第3章 生物質(zhì)能系列

生物質(zhì)能的利用第三章23本章主要內(nèi)容生物質(zhì)能簡介生物質(zhì)能的開發(fā)利用與應(yīng)用前景生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用生物質(zhì)能發(fā)電的經(jīng)濟技術(shù)性評價4生物質(zhì)能簡介

生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物（如植物的秸稈、枝葉）、水生植物、油科植物、動物糞便等。生物質(zhì)是多種高分子有機化合物組成的復(fù)合體，主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等。

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)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。目前廣泛使用的化石能源如煤、石油和天然氣等，也是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變而來的。生物質(zhì)能源是一種理想的可再生能源，具有以下特點：①可再生性；②低污染性；③廣泛的分布性生物質(zhì)能的利用拾柴背秸稈的老大爺晾曬在墻上的干牛糞生物質(zhì)能在能源系統(tǒng)中的地位

生物質(zhì)能是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能是可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分，到21世紀中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的40％以上。我國是一個人口大國，伴隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，正在面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，改變能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源對建立可持續(xù)供給的能源系統(tǒng)，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。910利用生物質(zhì)能的途徑有：（P43）物理轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化11生物質(zhì)能存在形式（P41）

1．森林能源及其廢棄物

2．農(nóng)作物及其副產(chǎn)物

3．禽畜糞便

4．生活垃圾

5.(水生植物)6.(油料植物)12生物質(zhì)能開發(fā)利用前景

由于我國地廣人多，常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)村日益增長的需求，而且由于國際上各種有關(guān)環(huán)境問題的公約，限制CO2等溫室氣體排放，這就要求改變以煤炭為主要能源的傳統(tǒng)格局。因此，立足于農(nóng)村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)新型裝備既是農(nóng)村發(fā)展的迫切需要，又是減少排放、保護環(huán)境、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。

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。

131．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)氣化產(chǎn)生的可燃氣體及裂解產(chǎn)品142．生物質(zhì)能的實用轉(zhuǎn)化技術(shù)

（1）生物質(zhì)壓縮成型和固體燃料制取技術(shù)（2）生物質(zhì)氣化技術(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)

15生物質(zhì)燃氣爐生物質(zhì)水暖鍋爐16生物質(zhì)潔燃鍋爐生物質(zhì)潔燃氣化鍋爐1、直接燃燒點燃（C6H10O5)n+6nO26nCO2+5nH2O生物質(zhì)能的利用方式1、直接燃燒注釋:用纖維素（C6H10O5）n代表植物枝葉的主要成分（C6H10O5)n+6nCO26nCO2+5nH2O點燃缺點:

生物質(zhì)燃燒過程的生物質(zhì)能的凈轉(zhuǎn)化效率在20－40％之間。2、生物化學(xué)轉(zhuǎn)換（1）制沼氣：利用植物的秸桿、枝葉、雜草和動物糞便等生物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過細菌發(fā)酵制取沼氣。（P61）條件：厭氧主要成分：甲烷主要優(yōu)點：氣體燃料、環(huán)保副產(chǎn)肥料利用植物的秸桿、枝葉、雜草等制取沼氣（2）制乙醇：用含糖類、淀粉(C6H10O5)n較多的農(nóng)作物（如玉米、高粱）為原料，通過水解、發(fā)酵制乙醇。（P54）酶（C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6C6H12O62C2H5OH+2CO2↑酶生物化學(xué)轉(zhuǎn)換乙醇汽油（P57）90%汽油+10%乙醇一、可增加汽油中的含氧量，使燃燒更充分，降低尾氣中有害物質(zhì)含量二、提高汽油的標號，使發(fā)動機運行更平穩(wěn)；三，能消除發(fā)動機內(nèi)積炭，可延長發(fā)動機壽命

3、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換（生物質(zhì)氣化）復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生物質(zhì)可燃性氣體生物質(zhì)能源特點儲量大，地球上每年生物質(zhì)能總量約1400-1800億噸(干重），相當于目前每年總能耗的十倍；低含量的N，S，可以大量減少NOx，SOx等有毒氣體排放，被稱為“綠色石油”；兼容性最好，同時是唯一的可儲存和運輸?shù)目稍偕茉?。CO2以及SOx、NOx減少排放每利用一萬噸秸稈代替燃煤，可以減少CO2排放１.4萬t，SO240t，煙塵100t．生物質(zhì)燃料的燃燒

生物質(zhì)能與化石能源相比，具有可再生和低污染的優(yōu)勢，因此受到全世界普遍的重視，并已成為新能源的發(fā)展方向之一生物質(zhì)因具有揮發(fā)分高、炭活性高、N和S含量低，灰分低，生命周期內(nèi)燃燒過程CO2零排放等特點，特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用，是一種優(yōu)質(zhì)燃料生物質(zhì)燃燒原理（P44）燃燒過程是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。直接燃燒反應(yīng)時一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是發(fā)生在碳表面和氧化劑之間的氣固兩相反應(yīng)。燃燒機理：靜態(tài)滲透式擴散燃燒

燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，形成火焰燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰燃料更深層滲透，焦炭的擴散燃燒，產(chǎn)物CO繼續(xù)燃燒在層內(nèi)進行碳燃燒，形成CO，球表面CO燃燒可燃物基本燃盡生物質(zhì)的燃燒特性

生物質(zhì)燃料的燃燒過程主要分為揮發(fā)分的析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒、燃盡兩個獨立階段。其燃燒過程的特點是：

（1）生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長的干燥時間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高；

（2）生物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起，懸浮燃燒的比例較大；

（3）生物質(zhì)發(fā)熱量低，爐內(nèi)溫度場偏低，形成穩(wěn)定的燃燒比較困難；

（4）由于生物質(zhì)揮發(fā)份含量高，燃料著火溫度較低，一般在250℃～350℃溫度下?lián)]發(fā)分就大量析出并開始劇烈燃燒，此時若空氣供應(yīng)量不足，將會增大燃料的不完全燃燒損失；

（5）揮發(fā)分燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢、燃盡困難，如不采取適當?shù)谋匾胧瑢?dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大不完全燃燒損失。由此可見，生物質(zhì)燃燒設(shè)備的設(shè)計和運行方式的選擇應(yīng)從生物質(zhì)的燃燒特性出發(fā)，保證生物質(zhì)燃燒設(shè)備運行的經(jīng)濟性和可靠性，提高生物質(zhì)開發(fā)利用的效率。生物質(zhì)燃燒技術(shù)生物質(zhì)直接燃燒生物質(zhì)直接送入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的能量主要用于發(fā)電或集中供熱。生物質(zhì)與煤的混合燃燒

燃燒過程：水分蒸發(fā)、前期生物質(zhì)及揮發(fā)分的燃燒、后期煤的燃燒.

優(yōu)點：廢物利用，同時減少了NOx的排放。原因：生物質(zhì)的含N量比煤少，并且生物質(zhì)中的水分使燃燒過程冷卻，減少了NOx的熱形成。生物質(zhì)的氣化燃燒高溫條件下，利用部分氧化法，使可燃物轉(zhuǎn)化成可燃氣體并燃燒的過程。生物質(zhì)燃燒應(yīng)用生物質(zhì)燃燒直接發(fā)電生物質(zhì)與過量空氣在鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的熱煙氣和鍋爐的熱交換部件換熱，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽在蒸汽輪機中膨脹做功發(fā)出電能。

應(yīng)用：高效燃燒、熱電聯(lián)產(chǎn)、過程控制、煙氣凈化、減少排放量與提高效率等技術(shù)領(lǐng)域。生物質(zhì)氣化（P48）生物質(zhì)氣化及其特點（P48）以生物質(zhì)為原料，以氧氣、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)中可以燃燒的部分轉(zhuǎn)化為可燃氣的過程。主要有效成分：CO、H2、CH4、CO2生物質(zhì)氣化原理：包括生物質(zhì)碳與氧的氧化反應(yīng)；碳與CO2、H2O的還原反應(yīng)；生物質(zhì)的熱分解反應(yīng)氣化爐四個區(qū)域：干燥層：原料中的水分蒸發(fā)熱解層：揮發(fā)分大量析出氧化層：熱解殘余木炭及揮發(fā)分與空氣反應(yīng)還原層：以上燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與木炭發(fā)生還原反應(yīng)生成H2和CO。生物質(zhì)氣化工藝（P49）

原料在限量供應(yīng)的空氣或氧氣及高溫條件下被轉(zhuǎn)化為燃料氣。三個階段：

1）物料干燥失水

2）熱解形成小分子氣態(tài)產(chǎn)物、焦油及焦炭

3）熱解產(chǎn)物在高溫下進一步生成氣態(tài)煙類產(chǎn)物、氫氣等可燃物質(zhì)，固態(tài)碳則生成CO。生物質(zhì)氣化分類：

1）空氣氣化；2）氧氣氣化；3）蒸汽氣化；

4）干餾氣化；5）蒸汽---空氣氣化；6）氫氣氣化生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)概念：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣，在利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電過程：生物質(zhì)氣化---氣體凈化---燃氣發(fā)電特點：技術(shù)靈活；潔凈；經(jīng)濟生物質(zhì)熱解技術(shù)（P50）生物質(zhì)熱解及其特點生物質(zhì)在無空氣等無氧情況下發(fā)生不完全熱降解生成炭、可冷凝液體和氣體產(chǎn)物的過程。產(chǎn)物：炭、液體和氣體生物質(zhì)熱解原理物理變化-----熱量傳遞化學(xué)變化-----復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生物質(zhì)熱解工藝工藝流程：干燥—粉碎—熱解—產(chǎn)物炭和灰的分離—氣態(tài)生物油的冷卻—生物油的收集等。（1）原料干燥和粉碎；（2）熱裂解；（3）焦炭和灰的分離；（4）液態(tài)生物油的收集。生物質(zhì)熱解產(chǎn)物：生物油（用作燃料油）；不可凝氣體；灰等。生物質(zhì)直接液化（P52）生物質(zhì)液化是指通過化學(xué)方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的過程。直接液化是一個高溫高壓條件下的熱化學(xué)過程，是將生物質(zhì)與一定量溶劑混合放在高壓釜（fu）中，抽真空或通入保護氣體，在適當?shù)臏囟群蛪毫ο聦⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為高熱值的液體燃料。生物質(zhì)液化的實質(zhì)是將固態(tài)的大分子有機聚合物轉(zhuǎn)化為液態(tài)的小分子有機物質(zhì)。過程三階段：首先，破壞生物質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)，分解為大分子化合物；然后，大分子鏈狀有機物解聚，反應(yīng)介質(zhì)溶解之；最后，在高溫高壓作用下經(jīng)水解或溶劑溶解獲得液態(tài)小分子有機物。生物質(zhì)直接液化工藝流程（見53頁圖）液化產(chǎn)物及應(yīng)用（53頁）生物燃料乙醇（P54）生物燃料乙醇及其特點概念：以高糖分生物質(zhì)為原料經(jīng)發(fā)酵、蒸餾制成乙醇，進一步脫水使乙醇含量達99.6%以上，再加上適量變性劑而制成。經(jīng)適當加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇潤滑油等。燃料乙醇燃燒充分，節(jié)能環(huán)保，抗爆性能好。燃燒過程CO2及含硫氣體排放低于汽油燃料。加入10%燃料乙醇的乙醇汽油燃燒：CO排量下降30.8%，碳氫化合物排量下降13.4%，CO2排量下降3.9%。生物燃料乙醇的應(yīng)用（見57頁）生物燃料乙醇的制備工藝包括：淀粉質(zhì)原料制備生物燃料乙醇；纖維素原料制備生物燃料乙醇。工藝實質(zhì)：乙醇發(fā)酵。（54-56）非糧食類生物質(zhì)酶水解乙醇經(jīng)濟預(yù)測生物柴油生物柴油---又叫生物甲酯、酯化油脂，即脂肪酸甲酯的混合物，它與柴油分子碳數(shù)相近。制備原料：食用油及餐飲廢油、動物脂肪、油籽、樹種等----含有豐富的脂肪酸甘油酯。制備原理：脂肪酸甘油酯與低碳醇之間的轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，即催化劑存在下的酯交換。一、化學(xué)法酯交換制備生物柴油化學(xué)法酯交換制備生物柴油包括均相化學(xué)催化法和非均相化學(xué)催化法

均相催化法包括堿催化和酸催化：催化劑為NaOH、KOH、H2SO4、HCl等非均相催化法：采用固體催化劑，如ZnO、ZnCO3、K2CO3、硫酸錫、氧化鋯、鎢酸鋯等。反應(yīng)快、壽命長、不受皂化反應(yīng)影響、易分離。生物酶催化法生產(chǎn)生物柴油原理：油脂+低碳醇---脂肪酶----轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)------相應(yīng)的脂肪酸甲酯及乙酯脂肪酶：酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶等為高效利用脂肪酶，減低成本，工藝上常采用脂肪酶固定化技術(shù)。超臨界法制備生物柴油原理：植物油和超臨界甲醇之間的酯交換反應(yīng)，不用催化劑。超臨界狀態(tài)下，甲醇和油脂成為均相，反應(yīng)速率常數(shù)大，反應(yīng)時間短。不使用催化劑，分離工藝簡單，不排放廢酸、堿液。油脂在200°C以上會迅速發(fā)生水解，生產(chǎn)游離脂肪酸、單甘油酯、二甘油酯等。而游離脂肪酸在水和甲醇共同形成微酸性體系中具有較高活性，故能和甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)，且不影響酯交換反應(yīng)繼續(xù)進行生物柴油的應(yīng)用：見60頁生物質(zhì)燃料油發(fā)電技術(shù)46

生物柴油是一種清潔的可再生能源，是以大豆、油菜籽等油料作物以及油棕、黃連木等油料林木果實為原料制成的液體燃料，具有原料來源廣泛、可再生性強、污染性低等特點，是優(yōu)質(zhì)的石油、柴油代用品。471．生物柴油特性

（1）比普通柴油更優(yōu)異的產(chǎn)品性能1）較好的低溫流動性和燃燒性能2）具有無腐蝕性的特點3）較好的潤滑性

（2）比普通柴油更多元的環(huán)保特質(zhì)1）排放煙度低、保護大氣環(huán)境2）不含對人體有害的重金屬3）可再生的原料2．國際及國內(nèi)生物柴油技術(shù)狀況48

生物柴油產(chǎn)業(yè)在發(fā)達國家發(fā)展迅速，美國、德國、日本、巴西，包括印度都推動這項產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，累計總產(chǎn)量已超過1000萬噸，生物燃料已實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。2005年，全世界生物燃料乙醇的總產(chǎn)量約為3×107t，其中巴西和美國的產(chǎn)量均約為1.2×107t；生物柴油總產(chǎn)量約2.2×106t，其中德國約為1.5×106t。我國提出發(fā)展各種石油替代品，將發(fā)展生物液體燃料確定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

3.生物質(zhì)燃料油發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟性49

生物質(zhì)燃料油比重油廉價，與天然氣相當。生物質(zhì)燃料油一般采用快速裂解工藝生產(chǎn)，其生產(chǎn)成本比天然氣的低。生物質(zhì)燃料油在天然氣發(fā)電站通過二級燃燒可獲得70％能量，而在火力發(fā)電站中，生物質(zhì)燃料油與木炭混合燃燒可獲得85％能量，因而生物質(zhì)燃料油可以十分方便地作為發(fā)電站的主要燃料之一，而且其二氧化碳的排放完全達到環(huán)保標準。

3．生物燃料油發(fā)電方式生物質(zhì)燃料油發(fā)電方式50生物質(zhì)發(fā)電-規(guī)模與發(fā)電機選擇生物質(zhì)

DirectCombustion內(nèi)燃機電能生物質(zhì)IGCC燃氣輪機電能生物質(zhì)蒸汽輪機電能IGCCη=10-15％η=３０-３5％η=３５-４５％規(guī)模<200KW200KW<規(guī)模<1MW1MW<規(guī)模國內(nèi)學(xué)者對生物質(zhì)發(fā)電的經(jīng)濟評估電價超過0.5￥/KW·h，值得投資。生物質(zhì)發(fā)電主要技術(shù)障礙之一

---燃氣除焦技術(shù)電機要求焦油含量：0.02-0.05g/m3；H2<15%汽化后焦油含量：2-50g/m3；除焦技術(shù)：1燃氣高溫過濾；2水洗除焦；3靜電除焦；4熱裂解法,溫度過高，產(chǎn)生NOx;5催化裂解法，最理想，技術(shù)不成熟。沼氣技術(shù)沼氣的成分和性質(zhì)沼氣發(fā)酵微生物學(xué)原理沼氣發(fā)酵微生物：不產(chǎn)甲烷微生物群落和為產(chǎn)甲烷微生物群落。不產(chǎn)甲烷微生物群落：兼性厭氧菌，具有水解和發(fā)酵大分子有機物而產(chǎn)生酸的功能，為產(chǎn)甲烷微生物提高營養(yǎng)物質(zhì)和能量。產(chǎn)甲烷微生物群落：甲烷細菌。在厭氧條件下，甲烷細菌可利用不產(chǎn)甲烷微生物的中間產(chǎn)物和最終代謝物作為營養(yǎng)物質(zhì)和能量而生長繁殖，并最終產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等。沼氣發(fā)酵二階段：產(chǎn)酸階段和產(chǎn)氣階段（62頁）機械工業(yè)出版社561．沼氣的產(chǎn)生原理沼氣是由多種厭氧微生物混合作用產(chǎn)生發(fā)酵而產(chǎn)生的。在這些厭氧微生物中，按微生物的作用不同，可分為纖維素分解菌、脂肪分解菌和果膠分解菌等。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。沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的物質(zhì)主要有三種：一是沼氣，以甲烷和CO2為主，其中甲烷含量在55％～70％，是一種清潔能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是優(yōu)質(zhì)肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌體、難分解的有機殘渣和無機物，是一種優(yōu)良有機肥，具有土壤改良功效，沼氣的生成物有很高的應(yīng)用價值。

圖3-1為我國農(nóng)村推廣使用的水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)。正常情況下，這種家用沼氣池在中國南方可年產(chǎn)沼氣250～300m3，提供一個農(nóng)戶8～10個月的生活燃料。

圖3-1

水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)

1－進料口2—0壓水位3—輸出閥門4—蓋板5—溢流口

6—貯留室7—水壓箱8—滲井9—發(fā)酵室10—貯氣室沼氣發(fā)酵有四個特點：58沼氣微生物自身耗能少沼氣發(fā)酵能夠處理高濃度的有機廢物沼氣發(fā)酵能處理的廢物種類多沼氣發(fā)酵受溫度影響較大

59生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用由于電能具有清潔、易傳輸、易使用等優(yōu)良特性，只要提供電能，幾乎所有的設(shè)備都可以滿足各自的需要。因而生物質(zhì)能除了直接轉(zhuǎn)化成熱能供消費外，最終消費形式還是以轉(zhuǎn)化成電能為主。生物質(zhì)能的發(fā)電主要有沼氣發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電以及生物質(zhì)燃料發(fā)電等形式。沼氣發(fā)電、電能變換與控制策略61沼氣發(fā)電機原理：沼氣發(fā)電的實現(xiàn)62沼氣發(fā)電主要有沼氣燃燒發(fā)電與沼氣燃料電池發(fā)電

(1)沼氣燃燒發(fā)電

沼氣以燃燒方式進行發(fā)電，是利用沼氣燃燒產(chǎn)生的熱能直接或間接地轉(zhuǎn)化為機械能并帶動發(fā)電機而發(fā)電。沼氣可以被多種動力設(shè)備使用，如內(nèi)燃機、燃氣輪機、鍋爐等。圖3-2是采用沼氣發(fā)動機（內(nèi)燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發(fā)電的結(jié)構(gòu)示意圖，燃料燃燒釋放的熱量通過動力發(fā)電機組和熱交換器轉(zhuǎn)換再利用，相對于不進行余熱利用的機組，其綜合熱效率要高。從圖中可見，采用發(fā)動機方式的結(jié)構(gòu)最簡單，而且還具有成本低、操作簡便等優(yōu)點。圖3－2沼氣燃燒發(fā)電類型內(nèi)燃機64圖3－2沼氣燃燒發(fā)電類型(續(xù))

圖3－3是采用不同種類動力發(fā)電裝置的效率比較。從中可見，在4000

kW以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機具有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點是功率小，對于這種類型的發(fā)電動力設(shè)備，國際上普遍采用內(nèi)燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否則在經(jīng)濟性上不可行。圖3－3不同動力設(shè)備的能量利用率

沼氣與幾種典型燃氣低位熱值與燃－－空混合氣低位熱值的比較情況如表3－1所示。沼氣的主要成份是甲烷，從表3－1中可以知道，它的低位熱值僅次于天然氣，而在燃燒時，其燃－－空混合氣的低位熱值也是比較高的，因而沼氣是一種優(yōu)質(zhì)的燃氣。表5－1幾種典型燃氣及燃――空混合氣的低位熱值比較氣體種類氣體低位熱值（kJ/m3）理論空氣量/燃氣（m3）理論燃燒度（0C）燃－空混合氣低位熱值（kJ/m3）天然氣365869.6419703438焦爐煤氣176154.2119983381混合煤氣138583.1819863315沼氣212235.5619403191秸稈煤氣53160.91810279867

典型的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程如圖3－4所示。沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由消化池、貯氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、預(yù)熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等）、脫硫化氫及二氧化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。沼氣發(fā)電、電能變換與控制策略68圖3－4沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程圖沼氣發(fā)電、電能變換與控制策略70

圖3－5是廣東省佛山市利用城市垃圾綜合處理產(chǎn)生沼氣，用于發(fā)電的工藝流程圖。

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—貯留池14—排污管圖3-5沼氣發(fā)電工藝流程圖71

圖3－6是利用沼氣與天然氣雙氣源的鍋爐，在沼氣可以滿足鍋爐燃燒要求時，采用由沼氣供氣的方式；當沼氣不能滿足鍋爐燃燒要求時，切換至天然氣供氣方式。這種方式是共用了一個燃燒器，即采用一拖二的方式使兩種氣源合用一個燃燒控制器。

圖3－6沼氣與天然氣雙氣源鍋爐

鍋爐燃燒產(chǎn)生高溫高壓飽和蒸汽，進入蒸汽輪機，并帶動發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)電。其實現(xiàn)發(fā)電原理的控制框圖如圖3－7所示。沼氣發(fā)生裝置沼氣儲存裝置氣源自動選擇天然氣供氣系統(tǒng)溫度控制發(fā)酵反應(yīng)控制燃燒控制器鍋爐系統(tǒng)蒸汽輪機發(fā)電機中央控制器控制電源系統(tǒng)供用戶或并網(wǎng)圖3－7沼氣和天然氣雙氣源鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖

（2）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、熔融碳酸鹽燃料電池、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。

沼氣燃料電池系統(tǒng)的組成燃料處理單元發(fā)電單元電流轉(zhuǎn)換單元7475

1）燃料處理單元。該單元主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，反應(yīng)過程如式3－1(參與反應(yīng)的水蒸汽來自發(fā)電單元)

為了降低CO的濃度，在銅和鋅的催化作用下，混合氣體在改質(zhì)器后的變成器中得到進一步的改良，反應(yīng)式如式

(3-1)(3-2)2）發(fā)電單元。發(fā)電單元基本部件由兩個電極和電解質(zhì)組成，氫氣和氧化劑(O2)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3－8所示。電解質(zhì)可采用磷酸，其發(fā)電效率雖然較低，但溫度低(約200℃)。在磷酸電解質(zhì)中，電池反應(yīng)為陽極陰極(3-3)(3-4)圖3－8沼氣燃料電池（磷酸型燃料電池）工作原理

電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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。雙塔式吸收法是沼氣提純的一種簡單而有效的方法，裝置簡圖如圖3－9所示。這種裝置具有組成簡單、成本低、操作簡便的特點。第一吸收塔用處理水吸收大部分CO2和H2S，第二吸收塔用NaOH水溶液溶解吸收，這樣可節(jié)省NaOH的用量。用此裝置提純沼氣，CH4的回收率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

沼氣發(fā)電的控制策略78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

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。

1）沼氣的凈化處理。

2）沼氣發(fā)電機組的防腐處理。

3）電控混合器技術(shù)。

79圖3－9雙塔式吸收法提純沼氣

圖3－10沼氣熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)

利用沼氣熱、電、冷三聯(lián)供，提高沼氣發(fā)電系統(tǒng)的總體利用率，系統(tǒng)如圖3－10所示。

81項目名稱指標發(fā)力輸出功率200kW輸出電壓(頻率)400V(50Hz)，480V(60Hz)發(fā)電效率40%余熱利用效率/溫度41%/60℃熱水燃料/消耗量天然氣/43m3/h有害排放物NOX：低于5ppmSOX：可忽略不計噪音約60分貝(距設(shè)備10米處)排水凈水(接近于零污染)應(yīng)用時供應(yīng)水自來水或純凈水(接近于零)應(yīng)用時供應(yīng)氮氣N24個圓柱型容器存有7m3

的氮氣用于一次啟動與停機循環(huán)(保護)操作自動，可遠程控制表3－2

PC25TMC主要性能及技術(shù)指標廣州市番禺水門種豬場正在建設(shè)的由日本政府提供的200kW的沼氣燃料電池裝置。該200kW燃料電池設(shè)備由東芝公司下屬的ONSI公司提供，型號為PC25TMC，主要技術(shù)指標,見表3－2。(2)沼氣燃料電池的發(fā)電控制82

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)、直流穩(wěn)壓器、逆變器以及冷卻系統(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)。其交流發(fā)電系統(tǒng)如圖3－11所示。

圖3－11沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)框圖

垃圾焚燒發(fā)電、電能變換與控制策略84目前我國對垃圾的處理手段主要集中在填埋和焚燒兩種方式。填埋是大量消納城市生活垃圾的有效方法，所謂直接填埋法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的。焚燒法是將垃圾置于高溫爐中，使其中可燃成分充分氧化的一種方法，產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電和供暖。隨著中國“十二五”規(guī)劃對發(fā)展新能源，提倡環(huán)保型循環(huán)經(jīng)濟的進一步重視，國家對垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)的政策扶持會繼續(xù)加強。

1．垃圾焚燒發(fā)電的工藝流程85（1）垃圾焚燒前無分檢處理圖3－12為垃圾焚燒前無分檢處理的工藝流程，美國洛杉磯市LongBeach垃圾發(fā)電就是采用這個工藝流程。

圖3－12無分檢場垃圾發(fā)電工藝流程

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（2）垃圾焚燒前有分檢處理圖3－13為垃圾焚燒前有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程，美國夏威夷市垃圾發(fā)電就是采用這種流程。圖3－13有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程

2．建設(shè)垃圾發(fā)電的必備條件87（1）城市生活垃圾熱值應(yīng)較高（2）城市經(jīng)濟實力應(yīng)較強（3）較完善的垃圾分類收集和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)（4）較完善的環(huán)保處理系統(tǒng)3．垃圾焚燒發(fā)電的電能變換及控制策略88

垃圾焚燒發(fā)電的控制包括電廠的自動控制，以及發(fā)電后的電能變換控制。根據(jù)垃圾焚燒電廠控制系統(tǒng)的規(guī)模以及要求達到的控制水平，目前技術(shù)水平先進的垃圾焚燒發(fā)電站（廠）普遍采用基于以太網(wǎng)、具有遠程通訊和監(jiān)控能力的現(xiàn)場總線構(gòu)筑分布式控制系統(tǒng)，采用多種化學(xué)成份檢測傳感器（氣體、液體、固體等）及電力電子變換器（變頻器