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：TM619 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9064(2009)06－0059－03 生物質(zhì)發(fā)電技術發(fā)展探討 陸智（廣西電力工業(yè)勘察設計研究院廣西南寧530023） 李雙江（河北省電力勘測設計研究院） 鄭威（ 中南電力設計院） 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?，對我國能源結(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、清潔、安全能源供應體系，突破經(jīng)濟社會發(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 生物質(zhì)直燃發(fā)電就是將生物質(zhì)直接作為燃料進行燃燒，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：（1）生物質(zhì)燃燒所放出的CO2大體相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2， 因此可以認為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應；（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)燃燒設備可以最快速度實現(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)直接燃燒技術具有良好的經(jīng)濟性和開發(fā)潛力。 1.1 單燃生物直燃技術 在歐美發(fā)達國家主要燃燒的生物質(zhì)是木本植物， 在我國，由于特殊的國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)有關文獻對秸稈的燃燒機理進行的研究，秸稈等生物質(zhì)與常規(guī)燃料的區(qū)別主要有以下幾點：（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，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，先落在爐床上，隨著水分蒸發(fā)，開始漂浮在爐內(nèi)進行燃燒。因此，在這類鍋爐設計時， 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，燃燼時間也較長。 1.1.1 層燃爐燃燒技術 層燃爐燃燒技術主要以爐排爐為代表，燃料在固定或者移動的爐排上實現(xiàn)燃燒，空氣從下方透過爐排供應上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態(tài)，燃料入爐后的燃燒時間可由爐排的移動或者振動來控制，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 循環(huán)流化床鍋爐獨特的流體動力特性和結(jié)構(gòu)使其具備很多獨特的優(yōu)點，如燃料適應性廣，低溫燃燒，燃燒效率高，負荷調(diào)節(jié)性能好等。瑞典、丹麥、德國等發(fā)達國家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術方面具有較高的水平。美國愛達荷能源產(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CE 公司利用魯奇技術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B&W 公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20 世紀80～90 年代初投入商業(yè)運行。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，鍋爐熱效率可達到80％；瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。 1.2 生物質(zhì)與煤混合直燃技術 混合燃燒的技術優(yōu)勢：（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，也是一種最好（廉價而低風險）的利用可再生能源發(fā)電的技術。（2）煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達35％以上，生物質(zhì)共燃正是借用其高效率的優(yōu)點，這是現(xiàn)階段其它生物質(zhì)發(fā)電技術難以比擬的。（3）生物質(zhì)燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SO2和NOx 排放。（4）對于煤粉燃燒電廠，共燃生物質(zhì)意味著CO2排放的降低， 被公認為是現(xiàn)役燃煤電廠降低CO2排放的最有效措施。（5）我國生物質(zhì)資源豐富，可利用未被利用的生物質(zhì)折合近4 億t 標準煤，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，促進農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。（6）生物質(zhì)共燃技術簡單，投資和運行費用低。生物質(zhì)相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應性，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)電設備，采用天然氣（油）與麥秸混合燃燒工藝， 每小時秸稈消耗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定，控制在25％左右。 2 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術 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》肿涌扇細怏w的過程。目前， 生物質(zhì)氣化技術大體上可按2 大類進行分類：①按氣化劑分類，②按設備運行方式分類。 2.1 按氣化劑類型分類 生物質(zhì)氣化技術按氣化劑類型分類。其中，干餾氣化其實是熱解氣化的一種特例。且由于干餾是吸熱反應，應在工藝中提供外部熱源以使反應進行。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，使其可燃氣成分含量降低，熱值也隨之降低在5000kJ/m3 左右，為低熱值氣體。氫氣氣化反應條件苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進行， 其氣化氣為熱值高達22260～26040kJ/m3 的高熱值氣化氣。 2.2 按氣化裝置運行方式分類 生物質(zhì)氣化技術按氣化裝置的運行方式分類。國內(nèi)外已投入商業(yè)運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）可以由頂部進入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動， 在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應。下吸式氣化爐主要特點是氣化強度高（相對于上吸式），工作穩(wěn)定性好，可隨時加料；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，適用于大型商業(yè)化運行。循環(huán)流化床是唯一在恒溫床上反應的氣化爐。氣化反應在床內(nèi)進行，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氣，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是入料需要預處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好的凈化處理和部件磨損嚴重。 典型操作條件為溫度600℃，加工能力100kg/h，以楊木為原料時產(chǎn)氣率可達65％。優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱速率高、氣相停留時間短、有效抑制裂化，但是載氣需求量大。氣化產(chǎn)生的可燃氣主要用來發(fā)電。生物質(zhì)氣化的發(fā)電技術有以下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（BIGCC）包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃氣輪機發(fā)電及蒸汽輪機發(fā)電。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣，可利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。氣化發(fā)電工藝包括3 個過程：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，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質(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，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；③燃氣發(fā)電。目前，國際上有很多發(fā)達國家開展提高生物質(zhì)發(fā)電效率方面的研究， 如美國Battelle（63MW）項目，歐洲英國（8MW）和芬蘭（6MW）的示范工程。 3 生物質(zhì)直接燃燒技術與生物質(zhì)氣化技術的比較 生物質(zhì)直接用來燃燒簡化了環(huán)節(jié)和設備， 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)直接燃燒技術發(fā)電較大障礙。然而秸稈類生物質(zhì)因為含有較多的K、Cl 等無機物質(zhì)，在燃燒過程中很容易出現(xiàn)嚴重的積灰、結(jié)渣、聚團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峻挑戰(zhàn)，這些還需要進一步研究解決問題的方法。生物質(zhì)氣化技術能夠一定程度上緩解中國對氣體燃料的需求， 生物質(zhì)被氣化后利用的途徑也得到相應的擴展，提高了利用效率。 參考文獻 1 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