生物质气化发电技术分析.doc

分 数: _ 任课教师签字：_ 华北电力大学研究生作业学 年 学 期：2011/2012学年第二学期课 程 名 称：seminar课程 学 生 姓 名：学 号：提 交 时 间：2012年7月2日生物质气化发电技术分析一、生物质发电的意义众所周知，当今世界的发展离不开能源，而作为当今世界主要能源的化石燃料，如石油、煤炭、天然气等，它们在地球上的储量是有限的，而且它们属于不可再生能源，随着人类对能源需求的不断增长，化石燃料正在不断减少。人类最近几百年对化石燃料的不断消耗，虽然使人类实现了前所未有的快速发展，而另一方面，自然环境也遭到了前所未有的破坏。这就要求我们尽快找到一种无污染、可再生的新型能源来替代传统的化石能源。我国是世界上人口最多的国家，经济发展面临资源和环境的双重压力。以煤为主的能源结构是造成环境污染严重的主要原因。随着经济的发展，我国的能源需求将快速增长，能源、环境和经济三者之间的矛盾也将更加突出，因此，加大能源结构调整力度，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。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，他是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。就其能源当量而言，在世界能源消费中，生物质能占总能耗的14%，但在发展中国家占40%以上1。据预测，到2050年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%，发电量占全球总电量的17%2。因此，许多发达国家和一些发展中国家将生物质看作是对环境和社会有益的能源资源，加快了生物质能源的产品化进程。我国生物质能源极为丰富，全国农作物秸秆年产生量约6亿吨，大约3亿吨可作为燃料使用，折合约1.5亿吨标准煤，林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿吨，大约3亿吨可作为能源利用，折合约2亿吨标准煤，目前我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿吨标准煤1。在我国大力发展生物质发电，可有效解决秸秆焚烧造成的大气污染，减少温室气体排放，解决城镇生活垃圾处理问题，还可以带动能源林产业，以及大型禽畜养殖业的发展，将有助于防止土壤沙化和水土流失，促进生态的良性循环。二、生物质能概况生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。广义概念：生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。狭义概念：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质3。所谓生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一的一种可再生的碳源3。生物质能是指蕴藏在生物(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。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4。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。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。1、与化石燃料相比，生物质具有以下特点：（1） 物质是一种二氧化碳零排放的能源资源(利用过程中排放的二氧化碳量等于生长过程中吸收的量)，可以在提供能源的同时而不增加二氧化碳的排放量；（2） 生物质的硫、氮、灰分含量少，在利用转化过程中可以减少硫化物、氮化物和粉尘的排放；（3） 生物质的挥发份含量大，有利于生物质的着火和燃烧；（4） 生物质的水分含量大，影响着火和燃烧的稳定性，同时在燃烧时造成大量的能量损失，并且可能引起燃料储存问题；（5） 单位质量生物质的热值低，要求能量转化设备有足够的空间投入燃料；（6） 生物质分布分散，其能量密度低，收集运输和预处理过程（例如粉碎、压缩成型和干燥）费用高，与化石燃料相比，经济效益上没有明显的优势；（7） 生物质具有可再生性，原料具有多样性和广泛性，资源开发潜力大。2、生物质能与其他主要能源利用的优势比较5（1） 可持续性自20世纪70年代以来，人们对石油、煤炭、天然气和核能可开采时限作过种种的估算与推测，几乎都得出了一致结论21世纪化石燃料中，有的将被开采殆尽；有的因开采成本过高以及开发使用导致的一系列环境问题而失去开采价值。地质学家早已明确指出；石油耗竭之日已为期不远了。现在，尽管地质学家和经济学家们仍在激烈地争论石油开始匮乏的时间，但化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实。生物质能源分布十分广泛，远比石油丰富，可以不断再生。各主要能源占全球能耗比例及可用年限列于表1所示5。（2） 对环境的影响能源的开发利用对环境的影响有三种情形：其一，对环境造成危害；其二， 不对环境造成危害；其三，不仅不对环境造成危害，而且有利于改善已经破坏的生态环境。化石燃料的使用属于第一种情形，而生物质能的开发利用则属于最后一种情形。生物质能燃料燃烧容易、污染少，有害成分很低。开发利用生物质能要求人们恢复植被，种植能源林，最终形成二氧化碳的平衡；使用这种能源几乎不会产生二氧化硫的污染，有利于回收利用有机废弃物， 处理废水和治理污染；生物质能中的沼气发酵系统能和农业生产紧密结合，可减缓化肥、农药带来的种种对环境的不利因素，有效刺激农村经济的发展。 种植能源林可使土地受益， 特别是对湿地环境的改善明显，对固定沙流和沙丘也有明显作用。 据资料报道， 能源矮林还能促进鸟类多样化。西方国家还在实验能源林对城市和工矿污水的过滤净化作用及对农场牲畜粪便、污水的生物净化过滤作用。总之，生物质能生产与利用对环境质量的改善具有重要意义。（3） 对全球气候的影响 过多化石能源的使用除排放大量的SO2、 NOX等有害气体形成局部环境污染、 产生酸雨外，还排放大量 CO2温室气体，造成全球气候变暖。而在生物质能源CO2排放量少得几乎可以忽略不计，生物质燃烧所释放出的 CO2量大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2量，因此燃用生物质造成的 CO2的排放可以认为是零。这是煤、石油和天然气等常规能源所无法比拟的。3、生物质能的利用方式生物质燃烧是传统的利用方式，热效率低下（只有10左右），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。目前，生物质的利 用转化方式主要有3种，即热化学法、生物化学法和提取法。生物质转化过程中采用的不同路线方法如下图所示6。生物质转化过程中采用的不同路线和方法目前，少数生物质能利用技术已经比较成熟，具有一定的经济竞争力，初步实现了商业化、规模化应用，如沼气技术；一批生物质能利用技术已进入商业化早期发展阶段，目前需要通过补贴等经济激励政策促进商业化发展，如生物质发电。还有许多新兴生物质能技术正处于研发示范阶段，可望在未来20年内逐步实现工业化、商业化应用，主要是以纤维素生物质为原料的生物质液体燃料，如纤维素燃料乙醇、生物质合成燃料和裂解油等7。生物质气化合成技术比较成熟，不存在技术障碍，预期比纤维素乙醇更容易实现产业化。各类生物质能利用技术的成熟度、市场竞争力如下图所示8。各类生物质能利用技术发展现状20世纪70年代，Gahly等首次提出了将气化技术用于生物质这种含有密度的燃料，使气化技术成为生物质转化过程最新的技术之一8。生物质原料挥发分达 70以上 ，生物质受热后在比较低的温度下（一般在350）就能释放出大约80的挥发分；另外，生物质炭的活性高，且灰分低（除稻壳外，一般灰分含量都在20以下）。因此，气化技术非常适合于生物质原料的转化。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4。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(BIGCC)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。三、生物质气化发电技术生物质气化是指以固体生物质(秸秆、锯末等)为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为气化剂(或称气化介质)，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化时产生的气体主要有CO、H和CH4等，称为生物质气体9。生物质气化的原理如下图所示10。生物质气化原理图气化和燃烧是密不可分的 ，燃烧是气化的基础 ，气化是部分燃烧或缺氧燃烧。气化可以将生物质转化为高品质的气态燃料，直接应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力。生物质气化后一部分转变为可燃气体，一部分转变为碳，另外还有少量的焦油。得到的生物质燃气经过水洗、净化后即可使用，可民用，也可直接用于发电。1、生物质气化方法11生物质气化按气化介质可分为使用气化介质和不使用气化介质两种。使用气化介质分为空气气化、氧气气化、水蒸汽气化、空气（氧气）水蒸汽混合气化和氢气气化等，不使用气化介质主要是指热解气化，如下图所示。生物质气化分类12（1）热解气化。是在完全无氧或只提供极有限氧情况下进行的热解，也可描述成生物质的部分气化。主要是生物质在一定温度作用下进行分解，生成固体炭、液体（焦油）和可燃气（不可凝挥发分）。（2）干馏气化法干馏气化属于热解的一种特例，是指在缺氧或少量供氧的条件下，生物质进行干馏的过程。主要产物为醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油、木炭和可燃气。可燃气的主要成分是二氧化碳 、一氧化碳、甲烷、乙烯和氢气等，其产量和组成与热解温度和加热速率有关。燃气热值一般为，属中热值燃气。（3）空气气化它是一种极普遍、经济、设备最简单且容易实现的气化形式。空气中含有21的氧气和79的氮气，氮气是一种惰性气体，不参与化学反应。但氮气在化学反应过程中会吸收部分反应热，降低反应温度，阻碍氧气的充分扩散，降低反应速度。而且不参与反应的氮气稀释了生物质燃气中可燃组分 ，降低了燃气热值。燃气热值一般为，属低热值燃气。（4）氧气气化法以纯氧作为气化剂的气化过程。在此反应过程中，需严格控制氧气的供给量，方可保证气化反应所需的热量，避免生成二氧化碳。同空气气化相比，由于没有氮气参与，提高了反应温度和速度，缩小了反应空间，提高了热效率。生物质燃气热值可达到，属中热值燃气，可与城市煤气相当。但是生产纯氧需要消耗大量的能源，故不适于小型的气化系统。（5）水蒸气气化法以水蒸气作为气化剂的气化过程。气化过程中水蒸气与炭发生还原反应 ，生成一氧化碳和氢气，同时一氧化碳与水蒸气发生变化反应和各种甲烷化反应，故生物质燃气中氢气和甲烷的含量较高，热值可达到 ，属中热值燃气。水蒸气气化的主要反应是吸热反应，需要额外的热源，但是反应温度又不能过高，且该项技术比较复杂，不易控制和操作。（6）水蒸气空气气化法主要用来克服空气气化产物热值低 的缺点。减少了空气的供给量 ，并生成了更多的氢气和碳氢化合物，提高了燃气的热值，生物质燃气热值可达到左右。此外空气与生物质的氧化反应，可提供其他反应所需的热量，不需外加热系统。（7）氢气气化法以氢气作为气化剂的气化过程。主要气化反应是氢气与固定碳及水蒸气生成甲烷的过程。生物质燃气热值可达到，属高热值燃气。但氢气气化反应的条件极为苛刻，需要在高温高压下进行，一般不常使用。2、生物质气化发电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。气化发电过程包括3个方面：（1）生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；（2）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；（3）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（BIGCC）。典型的生物质气化发电工艺如图所示。 生物质气化发电工艺示意图123、生物质气化发电特点生物质气化发电技术是生物质能利用中有别于其他利用技术的一种独特方式，它具有3个方面的特点13：（1）技术有充分的灵活性，由于生物质气化发电可以采用内燃机，也可以采用燃气轮机，甚至结合余热锅炉和蒸汽发电系统，所以生物质气化发电可以根据规模的大小选用合适的发电设备，保证在任何规模下都有合理的发电效率。这一技术的灵活性能很好地满足生物质分散利用的特点。（2）具有较好的洁净性，生物质本身属可再生能源，可以有效地减少CO、S02等有害气体的排放。而气化过程一般温度较低 (大约在 700900 )，NOx的生成量很少，所以能有效控制 NOx的排放。（3）经济性，生物质气化发电技术的灵活性，可以保证该技术在小规模下有较好的经济性，同时，燃气发电过程简单，设备紧凑，也使生物质气化发电技术比其他可再生能源发电技术投资更小。所以总的来说，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，综合的发电成本已接近小型常规能源的发电水平。4、生物质气化发电技术的分类44.1 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。固定床和流化床气化炉特性比较如下表。固定床和流化床气化炉特性比较144.2 从燃气发电过程上分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(BIGCC)。它的一般系统效率可达4O%以上，是目前发达国家重点研究的内容。4.3 从发电规模上分生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型等几种类型，如下表所示。各种生物质气化发电技术的特点12规 模气化过程发电过程主要用途小型系统功率小于200kW固定床气化内燃机农村用电流化床气化微型燃气轮机中小企业用电中型系统功率5003000kW常压流化床气化内燃机大中企业自备电站、小型上网电站大型系统功率大于5000kW常压流化床气化、高压流化床气化、双流化床气化内燃机+蒸汽轮机燃气轮机+蒸汽轮机上网电站、独立能源系统(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0.5MW3MW。(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，但在技术发展成熟后，它将是今后替代常规能源电力的主要方式之一。针对目前我国具体情况，采用气体内燃机代替燃气轮机，且其它部分基本相 同的生物质气化发电系统，不失为解决我国生物质气化发电规模化发展的有效手段。一方面，采用气体内燃机可降低对燃气杂质的要求，可以大大减少技术难度；另一方面，避免了调控相当复杂的燃气轮机系统，大大降低系统的成本。这种技术方案适合于我国目前的工业水平，设备可以全部国产化，适合于发展分散的、独立的生物质能源利用体系，可以形成我国自己的产业，在发展中国家大范围处理生物质方面有更广阔的应用前景。四、总结我国有丰富的生物质资源，仅农产品的秸杆产量就达到6亿吨以上，还有 1.1 亿吨柴薪。采取高技术利用生物质能，并提高它的利用率，不仅可以解决农民生活用能问题，还可用作各种动力和车辆的燃料。我国对生物质能资源的开发利用潜力巨大。生物质能转化技术在国内外已经被广泛认定为一项具有深远发展前景的可再生能源利用技术，其存在和发展的重要意义不仅局限在一个能提供高利用价值液体燃料这一点上，而且因为该工艺将可再生资源高品位利用，生态环境的低污染以及绿色能源的持续供应等有机地结合在一起，实现了资源、能源和环境的高效统一。随着国家对能源利用的重视和对环保意识的加强 ，利用生物质气进行发电，既节约了能源，又利用了废弃物，降低了污染，市场前景看好。生物质气化发电技术由于其原料的可再生及对环境的友好，因而受到越来 越多的关注，并在过去的几十年里取得了重要进展。近 20年来，我国在生物质 气化发电研究方面已经取得了相当的成就，目前正是该技术步人商业化运用的关 键阶段，建议国家应通过政策性引导，加大资金投入等方式加快生物质气化发 电商业化进程。我国是一个农业大国，有着丰富的生物质资源，大力发展生物质气化发电技术对于解决当前电力供应不足、增加农民收入以及减少环境污染等方 面具有十分重要的意义，此外生物质气化发电技术也为我们指明一条可持续发展道路。参考文献：1 李大中.生物质发电气化过程建模及优化研究, 华北电力大学博士论文, 2008, 12.2 宋鸿伟, 郭民臣. 生物质气化发电技术发展状况的综述J, 现代电力, 2003, 10:10-16.3 百度百科：4 谢军等. 生物质气化发电技术及应用前景, 上海电力, 2005, 1.5 于树峰. 生物质能的开发与利用. 化学工业, 2008, 12.6 马洪儒, 崔亚量. 生物质气化发电技术相关问题的研究, 农机化研究, 2007, 6.7 吴创之等. 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