我國生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)應(yīng)用及展望

黃達其，陳佳瓊?cè)A東電站鍋爐部件制造有限公司，江蘇張家港 215600

　　[摘要]生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是利用生物質(zhì)能的一種有效方法，正日益得到廣泛的研究和應(yīng)用。但是，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用中，存在生物質(zhì)物料運輸、貯存、燃燒結(jié)焦、產(chǎn)生含焦廢水、尾氣難以回收等問題，需進行更進一步的研究。對生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用、存在的問題和未來的發(fā)展方向進行了分析。

　　我國可利用的生物質(zhì)能源十分豐富，據(jù)統(tǒng)計每年可使用的生物質(zhì)能源總量相當于5億t標準煤，但實際生物質(zhì)能源年利用量卻不足0.1億t標準煤，開發(fā)潛力巨大。

　　2006年我國生物質(zhì)發(fā)電總裝機已達2200MW，主要集中在糖廠的熱電聯(lián)產(chǎn)、稻殼發(fā)電和城市垃圾發(fā)電，而其它形式的生物質(zhì)能發(fā)電，如混合燃料發(fā)電等還不具備規(guī)模(表1)。十一五期間，我國生物質(zhì)發(fā)電裝機將達到5500MW，到2020年，生物質(zhì)發(fā)電總裝機容量將達到30000MW。我國生物質(zhì)發(fā)電裝機容量發(fā)展趨勢如圖1所示。

　　1生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和特點

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)鍋爐直燃發(fā)電及生物質(zhì)2煤混合燃燒發(fā)電，是生物質(zhì)能發(fā)電的3種主要技術(shù)。生物質(zhì)燃料具有高氯、高堿、高揮發(fā)分、低灰熔點等特點，采用鍋爐直燃生物質(zhì)發(fā)電和生物質(zhì)2煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)，燃燒效率低，且鍋爐易產(chǎn)生腐蝕、結(jié)渣、結(jié)焦等問題。而生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)充分利用生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達70%以上的特點，在相對較低的溫度下能使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，可避免生物質(zhì)燃料燃燒過程中發(fā)生的灰結(jié)渣、團聚等問題。

　　我國在生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方面具有一定研究基礎(chǔ)，從上世紀60年代初即開展了這方面的研究，近年來開發(fā)的中小規(guī)模氣化發(fā)電系統(tǒng)具有投資少、原料適應(yīng)性強和規(guī)模靈活等特點，已研制成功的中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電機組功率可達5MW。氣化爐的結(jié)構(gòu)有層式下吸式、開心式、下吸式和常壓循環(huán)流化床氣化爐等(表2)。采用單燃料氣體內(nèi)燃機和雙燃料內(nèi)燃機，單機最大功率已達500kW。

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電從規(guī)模上可分為3個級次，下面以秸稈為例，加以說明。

　　(1)小型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電功率在2kW~160kW之間，采用下吸式固定床氣化爐(圖2)，這種氣化爐產(chǎn)出燃氣焦油含量較低，凈化系統(tǒng)相對簡單，對環(huán)境造成的危害較小。采用內(nèi)燃發(fā)電機組，運行方便，適合照明或驅(qū)動小型電動機。

　　(2)中型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)功率在500kW~5MW之間，由于氣化容量較大，多采用流化床或循環(huán)流化床形式(圖3)。其冷卻過濾系統(tǒng)比小型發(fā)電系統(tǒng)完善，通過催化裂解的方法使90%以上的焦油裂解成永久性氣體。采用內(nèi)燃機發(fā)電機組，適合秸稈較多的地區(qū)進行發(fā)電自供。

　　山東省能源研究所研究的生物質(zhì)氣化技術(shù)流程是：1)將經(jīng)過簡單預(yù)處理的生物質(zhì)原料送入循環(huán)流化床反應(yīng)器，在反應(yīng)器中與高溫的返料和熱載體混合，并在空氣的推動下，達到很高的流速，形成高速湍流攜帶床層；2)在強烈的熱作用和傳熱傳質(zhì)作用下，用極短的時間完成熱解以及部分氧化和還原過程，產(chǎn)生的燃氣經(jīng)除塵冷卻后用做氣體燃料；3)未完全反應(yīng)的碳顆粒和熱載體與燃氣分離后通過循環(huán)回料系統(tǒng)返回流化床反應(yīng)器，繼續(xù)完成氣化。該循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)可實現(xiàn)78%以上的氣化效率，所得燃氣熱值在5.0MJ/m3以上，氣化器熱功率在2MW以上。

　　目前，該生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化/燃燒技術(shù)已進入中間試驗階段。廣州能源研究所在1998年成功研制了1MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，近年來又開展了對3MW和4MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的研究，其主要流程是：將生物質(zhì)原料加入循環(huán)流化床氣化爐產(chǎn)生的可燃氣通過旋風(fēng)分離器、Venturi管和2個水洗塔進行了清潔，并將清潔后的可燃氣儲存在儲氣罐內(nèi)，供內(nèi)燃發(fā)電機組使用。針對300e~400e燃氣除塵的需要，設(shè)計的中高溫除塵系統(tǒng)處理能力為3000m3/h(標準狀態(tài))，對灰的去除率達80%左右。焦油催化裂解設(shè)計處理能力為3000m3/h(標準狀態(tài))，對焦油的處理效率達75%以上。整體生物質(zhì)氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率可達25%~28%。

　　(3)大型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。目前有2種技術(shù)，一種是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)，另一種是熱空氣氣輪機循環(huán)(HATC)。IGCC發(fā)電系統(tǒng)的功率在5MW~10MW之間，效率可達35%~40%，系統(tǒng)由物料預(yù)處理設(shè)備、氣化設(shè)備、凈化設(shè)備、換熱設(shè)備(余熱鍋爐等)、燃氣輪機、蒸汽輪機等組成。氣化爐為循環(huán)流化床或增壓流化床，凈化采用陶瓷濾芯過濾器、焦油裂解爐及焦油水洗塔。該系統(tǒng)的特點是原料處理量大，自動化程度高，系統(tǒng)效率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

　　目前，我國的生物質(zhì)IGCC示范系統(tǒng)正在建設(shè)之中，與國外先進的同類技術(shù)相當，設(shè)備已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，投資不到國外的2/3，運行成本比國外低50%左右。HATC發(fā)電系統(tǒng)的功率在0.5MW~3MW之間，系統(tǒng)包括原料系統(tǒng)、空氣流化床(或移動床氣化爐)、凈化設(shè)備、燃燒器、熱交換器及燃氣輪機等。其與IGCC的主要區(qū)別是氣化后產(chǎn)生的熱可燃氣可在相鄰的燃燒器中燃燒，故凈化系統(tǒng)相對簡單，只需旋風(fēng)分離器除去雜粒即可。燃氣輪機在干凈的熱空氣下運行，減少了氣化后可燃氣中焦油和雜質(zhì)對燃氣輪機的損害，因此又稱之為間接燃氣輪機發(fā)電。

　　2生物質(zhì)氣化發(fā)電的難點

　　目前，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)還需解決以下5個技術(shù)難題。

　　(1)一般認為生物質(zhì)的利用半徑為(80~120)km，且生物質(zhì)原料大多體積大，造成運輸、儲存的費用相對較高，這大大限制了大型電廠對生物質(zhì)能的有效利用。同時，生物質(zhì)原料的密度和能量低，不同生物質(zhì)原料在水分含量、揮發(fā)分含量、熱值和灰分化學(xué)組成上差異大，給電廠在生產(chǎn)使用上帶來困難。

　　(2)生物質(zhì)灰熔點低，堿金屬元素含量高，燃燒時易產(chǎn)生結(jié)焦和高溫堿金屬元素腐蝕。

　　(3)生物質(zhì)氣化時，渣與飛灰的含碳量高，氣化效率低。此外，燃氣中焦油含量高，導(dǎo)致一方面產(chǎn)生大量含焦廢水，另一方面影響燃氣利用設(shè)備的連續(xù)正常運行。

　　(4)在目前的工藝水平下，焦油裂解和廢水處理再利用是氣體凈化的2個基本要求，但現(xiàn)用的水洗方法不但降低了系統(tǒng)效率，而且產(chǎn)生大量含焦油廢水，因此氣體凈化是國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究重點之一。

　　(5)生物質(zhì)氣化發(fā)電中的燃氣和經(jīng)發(fā)電機組產(chǎn)生的尾氣未回收，造成整個系統(tǒng)效率降低(18%左右)。

　　3技術(shù)展望

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，有了很大進步。但是，生物質(zhì)原料的密度低，體積大，運輸、存儲成本高，不太適合建造大型的生物質(zhì)發(fā)電廠，而分散的小型電站投資、人工費高，效率低，經(jīng)濟效益差，所以將生物質(zhì)與化石燃料聯(lián)合氣化燃燒成為一個新的研究方向。