慚能源及工藝生物質氣化技術比較及其氣化發(fā)電技術研究進展米鐵,唐汝江,陳漢平,劉德昌,吳創(chuàng)之2,常杰(1.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室,湖北武漢430074:2.中國科學院廣州能源研究所,廣東廣州510640)摘要:生物質能是一種理想的可再生能源,由于其在燃燒過程中二氧化碳凈排放量近似于零,可有效地減少溫室效應,因而越來越受到世界各國的關注。首先對生物質能的概念及其轉化方式進行了簡單介紹,著重介紹了生物質氣化技術在國內外的研究及應用發(fā)展現(xiàn)狀,通過對固定床氣化爐和流化床氣化爐的技術性能的對比提出了研究開發(fā)經(jīng)濟上可行、效率較高的生物質發(fā)電系統(tǒng),是我國今后有效利用生物質能的發(fā)展方向。關鍵詞:生物質;氣化;固定床;流化床中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1004-3950(2004)05-0033-05Comparison with biomass gasification technology and development ofgasification power generation technologyMI Tie, TANG Ru-jiang, CHEN Han-ping, LIU De-chang, WU Chuang-zhi, CHANG Ji(1. Coal Combustion National Key Lab, Huazhong University of science technology, Wuhan 430074, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: Biomass energy is an ideal renewable energy source. More and more countries pay attention on it because its COdischarge colse zero, it can effectively reduce greenhouse effect. This article briefly introduces the conception and transformmode of biomass energy; emphasis introduces the technology at home and abroad and its state of the art. Through the contrastthe eco-ely utilizaKey words: biomass; gasification; fixed bed; fluidized be的轉化。生物質氣化生成的高品位的燃料氣既可0前言供生產(chǎn)、生活直接燃用,也可通過內燃機或燃氣輪生物質是一種可再生能源,具有以下特點:①機發(fā)電,進行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。生物質氣化反應溫可再生性;②低污染性;③廣泛的分布性。利用生度低,可避免生物質燃料燃燒過程中發(fā)生灰的結物質作為替代能源,對改善大氣酸雨環(huán)境減少大渣、團聚等運行難題。氣中二氧化碳含量,從而減少“溫室效應”都有著從不同的角度對生物質氣化技術進行分積極的意義。類2。根據(jù)燃氣生產(chǎn)機理可分為熱解氣化和反應20世紀70年代, ghaly et al,首次提出了將性氣化,其中后者又可根據(jù)反應氣氛的不同細分氣化技術用于生物質這種含能密度低的燃料,使為空氣氣化水蒸氣氣化氧氣氣化、氫氣氣化;根氣化技術成為生物質轉化過程最新的技術之一。據(jù)采用的氣化反應爐的不同又可分為固定床氣生物質原料揮發(fā)分高達70%以上,生物質受熱化、流化床氣化和氣流床氣化。另外,還可以根據(jù)后,在相對較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物氣化反應壓力的不同來對氣化技術進行分類。在質析出。因此,氣化技術非常適用于生物質原料氣化過程中使用不同的氣化劑、采取不同過程運收稿日期:2004-06-05基金項目:國家高新技術發(fā)展研究“863項目基金資助(2001-AA-51-40作者簡介:米鐵(1969-),男,博士,江漢大學化學與環(huán)境工程學院講師,H中國煤化工CNMHG教學與科研?，F(xiàn)在華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室從事博土后研究工作2004⑤能源工程-33新能源及工藝行條件,可以得到三種不同熱值的氣化產(chǎn)品氣:低流接著上升到還原層,將燃燒層生成的CO2還原熱值—46M/m3(使用空氣和蒸汽/空氣);中等成CO;氣化劑中的水蒸氣被分解,生成H和CO熱值—12-18MJ/m3(使用氧氣和蒸汽);高熱值這些氣體與氣化劑中未反應部分一起繼續(xù)上升-40M/m3(使用氫氣)。加熱上部的原料層,使原料層發(fā)生熱解,脫除揮發(fā)1生物質氣化反應爐分,生成的焦炭落入還原層。生成的氣體繼續(xù)上升,將剛入爐的原料預熱、干燥后,進入氣化爐上生物質氣化按照使用的氣化爐類型不同分為部,經(jīng)氣化爐氣體出口引出。固定床氣化和流化床氣化兩種。氣流床氣化對于人爐顆粒粒度要求細(一般要求小于0.4mm),對生物質于生物質而言,要滿足氣流床氣化的粒度要求還有許多技術經(jīng)濟難題需要解決。1.1生物質固定床氣化爐固定床是一種傳統(tǒng)的氣化反應爐,其運行溫溫度分布居揮發(fā)分度在1000℃左右。固定床氣化爐分為逆流式、并流式,如圖1、2所示。逆流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質在床中的流動方向相反,而并流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質在床中的流動方向相同。這兩種氣化爐按照氣化介質的流動方向14001000600200灰不同又分別稱為上吸式、下吸式氣化爐。下面對上圖2下吸式固定床生物質氣化爐及其床內溫度分布吸式固定床生物質氣化爐的運行工藝作簡單介紹。1.2流化床生物質氣化爐流化床燃燒是一種先進的燃燒技術,應用于生物質生物質燃燒上已獲得了成功3,但用于生物質氣化仍是一個新課題。與固定床相比,流化床沒有爐柵,一個簡單的流化床由燃燒室、布風板組成氣化劑通過布風板進入流化床反應器中。按氣固干燥焦油及煙氣流動特性不同,將流化床分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床,如圖3所示。鼓泡流化床氣化爐中氣流溫度分布速度相對較低,幾乎沒有固體顆粒從流化床中逸出。而循環(huán)流化床氣化爐中流化速度相對較高,從流化床中攜帶出的顆粒在通過旋風分離器收集后重新送入爐內進行氣化反應。圖1上吸式固定床生物質氣化爐及其床內溫度分布燃氣出口在上吸式固定床氣化爐中,生物質原料從氣化爐上部的加料裝置送入爐內,整個料層由爐膛二次風下部的爐柵支撐。氣化劑從爐底下部的送風口進入爐內,由爐柵縫隙均勻分布、并滲入料層底部區(qū)燃料預熱灰渣被冷卻。氣化劑隨后上升至燃燒在域的灰渣層,氣化劑和灰渣進行熱交換,氣化劑被流化風燃燒層,氣化劑和原料中的炭發(fā)生氧化反應,放出充化床大量的熱量,可使爐內溫度達到1000℃,這一部分熱量可維持氣化爐內的氣化反應所需熱量。氣H中國煤化工CNMHG化床氣化妒任生物質氣飛化過程中,沉化床首先通過外加34- ENERGY ENGINEERING 20045新能源及工藝熱達到運行溫度,床料吸收并貯存熱量。鼓入氣固定床多,出爐燃氣溫度和床溫基本一致化爐的適量空氣經(jīng)布風板均勻分布后將床料流1.3.3能量利用和轉換化,床料的湍流流動和混合使整個床保持一個恒固定床中由于床內溫度不均勻,導致熱交換定的溫度。當合適粒度的生物質燃料經(jīng)供料裝置效果較流化床差,但固體在床中停留時間長,故碳加入到流化床中時,與高溫床料迅速混合,在布風轉換效率高,一般達90%~99%。流化床出爐燃板以上的一定空間內激烈翻滾,在常壓條件下迅氣中固體顆粒較多,造成不完全燃燒損失,碳轉換速完成干燥、熱解、燃燒及氣化反應過程,使之在效率一般只有90%左右。兩者都具有較高熱效等溫條件下實現(xiàn)了能量轉化,從而生產(chǎn)出需要的率。燃氣。通過控制運行參數(shù)可使流化床床溫保持在1.3.4環(huán)境效益結渣溫度以下,床層只要保持均勻流化就可使床固定床燃氣飛灰含量低,而流化床燃氣飛灰層保持等溫,這樣可避免局部燃燒高溫。流化床含量高。其原因是固定床中溫度可高于灰熔點氣化爐良好的混合特性和較高的氣固反應速率使從而使灰熔化成液態(tài),從爐底排出;而流化床中溫其非常適合于大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)。因此,流化度低于灰熔點,飛灰被出氣帶出一部分。所以流床反應爐是生物質氣化轉化的一種較佳選擇,特化床對環(huán)境影響比固定床大,必須對燃氣進行除別是對于灰熔點較低的生物質。塵凈化處理。1.3固定床氣化爐與流化床氣化爐性能比1.3.5經(jīng)濟性在設計制造方面,由于流化床的結構較固定固定床氣化爐與流化床氣化爐有著各自的優(yōu)床復雜,故投資高。在運用方面固定床對原料要缺點和一定的適用范圍。下面從以下五個方面對求較高,流化床對原料要求不高,故固定床運行投流化床和固定床氣化爐的性能進行比較。資高于流化床;固定床氣化爐內溫度分布較寬,這技術性能可能產(chǎn)生床內局部高溫而使灰熔聚,比容量低、啟從目前情況來看,固定床和流化床氣化爐的動時間長以及大型化較困難;流化床具有氣化強設計運行時間,一般都小于500h前者結構簡度大、綜合經(jīng)濟性好的特點。綜合考慮設計和運單,堅固耐用;后者結構較復雜安裝后不易移動,行過程流化床對固定床具有更大的經(jīng)濟性,應該但占地較小,容量一般較固定床的容量大。啟動成為我國今后生物質氣化研究的主要方向。時,固定床加熱比較緩慢,需較長時間達到反應溫2生物質氣化發(fā)電技術發(fā)展現(xiàn)狀6-9度;流化床加熱迅速,可頻繁起停運行過程中,固定床床內溫度不均勻,固體在2.1生物質氣化發(fā)電技術在國外的發(fā)展及現(xiàn)狀床內停留時間過長,而氣體停留時間較短,壓力降生物質氣化及發(fā)電技術在發(fā)達國家已受到廣較低;流化床床溫均勻,氣固接觸混合良好,氣固泛重視,如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和停留時間都較短,床內壓力降較高。固定床的運美國等國家生物質能在總能源消耗中所占的比例行負荷可在設計負荷的20%~110%之間變動,增加相當迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木而流化床由于受氣流速度必須滿足流化條件所材剩余物的區(qū)域供電站的計劃,生物質能在總能限,只能在設計負荷的50%-120%之間變化。耗中的比例由原來的3%增到目前的25%,已擁1.3.2使用的原料有裝機容量為1~2Mwe的區(qū)域供熱站90座。瑞流化床對原料的要求較固定床低。固定床必典和丹麥正在實施利用生物質進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計須使用特定種類,形狀、尺寸盡可能一致的原料;劃,使生物質能在轉換為高品位電能的同時滿足流化床使用的原料的種類、進料形狀、顆粒尺寸可供熱的需求,以大大提高其轉換效率。一些發(fā)展不一致。前者顆粒尺寸較大,后者顆粒尺寸較小。中國家,隨著經(jīng)濟發(fā)展也逐步重視生物質的開發(fā)固定床氣化的主要產(chǎn)物是低熱值煤氣,含有利用,增加生物質能的生產(chǎn),擴大其應用范圍,提少量焦油油脂苯氨等物質需經(jīng)過分離凈化高中國煤化工亞以及非洲的處理。流化床產(chǎn)生的氣體中焦油和氨的含量較些CNMHG能的氣化、成型固低,氣體成分熱值穩(wěn)定,出爐燃氣中固體顆粒較化、熱解等技術的研究開發(fā),并形成了工業(yè)化生2004⑤能源工程35新能源及工藝L示范項目為例,發(fā)電效率約為31.7%,但建設成生物質氣化的發(fā)電技術有以下三種方法:帶本高達25000元/kW,發(fā)電成本約1.2元/kWh,實有氣體透平的生物質加壓氣化、帶有透平或者是用性很差。近年歐美開展了其它技術路線的研引擎的常壓生物質氣化帶有 Rankine循環(huán)的傳究,如比利時(25MW)和奧地利(6MW)開展的生統(tǒng)生物質燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物質氣化聯(lián)合發(fā)電物質氣化與外燃式燃氣輪機發(fā)電技術,美國的史技術(BGCC)包括生物質氣化、氣體凈化、燃氣輪特林循環(huán)發(fā)電等,但這些技術仍未成熟,成本較機發(fā)電及蒸汽輪機發(fā)電。由于生物質燃氣熱值低高。(約5.02M』/m3),爐子出口氣體溫度較高(800℃美國在利用生物質能發(fā)電方面處于世界領先以上),要使BCCC達到較高效率,須具備兩個條地位。美國建立的Btll生物質氣化發(fā)電示范件:一是燃氣進入燃氣輪機之前不能降溫,二是燃工程代表生物質能利用的世界先進水平,可生產(chǎn)氣必須是高壓的。這就要求系統(tǒng)必須釆用生物質中熱值氣體。這種大型生物質氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術才能使 BIGCC包括原料預處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈的總體效率較高(40%)。目前歐美一些國家正開化燃氣輪機發(fā)電、蒸汽輪機發(fā)電等設備,適合于展這方面研究,如美國的 Battelle(63MWe)和夏威大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。此工藝使用兩個獨立的反夷(6MWe)項目、英國(8MWe)、瑞典(加壓生物質應器①氣化反應器,在其中生物質轉化成中熱值氣化發(fā)電4Mwe)、芬蘭(6Mwe)以及歐盟建設3個氣體和殘?zhí)?②燃燒反應器,燃燒殘?zhí)坎闅饣?~12MWe生物質氣化發(fā)電ICC示范項目,其中應供熱。兩個反應器之間的熱交換載體由氣化爐個是加壓氣化,兩個是常壓氣化。但由于焦油和燃燒室之間的循環(huán)沙粒完成。圖4的工藝流程處理技術與燃氣輪機改造技術難度大,這些問題圖表明了兩個反應器以及它們在整個氣化工藝中限制了其應用推廣。以意大利12MW的BGCC的配合情況。煙氣生物質原料氣化產(chǎn)品氣供料影懸熱回圖4 Battelle生物質氣化工藝流程圖這種 Battelle工藝與傳統(tǒng)的氣化工藝不同,不除了將生物質氣化用于發(fā)電之外,歐盟進而需要制氧裝置,它充分利用了生物質原料固有的開展了生物質氣化合成甲醇、氨的研究工作高反應特性。生物質的氣化強度超過146/hm2,1998年,歐盟建立了四個規(guī)模在4.8~12.ltd之而其他氣化系統(tǒng)的氣化強度通常小于/h·m2。間不等的生物質氣化合成甲醇的示范工廠。其生Battelle氣化工藝的商業(yè)規(guī)模示范建在弗蒙特州物質氣化裝置均為流化床氣化爐,使用氧氣或者的柏林頓MNel電站,該項目的一期工程,用Bat-水蒸氣作氣化劑,產(chǎn)出中熱值燃氣。在濾出焦油tle技術建造日產(chǎn)200t燃料氣的氣化爐,在初始和雜質、脫除CO2、N2、CH以及其他碳氫化合物階段生產(chǎn)的生物質氣用于現(xiàn)有的MNel電站鍋之后定壓力下,使CO0和H2O反應生成H,爐。二期工程安裝1臺燃氣輪機來接受從氣化爐再中國煤化工合導入合成塔,加來的高溫生物質氣,組成聯(lián)合循環(huán)。該氣化設備CNMHG泛使用含1%于1998年完成安裝并投入運行。3%甲醇的混合汽油,內燃機結構無須進行較大改36- ENERGY ENGINEERING 200465新能源及工藝動,其輸出功率近似于燃用純汽油的內燃機的輸很大困難。利用現(xiàn)有技術,研究開發(fā)經(jīng)濟上可行出功率。目前,生物質氣化合成甲醇的技術已經(jīng)效率較高的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)是發(fā)展我國今后成熟,只是其產(chǎn)品的經(jīng)濟性還不能與石油、煤化工能否有效利用生物質的關鍵。相競爭。芬蘭的一家化肥廠在世界上首次采用木3結論屑氣化產(chǎn)出的燃氣合成氨取得成功。2.2生物質氣化發(fā)電技術在國內發(fā)展與現(xiàn)狀本文從以下幾點對生物質氣化技術及其發(fā)展我國對生物質氣化技術的深入研究始于上世現(xiàn)狀進行了綜述紀80年代。經(jīng)過20多年的努力,我國生物質氣(1)生物質氣化技術是一項較新的技術,其化技術日趨完善。但與發(fā)達國家生物質氣化技術技術目前還不很成熟,還有許多方面需要完善;相比,國內生物質氣化裝置基本上是以空氣為氣(2)對固定床、流化床兩種常用的生物質氣化劑的常壓固定床氣化技術,如河北的ND系列、化爐進行了介紹,并對兩種氣化爐的各自特性及山東的XFL系列、廣州的GSQ系列和云南QL系其性能進行了分析,認為流化床生物質氣化爐比列。這些固定床氣化爐應用在不同場合取得了一固定床生物質氣化具有更大的經(jīng)濟性,應該成為定的社會、環(huán)保和經(jīng)濟效益。其技術上的存在問我國今后生物質氣化研究的主要方向題主要是:燃氣質量不穩(wěn)定且燃氣熱值低;CO含(3)對生物質氣化技術在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀量過多,不符合城市居民使用燃氣標準;燃氣凈化進行了綜述。與歐美國家相比,目前我國生物質及焦油的處理技術落后;整套裝置的可靠性差、使氣化還是以中小規(guī)模、固定床、低熱值氣化為主,利用壽命短;氣化系統(tǒng)質量標準與施工規(guī)范尚未建用現(xiàn)有技術,研究開發(fā)經(jīng)濟上可行效率較高的系立,難以實現(xiàn)氣化技術的工程化。上述因素制約統(tǒng),是目前發(fā)展我國生物質氣化發(fā)電技術的一個主了生物質氣化技術在我國的商業(yè)化推廣要課題,也是我國能否有效利用生物質的關鍵。上世紀60年代,我國就開始了生物質氣化發(fā)電的研究,研制出樣機并進行了初步推廣,后因經(jīng)參考文獻:濟條件限制和收益不高等原因停止了這方面地研1 Gally M, Piskorz I,al. The Hydro gasification of wood究工作。近年來,隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展和人民生[J]. Ind Eng Chem Res, 1988, 27: 256-264活水平的提高,一些缺電、少電地方迫切需要電2] Ergudenler E, Ghaly A E. Quality of gas produced from能;其次是環(huán)境問題,丟棄或焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物將造wheat straw in a dual-distributor type Fluidized Bed Gasi成環(huán)境污染,生物質氣化發(fā)電可以有效的利用農(nóng)fier[J]. Biomass& Bioenergy, 1992, 3(2): 419-430業(yè)廢棄物。所以以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的生物質3] Saloum d,ea, Control of in-bed agglomeration by fuelblending in a pilot scale straw and wood fuelled AFBC[J]氣化發(fā)電逐漸得到人們的重視。Biomass and Bioenergy, 1993, 4(2): 117-123我國“九五”期間進行了Mwe的生物質氣(4]TBe,. Biomass gasification principle and technolog化發(fā)電系統(tǒng)研究,旨在開發(fā)適合中國國情的中型[M]. Published in the United States, 1981生物質氣化發(fā)電技術。1Mwe的生物質氣化發(fā)電s] Peter McKendry. Energy production from biomass(pan系統(tǒng)已于1998年10月建成,采用一爐多機的形2): Conversion technologies[ J]. Bioresource Technology式,即5臺20kWe發(fā)電機組并聯(lián)工作,2000年72002,83:47-54.月通過中科院鑒定。由于受氣化效率與內燃機效[6] A ACM Beenackers. 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