生物質氣化發(fā)電技術.doc

生物質氣化發(fā)電技術陽永富，孫龍，樊俊杰（勝利油田勝利動力機械有限公司，山東 東營 257032）摘要：隨著人們對能源需求的日益增長，作為人類目前主要能源來源的化石燃料卻迅速減少，而生物質能是一種重要的可再生能源,它分布廣泛,數量巨大。但由于它能量密度低，又分散，收集和運輸困難，所以難以大規(guī)模集中處理。另一方面隨著經濟的發(fā)展，我國電力供應日益緊張，對電力需求很大，電價居高不下，在這種環(huán)境下，通過氣化發(fā)電技術，把生物質轉化為電力，既能大規(guī)模處理生物質廢料，又能為生產提供電力，具有明顯的社會和經濟效益。本文主要講述生物質的氣化技術，生物質氣凈化處理技術及生物質氣用于內燃機的發(fā)電技術。關鍵詞：生物質；氣化；凈化；內燃機；發(fā)電 Biomass Gasification and Generation TechnologyYang YongFu，Sun Long，F(xiàn)an JunJie（Shengli Oil Field Shengli Power Machinery Co., Ltd, Dongying Shandong 257032）Abstract: Energy demand is increasing and the fossil fuel is decreasing, which is the important energy source. Biomass is an important regenerative energy. It distributes widely and with high amount. Because it features low concentration and distribute dispersedly, so it is difficult for transportation and treatment in scale. With rapid economic development, electricity is in great demand gradually, its price is high. Under this condition, biomass is converted into electricity by gasification technology. Supported with this technology, massive waste biomass is treated and electricity is produced to supply for production resulting in significantly social and economical benefits. The paper introduces biomass gasification, biogas treatment and electricity generation by fueling biogas on internal combustion engine. Key Words: Biomass；Gasification；purification；Internal Combustion Engine； Electricity Generation 1 生物質氣化技術簡單地講，氣化是以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，在高溫的條件下通過熱化學反應將生物質中可燃部分轉化為可燃氣（主要為一氧化碳、氫氣和甲烷等）的熱化學反應。氣化和燃燒是密不可分的，燃燒是氣化的基礎，氣化是部分燃燒或缺氧燃燒。氣化可以將生物質轉化為高品質的氣態(tài)燃料，直接應用作為鍋爐燃料或發(fā)電，產生所需的熱量或電力。生物質氣化后一部分轉變?yōu)榭扇細怏w，一部分轉變?yōu)樘?，另外還有少量的焦油。得到的生物質燃氣經過水洗、凈化后即可使用，可民用，也可直接用于發(fā)電。1.1 氣化方法1.1.1 干餾氣化法干餾氣化屬于熱解的一種特例，是指在缺氧或少量供氧的條件下，生物質進行干餾的過程。主要產物為醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油、木炭和可燃氣。可燃氣的主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烯和氫氣等，其產量和組成與熱解溫度和加熱速率有關。燃氣的熱值為15MJ/m3，屬中熱值燃氣。1.1.2 空氣氣化法以空氣作為氣化劑的氣化過程，空氣中氧氣與生物質中可燃組分發(fā)生氧化反應，提供氣化過程中其它反應所需的熱量，不需要額外提供熱量。由于空氣隨處可得，不需要消耗額外能源進行生產，所以它是一種極普遍、經濟、設備最簡單且容易實現(xiàn)的氣化形式。空氣中含有21%的氧氣和79%的氮氣，氮氣是一種惰性氣體，不參與化學反應。但氮氣在化學反應過程中會吸收部分反應熱，降低反應溫度，阻礙氧氣的充分擴散，降低反應速度。而且不參與反應的氮氣稀釋了生物質燃氣中可燃組分，降低了燃氣熱值。燃氣熱值一般為5MJ/m3，屬低熱值燃氣。1.1.3 氧氣氣化法以純氧作為氣化劑的氣化過程。在此反應過程中，需嚴格控制氧氣的供給量，方可保證氣化反應所需的熱量，避免生成二氧化碳。同空氣氣化相比，由于沒有氮氣參與，提高了反應溫度和速度，縮小了反應空間，提高了熱效率。生物質燃氣熱值可達到15MJ/m3，屬中熱值燃氣，可與城市煤氣相當。但是生產純氧需要消耗大量的能源，故不適于小型的氣化系統(tǒng)。1.1.4 水蒸氣氣化法以水蒸氣作為氣化劑的氣化過程。氣化過程中水蒸氣與炭發(fā)生還原反應，生成一氧化碳和氫氣，同時一氧化碳與水蒸氣發(fā)生變化反應和各種甲烷化反應，故生物質燃氣中氫氣和甲烷的含量較高，熱值可達到17MJ/m321MJ/m3，屬中熱值燃氣。水蒸氣氣化的主要反應是吸熱反應，需要額外的熱源，但是反應溫度又不能過高，且該項技術比較復雜，不易控制和操作。1.1.5 水蒸氣-空氣氣化法主要用來克服空氣氣化產物熱值低的缺點。減少了空氣的供給量，并生成了更多的氫氣和碳氫化合物，提高了燃氣的熱值，生物質燃氣熱值可達到11.5MJ/m3。此外空氣與生物質的氧化反應，可提供其他反應所需的熱量，不需外加熱系統(tǒng)。1.1.6 氫氣氣化法以氫氣作為氣化劑的氣化過程。主要氣化反應是氫氣與固定碳及水蒸氣生成甲烷的過程。生物質燃氣熱值可達到12.3MJ/m326MJ/m3，屬高熱值燃氣。但氫氣氣化反應的條件極為苛刻，需要在高溫高壓下進行，一般不常使用。1.2 生物質氣化設備氣化爐氣化爐是生物質氣化的主要設備。在這里，生物質經燃燒、氣化轉化為可燃氣。氣化爐可分為固定床氣化爐、流化床氣化爐及攜帶床氣化爐。固定床適用于小型設備，流化床比較易于大型化。在反應過程中主要控制的是氣化爐中的反應溫度和物料的停留時間。1.2.1 固定床氣化爐固定床氣化爐的氣化反應一般發(fā)生在相對靜止的床層中進行，生物質依次完成干燥、熱解、氧化和還原反應。根據氣流運動方向的不同，固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式及開心式等幾種類型。 下吸式固定床氣化爐的特征是氣體和生物質物料混合向下流動。通過高溫喉管區(qū)（只有下吸式設有喉管區(qū)）。生物質在喉管區(qū)發(fā)生氣化反應，可燃氣體從喉管下部吸出，而且焦油也可以通過熾熱的木炭床時進行裂解，因此揮發(fā)分中的焦油可以得到充分分解，燃氣中焦油含量較低，特別受到小型發(fā)電系統(tǒng)的青睞。一般情況下，下吸式固定床氣化爐不設爐柵，但如果原料尺寸較小也可設爐柵。此種氣化爐結構簡單，運行比較可靠，適于較干的大塊物料或低灰分大塊同少量粗糙顆料的混合物料，其最大處理量是500kg/h。目前歐洲的一些國家已用于商業(yè)運行。上吸式固定床氣化爐的特點是氣體的流動方向與物料運動方向相反。向下流動的生物質原料被向上流動的熱氣體烘干、裂解。在氣休爐底部，固定碳與空氣中的氧氣進行不完全燃燒、氣化，產生可燃氣體。因為原料在干燥層和熱解層可以充分利用還原反應氣體的余熱，可燃氣體在出口處的溫度可以降至300以下，所以上吸式固定床氣化爐的熱效率比其它固定床氣化爐的高。且對原料要求不很嚴格，但是上吸式氣化爐燃氣中焦油含量較高，需作進一步凈化處理。上吸式氣化爐目前沒有較大的型號，但在原理上其容量不受限制。該種氣化爐主要應用于歐洲及東南亞一些國家。橫吸式固定床氣化爐的特點是空氣由側方向供給，產出氣體由側向流出。氣體流橫向通過燃燒氣化區(qū)。它主要用于木炭氣化。在南美洲應用廣泛并投入商業(yè)運行。開心式固定床化爐同下吸式相似，氣流同物料一起向下流動。但是由轉動爐柵代替了喉管區(qū)。主要反應在爐柵上部的燃燒區(qū)進行。結構簡單而且運行可靠。它是由我國研制的，主要用于稻殼氣化，并已投入商業(yè)運行多年。1.2.2 流化床氣化爐流化床氣化爐具有氣、固接觸，混合均勻和反應速度快、氣化效率高的優(yōu)點，是唯一在恒溫床上進行反應的氣化爐，反應溫度為700850，原料要求相當小的顆粒。其氣化反應在流化床內進行，產生的焦油也可在流化床內裂解。流化介質一般選用惰性材料（如砂子），由于灰渣的熱性質易發(fā)生床結渣而喪失流化床功能，因此要控制好運行溫度。流化床氣化爐分單床氣化爐、循環(huán)氣化爐和雙床氣化爐。單床氣化爐只有一個流化床，氣化后生成的氣化氣直接進入凈化系統(tǒng)中；循環(huán)流化床的流化速度較高，能使產出氣體中帶走大量固體，經旋風分離器后使這些固體返回流化床，與單床相比，提高了碳的轉化率，適用于顆粒度較小物料的氣化；雙流化床與循環(huán)床相似，不同的是第1級反應器的流化介質被第2級反應器加熱。在第1級反應器中進行裂解反應。第2級反應器中進行氣化反應，雙流化床的碳轉化率也很高。1.2.3 攜帶床氣化爐攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，它不使用惰性材料，提供的氣化劑直接吹動生物質原料，屬于氣流輸送。該氣化爐要求原料破碎成細小的顆粒，其運行溫度高達成11001300，產出氣體中焦油成分及冷凝物含量很低，碳轉化率可達100%。由于運行溫度高易燒結，故選材較難。2 生物質燃氣的凈化技術 不同氣化爐及不同氣化方式產出的氣體成分和熱值也不相同，其熱值一般在5MJ/m315MJ/m3。生物質氣化產生的氣體成分大致如下：CO：15%23%；H2：8%13%；CH4：1%3%；CO2：11%14%；O2：1.6%。其余基本為氮氣。氣化爐溫度越高，H2含量越高，焦油含量越少，氣化爐溫度達到1200時，H2含量可達到20%。目前的生物質氣化技術中焦油含量普遍較高，使得后續(xù)的凈化和使用都比較麻煩。針對這一特點，采取催化裂解法，將秸稈等生物質廢料轉化為焦油含量很低的燃氣。2.1 水洗除焦 在噴淋塔中將水與生物質燃氣相接觸，將其中的焦油去除。此方法在技術上成熟可靠，且集除塵、除焦和冷卻三項功能于一身，是中小氣化系統(tǒng)采用較多的一項技術。主要缺點是會產生廢水，造成能量的浪費和二次污染問題。2.2 過濾除焦將生物質燃氣通過裝有吸附性強的材料（如活性炭、濾紙和陶瓷芯）的過濾器將焦油過濾出來，具有除塵和除焦兩項功能，且過濾效率較高。主要缺點是需要經常更換過濾材料。為了防止產生廢物，可以選擇生物質作為過濾材料，如粉碎的玉米芯等。2.3 靜電除焦在高壓靜電下將生物質氣電離，使焦油小液滴帶上電荷，小液滴聚合在一起形成大液滴，并在重力的作用下從燃氣中分離出來。其效率較高，可達到90%以上。但生物質燃氣中氧的含量不得超過1%，否則靜電放電容易點著燃氣，導致爆炸。故靜電除焦操作起來比較困難。2.4 催化裂解除焦催化裂解法除焦是目前最先進的除焦技術。焦油在10001200時可熱解為小分子氣體，但實現(xiàn)這樣高的溫度比較困難。催化裂解是利用催化劑的作用，在800900時發(fā)生熱解反應。其效率可達99%以上。熱解的產物為可燃氣，可以直接利用。催化劑多采用木炭、白云石和鎳基催化劑。另外，對大部分焦油成分來講，水蒸氣在裂解過程中有利于焦油的裂解和可燃氣的產生，它和焦油的某些成分發(fā)生反應，生成CO和H2等可燃氣體。3 生物質燃氣用于內燃機發(fā)電技術不同的氣化設備和不同的工藝流程以及同一氣化爐，不同的原料都可導致生物質燃氣的不同和應用場合的不同。生物質燃氣主要用于提供熱量、集中供氣、氣化發(fā)電和化工原料氣。生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)項目是國家科技部“九五”期間在可再生能源技術領域的重大項目和研究課題。礦物能源的使用帶來了環(huán)境污染、全球溫室效應的惡果，生物質能是人類最早利用也是最大量使用的可再生能源，具有二氧化碳零排放、綠色環(huán)保能源的美譽。它利用木屑、玉米秸稈、谷殼等廢棄物經化合反應生成生物質氣，可廣泛用于燃氣、取暖、照明、發(fā)電以及制造新型能源材料?，F(xiàn)就山東省科學院能源研究所180GF-RFm型秸稈氣發(fā)電機組現(xiàn)場試驗情況對生物質燃氣用于內燃機發(fā)電的技術做一介紹。內燃式發(fā)電機組采用勝利油田動力機械有限公司專門研制的180GF-RFm型秸稈氣發(fā)電機組。180GF-RFm型燃氣發(fā)電機組保留了原柴油機結構緊湊、可靠性高和動力性好的優(yōu)點，機器通用化程度較高。該機型于2004年10月開始開發(fā)、設計。首臺180GF-RFm型生物質氣發(fā)電機組于2005年4月交付山東省科學院能源研究所，用于生物質氣發(fā)電試驗。目前該機組經前期現(xiàn)場調試與試驗改進，功率190kW穩(wěn)定運行，機組的各項參數理想。180GF-RFm型燃氣發(fā)電機組，其關鍵的創(chuàng)新內容為：采用電控技術，確保機組工作時對發(fā)動機進氣進行精確控制；采用高H2燃氣防爆技術，確保機組的防爆安全性。采用TEM電子管理控制系統(tǒng)，機組的自動化程度很高。發(fā)動機各主要部件配置情況如下：進氣部分：采用空氣過濾、空氣和煤氣混合后增壓方式。燃氣的進氣控制為閉環(huán)控制，通過溫度反饋調節(jié)燃氣進氣量來調節(jié)空燃比，從而達到控制燃燒的目的、實現(xiàn)各缸工作均勻。進氣管的一端設有自動復位的防爆裝置，當進氣管發(fā)生回火時，防爆們自動打開，爆炸的高溫氣流從防爆門排出，起到卸壓和滅火的作用，確保機組在發(fā)生回火時，仍可以在不停機的情況下正常運行。排氣部分：排氣管上設有6個排溫檢測接口。增壓系統(tǒng)：采用脈沖混流式增壓器，滿足發(fā)動機的要求。調速系統(tǒng)：調速系統(tǒng)采用GAC電子調速系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)：借鑒天然氣機的成熟經驗。針對生物質燃氣H2含量高的特點，重新設計凸輪軸，減少氣門重疊角。點火部分：采用美國ALTRONIC公司的磁電機點火系統(tǒng)，包括磁電機、高壓線圈、火花塞等進口部件，運行安全可靠。冷卻部分：采用原天然氣機大流量高溫水泵，作為循環(huán)動力，外部循環(huán)采用熱交換器進行冷卻換熱，由冷卻塔冷卻或做余熱利用。啟動部分：采用DC24V、ST710電啟動馬達啟動，啟動扭矩大，易于冷啟動?；钊B桿部分：根據其他燃氣機的經驗，結合點火提前角等因素，確定理想的活塞壓縮比。機組配套方案如下：發(fā)電機：選用按西門子許可證制造的1FC6系列無刷同步恒壓三相交流發(fā)電機?？刂破粒哼x用動力機械有限公司專門研制的PLT控制屏。具有多重自動保護功能。TEM控制系統(tǒng)：實現(xiàn)對機組全部參數的自動采集、顯示等功能。同時實現(xiàn)發(fā)動機空燃比的自動精確調整。監(jiān)控儀：對發(fā)動機進行適時監(jiān)控，可實現(xiàn)聲光報警、遠傳報警等功能。這些先進技術的應用，解決了秸稈氣含H2高、壓力低的問題，保證了180GF-RFm型燃氣發(fā)電機組在秸稈氣領域應用的技術先進性。同時有效解決了高H2氣體在燃氣發(fā)動機利用過程中所發(fā)生的回火和“放炮”現(xiàn)象。表1為發(fā)電機組運行參數。按160kW，日耗秸稈量為6070kg/d，全年8000h計算，年消耗秸稈2023噸，氣化爐產氣量為600m3/h，氣柜容積150m3。發(fā)電規(guī)模200kW，耗氣600 m3/ h，秸稈氣（低熱值）平均按5200kJ/m3計算，1 m3 可發(fā)電0.43表1 發(fā)電機組運行參數日期時間頻率Hz發(fā)電機功率kW排溫1排溫2排溫3排溫4排溫5排溫62005-12-1014:32:4149.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4249.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4349.81193.23535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4449.81193.23535.5565.1539.2524.5531525.52005-12-1014:32:4549.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4649.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4749.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4849.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4949.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5049.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5149.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5249.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5349.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5449.81194.4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5549.81194.4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5649.81194.4536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5749.81195.43536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5849.81195.43536.5566.1540.2525.5532526.