生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展

盛建菊

(上海市貿(mào)易學(xué)校，上海200092)

　　摘要：本文對(duì)各種生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)及該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀做了綜述。目前我國(guó)的生物質(zhì)氣化發(fā)電僅僅是初具規(guī)模，熱效率很低且存在不少技術(shù)問(wèn)題。要利用氣化發(fā)電技術(shù)創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)取得良好的環(huán)保效益，在解決技術(shù)性問(wèn)題的同時(shí)，一定要因地制宜采用適宜的氣化發(fā)電技術(shù)形式。

　　1生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)流程簡(jiǎn)介

　　生物質(zhì)能主要是指儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量，可用于燃?xì)?、取暖、照明、發(fā)電以及化工領(lǐng)域。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)能利用的一種有效方式，既有利于解決生物質(zhì)直接燃用熱效率不高的缺點(diǎn)，又可以發(fā)揮燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備緊湊而且污染少的優(yōu)點(diǎn)，是生物質(zhì)能最有效最潔凈的利用方法之一。氣化發(fā)電對(duì)改善我國(guó)以煤炭發(fā)電為主的電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)農(nóng)村地區(qū)因地制宜提供清潔電力具有十分重要的意義。

　　目前，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)處于初步商業(yè)化階段，基本原理是生物質(zhì)在缺氧狀態(tài)下熱解生成氣體燃料，凈化后的氣體燃料燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或燃燒后產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。氣化發(fā)電過(guò)程包括3個(gè)方面：一是生物質(zhì)氣化。經(jīng)處理的生物質(zhì)原料由進(jìn)料系統(tǒng)送進(jìn)氣化爐內(nèi)，揮發(fā)分(干基下為70%~80%)熱解釋放出揮發(fā)性氣體如CmHn、H2、CO、CO2、焦油和水蒸氣，產(chǎn)生的碳發(fā)生典型氣化反應(yīng)(水蒸氣+碳)和燃燒反應(yīng)(碳+氧氣)，通過(guò)燃燒反應(yīng)釋放出的熱量促使生物質(zhì)熱解和碳的氣化反應(yīng)進(jìn)行，從而把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化。氣化生成的燃?xì)舛己幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；三是燃?xì)獍l(fā)電。凈化后的燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)的燃燒室燃燒驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，或者燃?xì)庠阱仩t內(nèi)燃燒生產(chǎn)高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖1為生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程示意圖。

　　2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的分類

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電可使用農(nóng)林廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物及動(dòng)物糞便等生物質(zhì)原料。原料來(lái)源廣泛，發(fā)電設(shè)備多種，發(fā)電規(guī)模不等，促使氣化技術(shù)呈多樣化發(fā)展。從發(fā)電規(guī)模上分，生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型、中型、大型三種。小型氣化發(fā)電系統(tǒng)所需的生物質(zhì)數(shù)量較少，簡(jiǎn)單靈活，多采用固定床氣化設(shè)備，主要用于農(nóng)村照明或作為中小企業(yè)的自備發(fā)電機(jī)組，一般發(fā)電功率小于200kW。固定床氣化設(shè)備又可分為上吸式、下吸式和開(kāi)心層下式3種，其中下吸式爐型有利于減少爐內(nèi)熱解生成的焦油含量，因而被廣泛采用。

　　中型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)主要作為大中型企業(yè)的自備電站或小型上網(wǎng)電站，是當(dāng)前生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的主要方式，所需的生物質(zhì)原料量較大，可適應(yīng)一種或多種不同的生物質(zhì)原料，氣化方式以流化床氣化為主，功率一般為500~3000kW。流化床氣化技術(shù)又包括鼓泡床氣化、循環(huán)流化床氣化及雙流化床氣化3種，其中研究和應(yīng)用最多的是循環(huán)流化床氣化技術(shù)，對(duì)生物質(zhì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，也可混燒煤、重油等傳統(tǒng)燃料，生產(chǎn)強(qiáng)度大，氣化效率高。

　　大型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)主要作為上網(wǎng)電站，它適應(yīng)的生物質(zhì)較為廣泛，所需的生物質(zhì)數(shù)量巨大，必須配套專門(mén)的生物質(zhì)供應(yīng)中心和預(yù)處理中心，系統(tǒng)功率一般在5000kW以上，雖然與常規(guī)能源相比仍顯得非常小，但在技術(shù)發(fā)展成熟后，它將是今后替代常規(guī)能源電力的主要方式之一。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電規(guī)模越大，單位發(fā)電量需要的成本就越低，也越有利于提高熱效率和降低二次污染。由表1的國(guó)內(nèi)200kW級(jí)和1000kW級(jí)氣化發(fā)電系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比數(shù)據(jù)，可見(jiàn)發(fā)電規(guī)模對(duì)推廣氣化發(fā)電的重要性。

　　采用不同的發(fā)電設(shè)備，氣化發(fā)電技術(shù)又可分為以下三類：(1)氣化氣直接作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒，生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種方式在氣體成分和熱值有變化時(shí)能夠保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，排放物污染少而且對(duì)氣體要求不很?chē)?yán)格，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分后即可使用，不需冷卻。(2)氣化氣在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)必須進(jìn)行相應(yīng)的改造，將熱值較低的氣化氣增壓到9.8104~29.4105Pa之間，否則發(fā)電效率較低。另外，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)氣化氣質(zhì)量要求高，并且需有較高的自動(dòng)化控制水平，所以單獨(dú)采用燃?xì)廨啓C(jī)的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)較少。(3)氣化氣在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。簡(jiǎn)單的內(nèi)燃機(jī)組可單獨(dú)燃用低熱值氣化氣，也可以氣化氣、油兩用，設(shè)備緊湊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用廣泛，而且效率較高。但該種方式對(duì)氣體要求嚴(yán)格，氣化氣必須凈化并冷卻。

　　3生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家受到廣泛重視，生物質(zhì)電能在總能源消耗中所占的比例增加迅速。1988年丹麥誕生了世界第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠。與同等規(guī)模每年發(fā)電1.38億kWh的燃煤電廠相比，秸稈發(fā)電每年可節(jié)約煤炭10多萬(wàn)t，減少SO2年排放量400t。目前丹麥已建立了13家秸稈發(fā)電廠，還有一部分燒木屑或垃圾的發(fā)電廠也兼燒秸稈。目前，以秸稈和木屑為主要原料的生物質(zhì)能在丹麥可再生能源中的比重已超過(guò)40%。丹麥的秸稈發(fā)電技術(shù)現(xiàn)已走向世界，并被聯(lián)合國(guó)列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。

　　芬蘭是世界上利用林業(yè)廢料、造紙廢棄物等生物質(zhì)發(fā)電最成功的國(guó)家之一，福斯特威勒公司是芬蘭最大的能源公司，也是制造具有世界先進(jìn)水平的燃燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床鍋爐公司，該公司可提供的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組的功率為3~47MW。該公司生產(chǎn)的發(fā)電設(shè)備主要利用木材加工業(yè)、造紙業(yè)的廢棄物為燃料，廢棄物的最高含水量可達(dá)60%，熱效率可達(dá)88%。

　　奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計(jì)劃，生物質(zhì)能在總可再生能源利用中的比例由原來(lái)的3%增到目前的25%，已擁有裝機(jī)容量為1~2MW的區(qū)域供熱站90座。

　　在比利時(shí)，有100年的歷史的布羅賽爾溫克能源技術(shù)公司是生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)專用鍋爐的生產(chǎn)企業(yè)，是世界上最早采用生物質(zhì)為燃料的鍋爐制造公司之一，如今已發(fā)展出適應(yīng)木材廢棄物、建筑木質(zhì)廢棄物、造紙廢棄物及城市垃圾等不同燃料的鍋爐設(shè)備。與芬蘭、丹麥等國(guó)的技術(shù)不同，該公司的產(chǎn)品采用的是傾斜式液壓移動(dòng)式爐排，其熱效率可達(dá)85%，比較適用于20MW以下的生物質(zhì)發(fā)電。

　　美國(guó)在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位，各類生物質(zhì)發(fā)電站有350多座，發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)700MW，提供了大約6.6萬(wàn)個(gè)工作崗位，據(jù)有關(guān)科學(xué)家估計(jì)，到2010年，生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量，可安排過(guò)17萬(wàn)就業(yè)人員。

　　美國(guó)的Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)項(xiàng)目B-IGCC(整體氣化聯(lián)合循環(huán))氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的世界先進(jìn)水平，可生產(chǎn)中熱值氣體，系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。該氣化設(shè)備于1998年完成安裝并投入運(yùn)行。除美國(guó)外，也有一些國(guó)家開(kāi)展了B-IGCC研究項(xiàng)目，如英國(guó)(8MW)、瑞典(加壓生物質(zhì)氣化發(fā)電4MW)、芬蘭(6MW)以及歐盟的3個(gè)7~12MW生物質(zhì)氣化發(fā)電B-IGCC示范項(xiàng)目。

　　從純技術(shù)的角度看，要使B-IGCC達(dá)到較高效率，須具備兩個(gè)條件：一是氣化氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前不能降溫，二是氣化氣必須是高壓的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和高溫凈化兩種技術(shù)才能使B-IGCC的總體效率較高(40%)。如果采用一般的常壓氣化和降溫凈化，由于氣化效率和帶壓縮的燃?xì)廨啓C(jī)效率都較低，系統(tǒng)的整體效率一般都低于35%。由于燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度很高，而且系統(tǒng)不夠成熟，造價(jià)也很高，限制了其應(yīng)用推廣。以意大利12MW的B-IGCC示范項(xiàng)目為例，發(fā)電效率約為31.7%，但建設(shè)成本高達(dá)25000元/kW，發(fā)電成本約1.2元/kWh，實(shí)用性很差。

　　一些國(guó)家開(kāi)展了大型氣化發(fā)電系統(tǒng)其它技術(shù)路線的研究，如比利時(shí)(2.5MW)和奧地利(TINA6MW)開(kāi)展的生物質(zhì)氣化與外燃式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，目的是發(fā)展適合于中小型規(guī)模使用的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，基本原理是生物質(zhì)氣化后不需經(jīng)過(guò)除塵除焦，直接在燃燒器中燃燒，燃燒后的煙氣用來(lái)加熱高壓的空氣，最后由高溫高壓空氣推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。該技術(shù)路線避開(kāi)了高溫除塵及除焦兩大難題，但需要解決高溫空氣供熱設(shè)備的材料和工藝問(wèn)題。由于該項(xiàng)目中設(shè)備的可靠性和造價(jià)問(wèn)題，目前還很難進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。

　　3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)從60年代起就曾開(kāi)始小型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，代表作品是60kW稻殼氣化發(fā)電系統(tǒng)。但由于系統(tǒng)熱效率低下且氣化氣凈化帶來(lái)的含焦廢水二次污染問(wèn)題，氣化發(fā)電技術(shù)一度被放棄。迫于能源與環(huán)保壓力，1987年氣化發(fā)電重新提上議程，并列入國(guó)家科技部七五重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，20年以來(lái)取得了不少可喜的進(jìn)展。如今有不少160kW和200kW級(jí)的氣化發(fā)電機(jī)組正在運(yùn)行，如遼寧省能源研究所于2006年6月在意大利ENEATrisaia建成的流化床生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，原料采用木屑或稻殼，發(fā)電量160kW。

　　近年來(lái)MW級(jí)的中型BGPG系統(tǒng)也已研究開(kāi)發(fā)出來(lái)。1998年10月中科院廣州能源所完成1MW級(jí)的生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化-內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(GIEC)，5臺(tái)200kW發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工作，但受氣化效率與內(nèi)燃機(jī)效率的限制，效率低于18%，單位電量的生物質(zhì)消耗量一般大于112kg/(kWh)，在此基礎(chǔ)上2000年在海南三亞建成第二套中型氣化發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)容量1.2MW。十五期間，廣州能源所現(xiàn)在承擔(dān)的4MW生物質(zhì)氣化氣蒸汽整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范工程取得了較好的結(jié)果，設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行時(shí)，每年可處理約3萬(wàn)多t秸稈、稻殼、木屑等生物質(zhì)廢料，作為最直接的效果之一，每年可減少CO2的排放約3萬(wàn)t。但該系統(tǒng)在進(jìn)一步向高品質(zhì)、易于傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)換方面，受到了該類氣體發(fā)電機(jī)組功率較小的制約，已成為氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展利用的瓶頸。這些實(shí)踐工作為研究進(jìn)一步大型化氣化發(fā)電系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，此外也為實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)行提供了最佳運(yùn)行參數(shù)。

　　在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的大型生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)時(shí)，針對(duì)目前我國(guó)具體情況，采用內(nèi)燃機(jī)代替燃?xì)廨啓C(jī)，其它部分基本相同的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，不失為解決我國(guó)生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的有效手段。一方面，采用氣體內(nèi)燃機(jī)可降低對(duì)氣化氣雜質(zhì)的要求(焦油與雜質(zhì)含量<100mg/m3即可)，

　　可以大大減少技術(shù)難度；另一方面，避免了調(diào)控相當(dāng)復(fù)雜的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，大大降低系統(tǒng)的成本。從技術(shù)性能上看，這種氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在常壓氣化時(shí)整體發(fā)電效率可達(dá)28%~30%，只比傳統(tǒng)的低壓B-IGCC降低3%~5%。但由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，技術(shù)難度小，單位投資和造價(jià)大大降低(約5000元/kW)。這種技術(shù)方案比較適合于我國(guó)目前的工業(yè)水平，設(shè)備可以全部國(guó)產(chǎn)化，適合于發(fā)展分散的、獨(dú)立的生物質(zhì)能源利用體系。

　　4結(jié)論

　　為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須保證電力生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，要想達(dá)到這一目標(biāo)，必須走電力生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的發(fā)展道路，積極發(fā)展高效清潔的發(fā)電技術(shù)必將對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。總的來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是所有可再生能源技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電技術(shù)，綜合發(fā)電成本可接近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有豐富的價(jià)格低廉的農(nóng)業(yè)廢棄物資源，而同時(shí)農(nóng)村地區(qū)的電力供應(yīng)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)短缺，因此日趨完善的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前我國(guó)的生物質(zhì)氣化發(fā)電已初具規(guī)模，但利用效率仍十分低下，且仍存在不少技術(shù)問(wèn)題如二次污染和熱效率不夠高等，僅達(dá)到了廢物利用的目的，還遠(yuǎn)未達(dá)到變廢為寶的程度。

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)形式多樣，要利用氣化發(fā)電設(shè)施創(chuàng)造良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，一定要因地制宜采用適宜的氣化發(fā)電技術(shù)形式。增大發(fā)電規(guī)模有利于提高熱效率，有利于降低二次污染；但大型氣化發(fā)電系統(tǒng)也意味著高投資和復(fù)雜的機(jī)組系統(tǒng)，在地廣人稀或經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)展這樣的系統(tǒng)設(shè)施缺乏經(jīng)濟(jì)性。因此，我國(guó)應(yīng)同時(shí)關(guān)注以村、鎮(zhèn)為單位的中小型氣化發(fā)電機(jī)組和重點(diǎn)地區(qū)的大型氣化發(fā)電機(jī)組的研究與開(kāi)發(fā)，根據(jù)規(guī)模的大小選用合適的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，保證在任何規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率，充分利用生物質(zhì)能源，改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境。