PDF《生物质气化发电技术及应用前景》

生物质气化发电技术及应用前景 谢军,吴创之,阴秀丽,林勇杰 (中国科学院广州能源研究所,广东 广州510640) 摘要:随着我国经济的高速发展,能源短缺、环境污染问题日益严峻,人类正急切地寻求新型可再生能源.

介绍了 生物质气化发电技术的历史、原理和应用概况.阐明生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技术 ,其综合发电成本已接近小型常规能源的发电水平.文章对这种新型可再生能源的商业化推广,作了经济性评估和社 会效益测评.认为伴随着我国5可再生能源开发利用法6的即将出台,生物质气化发电技术必将成为发展最快的新型产 业之一. 进入21世纪,中国经济高速发展,能源短缺、环境污染等问题日益突出.2003年夏天,全国爆发了前所未有的大面 积电荒,31个省市自治区中,有19个拉闸限电;

2004年拉闸限电的省市自治区,从19个增加到24个.2004年的春天, 全国电力供应缺口已超过了30MW/h.2004年我国全年进口原油突破1.2亿t,已超过日本,成为仅次于美国的世界第二 个石油消费国. 2002年的监测数据表明,53.5% 的城市颗粒污染物超过二级标准,16.6%的城市SO2 超过二级标准,其中绝大部分是煤燃烧和汽车尾气造成的[1] .我国在新世纪全面实现现代化建设进程中,面临着严峻的能源资源短缺和环境污染两大挑战,开发新型、高效、清 洁的能源,已成了当务之急.因此,大力推广和应用包括生物质能在内的各种可再生能源和新能源意义十分重大. 1生物质能概况 生物质能是指蕴藏在生物质(泛指一切有生命的可以生长的有机物质)中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转 化为化学能而存在生物质内部的能量.煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的.生物质能是可再生 能源,通常包括:(1)木材及森林工业废弃物;

(2)农业废弃物;

(3)水生植物;

(4)油料植物;

(5)城市及工业有机废弃 物;

(6)动物粪便. 生物质能就其能量当量而言,仅次于煤、石油、天然气而列第4位,在世界能源消耗中,生物质能占总能耗的14% ,在发展中国家占到多达40%以上[2] .根据生物学家估算,地球上每年生长的生物质能总量约为14001800亿t(干重),相当于目前世界总能耗的10倍.我国 生物质能资源极为丰富,年 产量折合成标准石油当量超过8亿t.能源总量超过了30 EJ(E=1018 ).随着我国农业和林业的发展,特别是随着速生炭薪林的开发推广,我国的生物质资源将越来越多,有非常大的开 发和利用潜力. 生物质燃烧是传统的利用方式,热效率低下,劳动强度大,污染严重.通过生物质能转换技术,可以高效地利用生 物质能源,生产各种清洁燃料,代替煤炭、石油和天然气等燃料;

还可用来生产电力,减少对矿物能源的依赖,保护 国家能源资源,减少能源消费给环境造成的污染. 生物质气化技术是通过热化学反应,将固态生物质转换为气体燃料的过程.生物质气化技术已有100多年的历史. 最初的气化反应器产生于1883年,它以木炭为原料,气化后的燃气驱动内燃机,推动早期的汽车或农业排灌机械.生 物质气化技术的鼎盛时期出现在第2次世界大战期间,当时几乎所有的燃油都被用于战争,民用燃料匮乏,因此,德 国大力发展了用于民用汽车的车载气化器,并形成了与汽车发动机配套的完整技术. 我国在能源困难的20世纪50年代,也曾使用这种方法驱动汽车和农村排灌设备.当时固定床气化反应器的技术水平 ,已达到相当完善的程度.二战后随着廉价优质的石油广泛被使用,生物质气化技术在较长时期内陷于停顿状态.但 2次石油危机后,使得西方发达国家重新开始审视常规能源的不可再生性和分布不均匀性,出于对能源和环境战略的 考虑,纷纷投入大量人力物力,进行可再生能源的研究.作为一种重要的新能源技术,生物质气化的研究重新活跃起 来,各学科技术的渗透,使这一技术发展到新的高度. 页面

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5 我国生物质气化技术在20世纪80年代以后得到了较快发展.主要的技术为固定床气化和流化床气化,一般情况下已 不再使用木炭,而是使用各种木材、林业残余物和稻壳,产生出主要用于发电的可燃气体.在生物质气化联合循环发 电(B/IGCC)方面,国外做了很多大型的示范电站,如美国Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)项目,意大利(12MW),英国(8MW)示范工程等.在国内,很多单位也做了很多生物质气化方面的基础研究和应用研究,如中国科学院广州能 源研究所,成功地把流化床技术应用到生物质气化发电方面,使用木屑或稻壳的1MW流化床发电系统已经投入商业 运行,分别在海南三亚、广东揭东建立了MW级气化发电示范工程,并取得了良好的经济和社会效益.该技术设备还 出口到泰国,受到国际专家的广泛好评.目前,产品已经升级到4MW生物质气化联合循环发电,正在江苏兴化市兴 建,预计2005年5月份投产运行. 2生物质气化发电技术 2.1气化发电技术原理 生物质气化发电技术的基本原理,是把生物质转化为可燃气,再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电.它既能解 决生物质难于燃用而且分布分散的缺点,又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而且污染少的优点,所以,气化发电 是生物质能最有效、最洁净的利用方法之一. 气化发电过程主要包括3个方面:一是生物质气化,在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料;

二是气体净化,气 化出来的燃气都含有一定的杂质,包括灰分、焦炭和焦油等,需经过净化系统把杂质除去,以保证燃气发电设备的正 常运行;

三是燃气发电,利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电,有的工艺为了提高发电效率,发电过程可以增加余热 锅炉和蒸汽轮机[2] . 以江苏省兴化市4MW生物质气化燃气)蒸汽联合循环发电示范工程为例(正在建造中),该联合循环发电装置主要由 进料机构、燃气发生装置、余热锅炉(蒸汽发生装置)、焦油裂解装置、燃气净化装置、空气预热装置、燃气发电机组 、蒸汽轮机发电机组、循环冷却水装置、水处理装置、电气控制装置及废水、废渣处理装置等几部分组成.系统示意 图如图1所示. 2.2气化发电技术分类 2.2.1从气化过程上分 由于生物质气化发电系统采用气化技术和燃气发电技术的不同,其系统构成和工艺过程有很大的差别.从气化形式 上看,生物质气化过程可以分为固定床气化和流化床气化两大类. (1)固定床气化,包括上吸式气化、下吸式气化和开心层式气化,这3种形式的气化发电系统现在都有代表性的产品 . (2)流化床气化,包括鼓泡床气化、循环流化床气化及双流化床气化,这3种气化发电工艺目前都在研究,其中研究 页面

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5 和应用最多的是循环流化床气化发电系统.另外,国际上为了实现更大规模的气化发电方式,提高气化发电效率,正 在积极开发高压流化床气化发电工艺. 2.2.2从燃气发电过程上分 气化发电可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气)蒸汽联合循环发电系统. (1)内燃机发电系统,以简单的内燃机组为主,可单独燃用低热值燃气,也可以燃气、燃油两用,它的特点是设备 紧凑,系统简单,技术较成熟和可靠. (2)燃气轮机发电系统,采用低热值燃气轮机,燃气需增压,否则发电效率较低,由于燃气轮机对燃气质量要求较 高,并且需有较高的自动化控制水平和燃气轮机改造技术,所以,一般单独采用燃气轮机的生物质气化发电系统较少 . (3)燃气)蒸汽联合循环发电系统,是在内燃机、燃气轮机发电的基础上,增加余热蒸汽的联合循环,这种系统可以 有效地提高发电效率.一般来说,燃气)蒸汽联合循环生物质气化发电系统,采用的是燃气轮机发电设备,而且最好 的气化方式是高压气化,构成的系统称为生物质整体气化联合循环系统.它的一般系统效率可达40%以上,是目前发 达国家重点研究的内容. 2.2.3从发电规模上分 生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型,如表1所示. (1)小型气化发电系统:简单灵活,其主要功能为农村照明或作为中小企业的自备发电机组,它所需的生物质数量 较少,种类单一,可以根据不同生物质形状选用合适的气化设备,一般发电功率小于200kW. (2)中型生物质气化发电系统:主要作为大中型企业的自备电站或小型上网电站,它适用于一种或多种不同的生物 质,所需的生物质数量较多.生物质需要粉碎、烘干等预处理,所采用的气化方式主要以流化床气化为主,中型生物 质气化发电系统用途广泛,适用性强,是当前生物质气化发电技术的主要方式,功率一般为0.53MW. (3)大型生物质气化发电系统:主要作为上网电站,它适用的生物质较为广泛,所需的生物质数量巨大,必须配套 专门的生物质供应中心和预处理中心,是今后生物质利用的主要方式.该系统功率一般在5MW以上,虽然与常规能 源比仍显得非常小,但在技术........