生物质气化发电

生物质气化发电
生物质气化发电技术
1 前言
一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，它包括植物、动物和微生物。

各种生物质之间存在着相互依赖和相互作用的关系。

生物质能源简称生物质能，它是蕴藏在生物质中的能量。

生物质能是一种可再生能源，具有以下特点:(1) 可再生性;(2) 低污染性;(3) 广泛的分布性。

利用生物质作为替代能源，对改善大气酸雨环境，减少大气中二氧化碳含量，从而减少“温室效应”都有着积极的意义。

20世纪70年代，Ghaly et al.首次提出了将气化技术用于生物质这种含能密
度低的燃料，使气化技术成为生物质转化过程最新的技术之一。

生物质原料挥发分高达70,以上，生物质受热后，在相对较低的温度下就可使大量的挥发分物质析出。

因此，气化技术非常适用于生物质原料的转化。

生物质气化生成的高品位的燃料气既可供生产、生活直接燃用，也可通过内燃机或燃气轮机发电，进行热电联产联供。

生物质气化反应温度低，可避免生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。

可以从不同的角度对生物质气化技术进行分类，根据燃气生产机理可分为热解气化和反应性气化;根据采用的气化反应炉的不同又可分为固定床气化和流化床气化。

另外，还可以根据气化反应压力的不同来对气化技术进行分类。

在气化过程中使用不同的气化剂、采取不同过程运行条件，可以得到三种不同热值的气33化产品气:低热值—4,6MJ/m (使用空气和蒸汽/空气);中热值—12,18MJ/m 3(使用氧气和蒸汽);高热值—40MJ/m (使用氢气)。

2 生物质气化发电技术发展现状
2.1 生物质气化发电技术在国外的发展及现状
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生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家，生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。

奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来的3%增到目前的25%，已拥有装机容量为1,2MW的区域供热站90座。

瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。

一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质的开发利用，增加生物质能的生产，扩大其应用范围，提高其利用效率。

菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化、成型固化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。

生物质气化的发电技术主要有以下三种方法:带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是引擎的常压生物质气化、带有Rankine循环的传统生物质燃烧系统。

传统的生物质气化联合发电技术(BIGCC)包括生物质气化、气体净化、3燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。

由于生物质燃气热值低(约5.02MJ/m)，炉子出口气体温度较高(800?以上)，要使BIGCC达到较高效率，必须具备两个条件:一是燃气进入燃气轮机之前不能降温，二是燃气必须是高压的。

这就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术才能使BIGCC的总体效率较高(,40%)。

目前欧美一些发达国家正开展这方面研究，如美国的Battelle (6MW) 和夏威夷(6MW)项目、英国(8MW)、瑞典(加压生物质气化发电4MW)、芬兰(6MW)以及欧盟建设3个7,12MW生物质气化发电IGCC示范项目，其中一个是加压气化，两个是常压气化。

但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大，限制了其应用推广。

以意大利12MW 的BIGCC示范项目为例，发电效率约为31.7%，但建设成本高达25000
元/kW，发电成本约1.2元/kWh，实用性很差。

近年来欧美一些国家开展了其它技术路线的研究，如比利时(2.5MW)和奥地利(6MW)的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术，美国的史特林循环发电等, 但这些技术仍未成熟，而且成本较高。

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着生物质能利用的世界先进水平，可生产中热值气体。

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这种大型生物质气化循环发电系统包括原料预处理、循环流化床气化、催化裂解净化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等设备，适合于大规模处理农林废物。

此工艺使用两个独立的反应器:?气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭;?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。

这种Battelle工艺与传统的气化工艺不同，不需要制氧装置，它充分利用了生物质原料固有的高反应特性。

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200t燃料气的气化炉，在初始阶段生产的生物质气用于现有的McNeil电站锅炉。

二期工程安装1台燃气轮机来接受从气化炉来的高温生物质气，组成联合循环。

该气化设备于1998年完成安装并投入运行。

2.2 生物质气化发电技术在国内的发展及现状
我国对生物质气化技术的深入研究始于上世纪80年代。

经过20多年的努力，我国生物质气化技术日趋完善。

但与发达国家生物质气化技术相比，国内生物质气化装置基本上是以空气为气化剂的常压固定床气化技术，如河北的ND系列、山东的XFL系列、广州的GSQ系列和云南QL系列。

这些固定床气化炉应用在不同场合取得了一定的社会、环保和经济效益。

其技术上存在的问题主要是:燃气质量不稳
定且燃气热值低;CO含量过多，不符合城市居民使用燃气标准;燃气净化及焦油的处理技术落后;整套装置的可靠性差、使用寿命短;气化系统质量标准与施工规范尚未建立，难以实现气化技术的工程化。

上述因素制约了生物质气化技术在我国的商业化推广。

上世纪60年代，我国就开始了生物质气化发电的研究，研制出样机并进行了初步推广，后因经济条件限制和收益不高等原因停止了这方面的研究工作。

近年来，随着乡镇企业的发展和人民生活水平的提高，一些缺电、少电地方迫切需要电能;其次是环境问题，丢弃或焚烧农业废弃物将造成环境污染，生物质气化发电可以有效的利用农业废弃物。

所以，以农业废弃物为原料的生物质气化发电逐渐得到人们的重视。

我国“九五” 期间进行了1MW的生物质气化发电系统研究，旨在开发适
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合中国国情的中型生物质气化发电技术。

1MW的生物质气化发电系统已于1998年10月建成，采用一炉多机的形式，即5台200kW发电机组并联工作，2000年7月通过中科院鉴定。

由于受气化效率与内燃机效率的限制，简单的气化—内燃机发电循环系统效率低于18%，单位电量的生物质消耗量一般大于12kg/kWh。

以中科院广州能源所为主承担的“十五”863项目—4MW的生物质气化发电装置正处于研究开发之中。

目前，我国的生物质发电技术的最大装机容量与国外相比，还有很大差距。

在现有条件下研究开发与国外相同技术路线的BIGCC系统，存在很大困难。

利用现有
技术，研究开发经济上可行、效率较高的生物质气化发电系统是发展我国今后能否有效利用生物质的关键。

3 生物质气化发电技术
生物质气化发电(biomass gasification power generation)是利用气化炉把生物质转化为可燃气体，经过除尘、除焦等净化工序后，再通过内燃机或燃气轮机进行的发电。

生物质气化发电技术又称生物质发电系统，简单地说，就是将各种低热值固体生物质能源资源(如农林业废弃物、生活有机垃圾等)通过气化转换为可燃气，再提供发电机组发电的技术。

生物质气化发电可通过三种途径实现:生物质气化产生燃气作为燃料直接进入燃气锅炉生产蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电;也可将净化后的燃气送给燃气轮机燃烧发电;还可以将净化后的燃气送入内燃机直接发电。

在发电和投资规模上，它们分别对应于大规模、中等规模和小规模的发电。

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在商业上最为成功的是生物质气化内燃发电技术，由于具有装机容量小、布置灵活、投资少、结构紧凑、技术可靠、运行费用低廉、经济效益显著、操作维护简单和对燃气质量要求较低等特点，而得到广泛的推广与应用。

生物质气化内燃发电系统主要由气化炉、燃气净化系统和内燃发电机等组成。

气化炉是将生物质能由固态转化为燃气的装置，也是生物质气化系统中的核心设备。

生物质在气化炉内通过控制空气供应量，而进行不完全燃烧，实现低值生物质能由固体向气态的转化，生成包含氢气(H)、一氧化碳(CO)、甲烷2
(CH)、多碳烃(CH)等可燃成分的燃气，完成生物质的气化过程。

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4 生物质气化反应炉
生物质气化炉可以分为固定床气化炉和流化床气化炉两种类型，而固定床气化炉和流化床气化炉又都有多种不同形式。

下面我们就这两种气化炉分别加以介绍。

4.1 固定床气化炉
所谓固定床气化炉，是指气流在通过物料层时，物料相对于气流来说，处于静止状态，因此称作固定床。

一般情况下，固定床气化炉适用于物料为块状及大颗粒原料。

固定床气化炉具有以下优点:(1)制造简单，有很少的运行部件;(2)较高的热效率。

其缺点为:(1)内部过程难于控制;(2)内部物质容易搭桥形成空腔;(3)处理量小。

根据气化炉内气流运动的方向，固定床气化炉可分为下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气化炉及开心式气化炉四种类型。

4.1.1 下吸式气化炉
下吸式气化炉的工作原理如下:进入到气化炉内的生物质最初在物料的最上层，即处在干燥区内，在这里由于受外腔里的热气体及内胆里热气体的热辐射，吸收热量，蒸发出生物质的水分，变成干物料。

之后随着物料的消耗向下移动进入裂解区，由于裂解区的温度高，达到了挥发分溢出温度，生物质开始裂解，挥
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发分气体开始产生，干生物质逐渐分解为炭、挥发分及焦油等。

而生成的炭随着物料的消耗继续下移落入氧化区。

作为气化剂的空气一般情况下在氧化区加入，在该区，由裂解区生成的炭与气化剂中的氧进行燃烧反应生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的热能，这些能量保证了生物质气化过程的顺利进行。

没有在反应
中消耗掉的炭继续下移进入还原区，与裂解区及氧化区生成的二氧化碳发生还原反应生成一氧化碳;炭还与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳，灰渣则排入灰室中。

在下吸式气化炉中，气流是向下流动的，通过炉栅进入外腔。

因而在干燥区生成的水蒸气，在裂解区分解出的二氧化碳、一氧化碳、氢气、焦油等热气流向下流经气化区。

在气化区发生氧化还原反应。

同时由于氧化区的温度高，焦油在通过该区时发生裂解，变为可燃气体，因而，下吸式固定床气化炉产生的可燃气热值相对高一些而焦油含量相对低一些。

通过这一系列化学反应过程，在气化炉内，固体燃料生物质就变成了气体燃料—生物质燃气。

4.1.2 上吸式固定床气化炉
在上吸式固定床气化炉中，生物质原料从气化炉上部的加料装置送入炉内，整个料层由炉膛下部的炉栅支撑。

气化剂从炉底下部的送风口进入炉内，由炉栅缝隙均匀分布、并渗入料层底部区域的灰渣层，气化剂和灰渣进行热交换，气化剂被预热，灰渣被冷却。

气化剂随后上升至燃烧层，在燃烧层，气化剂和原料中的炭发生氧化反应，放出大量的热量，可使炉内温度达到1000?，这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。

气流接着上升到还原层，将燃烧层生成的CO还原成CO;气化剂中的水蒸气被分解，生成H和CO。

这些气体与气化22
剂中未反应部分一起继续上升，加热上部的原料层，使原料层发生热解，脱除挥发分，生成的焦炭落入还原层。

生成的气体继续上升，将刚入炉的原料预热、干燥后，进入气化炉上部，经气化炉气体出口引出。

上吸式气化炉的炉排设计有两种形式:一种是转动炉排;另一种是固定炉排。

转动炉排有利于除灰，但是由于炉排的转动，增加了密封难度。

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4.1.3 横吸式固定床气化炉
生物质原料从气化炉顶部加入，灰分落入下部的灰室。

横吸式固定床气化炉的不同之处在于它的气化剂由气化炉的侧向提供，产出气体从对侧流出，气流横向通过氧化区，在氧化区及还原区进行热化学反应，反应过程同其他固定床气化炉相同，但是反应温度很高，容易使灰熔化，造成结渣。

所以该种气化炉一般用于灰含量很低的物料，如木炭和焦炭等。

4.1.4 开心式固定床气化炉
开心式固定床气化炉的结构与气化原理与下吸式固定床气化炉相类似，是下吸式气化炉的一种特别形式。

它以转动炉栅代替了高温喉管区，主要反应在炉栅上部的气化区进行，该炉结构简单，氧化还原区小，反应温度较低。

开心式固定床气化炉是由我国研制出的，主要用于稻壳气化，并以投入商业运行多年。

4.2 流化床气化炉
在流化床气化炉中，一般采用砂子作为流化介质(也可不用)，有气化炉底部吹入的、向上流动的强气流使砂子和生物质物料的运行就像是液体沸腾一样漂浮起来。

所以，流化床有时也称作沸腾床。

流化床气化炉具有气、固接触，混合均匀的优点，是唯一在恒温床上反应的气化炉，反应温度一般为750,850?。

其气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解。

流化介质一般选用惰性材料(如砂子)或非惰性材料(石灰或催化剂)，可增加传热效率及促进气化反应。

流化床气化炉适用水分含量大、热值低、着火困难的生物质原料，原料适应性广，可大规模、高效利用。

按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单床气化炉、双床气化炉、循环流化床气化炉及携带床气化炉四种类型。

4.2.1 单流化床气化炉
单流化床气化炉是最基本，也是最简单的流化床气化炉，它只有一个流化床反应器，气化剂从底部气体分布板吹入，在流化床上同生物质原料进行气化反应，生成的气化气直接由气化炉出口送入净化系统中，反应温度一般控制在800?左
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右。

单流化床气化炉流化速度较慢，比较适合于颗粒较大的生物质原料，而且一般情况下必须增加热载体，即流化介质。

总的来说单流化床气化由于存在着飞灰和炭颗粒夹带严重，运行费用较高等问题，不适合于小型气化系统，只适合于大中型气化系统。

4.2.2 双流化床气化炉
双流化床气化炉分为两个组成部分，即第?级反应器和第?级反应器。

在第?级反应器中，生物质原料发生裂解反应，生成气体排出后，送入净化系统，同时生成的炭颗粒经料脚送入第?级反应器。

在第?级反应器中炭进行氧化燃烧反应，使床层温度升高，经过加温的高温床层材料，通过料脚返回第?级反应器，从而保证第?级反应器的热源，双流化床气化炉碳转化率也较高。

4.2.3 循环流化床气化炉与单流化床气化炉的主要区别是，在气化气出口处，设有旋风分离器或袋式分离器，循环流化床流化速度较高，使产出气中含有大量固体颗粒。

在经过了旋风分离器或袋式分离器后，通过料脚，使这些固体颗粒返回流化床，再重新进行气化反应，这样提高了碳的转化率。

循环流化床气化炉的反应温度一般控制在
700,900?。

它适用于较小的生物质颗粒，在大部分情况下，它可以不必加流化床热载体，所以它运行最简单，但它的炭回流难以控制，在炭回流较少的情况下容易变成低速率的携带床。

4.2.4 携带床气化炉
携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例。

它不适用惰性材料做流化介质，气化剂直接吹动炉中生物质原料，且流速较大，为紊流床。

该气化炉要求原料破碎成非常细小的颗粒，运行温度高，可达1100?，产出气体中焦油级冷凝成分少，但碳转化率高达100%，但由于运行温度高，易烧结，气化炉炉体材料较难选择。

4.3 固定床气化炉与流化床气化炉性能比较
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固定床气化炉与流化床气化炉有着各自的优缺点和一定的适用范围。

下面从以下五个方面对流化床和固定床气化炉的性能进行比较。

4.3.1 技术性能
从目前情况来看，固定床和流化床气化炉的设计运行时间，一般都小于
5000h。

前者结构简单，坚固耐用;后者结构较复杂，安装后不易移动，但占地较小，容量一般较固定床的容量大。

启动时，固定床加热比较缓慢，需较长时间达到反应温度;流化床加热迅速，可频繁起停。

运行过程中，固定床床内温度不均匀，固体在床内停留时间过长，而气体停留时间较短，压力降较低;流化床床温均匀，气固接触混合良好，气固停留时间都较短，床内压力降较高。

固定床的运行负荷可在设计负荷的20%,110%之间变动，而流化床由于受气流速度必须满足流化条件所限，只能在设计负荷的50%,120%之间变化。

4.3.2 使用的原料
流化床对原料的要求较固定床低。

固定床必须使用特定种类，形状、尺寸尽可能一致的原料;流化床使用的原料的种类、进料形状、颗粒尺寸可不一致。

前者颗粒尺寸较大，后者颗粒尺寸较小。

固定床气化的主要产物是低热值煤气，含有少量焦油、油脂、苯、氨等物质，需经过分离、净化处理。

流化床产生的气体中焦油和氨的含量较低，气体成分、热
值稳定，出炉燃气中固体颗粒较固定床多，出炉燃气温度和床温基本一致。

4.3.3 能量利用和转换
固定床中由于床内温度不均匀，导致热交换效果较流化床差，但固体在床中停留时间长，故碳转换效率高，一般达90%,99%。

流化床出炉燃气中固体颗粒较多，造成不完全燃烧损失，碳转换效率一般只有90%左右。

两者都具有较高热效率。

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4.3.4 环境效益
固定床燃气飞灰含量低，而流化床燃气飞灰含量高。

其原因是固定床中温度可高于灰熔点，从而使灰熔化成液态，从炉底排出;而流化床中温度低于灰熔点，飞灰被出气带出一部分。

所以流化床对环境影响比固定床大，必须对燃气进行除尘净化处理。

4.3.5 经济性
在设计制造方面，由于流化床的结构较固定床复杂，故投资高。

在运用方面，固定床对原料要求较高，流化床对原料要求不高，故固定床运行投资高于流化床;固定床气化炉内温度分布较宽，这可能产生床内局部高温而使灰熔聚，比容量低、启动时间长以及大型化较困难;流化床具有气化强度大、综合经济性好的特点。

综合考虑设计和运行过程，流化床对固定床具有更大的经济性，应该成为我国今后生物质气化研究的主要方向。

4.3.6 燃气利用
气化炉出口的粗燃气温度，在固定床气化炉系统中一般为300?左右，在流化床气化炉系统中一般为700?左右。

在直接利用燃气系统中，如直接通入锅炉中燃烧或直接应用于工艺热源，燃气不需要冷却，可以直接使用，并且利用了热燃气的显热。

但是大多数的燃气应用系统中，如供给居民使用，通入燃气发电机作为燃料使用，需要的是常温气体，因此，粗燃气需要冷却至常温。

在粗燃气中焦油是蒸气态，随着温度的下降，首先是重烃类凝结，然后轻烃类凝结出来。

焦油冷凝后与固体杂质混合，将形成结实的灰垢，堵塞在管道里，很难清除。

因此利用燃气的降温过程合理地组织燃气净化工艺，也是一种有效的方法。

总之，生物质粗燃气的净化石生物质气化燃气使用过程中必不可少的一个环节。

燃气净化的一般流程是先在燃气温度显著下降前先脱除灰尘和炭等固体杂质，然后逐步脱除焦油和水分，在脱除焦油和水分的同时气体的温度也随之降到常温，这是因为脱除焦油和水分是多半采用了冷却工艺。

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5 现场存在的问题与改进
在参观完湖南亮之星与杭州建德两处的生物质气化发电装置后，我们在现场与周教授进行了详细的交流，学到了不少知识，同时也发现了不少问题，现总结如下。

5.1 气化炉
湖南亮之星生物质气化炉
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杭州建德生物质气化炉
加料要及时，在气化炉中部可增加往复炉排，尽量减少人工拨料。

旋风除尘器位置应偏向一侧，与炉底出炭绞龙错开，可将旋风除尘器上移至地面。

旋风除尘器底部收集装置要重新设计，可以开一小孔，便于焦油、炭灰等排出，无需打开底盖才能清理。

气化炉底下的水泥平台位置要低，要不然底盖盖不上，还应增加环形水槽，便于排水。

地下水泥台太窄，空间太小，既不好操作也不方便清理。

扶梯宽度
要增加，既要美观也要合理。

往复炉排材料应用2520铸件，炉排上最好带耙，这样拨料效果会更好。

往复炉排的密封属于机械密封，达不到完全密封效果。

气化炉斗部要加两个粒位器，控制一个区间，保证底部有一个碳层。

5.2 燃气净化系统
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湖南亮之星生物质发电多联产系统
生物质气化炉干式净化装置
阀门位置要合适，便于工人操作。

燃气净化系统可采用两次喷淋装置，冷凝器只需一个，再加一个气化炉干式净化装置即可，这样燃气净化效果更好。

连接
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管应水平，竖直方向上可采用长管道再进行水平连接，这样分离效果较好。

不同管道应用不同颜色加以区分，压力表量程范围要合适，螺丝不要太长，尽量标准化。

储气罐旁的水槽应封上，既要美观也要安全。

此外，循环冷却水池布局要合理，应保证从一侧进水，对面一侧出水。

阀门试气装置
5.3 发电机组。