生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)分析

能源研究與信息24卷第4Energy Research and InformationVol.24No.42008文章編號:1008-8857(2008)040199生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)分析金寶生(城市建設研究院,北京100029)摘要:在不可再生能源瀕臨枯竭,環(huán)境污染日益加劇的今天,生物質(zhì)能源替代化石能源利用的研究和開(kāi)發(fā),已成為國內外學(xué)者研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。介紹了國內外生物質(zhì)能的主要轉化利用技術(shù),分析了生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)和氣化發(fā)電技術(shù),提出了符合能量梯級利用原則的生物質(zhì)能發(fā)電方式,將是生物質(zhì)能利用的主要形式關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能;利用方式;燃燒;氣化;發(fā)電中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種可再生能源,被認為是第四大能源資源,它提供14%的世界能源需求,而在發(fā)展中國家生物質(zhì)能更占到總能耗的35%。即便如此,現在生物質(zhì)利用總量仍然不到其生產(chǎn)總量1%。而生物質(zhì)能的主要利用方式乃是爐灶式的直接燃燒,其熱效率很低,而且對環(huán)境污染嚴重。由此可見(jiàn)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊。因此,世界各國都在發(fā)展生物質(zhì)能的高效、低污染的利用技術(shù)生物質(zhì)的種類(lèi)和特點(diǎn)生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機體,包括所有的動(dòng)植物和微生物。而生物質(zhì)能,就是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式,即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來(lái)源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料?？衫蒙镔|(zhì)的種類(lèi)很多,可以從各種各樣的農作物、森林的原材料直接獲得,也可以從森林工業(yè)的副產(chǎn)品回收利用家庭垃圾、回收利用毀壞的木材和紙張中獲得。作為能源利用的生物質(zhì)的種類(lèi)及特點(diǎn)如表1所示。表2對煤與生物質(zhì)的熱值及成分進(jìn)行了對比。表1生物質(zhì)的種類(lèi)及特點(diǎn)Table 1 Classification and features of biomass優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)木材殘余物分布廣泛產(chǎn)量大能量密度低農業(yè)廢棄物綠色能源含水率高專(zhuān)門(mén)用于能量生產(chǎn)的莊稼(甘蔗桿和木薯)可再生性好堆積密度低城市固體垃圾(MSW)開(kāi)發(fā)轉化技術(shù)容易物理形態(tài)多樣性中國煤化工收稿日期:200806-11CNMHG作者簡(jiǎn)介:金寶生(1979),男(滿(mǎn)),工程師, jinbaoshengjbs@163com能源研究與信息2008年第24卷衰2煤與生物質(zhì)的熱值和組成成分的對比Table 2 Comparison of heat value and composition between coal and biomass燃料種類(lèi)高位熱值低位熱值水分工業(yè)分析(不含水分)%元素分析(不含水分)/%/(kJkg)/(kJkg)/%揮發(fā)分灰分固定碳氮硫煤47129000硬木19771988580.02317.10.2001農作物18841318874419.746.2生活垃圾*91737000511206l003成都洛帶焚燒發(fā)電廠(chǎng)垃圾分析數據。生活垃圾熱值各地區差別較大,一般入爐焚燒的垃圾熱值應大于500kg22生物質(zhì)能的利用轉化方式生物質(zhì)轉化的關(guān)鍵目的是提高其作為燃料相對較差的特性。生物質(zhì)的利用轉化方式有熱化學(xué)法、生物化學(xué)法、提取法三種,如圖1。熱化學(xué)法是指高溫下將生物質(zhì)轉化為其它形式能量的轉化技術(shù),主要包括四種方式:直接燃燒(直接將生物質(zhì)完全燃燒放出熱量)、氣化(在氣體介質(zhì)氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下對生物質(zhì)進(jìn)行部分氧化而轉化成氣體燃料的過(guò)程)、熱解(在沒(méi)有氣體介質(zhì)氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下,單純利用熱使生物質(zhì)中的有機物質(zhì)等發(fā)生熱分解從而脫除揮發(fā)性物質(zhì),常溫下為液態(tài)或氣態(tài),并形成固態(tài)的半焦或焦炭的過(guò)程)、直接液化(在高溫高壓和催化劑作用下從生物質(zhì)中提取液化石油等)。生物化學(xué)法是指生物質(zhì)在微生物的發(fā)酵作用下產(chǎn)生沼氣、酒精等能源產(chǎn)品。提取法是利用生物質(zhì)提取生物油本文將重點(diǎn)介紹生物質(zhì)能利用的直接燃燒發(fā)電技術(shù)和氣化燃燒發(fā)電技術(shù),并對其關(guān)鍵技術(shù)設備進(jìn)行系統分析。匚生物質(zhì)熱化學(xué)法牛物化學(xué)法][提取法直接燒][化解[部分氧[解][油生物質(zhì)燃們[液體燃料[品氣[沼氣和液態(tài)燃燒圖1生物質(zhì)的各種轉化路線(xiàn)Fig 1 Various conversion routes for biomass3國內外利用生物質(zhì)能發(fā)電的現狀3.1國外發(fā)展現狀M凵中國煤化工北歐的芬蘭和瑞典是生物質(zhì)能發(fā)電發(fā)展和應用都CNMHG蘭是工業(yè)化國家中使用生物質(zhì)能最多的國家,生物質(zhì)能(包括泥炭和紙漿黑液產(chǎn)生的能量)占總能耗的20%第4期金寶生:生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)分析以上,利用生物質(zhì)所發(fā)的電量占芬蘭總電量的25%。芬蘭政府還設立可持續稅和可持續能源發(fā)展資助金來(lái)促進(jìn)生物質(zhì)能的利用和開(kāi)發(fā)。瑞典有完善和廣泛的集中供熱系統,80%的城市是利用生物質(zhì)能供熱電站供熱。生物質(zhì)能是瑞典僅次與水電能的第二大可再生能源。美國以生物質(zhì)為原料的電站的總裝機容量已超過(guò)10GW,它是僅次于水電的第二大可持續資源。并且以生物質(zhì)為原料的電站在電力系統中帶基本負荷。3.2我國的發(fā)展現狀生物質(zhì)發(fā)電在我國起步相對較晚,過(guò)去建設的生物質(zhì)電廠(chǎng)的設計和設備主要來(lái)自國外。近年來(lái),在我國科研院所和高?？蒲泄ぷ髡叩男燎谂ο?在引進(jìn)技術(shù)設備的同時(shí)進(jìn)行自主研發(fā),取得了一定的成果。目前國內已興建了一批生物質(zhì)能發(fā)電廠(chǎng),其中包括幾十個(gè)垃圾發(fā)電廠(chǎng)和十幾個(gè)秸稈發(fā)電廠(chǎng),也正在興建生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程。目前國內從事生物質(zhì)氣化及直接燃燒發(fā)電技術(shù)的生產(chǎn)科研機構主要有:中國科學(xué)院廣州能源硏究所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國林業(yè)科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、山東省科學(xué)院和其它一些科研院所,他們的一些研究成果已經(jīng)進(jìn)入商品化階段4生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)能轉化為電能的技術(shù)包括:直接燃燒(包括與煤混含燃燒)、氣化和熱解等。直接繁燒和氣化是利用生物質(zhì)原料發(fā)電的主要方式。41直接燃燒技術(shù)直接燃燒是將生物質(zhì)轉化為電能的傳統技術(shù)。圖2是生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電系統的圖解。煙氣生物質(zhì)預處理鬥鍋爐輪機發(fā)電機發(fā)電機空氣灰渣圖2生物質(zhì)直接燃燒的發(fā)電系統概念圖Fig. 2 Conceptual schematic of the power generation system with biomass direct combustion生物質(zhì)的直接燃燒可分為三個(gè)階段,即預熱起燃中國煤化立炭燃燒階段口直接燃燒發(fā)電的過(guò)程是:在生物質(zhì)燃燒之前,經(jīng)過(guò)預CNMHG分選、混合、成型、干燥。經(jīng)過(guò)預處理的生物質(zhì)與過(guò)量空氣在鍋爐中克,生的煙氣們鋼爐的熱交換部能源研究與信息2008年第24卷件換熱,產(chǎn)生出的高溫高壓蒸汽在汽輪機和發(fā)電機中發(fā)出電能。通常,在凝汽式循環(huán)中只發(fā)電,而在抽汽或背壓式循環(huán)中可以實(shí)現熱電聯(lián)產(chǎn)。直接燃燒生物質(zhì)電站中,除了凝汽和熱電聯(lián)供應用方式存在不同之外,使用的蒸汽輪機和發(fā)電機沒(méi)有大的差別生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)設備是燃燒鍋爐,鍋爐的種類(lèi)一般有:堆狀燃燒爐、給料式燃燒鍋爐、懸浮燃燒鍋爐和流化床燃燒鍋爐。本文所述的燃燒鍋爐在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下,是指燃燒爐不包括余熱鍋爐。41.1固定/活動(dòng)式爐排燃燒系統般把堆狀燃燒爐、給料式燃燒鍋爐、懸浮燃燒鍋爐,稱(chēng)為固定/活動(dòng)式爐排燃燒系統。在堆狀燃燒器中,生物質(zhì)堆積在爐中,在燃燒空氣的參與下燃燒,空氣是由堆下或堆上吹入。給料機式燃燒鍋爐可以分為:固定傾斜爐排、移動(dòng)爐排、振動(dòng)爐排。這種鍋爐的共同點(diǎn)是燃料的給料系統。與堆狀燃燒爐相比,該給料系統能將一層燃料相對更均勻地散布在爐排上,在圊定傾斜爐排鍋爐中,爐排是不動(dòng)的,但是當燃料在斜面上向下滑動(dòng)時(shí),燃燒同時(shí)也在進(jìn)行。在移動(dòng)爐排式鍋爐中,燃料被送到爐排的一側,當爐排將燃料運送到灰的堆積點(diǎn)時(shí),爐排上的燃料必須要燃盡。在振動(dòng)爐排式鍋爐中,燃料被均勻地散布在整個(gè)爐排上。爐排有一種振動(dòng)運動(dòng),這將使燃料在爐排上均勻地散布。在懸浮燃燒鍋爐中,當燃料被送入鍋爐中時(shí),燃料是以細小的顆粒狀燃燒的。4.1.2流化床燃燒技術(shù)流化床燃燒涉及到一系列先進(jìn)技術(shù),包括常壓鼓泡床燃燒、循環(huán)流化床燃燒、增壓流化床燃燒。這些技術(shù)已經(jīng)被應用到所有的固體燃料(包括生物質(zhì)燃料、泥炭、褐煤、洗煤后廢棄物、石油焦、城市垃圾和一系列有害的廢物)。而且還開(kāi)發(fā)了不同類(lèi)的燃料和廢棄物共燒的流化床技術(shù)。目前,已經(jīng)廣泛使用的流化床鍋爐大體上可以分為鼓泡流化床(BFB)和循環(huán)流化床(CFB)。在鼓泡流化床中,所有的物料在床體內是靜止的;而在循環(huán)流化床中,固體物料由床體進(jìn)入旋風(fēng)分離器中,然后再由旋風(fēng)分離器返回到床體內。流化床燃燒系統一般由燃料和石灰石給料系統、流化床反應器(包括風(fēng)箱、反應器的床區懸浮區、床內的熱交換器)、余熱鍋爐、氣體污染控制系統組成。反應劑是由像沙子的惰性顆粒、燃料燃燒后的灰和石灰石組成。燃燒用的空氣由風(fēng)箱通過(guò)布風(fēng)板送入床體,將床粒向上吹成流動(dòng)的氣流。燃料通過(guò)床體或給料裝置送入反應器中,并發(fā)生反應。通過(guò)傳導、對流、輻射換熱方式將熱量傳遞給床料。單相的氣氣反應和多相的氣固間反應都在流化床反應器中進(jìn)行。大多數反應發(fā)生在懸浮區。表3對以上各種鍋爐進(jìn)行了比較。流化床燃燒具有相對高的效率和燃料適應性,發(fā)電效率接近或超過(guò)30%。如果電站僅僅燃生物質(zhì),那么活動(dòng)爐排和循環(huán)流化被認為有較高效率。4.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)氣化發(fā)電的過(guò)程是:生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)方式轉化為氣體燃料,凈化后的氣體燃料被送入鍋爐、內燃發(fā)電機或燃氣輪機的燃燒室中燃燒,進(jìn)而發(fā)出電能。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統依據燃料氣送入不同的系統,可以有不同的實(shí)現形式。圖3是生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(BIGC的簡(jiǎn)單概念圖,干凈的燃氣被送到燃氣機的V凵中國煤化工,生成高溫高壓的氣體驅動(dòng)燃氣機發(fā)電,從燃氣機排出的氣體經(jīng)過(guò)CNMHG蒸汽,驅動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電。這種發(fā)電系統能源利用率高,在國外被廣泌的應用。第4期金寶生:生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)分析203表3常用的燃燒系統分類(lèi)及特性Table 3 Classification and characteristics of the common combustion syster主要形式典型的燃料特點(diǎn)熱效率/%城市垃圾、醫用垃圾、生物質(zhì)(如甘可處理高水分的燃料堆狀燃燒爐蔗渣)需要周期性停爐燃燒很難控制,除灰困難爐固定傾斜爐排城市垃圾、生物質(zhì)(木材)難以控制負荷及燃燒率排燃移動(dòng)式爐排城市垃圾、醫用垃圾、其他生物質(zhì)連排灰燒容易控制燃燒振動(dòng)式爐排木材廢料、碳、其它生物質(zhì)燃料維護少需要復雜的燃料懸浮式煤粉、干木粉、其它生物質(zhì)預處理及給料系統流鼓泡式城市垃圾、醫用垃圾、其他生物質(zhì)受熱面易損848888化床循環(huán)流化床城市垃圾、醫用垃圾、其他生物質(zhì)易于控制酸性氣體排放煙氣生物質(zhì)預處理鍋爐輪機發(fā)電機氣化系統凈化系統撚氣輪發(fā)電機變電站圖3生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)系統概念圖Fig 3 Conceptual schematic of the biomassgasification combined cycle system生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)在高溫下與氣化劑發(fā)生化學(xué)反應的過(guò)程,氣化得到的氣體產(chǎn)物包含的可燃氣體主要是氫氣和一氧化碳,副產(chǎn)品有液體、焦油和灰渣。通常,氣化劑包括空氣、氧氣和水蒸汽(或水蒸汽與氧氣、空氣的混合物)。在生物質(zhì)氣化中,使用的氧氣含量通常是理論上完全燃燒所需要量的20%~40%,也就是說(shuō),氣化的化學(xué)過(guò)程是在缺氧條件(還原氣氛)條件下進(jìn)行的。同時(shí),整個(gè)氣化系統是自供熱的,從它自身內部的化學(xué)反應過(guò)程就可以產(chǎn)生完全氣化所需的熱量。氣化過(guò)程主要包括氧化和其它放熱反應、熱解(也被稱(chēng)為輕度氣化、碳化和脫揮發(fā)分)、氣化(還原)三個(gè)階段2。生物質(zhì)氣化系統在生物質(zhì)氣化發(fā)電的生產(chǎn)過(guò)程中中國煤化工器是氣化反應的發(fā)生裝置,它產(chǎn)生的燃料氣通過(guò)凈化系統變?yōu)楦蓛鬋NMHG燃機以及其它動(dòng)力設備對燃料氣的嚴格要求。04能源研究與信息200年第24卷43生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的比較美國燃氣研究所和電力研究所歸納了生物質(zhì)燃料直接燃燒、共燃、氣化發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)見(jiàn)表4。裹4生物質(zhì)燃料發(fā)電技術(shù)的對比Table 4 Comparison between different power generation technologies with biomass fuelIGCC直接燃燒電站容量/MW效率/%2300032900總投資成本/($kWh)2102271600總運行費用/(gkWh)3980550015991980效率/%32902000總投資成本/($kWh)18921745255200總運行費用/(gkWh)47401608~1989電站容量/MW效率%27700329002005總投資成本/(SkWh)16501510240500總運行費用/(ckWh)355047401604~1985顯然,生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)( BIGCO)比直接燃燒的發(fā)電效率要高,運行費用也較直接燃燒的運行費用低。在我國現階段,生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)展,應在以發(fā)展生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電系統為主的基礎上,大力研究和發(fā)展生物質(zhì)氣化及其發(fā)電技術(shù),特別是 BIGCC發(fā)電技術(shù),使生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在生物質(zhì)能源的利用中更具有競爭力。5結論在不可再生礦產(chǎn)資源瀕臨枯竭,環(huán)境污染日益加劇的今天,生物質(zhì)能源的生產(chǎn)和利用將成為人類(lèi)能源的發(fā)展方向。生物質(zhì)能源轉換的技術(shù)將是這一轉變的關(guān)鍵。而符合能量梯級利用的原則生物質(zhì)發(fā)電技術(shù),必將成為生物質(zhì)能利用的主要形式參考文獻[l]YuaNZhenhong.ResearchandDevelopmentonBiomassEnergyinChinaleb/ol].2001.Http://www.unescap.org/enrd/energy/ China/China Biomass. pdf.2]馬隆龍,吳創(chuàng )之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20033]劉建禹,翟國勛,陳榮耀.生物質(zhì)燃料直接燃燒過(guò)程特性的分析[門(mén).東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報,201,32(3):290294[4] LUBY Peter. 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The researchand development of utilization technologies for biomass energy as substitutes for fossil energy havetherefore become one of the hot topics which domestic and overseas researchers are following withinterest. This paper introduces the primary conversion utilization technologies for biomass energyand analyses the direct combustion and gasification technologies of biomass for power generation. Itis concluded that the biomass power generation technologies according to cascaded utilization ofnergy will be the main biomass utilization forms in the near future.Key Words: biomass energy; utilization; biomass burning; gasification; power generation.接第198頁(yè))Sustainable development of rural energy in Tibet-problems andcountermeasuresLI WEI-HU DA WA(Agriculture and Animal Husbandry College, Tibet University, Linzhi 860000, China)Abstract: In this paper, the course of development of renewable energy resources in Tibet isntroduced, such as electric power, solar energy, geothermal energy, wind energy, and biomassenergy. By analyzing the current situation of energy utilization in rural and pastoral areas of Tibet,the major problems and difficulties that people have been faced with are discussed. On the basis ofthe discussion, countermeasures to ensure a sustainable development of energy utilization in Tibetrural areas are suggested:(1) Quicken the process of urbanization and realize a rational distributionof energy resources;(2)Adapt to local conditions and enable various energy resources tocomplement each other;(3) Adjust rural energy consu v凵中國煤化 Tely support theexploitation of renewable energy resourcesCNMHGKey Words: renewable energy; rural energy; sustainable development