要的是燃料電池控制器，這樣才能對系統(tǒng)中的氣、水、電、熱等進行綜合管理，形成能夠自動運行的發(fā)電系統(tǒng)。沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖5-27所示。63圖5-27沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)框圖645.5垃圾發(fā)電

城市有機垃圾也是一種重要的生物質(zhì)能資源，它可以通過一定的工藝過程轉(zhuǎn)化為電能或其他形式的能源產(chǎn)品。利用垃圾發(fā)電主要有兩種途徑，一是將有機垃圾填埋或沼氣發(fā)酵可以生產(chǎn)沼氣，再由燃氣內(nèi)燃機或