生物质气化合成气与煤混合燃烧发电技术

一生物质气化合成气与煤混合燃烧发电技术

间接混合燃烧是先把生物质气化为清洁的可燃气体，然后与煤粉混燃。

在欧洲，生物质与煤间接混合燃烧技术目前已进入商业化运行，技术上被认为是相当成熟。例如，位于奥地利Styria的Zeltweg电厂，采用循环流化床技术，以空气为气化剂气化木柴，产生可燃气体输入锅炉的燃烧室和烟煤一起燃烧，超过5000t 的生物质被气化和燃烧，目前系统运行效果良好。此外，芬兰的Lahti

电站与荷兰的Amer电站的9号机组，均是生物质与煤间接混燃技术成功运用的案例。

目前国内已建的生物质电厂主要以生物质直接燃烧发电和并联燃烧发电为主。气化混燃电厂大多还处在示范工程研究阶段。在气化混燃电厂中，从气化炉中产出的生物质气是由N2、CO、CO2、CH4、C2H2-6、H2 和H2O 组成的混合气体，其中N2 占到50%。生物质气的热值决定于给料的水分含量。

与其它混燃技术相比，生物质间接混燃具有生物质燃料适用范围广的优点，同时基于气化的混燃能够避免直燃过程中燃料处理、燃料输送等带来的问题、还可缓解锅炉结渣等问题。另外，采用这种方法，使得煤灰和生物质灰分开了，煤灰成分不受影响。

生物质与煤间接混燃技术可以应用于现有不同容量的电站燃煤锅炉，并且对现有锅炉的改动很小，运行灵活性较高。目前，我国的生物质储量巨大，国内许多小型火电厂效率低、污染严重，可以通过增加生物质气化系统实现生物质气与煤混合燃烧，既可以大规模地处理富余的生物质资源，又可以与我国现有的小型燃煤电站的改造结合起来，非常符合我国的国情。

二国内外生物质整体气化联合循环发电

2.1国外生物质整体气化联合循环发电示范项目介绍

2.1.1 美国Battelle

美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位。美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平，生产一种中热值气体，不需要制氧装置，此工艺使用两个实际上分开的反应器：①气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭；

②燃烧反应器，燃烧残炭并为气化反应供热。两个反应器之间的热交换载体由气化炉和燃烧室之间的循环沙粒完成。表1 给出了Battelle示范电厂气化炉的产气组分和热值，图1的工艺流程图则表明了两个反应器以及它们在整个气化工艺中的配合情况。

这种Battelle/FERCO工艺与传统的气化工艺不同，它充分利用了生物质原料固有的高反应特性。生物质的气化强度超过146000kg/ h·m2，而其他气化系统的气化强度通常小于1000 kg/h·m2。Battelle 气化工艺的商业规模示范建在弗蒙特州的柏林顿McNeil电站，该项目的一期工程，用Battelle技术建造日产200吨燃料气的气化炉，在初始阶段生产的燃料气用于现有的McNeil电站锅炉。二期工程，将安装一台燃气轮机来接受从气化炉来的高温燃气，组成联合循环。该气化设备于1998年完成安装并投入运行。

表 1 Battelle示范电厂气化炉产气组分和热值

气体组分（%）

热值(MJ/m3) CO H2 CH4 CO2 C2H4 C2H6

44.4 22 15.6 12.2 5.1 0.7 17.3

图1 Battelle/FERCO 工艺流程图

2.1.2 瑞典 VARNAMO

瑞典VARNAMO BIGCC 电厂是由Sydkraft AB 公司投建的，于1993年正式运行，是世界上首家以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂，电厂装机容量为6MW ，供热容量为9MW ，整体电效率为32%（除自用电外）。

系统流程见图2。生物质原料（主要是木屑和树皮）经过干燥粉碎后，在带有密闭阀门的上下料斗中加压后进入气化炉。电厂采用Foster Wheeler 公司生产的增压CFB 气化炉，操作温度为950～1000℃，压力为1.8MPa ，采用空气作为气化剂，从燃气轮机的压缩机抽调10%左右的空气，经二次压缩后由流化床底部布风板通入。产气经过旋风分离器分离后，进入烟气冷却器冷却至350～400℃，然后通过高温管式过滤器净化，净化后燃气组分和热值见表2。净化燃气通过TYPHOON 燃气轮机（4.2MW ）发电；燃气透平排气进入余热锅炉，连同烟气冷却器一起产生蒸汽（4MP ，455℃），蒸汽进入汽轮机发电（1.8MW ），同时供热（9MW ）。VARNAMO 电厂从1993年开始运行，系统整体运行时间达3600h/a ，验证了生物质增压气化和高温烟气净化系统的可行性，得到了一些宝贵的运行经验。在运行中出现了冷却器的沉灰和结垢等现象，实验表明，使用MgO 作床料和采用底灰再循环方式可以有效解决这些问题。系统采用陶瓷管式过滤器，在运行1200h 左右后发生机械应力破碎，在1998年改用金属管式过滤器，正常运行时间达2500h ，可以有效地过滤飞灰和重焦油。通过对燃气轮机的燃烧室、燃烧器和空气压缩机进行改造，使低热值产气（3.4～4.2MJ/m3）能稳定燃烧，燃气轮机能在40%～100%的电厂负荷下稳定运行，但低负荷运行时CO 排放量较大（＞0.02%)。

表 2 VARNAMO 电厂气化炉产气组分和热值

气体组分

热值(MJ/m 3) CO （%） H2（%） CH4（%） CO2（%） N2（%） 苯（mg/m 3） 轻焦油（mg/m 3

） 16-19

9.5-12

5.8-7.5

14.4-17.5

48-52

5000-6300

1500-2200

5.0-

6.3

图2 瑞典VARNAMO BIGCC 电厂系统流程示意图

2.1.3意大利TEF

2002年6月，意大利TEF（THERMIE ENERGY FARM）BIGCC示范电厂在Cascina建成。该电厂生物质消耗量为8230kg/h，发电容量为16MW，发电效率为31.7%（除自用电外）。电厂投资4100万欧元（欧盟THERMIE出资34%），建设成本为2300欧元/kW。

该系统流程见图3。电厂采用Lurgi制造的常压CFB气化炉和常温湿法烟气净化系统。原料（短期轮作物和木屑）在微负压环境下，利用余热锅炉乏气进行干燥，空气经压缩和预热后由气化炉底部布风板进入。产气通过空气预热器和烟气冷却器进行冷却，再通过二次旋风分离和布袋除尘，然后在水洗塔内彻底清除焦油和其它污染物（NH3，HCN，HCl等）。除尘器捕集的飞灰与灰渣一起排放，水洗塔排水经处理后排放。

净化燃气经过冷却压缩后，其组分和热值如表3所示。燃气与经过压缩比为15.4的多级空压机压缩的空气在燃烧室内混合燃烧。燃气轮机采用Nuovo Pignone的pgt10机组，发电容量为11MW。燃气轮机排气经余热锅炉回收热量，连同烟气冷却器一起产生蒸汽（5.5MPa，470℃），蒸汽进入汽轮机发电（5MW）。

表 3 TEF示范电厂气化炉产气组分和热值

气体组分（%）

热值(MJ/m3)

CO H2 CH4 CnHm CO2 N2 H2O

22 17 4 2 13 41 1 7.4

图 3 意大利TEF示范电厂系统流程图