農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電原理

【專家解說】：回答摘自：中圖分類號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9064(2009)06－0059－03 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展探討 陸智（廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院廣西南寧530023） 李雙江（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院） 鄭威（ 中南電力設(shè)計(jì)院） 生物質(zhì)能是一種頗具產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；们熬暗目稍偕茉?，對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化意義重大。發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，是構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全能源供應(yīng)體系，突破經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展資源環(huán)境制約的重要途徑。秸稈發(fā)電變無序焚燒為集中燃燒并發(fā)電、造肥，節(jié)省了大量煤炭資源，并增加農(nóng)民收入。秸稈在生長(zhǎng)和燃燒中不增加大氣中CO2量，且含硫量極低，僅為0.1%。發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，替代煤炭，可顯著減少CO2等溫室氣體和SO2的排放，有巨大的環(huán)境效益。 1 生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電利用技術(shù) 生物質(zhì)直燃發(fā)電就是將生物質(zhì)直接作為燃料進(jìn)行燃燒，用于發(fā)電或者熱電聯(lián)產(chǎn)。生物質(zhì)直接燃燒具有以下特點(diǎn)：（1）生物質(zhì)燃燒所放出的CO2大體相當(dāng)于其生長(zhǎng)時(shí)通過光合作用所吸收的CO2， 因此可以認(rèn)為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應(yīng)；（2）生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；（3）生物質(zhì)燃料可與礦物質(zhì)燃料混合燃燒，既可以減少 運(yùn)行成本，提高燃燒效率，又可以降低SO2、NOx 等有害氣體的排放濃度；（4）采用生物質(zhì)燃燒設(shè)備可以最快速度實(shí)現(xiàn)各種生物質(zhì)資源的大規(guī)模減量化、無害化、資源化利用，而且成本較低，因而生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)潛力。 1.1 單燃生物直燃技術(shù) 在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家主要燃燒的生物質(zhì)是木本植物， 在我國(guó)，由于特殊的國(guó)情使得我們用于燃燒的物質(zhì)基本局限于秸稈等草本類植物。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)秸稈的燃燒機(jī)理進(jìn)行的研究，秸稈等生物質(zhì)與常規(guī)燃料的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：（1）秸稈的含水量較大，約20％，是常規(guī)燃料的8～10 倍。因此，在鍋爐相同出力的情況下，其煙氣量約是常規(guī)燃料的1.5～2 倍。在鍋爐受熱面布置時(shí)，要充分考慮這一情況。（2）秸稈的堆積密度較小。秸稈投入爐內(nèi)燃燒時(shí)，先落在爐床上，隨著水分蒸發(fā)，開始漂浮在爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。因此，在這類鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)， 一定要考慮到燃燒室的體積要大一些，使得燃料在爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，得以完全燃燼。（3）從燃料的燃燒過程來看，大多數(shù)秸稈（除甘蔗渣外）在干燥后，揮發(fā)份快速脫離母體迅猛燃燒，揮發(fā)份不附著在秸稈表面燃燒，這與煤的燃燒機(jī)理是完全不同的。（4）逸出揮發(fā)份后的秸稈變黑成為暗紅色焦炭粒子，未見明顯的火焰，而且在爐膛高溫火焰的輻射下，緩慢地燃燒，燃燼時(shí)間也較長(zhǎng)。 1.1.1 層燃爐燃燒技術(shù) 層燃爐燃燒技術(shù)主要以爐排爐為代表，燃料在固定或者移動(dòng)的爐排上實(shí)現(xiàn)燃燒，空氣從下方透過爐排供應(yīng)上部的燃料，燃料處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，燃料入爐后的燃燒時(shí)間可由爐排的移動(dòng)或者振動(dòng)來控制，以灰渣落入爐排下或者爐排后端的灰坑為結(jié)束。 1.1.2 循環(huán)流化床燃燒技術(shù) 循環(huán)流化床鍋爐獨(dú)特的流體動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)使其具備很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如燃料適應(yīng)性廣，低溫燃燒，燃燒效率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等。瑞典、丹麥、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術(shù)方面具有較高的水平。美國(guó)愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出燃生物質(zhì)流化床鍋爐， 鍋爐蒸汽出力為4.5～50t/h，供熱鍋爐出力為36.67MW；美國(guó)CE 公司利用魯奇技術(shù)研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa； 美國(guó)B&W 公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20 世紀(jì)80～90 年代初投入商業(yè)運(yùn)行。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業(yè)廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達(dá)到80％；瑞典和丹麥正在實(shí)行利用生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時(shí)，滿足供熱的要求。 1.2 生物質(zhì)與煤混合直燃技術(shù) 混合燃燒的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）生物質(zhì)是可再生能源，煤粉爐中生物質(zhì)共燃，可以利用現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，也是一種最好（廉價(jià)而低風(fēng)險(xiǎn)）的利用可再生能源發(fā)電的技術(shù)。（2）煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達(dá)35％以上，生物質(zhì)共燃正是借用其高效率的優(yōu)點(diǎn)，這是現(xiàn)階段其它生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)難以比擬的。（3）生物質(zhì)燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時(shí)可以降低電廠的SO2和NOx 排放。（4）對(duì)于煤粉燃燒電廠，共燃生物質(zhì)意味著CO2排放的降低， 被公認(rèn)為是現(xiàn)役燃煤電廠降低CO2排放的最有效措施。（5）我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，可利用未被利用的生物質(zhì)折合近4 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，且分布廣泛，可就地利用；另一方面，大量利用生物質(zhì)發(fā)電可增加農(nóng)民收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。（6）生物質(zhì)共燃技術(shù)簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)行費(fèi)用低。生物質(zhì)相對(duì)較便宜，對(duì)燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應(yīng)性，降低燃料成本。丹麥哥本哈根AVEDORE 電廠，2002 年增加了熱功率為105MW 的生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備，采用天然氣（油）與麥秸混合燃燒工藝， 每小時(shí)秸稈消耗25t， 秸稈主要來源于芬蘭和丹麥。生物質(zhì)的水分含量用超聲波測(cè)定，控制在25％左右。 2 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù) 生物質(zhì)氣化是在高溫下部分氧化的轉(zhuǎn)化過程。該過程是直接向生物質(zhì)通氣化劑（空氣、氧氣或水蒸汽），使之在缺氧的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿涌扇細(xì)怏w的過程。目前， 生物質(zhì)氣化技術(shù)大體上可按2 大類進(jìn)行分類：①按氣化劑分類，②按設(shè)備運(yùn)行方式分類。 2.1 按氣化劑類型分類 生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化劑類型分類。其中，干餾氣化其實(shí)是熱解氣化的一種特例。且由于干餾是吸熱反應(yīng)，應(yīng)在工藝中提供外部熱源以使反應(yīng)進(jìn)行。氧氣氣化則不需要提供外部熱源，產(chǎn)品為熱值為15000kJ/m3 的中熱值氣化氣?？諝鈿饣捎贜2的加入，使其可燃?xì)獬煞趾拷档?，熱值也隨之降低在5000kJ/m3 左右，為低熱值氣體。氫氣氣化反應(yīng)條件苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進(jìn)行， 其氣化氣為熱值高達(dá)22260～26040kJ/m3 的高熱值氣化氣。 2.2 按氣化裝置運(yùn)行方式分類 生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化裝置的運(yùn)行方式分類。國(guó)內(nèi)外已投入商業(yè)運(yùn)行的氣化方法主要有：固定床氣化爐、流化床氣化爐。固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式。其中下吸式氣化爐應(yīng)用最廣。 生物質(zhì)原料由爐頂?shù)募恿峡谕度霠t內(nèi)，氣化劑（空氣、氧氣）可以由頂部進(jìn)入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動(dòng)， 在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)。下吸式氣化爐主要特點(diǎn)是氣化強(qiáng)度高（相對(duì)于上吸式），工作穩(wěn)定性好，可隨時(shí)加料；由于燃燒區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過燃燒區(qū)，在高溫下裂解H2和CO，使得氣化中焦油含量大為減少。流化床氣化爐按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過程，可將流化床氣化爐分為循環(huán)流化床、雙流化床和攜帶床四種類型。按吹入氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐又可分為常壓流化床和加壓流化床。其中循環(huán)流化床由于其眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于大型商業(yè)化運(yùn)行。循環(huán)流化床是唯一在恒溫床上反應(yīng)的氣化爐。氣化反應(yīng)在床內(nèi)進(jìn)行，焦油也在床內(nèi)裂解。流化介質(zhì)一般選用惰性材料（沙子）或非惰性材料（石灰或催化劑），可增加傳熱及清洗可燃?xì)?，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)燃料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點(diǎn)是入料需要預(yù)處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好的凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。 典型操作條件為溫度600℃，加工能力100kg/h，以楊木為原料時(shí)產(chǎn)氣率可達(dá)65％。優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱速率高、氣相停留時(shí)間短、有效抑制裂化，但是載氣需求量大。氣化產(chǎn)生的可燃?xì)庵饕脕戆l(fā)電。生物質(zhì)氣化的發(fā)電技術(shù)有以下3 種方法：帶有氣體透平的生物質(zhì)加壓氣化、帶有透平或者引擎的常壓生物質(zhì)氣化、帶有朗肯循環(huán)的傳統(tǒng)生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)（BIGCC）包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電及蒸汽輪機(jī)發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，可利用可燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。氣化發(fā)電工藝包括3 個(gè)過程：①生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；②氣體凈化，氣化出來的燃?xì)舛紟в幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需要經(jīng)過凈化系統(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；③燃?xì)獍l(fā)電。目前，國(guó)際上有很多發(fā)達(dá)國(guó)家開展提高生物質(zhì)發(fā)電效率方面的研究， 如美國(guó)Battelle（63MW）項(xiàng)目，歐洲英國(guó)（8MW）和芬蘭（6MW）的示范工程。 3 生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)與生物質(zhì)氣化技術(shù)的比較 生物質(zhì)直接用來燃燒簡(jiǎn)化了環(huán)節(jié)和設(shè)備， 減少了投資，但利用率還比較低，利用的范圍還不是很廣。由于中國(guó)生物質(zhì)分布分散，成為大規(guī)模利用生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)發(fā)電較大障礙。然而秸稈類生物質(zhì)因?yàn)楹休^多的K、Cl 等無機(jī)物質(zhì)，在燃燒過程中很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的積灰、結(jié)渣、聚團(tuán)和受熱面腐蝕等堿金屬問題，堿金屬問題是秸稈大規(guī)模燃燒利用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這些還需要進(jìn)一步研究解決問題的方法。生物質(zhì)氣化技術(shù)能夠一定程度上緩解中國(guó)對(duì)氣體燃料的需求， 生物質(zhì)被氣化后利用的途徑也得到相應(yīng)的擴(kuò)展，提高了利用效率。 參考文獻(xiàn) 1 張明，袁益超，劉聿拯. 生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展研究.能源研究 與信息,2005,21(1) 2 曹建峰.秸稈的綜合利用技術(shù)分析.能源研究與分析,2006,22(1) 3 秸稈直接燃燒供熱發(fā)電項(xiàng)目, 資源可供性調(diào)研和相關(guān)問題的研究. 太陽能,2006,(2) 4 別如山，李炳熙，陸慧林，等.燃燒生物質(zhì)廢料流化床鍋爐.熱能動(dòng)力 工程，2000，15(4) 5 盛昌棟，張軍. 煤粉鍋爐共燃生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì).熱力 發(fā)電,2006(3) 6 袁振宏. 歐洲生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)掠影.可再生能源，2004(4) 7 雒廷亮，許慶利，劉國(guó)際，等.生物質(zhì)能的應(yīng)用前景分析. 能源研究 與信息，2003，19(4) 8 中國(guó)生物質(zhì)能技術(shù)開發(fā)中心. 生物質(zhì)氣化及相關(guān)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 評(píng)價(jià)，1996 9 農(nóng)業(yè)部生物質(zhì)氣化技術(shù)研究測(cè)試培訓(xùn)中心. 生物質(zhì)氣化技術(shù)及其 應(yīng)用，1999 10 董良杰.生物質(zhì)熱解試驗(yàn)與機(jī)理研究，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論 文，1997 11 米鐵等. 生物質(zhì)氣化技術(shù)比較及其氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)展. 新能源及 工藝，2004(5) 12 吳創(chuàng)之，馬隆龍，陳勇. 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.中國(guó)科技 產(chǎn)業(yè)，2006 13 Weigang，Wenli Song.Power production from biomass in Denmark.燃 料化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，33（6）