第6章 生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)

1、1第第6章章 生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換與控制技術(shù) 2 3 6.1 生物質(zhì)能簡介生物質(zhì)能簡介6.2 生物質(zhì)能的開發(fā)利用與應(yīng)用前景生物質(zhì)能的開發(fā)利用與應(yīng)用前景6.3 生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用6.4 生物質(zhì)能發(fā)電的經(jīng)濟技術(shù)性評價生物質(zhì)能發(fā)電的經(jīng)濟技術(shù)性評價 4 6 6.1.1. .1 1 生物質(zhì)能的概念生物質(zhì)能的概念 生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。目前廣泛使用的化石能源如煤、石油和天部的能量。目前廣泛使用的化石能源如

2、煤、石油和天然氣等，也是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變而來的。然氣等，也是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變而來的。 生物質(zhì)能的優(yōu)點是燃燒容易、污染少、灰分較低；生物質(zhì)能的優(yōu)點是燃燒容易、污染少、灰分較低；缺點是熱值及熱效率低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅缺點是熱值及熱效率低，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為為1030，體積大而且不易運輸。，體積大而且不易運輸。 5 利用生物質(zhì)能的方式有：利用生物質(zhì)能的方式有：直接燃燒方式 物化轉(zhuǎn)換方式生化轉(zhuǎn)化方式植物油利用方式 6生物質(zhì)能是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、生物質(zhì)能是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，石油和天然氣而居于世界能源消

3、費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能是可持續(xù)能在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能是可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分，到源系統(tǒng)的重要組成部分，到2121世紀中葉，采用新技術(shù)生世紀中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的4040 以上。以上。我國是一個人口大國，伴隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，正在面我國是一個人口大國，伴隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，正在面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，改變能源結(jié)構(gòu)、臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，改變能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔

4、能源資源對建立可持續(xù)供給的能源系統(tǒng)，促進國民經(jīng)濟發(fā)源資源對建立可持續(xù)供給的能源系統(tǒng)，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。展和環(huán)境保護具有重大意義。 6.1.2 生物質(zhì)能在能源系統(tǒng)中的地位生物質(zhì)能在能源系統(tǒng)中的地位 7 6.1.3 生物質(zhì)能存在形式生物質(zhì)能存在形式u 森林能源及其廢棄物森林能源及其廢棄物u 農(nóng)作物及其副產(chǎn)物農(nóng)作物及其副產(chǎn)物u 禽畜糞便禽畜糞便u生活垃圾生活垃圾u (水生植物水生植物)u (油料植物油料植物) 8 由于我國地廣人多，常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)由于我國地廣人多，常規(guī)能源不可能完全滿足廣大農(nóng)村日益增長的需求，而且由于國際上各種有關(guān)環(huán)境問題村日益增長的需求，而且由于

5、國際上各種有關(guān)環(huán)境問題的公約，限制的公約，限制COCO2 2等溫室氣體排放，這就要求改變以煤炭等溫室氣體排放，這就要求改變以煤炭為主要能源的傳統(tǒng)格局。因此，立足于農(nóng)村現(xiàn)有的生物為主要能源的傳統(tǒng)格局。因此，立足于農(nóng)村現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)新型裝備既是農(nóng)村發(fā)質(zhì)資源，研究新型轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)新型裝備既是農(nóng)村發(fā)展的迫切需要，又是減少排放、保護環(huán)境、實施可持續(xù)展的迫切需要，又是減少排放、保護環(huán)境、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。發(fā)展戰(zhàn)略的需要。 生物質(zhì)能的開發(fā)和利用，也就是生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技生物質(zhì)能的開發(fā)和利用，也就是生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為人們所需要的熱能或進一步轉(zhuǎn)化術(shù)，將生物質(zhì)能

6、轉(zhuǎn)化為人們所需要的熱能或進一步轉(zhuǎn)化為清潔二次能源，如電能。為清潔二次能源，如電能。 6.2 6.2 生物質(zhì)能開發(fā)利用前景生物質(zhì)能開發(fā)利用前景9 1 1生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化的能源形式生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化的能源形式l直接燃燒獲取熱能直接燃燒獲取熱能 l沼氣沼氣 l乙醇乙醇 l甲醇甲醇 l生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃氣體及裂解產(chǎn)品生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的可燃氣體及裂解產(chǎn)品 2 2生物質(zhì)能的實用轉(zhuǎn)化技術(shù)生物質(zhì)能的實用轉(zhuǎn)化技術(shù)l 生物質(zhì)壓縮成型和固體燃料制取技術(shù)生物質(zhì)壓縮成型和固體燃料制取技術(shù) l 生物質(zhì)氣化技術(shù)生物質(zhì)氣化技術(shù)l 生物質(zhì)熱裂解液化制取生物油技術(shù)生物質(zhì)熱裂解液化制取生物油技術(shù) l 干濕法厭氧消化制取沼氣技術(shù)干濕法厭氧

7、消化制取沼氣技術(shù) 10 生物質(zhì)燃氣爐生物質(zhì)燃氣爐生物質(zhì)水暖鍋爐生物質(zhì)水暖鍋爐11 生物質(zhì)潔燃鍋爐生物質(zhì)潔燃鍋爐生物質(zhì)潔燃氣化鍋爐生物質(zhì)潔燃氣化鍋爐123. 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用前景生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用前景 高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備高效直接燃燒技術(shù)和設(shè)備 薪材集約化綜合開發(fā)利用薪材集約化綜合開發(fā)利用 生物質(zhì)能的液化、氣化等新技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能的液化、氣化等新技術(shù)開發(fā)利用 城市生活垃圾的開發(fā)利用城市生活垃圾的開發(fā)利用 能源植物的開發(fā)能源植物的開發(fā) 13 4我國發(fā)展和利用生物質(zhì)能源的意義我國發(fā)展和利用生物質(zhì)能源的意義 （1）拓寬農(nóng)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域、增加農(nóng)民收入 （2）緩解我國能源短缺、保證能源安全 （

8、3）治理有機廢棄物污染、保護生態(tài)環(huán)境 （4）廣泛應(yīng)用生物技術(shù)、發(fā)展基因工程 14 作為新世紀的可替代能源之一，生物質(zhì)能占到全世界作為新世紀的可替代能源之一，生物質(zhì)能占到全世界總能耗的總能耗的15%15%，數(shù)量相當巨大，是，數(shù)量相當巨大，是2121世紀能源供應(yīng)中最具世紀能源供應(yīng)中最具潛力的能源。因它來自自然界，無污染，同時又是可再潛力的能源。因它來自自然界，無污染，同時又是可再生能源而引起各國的重視。根據(jù)生能源而引起各國的重視。根據(jù)EL InsightsEL Insights于于20102010年年9 9月發(fā)布的報告，從月發(fā)布的報告，從20102010年到年到20152015年，全球生物制造市場

9、年，全球生物制造市場預(yù)計將從預(yù)計將從5,7295,729億美元增加至億美元增加至6,9376,937億美元，相當于在此億美元，相當于在此期間的復(fù)合年增長率期間的復(fù)合年增長率(CAGR)(CAGR)為為3.9%3.9%。在今后幾年，生物。在今后幾年，生物質(zhì)在生物發(fā)電、生物燃料和生物產(chǎn)品部門應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋筚|(zhì)在生物發(fā)電、生物燃料和生物產(chǎn)品部門應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓鲩L，生物質(zhì)發(fā)電的市場價值將從幅增長，生物質(zhì)發(fā)電的市場價值將從20102010年年450450億美元增億美元增加到加到20202020年年530530億美元。億美元。 5、世界生物質(zhì)能發(fā)展前景與利用現(xiàn)狀世界生物質(zhì)能發(fā)展前景與利用現(xiàn)狀15v 美國國會于

10、美國國會于2008年年5月通過一項包括加速開發(fā)生物質(zhì)能源的法案，要月通過一項包括加速開發(fā)生物質(zhì)能源的法案，要求到求到2018年后，把從石油中提煉出來的燃油消費量減少年后，把從石油中提煉出來的燃油消費量減少20%，代之，代之以生物燃油。據(jù)以生物燃油。據(jù)2010年美國能源展望年美國能源展望，到，到2035年美國可用生物年美國可用生物燃料滿足液體燃料總體需求量增長，乙醇占石油消費量的燃料滿足液體燃料總體需求量增長，乙醇占石油消費量的17%，使美，使美國對進口原油的依賴在未來國對進口原油的依賴在未來25年內(nèi)下降至年內(nèi)下降至45%。v 瑞典是世界上道路交通最不依賴于化石燃料的國家之一，據(jù)報道，瑞典是世界

11、上道路交通最不依賴于化石燃料的國家之一，據(jù)報道，2009年，瑞典政府批準了一項計劃，到年，瑞典政府批準了一項計劃，到2020年將使可再生能源達到年將使可再生能源達到該國能源消費總量的該國能源消費總量的50%。此外，該國旨在到。此外，該國旨在到2030年使其運輸部門年使其運輸部門完全不依賴于進口化石燃料。至完全不依賴于進口化石燃料。至2009年，生物質(zhì)已超過石油，成為年，生物質(zhì)已超過石油，成為第一位的能源來源，占瑞典能源消費總量的第一位的能源來源，占瑞典能源消費總量的32%。 為了促進可再生能源的發(fā)展，許多國家制定了相應(yīng)的為了促進可再生能源的發(fā)展，許多國家制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，明確了可再生

12、能源發(fā)展目標。如美國、發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，明確了可再生能源發(fā)展目標。如美國、瑞典、丹麥、印度、巴西、歐洲等國已走在世界前列。瑞典、丹麥、印度、巴西、歐洲等國已走在世界前列。16v 丹麥正準備在全國前丹麥正準備在全國前5 5大城市，逐步減少并淘汰燃煤發(fā)電站，要求發(fā)大城市，逐步減少并淘汰燃煤發(fā)電站，要求發(fā)電站進行技術(shù)改造，使用生物燃料替代煤和燃油，作為城市生產(chǎn)和生電站進行技術(shù)改造，使用生物燃料替代煤和燃油，作為城市生產(chǎn)和生活的主要能源來源。活的主要能源來源。v 印度于印度于20042004年開始了石油和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的年開始了石油和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的“無聲革命無聲革命”，制訂了，制訂了20112011年年全國運輸燃

13、料中必須添加全國運輸燃料中必須添加10%10%乙醇的法令。乙醇的法令。v 巴西所有汽油中都強制加入了巴西所有汽油中都強制加入了25%25%的乙醇，的乙醇，20102010年起所有普通柴油中年起所有普通柴油中生物柴油的比例也達到生物柴油的比例也達到5%5%，提前三年進入，提前三年進入B5B5時代。憑借生物能源這張時代。憑借生物能源這張王牌，巴西政府表示有信心實現(xiàn)到王牌，巴西政府表示有信心實現(xiàn)到20202020年減排年減排36%36%的目標。的目標。v 在利用生物質(zhì)能方面歐洲取得了很多驕人的成績。在利用生物質(zhì)能方面歐洲取得了很多驕人的成績。20002000年到年到20042004年間，年間，歐洲利

14、用生物質(zhì)能的發(fā)電量從歐洲利用生物質(zhì)能的發(fā)電量從40%40%增加到了增加到了68%68%。歐洲生物質(zhì)能協(xié)會預(yù)。歐洲生物質(zhì)能協(xié)會預(yù)計計20202020年生物質(zhì)能的貢獻將會從現(xiàn)在的年生物質(zhì)能的貢獻將會從現(xiàn)在的7272百萬噸增長到百萬噸增長到220220百萬噸油百萬噸油當量，這是生物質(zhì)能發(fā)熱和發(fā)電的最大比例，相當于生物燃料的當量，這是生物質(zhì)能發(fā)熱和發(fā)電的最大比例，相當于生物燃料的15%15%。17 6.3 生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用生物質(zhì)能的發(fā)電及應(yīng)用由于電能具有清潔、易傳輸、易使用等優(yōu)良特由于電能具有清潔、易傳輸、易使用等優(yōu)良特性，只要提供電能，幾乎所有的設(shè)備都可以滿性，只要提供電能，幾乎所有的設(shè)備都可以

15、滿足各自的需要。因而生物質(zhì)能除了直接轉(zhuǎn)化成足各自的需要。因而生物質(zhì)能除了直接轉(zhuǎn)化成熱能供消費外，最終消費形式還是以轉(zhuǎn)化成電熱能供消費外，最終消費形式還是以轉(zhuǎn)化成電能為主。生物質(zhì)能的發(fā)電主要有沼氣發(fā)電、垃能為主。生物質(zhì)能的發(fā)電主要有沼氣發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電以及生物質(zhì)燃料發(fā)電等形式?；贌l(fā)電以及生物質(zhì)燃料發(fā)電等形式。18 沼氣發(fā)電：沼氣發(fā)電：19 沼氣發(fā)電：沼氣發(fā)電：20 6.3.1 6.3.1 沼氣發(fā)電、電能變換與控制策略沼氣發(fā)電、電能變換與控制策略1 1沼氣的產(chǎn)生原理沼氣的產(chǎn)生原理沼氣是由多種厭氧微生物混合作用產(chǎn)生發(fā)酵而產(chǎn)生的。在這些厭沼氣是由多種厭氧微生物混合作用產(chǎn)生發(fā)酵而產(chǎn)生的。在這些厭氧

16、微生物中，按微生物的作用不同，可分為纖維素分解菌、脂肪氧微生物中，按微生物的作用不同，可分為纖維素分解菌、脂肪分解菌和果膠分解菌等。在發(fā)酵過程中，這些微生物相互協(xié)調(diào)、分解菌和果膠分解菌等。在發(fā)酵過程中，這些微生物相互協(xié)調(diào)、分工合作，完成沼氣發(fā)酵過程。分工合作，完成沼氣發(fā)酵過程。 沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的物質(zhì)主要有三種：一是沼氣，以甲烷和沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的物質(zhì)主要有三種：一是沼氣，以甲烷和COCO2 2為主，為主，其中甲烷含量在其中甲烷含量在55557070，是一種清潔能源；二是消化液（沼，是一種清潔能源；二是消化液（沼液），含可溶性液），含可溶性N N、P P、K K，是優(yōu)質(zhì)肥料；三是消化污泥（沼渣），是優(yōu)

17、質(zhì)肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌體、難分解的有機殘渣和無機物，是一種優(yōu)良有機主要成分是菌體、難分解的有機殘渣和無機物，是一種優(yōu)良有機肥，具有土壤改良功效，沼氣的生成物有很高的應(yīng)用價值。肥，具有土壤改良功效，沼氣的生成物有很高的應(yīng)用價值。 21 圖圖5-15-1為我國農(nóng)村推廣使用的水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)。正常情況下，這為我國農(nóng)村推廣使用的水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)。正常情況下，這種家用沼氣池在中國南方可年產(chǎn)沼氣種家用沼氣池在中國南方可年產(chǎn)沼氣250300m3，提供一個農(nóng)戶，提供一個農(nóng)戶810個月的生活燃料。個月的生活燃料。 圖圖5-1 5-1 水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)水壓式沼氣池結(jié)構(gòu) 1進料口進料口 20

18、壓水位壓水位 3輸出閥門輸出閥門 4蓋板蓋板 5溢流口溢流口 6貯留室貯留室 7水壓箱水壓箱 8滲井滲井 9發(fā)酵室發(fā)酵室 10貯氣室貯氣室22沼氣發(fā)酵有四個特點：沼氣發(fā)酵有四個特點： 沼氣微生物自身耗能少沼氣微生物自身耗能少沼氣發(fā)酵能夠處理高濃度的有機廢物沼氣發(fā)酵能夠處理高濃度的有機廢物 沼氣發(fā)酵能處理的廢物種類多沼氣發(fā)酵能處理的廢物種類多 沼氣發(fā)酵受溫度影響較大沼氣發(fā)酵受溫度影響較大 232 2沼氣發(fā)電的實現(xiàn)沼氣發(fā)電的實現(xiàn) 沼氣發(fā)電主要有沼氣發(fā)電主要有沼氣燃燒發(fā)電沼氣燃燒發(fā)電與與沼氣燃料電池發(fā)電沼氣燃料電池發(fā)電兩大形式。兩大形式。(1)(1)沼氣燃燒發(fā)電沼氣燃燒發(fā)電 沼氣以燃燒方式進行發(fā)電，

19、是利用沼氣燃燒產(chǎn)生的熱能直沼氣以燃燒方式進行發(fā)電，是利用沼氣燃燒產(chǎn)生的熱能直接或間接地轉(zhuǎn)化為機械能并帶動發(fā)電機而發(fā)電。沼氣可以被多接或間接地轉(zhuǎn)化為機械能并帶動發(fā)電機而發(fā)電。沼氣可以被多種動力設(shè)備使用，如內(nèi)燃機、燃氣輪機、鍋爐等。圖種動力設(shè)備使用，如內(nèi)燃機、燃氣輪機、鍋爐等。圖5-2 5-2 是采是采用沼氣發(fā)動機（內(nèi)燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發(fā)電用沼氣發(fā)動機（內(nèi)燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發(fā)電的結(jié)構(gòu)示意圖，燃料燃燒釋放的熱量通過動力發(fā)電機組和熱交的結(jié)構(gòu)示意圖，燃料燃燒釋放的熱量通過動力發(fā)電機組和熱交換器轉(zhuǎn)換再利用，相對于不進行余熱利用的機組，其綜合熱效換器轉(zhuǎn)換再利用，相對于不進行余

20、熱利用的機組，其綜合熱效率要高。從圖中可見，采用發(fā)動機方式的結(jié)構(gòu)最簡單，而且還率要高。從圖中可見，采用發(fā)動機方式的結(jié)構(gòu)最簡單，而且還具有成本低、操作簡便等優(yōu)點。具有成本低、操作簡便等優(yōu)點。24 圖圖52 沼氣燃燒發(fā)電類型沼氣燃燒發(fā)電類型25 圖圖52 沼氣燃燒發(fā)電類型沼氣燃燒發(fā)電類型(續(xù)續(xù))26 圖圖5 53 3 是采用不同種類動力發(fā)電裝置的效率比較。從中可見，是采用不同種類動力發(fā)電裝置的效率比較。從中可見，在在40004000 kW kW 以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機具有較高的利用效率。以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機具有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點是功率小，對于這種類

21、相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點是功率小，對于這種類型的發(fā)電動力設(shè)備，國際上普遍采用內(nèi)燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否型的發(fā)電動力設(shè)備，國際上普遍采用內(nèi)燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否則在經(jīng)濟性上不可行。則在經(jīng)濟性上不可行。圖圖53 不同動力設(shè)備的能量利用率不同動力設(shè)備的能量利用率27 沼氣與幾種典型燃氣低位熱值與燃沼氣與幾種典型燃氣低位熱值與燃空混合氣低位熱值的比較空混合氣低位熱值的比較情況如表情況如表51 所示。沼氣的主要成份是甲烷，從表所示。沼氣的主要成份是甲烷，從表51中可以知道，中可以知道，它的低位熱值僅次于天然氣，而在燃燒時，其燃它的低位熱值僅次于天然氣，而在燃燒時，其燃空混合氣的低位熱空混

22、合氣的低位熱值也是比較高的，因而沼氣是一種優(yōu)質(zhì)的燃氣。值也是比較高的，因而沼氣是一種優(yōu)質(zhì)的燃氣。表表5 51 1 幾種典型燃氣及燃幾種典型燃氣及燃空混合氣的低位熱值比較空混合氣的低位熱值比較28 典型的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程如圖典型的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程如圖5 54 4所示。沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要所示。沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由消化池、貯氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、沼氣鍋爐、廢熱回由消化池、貯氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、預(yù)熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等）、脫硫化收裝置（冷卻器、預(yù)熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等）、脫硫化氫及二氧

23、化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。氫及二氧化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。圖圖54 沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程圖沼氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)的工藝流程圖29 圖圖55是廣東省佛山市利是廣東省佛山市利用城市垃圾綜合處理產(chǎn)生沼用城市垃圾綜合處理產(chǎn)生沼氣，用于發(fā)電的工藝流程圖氣，用于發(fā)電的工藝流程圖。 1污泥進料口污泥進料口 2發(fā)酵池發(fā)酵池3循環(huán)管道循環(huán)管道 4循環(huán)泵循環(huán)泵 5溢流管溢流管 6沼氣儲氣罐沼氣儲氣罐7沼氣發(fā)動機沼氣發(fā)動機 8三相交流發(fā)電機三相交流發(fā)電機 9消化污泥閥消化污泥閥10沉淀池沉淀池 11溢流管溢流管 12排渣閥排渣閥13貯留池貯留池 14排污

24、管排污管圖圖5-5 沼氣發(fā)電工藝流程圖沼氣發(fā)電工藝流程圖30 圖圖56是利用沼氣是利用沼氣與天然氣雙氣源的鍋爐，與天然氣雙氣源的鍋爐，在沼氣可以滿足鍋爐燃燒在沼氣可以滿足鍋爐燃燒要求時，采用由沼氣供氣要求時，采用由沼氣供氣的方式；當沼氣不能滿足的方式；當沼氣不能滿足鍋爐燃燒要求時，切換至鍋爐燃燒要求時，切換至天然氣供氣方式。這種方天然氣供氣方式。這種方式是共用了一個燃燒器，式是共用了一個燃燒器，即采用一拖二的方式使兩即采用一拖二的方式使兩種氣源合用一個燃燒控制種氣源合用一個燃燒控制器。器。 圖圖56 沼氣與天然氣雙氣源鍋爐沼氣與天然氣雙氣源鍋爐 31 鍋爐燃燒產(chǎn)生高溫高壓飽和蒸汽，進入蒸汽輪機

25、，并鍋爐燃燒產(chǎn)生高溫高壓飽和蒸汽，進入蒸汽輪機，并帶動發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)電。其實現(xiàn)發(fā)電原理的控制框帶動發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)電。其實現(xiàn)發(fā)電原理的控制框圖如圖圖如圖57所示。所示。沼氣發(fā)生裝沼氣發(fā)生裝置置沼氣儲存裝沼氣儲存裝置置氣氣源源自自動動選選擇擇天然氣供氣系天然氣供氣系統(tǒng)統(tǒng)溫度控制溫度控制發(fā)酵反應(yīng)控發(fā)酵反應(yīng)控制制燃燃燒燒控控制制器器鍋鍋爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)蒸蒸汽汽輪輪機機發(fā)發(fā)電電機機中 央 控 制中 央 控 制器器控制電源系控制電源系統(tǒng)統(tǒng)供用戶供用戶或并網(wǎng)或并網(wǎng)圖圖5 57 7 沼氣和天然氣雙氣源鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖沼氣和天然氣雙氣源鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖 32 沼氣發(fā)電機原理：沼氣發(fā)電機原理：

26、33 （2 2）沼氣燃料電池發(fā)電）沼氣燃料電池發(fā)電 燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學(xué)能直接燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當源源不斷地從外部向燃料電池轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它就可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解供給燃料和氧化劑時，它就可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸型燃料質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池及電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池等。沼氣燃料電池是將沼氣化學(xué)質(zhì)子交換膜燃料電池等。沼氣燃料電池是將沼氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換為

27、電能的一種裝置，它所用的能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，它所用的“燃料燃料”并不燃并不燃燒，而是直接產(chǎn)生電能。燒，而是直接產(chǎn)生電能。 34 表表52 PC25TMC 主要性能及技術(shù)指標主要性能及技術(shù)指標 廣州市番禺水門種豬廣州市番禺水門種豬場正在建設(shè)的由日本場正在建設(shè)的由日本政府提供的政府提供的 200 kW 的沼氣燃料電池裝置。的沼氣燃料電池裝置。該該200 kW 燃料電池設(shè)燃料電池設(shè)備由東芝公司下屬的備由東芝公司下屬的 ONSI 公司提供，型號公司提供，型號為為 PC25TMC，主要，主要技術(shù)指標技術(shù)指標,見表見表52。 35沼氣燃料電池系統(tǒng)的組成沼氣燃料電池系統(tǒng)的組成燃料處理單元燃料處理單元發(fā)電

28、單元發(fā)電單元電流轉(zhuǎn)換單元電流轉(zhuǎn)換單元 36 1）燃料處理單元。該單元主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化）燃料處理單元。該單元主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，反應(yīng)過程如式劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣，反應(yīng)過程如式51 (參與反應(yīng)的水蒸汽參與反應(yīng)的水蒸汽來自發(fā)電單元來自發(fā)電單元) 422223( )7NiCHH O gHCOCO 為了降低為了降低CO的濃度，在銅和鋅的催化作用下，混合氣體在改的濃度，在銅和鋅的催化作用下，混合氣體在改質(zhì)器后的變成器中得到進一步的改良，反應(yīng)式如式質(zhì)器后的變成器中得到進一步的改良，反應(yīng)式如式 ,222227( )82Cu ZnHCOCOH O gHCO (5-1

29、)(5-2)37 2）發(fā)電單元。發(fā)電單元基本部件由兩個電極和電解質(zhì)組成，氫）發(fā)電單元。發(fā)電單元基本部件由兩個電極和電解質(zhì)組成，氫氣和氧化劑氣和氧化劑(O2)在兩個電極上進行電化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)則構(gòu)成在兩個電極上進行電化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)則構(gòu)成電池的內(nèi)回路，其工作原理簡圖如圖電池的內(nèi)回路，其工作原理簡圖如圖58所示。電解質(zhì)可采用所示。電解質(zhì)可采用磷酸，其發(fā)電效率雖然較低，但溫度低磷酸，其發(fā)電效率雖然較低，但溫度低(約約200)。在磷酸電解。在磷酸電解質(zhì)中，電池反應(yīng)為質(zhì)中，電池反應(yīng)為 +2(g)2+2eHH +221(g)+2+2e22OHH O 陽極陽極陰極陰極(5-3)(5-4)圖圖58 沼氣燃料電

30、池（磷酸型燃料電池）工作原理沼氣燃料電池（磷酸型燃料電池）工作原理 38 3） 電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。主要任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。主要任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負載使用還可以實現(xiàn)并網(wǎng)供電。電，供交流負載使用還可以實現(xiàn)并網(wǎng)供電。 沼氣燃料電池所用的沼氣，其純度要求較高，因而需沼氣燃料電池所用的沼氣，其純度要求較高，因而需要對沼氣進行提純。雙塔式吸收法是沼氣提純的一種簡單而要對沼氣進行提純。雙塔式吸收法是沼氣提純的一種簡單而有效的方法，裝置簡圖如圖有效的方法，裝置簡圖如圖5 59 9所示。這種裝置具有組成簡所示。這種裝置具有組成簡單、成本低、操作簡便的特點。第一吸收塔用處理水吸收大單

31、、成本低、操作簡便的特點。第一吸收塔用處理水吸收大部分部分COCO2 2和和H H2 2S S，第二吸收塔用，第二吸收塔用NaOHNaOH水溶液溶解吸收，這樣可節(jié)水溶液溶解吸收，這樣可節(jié)省省NaOHNaOH的用量。用此裝置提純沼氣，的用量。用此裝置提純沼氣，CHCH4 4的回收率高，系統(tǒng)運的回收率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。行穩(wěn)定可靠。 393 3沼氣發(fā)電的控制策略沼氣發(fā)電的控制策略 圍繞著提高沼氣燃燒發(fā)電或沼氣燃料電池的轉(zhuǎn)化效率，圍繞著提高沼氣燃燒發(fā)電或沼氣燃料電池的轉(zhuǎn)化效率，沼氣發(fā)電的控制主要從以下兩個方面進行考慮：沼氣發(fā)電的控制主要從以下兩個方面進行考慮：（1 1）凈化及提純沼氣）凈化及提純沼

32、氣 沼氣發(fā)動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合沼氣發(fā)動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合 1 1）沼氣的凈化處理。）沼氣的凈化處理。 2 2）沼氣發(fā)電機組的防腐處理。）沼氣發(fā)電機組的防腐處理。 3 3）電控混合器技術(shù)。）電控混合器技術(shù)。 40 圖圖59雙塔式吸收法提純沼氣雙塔式吸收法提純沼氣 41 圖圖510 沼氣熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)沼氣熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng) 利用沼氣熱、電、利用沼氣熱、電、冷三聯(lián)供，提高沼冷三聯(lián)供，提高沼氣發(fā)電系統(tǒng)的總體氣發(fā)電系統(tǒng)的總體利用率，系統(tǒng)如圖利用率，系統(tǒng)如圖510所示。所示。 42(2)(2)沼氣燃料電池的發(fā)電控制沼氣燃料電池的發(fā)電控制 一套完整的沼氣燃

33、料電池發(fā)電系統(tǒng)除了具備沼氣燃料電一套完整的沼氣燃料電池發(fā)電系統(tǒng)除了具備沼氣燃料電池組、沼氣供氣系統(tǒng)、沼氣凈化及提純系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓器、池組、沼氣供氣系統(tǒng)、沼氣凈化及提純系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓器、逆變器以及冷卻系統(tǒng)之外，最重要的是燃料電池控制器，這逆變器以及冷卻系統(tǒng)之外，最重要的是燃料電池控制器，這樣才能對系統(tǒng)中的氣、水、電、熱等進行綜合管理，形成能樣才能對系統(tǒng)中的氣、水、電、熱等進行綜合管理，形成能夠自動運行的發(fā)電系統(tǒng)。其交流發(fā)電系統(tǒng)如圖夠自動運行的發(fā)電系統(tǒng)。其交流發(fā)電系統(tǒng)如圖5 51111所示。所示。 43 圖圖511 沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)框圖沼氣燃料電池的交流發(fā)電系統(tǒng)框圖 446.3.2 6.

34、3.2 垃圾焚燒發(fā)電、電能變換與控制策略垃圾焚燒發(fā)電、電能變換與控制策略 目前我國對垃圾的處理手段主要集中在填埋和焚燒兩種方式。目前我國對垃圾的處理手段主要集中在填埋和焚燒兩種方式。 填埋是大量消納城市生活垃圾的有效方法，所謂直接填埋填埋是大量消納城市生活垃圾的有效方法，所謂直接填埋法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實，使其發(fā)生生物、法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的物理、化學(xué)變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的。 焚燒法是將垃圾置于高溫爐中，使其中可燃成分充分氧化焚燒法是將垃圾置于高溫爐中，使其中可燃成分充分氧化的一

35、種方法，產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電和供暖。隨著中國的一種方法，產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電和供暖。隨著中國“十一十一五五”規(guī)劃對發(fā)展新能源，提倡環(huán)保型循環(huán)經(jīng)濟的進一步重視規(guī)劃對發(fā)展新能源，提倡環(huán)保型循環(huán)經(jīng)濟的進一步重視，國家對垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)的政策扶持會繼續(xù)加強。，國家對垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)的政策扶持會繼續(xù)加強。 45 46我國第一座垃圾焚燒發(fā)電廠我國第一座垃圾焚燒發(fā)電廠-深圳市環(huán)衛(wèi)綜合處理廠深圳市環(huán)衛(wèi)綜合處理廠 深圳市龍崗垃圾焚燒發(fā)電廠深圳市龍崗垃圾焚燒發(fā)電廠 溫州東莊垃圾發(fā)電廠溫州東莊垃圾發(fā)電廠 浙江溫州臨江垃圾焚燒發(fā)電廠浙江溫州臨江垃圾焚燒發(fā)電廠 47江蘇省太倉市垃圾焚燒發(fā)電廠江蘇省太倉市垃圾焚燒發(fā)電廠 廣東南海市垃

36、圾焚燒發(fā)電廠廣東南海市垃圾焚燒發(fā)電廠 周口豐泉垃圾焚燒發(fā)電廠周口豐泉垃圾焚燒發(fā)電廠 徐州垃圾焚燒發(fā)電廠徐州垃圾焚燒發(fā)電廠 481 1垃圾焚燒發(fā)電的工藝流程垃圾焚燒發(fā)電的工藝流程 （1 1）垃圾焚燒前無分檢處理）垃圾焚燒前無分檢處理 圖圖5 51212為垃圾焚燒前無分檢處為垃圾焚燒前無分檢處理的工藝流程，美國洛杉磯市理的工藝流程，美國洛杉磯市Long BeachLong Beach垃圾發(fā)電就是采用垃圾發(fā)電就是采用這個工藝流程。這個工藝流程。 圖圖5 512 12 無分檢場垃圾發(fā)電工藝流程無分檢場垃圾發(fā)電工藝流程 49 （2 2）垃圾焚燒前有分檢處理）垃圾焚燒前有分檢處理 圖圖5 513 13 為

37、垃圾焚燒前有分檢為垃圾焚燒前有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程，美國夏威夷市垃圾發(fā)電就是采用這種場垃圾發(fā)電工藝流程，美國夏威夷市垃圾發(fā)電就是采用這種流程。流程。圖圖513 有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程有分檢場垃圾發(fā)電工藝流程 502 2建設(shè)垃圾發(fā)電的必備條件建設(shè)垃圾發(fā)電的必備條件 （1 1）城市生活垃圾熱值應(yīng)較高）城市生活垃圾熱值應(yīng)較高 （2 2）城市經(jīng)濟實力應(yīng)較強）城市經(jīng)濟實力應(yīng)較強 （3 3）較完善的垃圾分類收集和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)）較完善的垃圾分類收集和轉(zhuǎn)運系統(tǒng) （4 4）較完善的環(huán)保處理系統(tǒng)）較完善的環(huán)保處理系統(tǒng) 513 3垃圾焚燒發(fā)電的電能變換及控制策略垃圾焚燒發(fā)電的電能變換及控制策略 垃圾焚燒發(fā)電的控制包

38、括電廠的自動控制，以及發(fā)電垃圾焚燒發(fā)電的控制包括電廠的自動控制，以及發(fā)電后的電能變換控制。根據(jù)垃圾焚燒電廠控制系統(tǒng)的規(guī)模以后的電能變換控制。根據(jù)垃圾焚燒電廠控制系統(tǒng)的規(guī)模以及要求達到的控制水平，目前技術(shù)水平先進的垃圾焚燒發(fā)及要求達到的控制水平，目前技術(shù)水平先進的垃圾焚燒發(fā)電站（廠）普遍采用基于以太網(wǎng)、具有遠程通訊和監(jiān)控能電站（廠）普遍采用基于以太網(wǎng)、具有遠程通訊和監(jiān)控能力的現(xiàn)場總線構(gòu)筑分布式控制系統(tǒng)，底層采用力的現(xiàn)場總線構(gòu)筑分布式控制系統(tǒng)，底層采用DCSDCS（分布（分布式控制系統(tǒng)）、式控制系統(tǒng)）、SCPSCP或或PLCPLC（可編程序控制器）、多種化學(xué)（可編程序控制器）、多種化學(xué)成份檢測傳感

39、器（氣體、液體、固體等）及電力電子變換成份檢測傳感器（氣體、液體、固體等）及電力電子變換器（變頻器）、并網(wǎng)配電箱，同時對垃圾焚燒鍋爐的燃燒器（變頻器）、并網(wǎng)配電箱，同時對垃圾焚燒鍋爐的燃燒進行有效的控制、對尾氣進行檢測、處理、控制、對鍋爐進行有效的控制、對尾氣進行檢測、處理、控制、對鍋爐煙氣在線監(jiān)控以及對發(fā)電機組的發(fā)電狀態(tài)、電能變換與無煙氣在線監(jiān)控以及對發(fā)電機組的發(fā)電狀態(tài)、電能變換與無擾并網(wǎng)等進行實時控制。擾并網(wǎng)等進行實時控制。 52以杭州綠能環(huán)保發(fā)電有限公司城市垃圾焚燒電廠為例，簡要說明垃圾焚燒電廠的自以杭州綠能環(huán)保發(fā)電有限公司城市垃圾焚燒電廠為例，簡要說明垃圾焚燒電廠的自動控制策略。動控制

40、策略。 (1)(1)垃圾焚燒的鍋爐控制垃圾焚燒的鍋爐控制 該系統(tǒng)的垃圾焚燒鍋爐采用日本三菱該系統(tǒng)的垃圾焚燒鍋爐采用日本三菱馬丁爐排垃圾焚燒處理技馬丁爐排垃圾焚燒處理技術(shù)，屬爐排爐中的反送式爐排垃圾焚燒爐。垃圾焚燒鍋爐的控制包括爐術(shù)，屬爐排爐中的反送式爐排垃圾焚燒爐。垃圾焚燒鍋爐的控制包括爐溫的控制、給料及爐排等的動作控制、風(fēng)門壓力控制、風(fēng)室溫度控制、溫的控制、給料及爐排等的動作控制、風(fēng)門壓力控制、風(fēng)室溫度控制、風(fēng)量控制及汽包水位控制等部分。風(fēng)量控制及汽包水位控制等部分。 （2 2）垃圾焚燒系統(tǒng)的汽機控制）垃圾焚燒系統(tǒng)的汽機控制 1 1）電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。）電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2 2）調(diào)節(jié)回路。）調(diào)節(jié)回

41、路。 3 3）開環(huán)控制系統(tǒng)。）開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3 3）垃圾焚燒系統(tǒng)的安全保護控制）垃圾焚燒系統(tǒng)的安全保護控制 53 垃圾焚燒發(fā)電一般是由焚燒爐加熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動垃圾焚燒發(fā)電一般是由焚燒爐加熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動蒸汽輪機，并由與之相連的發(fā)電機而直接發(fā)電，發(fā)出的電能除蒸汽輪機，并由與之相連的發(fā)電機而直接發(fā)電，發(fā)出的電能除了可以直接并網(wǎng)供電之外，也可以利用電力電子技術(shù)對電能進了可以直接并網(wǎng)供電之外，也可以利用電力電子技術(shù)對電能進行變換，然后再并入中高壓并網(wǎng)。行變換，然后再并入中高壓并網(wǎng)。 圖圖5 51414是垃圾焚燒發(fā)電控制的系統(tǒng)框圖。是垃圾焚燒發(fā)電控制的系統(tǒng)框圖。 (4)垃圾焚燒的電能變換

42、控制策略垃圾焚燒的電能變換控制策略54 圖圖514 垃圾焚燒發(fā)電的系統(tǒng)控制框圖垃圾焚燒發(fā)電的系統(tǒng)控制框圖 55 大型垃圾焚燒發(fā)電廠大型垃圾焚燒發(fā)電廠56垃圾焚燒集散控制系統(tǒng)垃圾焚燒集散控制系統(tǒng) 576.3.3 6.3.3 生物質(zhì)直接液化制燃料油發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)直接液化制燃料油發(fā)電技術(shù) 生物柴油是一種清潔的可再生能源，是以大豆、油菜生物柴油是一種清潔的可再生能源，是以大豆、油菜籽等油料作物以及油棕、黃連木等油料林木果實為原料制籽等油料作物以及油棕、黃連木等油料林木果實為原料制成的液體燃料，具有原料來源廣泛、可再生性強、污染性成的液體燃料，具有原料來源廣泛、可再生性強、污染性低等特點，是優(yōu)質(zhì)的石油、

43、柴油代用品。低等特點，是優(yōu)質(zhì)的石油、柴油代用品。 58 1生物柴油特性生物柴油特性 比普通柴油更優(yōu)異的產(chǎn)品性能比普通柴油更優(yōu)異的產(chǎn)品性能1）較好的低溫流動性和燃燒性能）較好的低溫流動性和燃燒性能2）具有無腐蝕性的特點）具有無腐蝕性的特點3）較好的潤滑性）較好的潤滑性 比普通柴油更多元的環(huán)保特質(zhì)比普通柴油更多元的環(huán)保特質(zhì)1）排放煙度低、保護大氣環(huán)境）排放煙度低、保護大氣環(huán)境2）不含對人體有害的重金屬）不含對人體有害的重金屬3）可再生的原料）可再生的原料59 生物柴油產(chǎn)業(yè)在發(fā)達國家發(fā)展迅速，美國、德國、日生物柴油產(chǎn)業(yè)在發(fā)達國家發(fā)展迅速，美國、德國、日本、巴西，包括印度都推動這項產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，累計總產(chǎn)

44、量本、巴西，包括印度都推動這項產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，累計總產(chǎn)量已超過已超過10001000萬噸，生物燃料已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。萬噸，生物燃料已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。 20052005年，全世界生物燃料乙醇的總產(chǎn)量約為年，全世界生物燃料乙醇的總產(chǎn)量約為3 3107t107t，其中巴西和美國的產(chǎn)量均約為其中巴西和美國的產(chǎn)量均約為1.21.2107t107t；生物柴油總產(chǎn)量；生物柴油總產(chǎn)量約約2.22.2106t106t，其中德國約為，其中德國約為1.51.5106t106t。我國。我國“十五十五”計計劃發(fā)展綱要提出發(fā)展各種石油替代品，將發(fā)展生物液體燃劃發(fā)展綱要提出發(fā)展各種石油替代品，將發(fā)展生物液體燃料確定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。料確定為國