生物質(zhì)氣化技術(shù)原理及應用分析

區域供熱2010.3期生物質(zhì)氣化技術(shù)原理及應用分析福建省電力勘測設計院鄭昀濟南鍋爐集團有限公司邵巖李斌【摘要】生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源。由于分布廣泛、有利于環(huán)保等特點(diǎn),因而越來(lái)越受到世界各國的關(guān)注。生物質(zhì)氣化技術(shù)是利用生物質(zhì)能的一種方式。本文介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理,生物質(zhì)氣化工藝及氣化設備目前應用較多的氣化技術(shù)是生物質(zhì)氣化供氣和生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)文中提出了應用過(guò)程中存在的問(wèn)題,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展方向?！娟P(guān)鍵詞】生物質(zhì)氣化原理氣化技術(shù)應用前言1生物質(zhì)氣化技術(shù)生物質(zhì)能是指由光合作用而產(chǎn)生的各種1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理有機體,光合作用利用空氣中的二氧化碳和生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧氣或含氧土壤中的水,將吸收的太陽(yáng)能轉換為碳水化物作氣化劑在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的合物和氧氣。生物質(zhì)通常包括農業(yè)廢棄物、可燃部分轉化為可燃氣(主要是氫氣、一氧化材及森林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮生活垃碳和甲烷)的熱化學(xué)反應。20世紀70年代,圾以及能源作物等幾種類(lèi)型。生物質(zhì)能具有 Ghaly首次提出了將氣化技術(shù)應用于生物質(zhì)以下特點(diǎn):(1)屬于可再生能源,可保證能源這種含能密度低的燃料。生物質(zhì)的揮發(fā)分含量的永續利用;(2)種類(lèi)多而分布廣,便于就地一般在76%86%生物質(zhì)受熱后在相對較低利用,利用形式多樣;(3)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的溫度下就能使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出。幾種可貯存性好;(4)節能、環(huán)保效果好。常見(jiàn)生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析成分如表1所示:表1幾種生物質(zhì)的工業(yè)分析成分工業(yè)分析成分種類(lèi)水分(%)揮發(fā)分(%)固定碳(%)灰分(%)低位熱值(MJ/kg)雜草54368.7716.49.4616.192豆秸5.106574.617.123.1316.146稻草4.9765.1116.0613.8613.970麥4.3967.3619.358.9015.363玉米秸4.8771.4517.755.9315.450玉米芯15.076.607.001.4014.395棉秸6.7868.5420.713.9715.99139區域供熱2010.3期為了提供反應的熱力學(xué)條件,氣化過(guò)程的空氣發(fā)生反應,同時(shí)釋放大量的熱以支持需要供給空氣或氧氣,使原料發(fā)生部分燃燒。生物干燥、熱解和后續的還原反應,溫度可達盡可能將能量保留在反應后得到的可燃氣到1000~1200℃中,氣化后的產(chǎn)物含有H2、CO及低分子的(4)還原過(guò)程還原過(guò)程沒(méi)有氧氣存在,CHn等可燃性氣體。整個(gè)過(guò)程可分為:干燥、氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木熱解、氧化和還原。炭發(fā)生反應,生成氫氣和一氧化碳等。這些氣(1)干燥過(guò)程生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐后,在體和揮發(fā)分組成了可燃氣體,完成了固體生熱量的作用下,析出表面水分。在200~300℃物質(zhì)向氣體燃料的轉化過(guò)程。時(shí)為主要干燥階段。1.2氣化工藝(2)熱解反應當溫度升高到300℃以上生物質(zhì)氣化有多種形式,如果按氣化介質(zhì)時(shí)開(kāi)始進(jìn)行熱解反應。在300~400℃時(shí),生物可以分為使用氣化介質(zhì)和不使用氣化兩種,前質(zhì)就可以釋放出70%左右的揮發(fā)組分,而煤者又可以細分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣要到800℃才能釋放出大約30%的揮發(fā)分熱氣化、氫氣氣化等,后者有熱分解氣化。不同氣解反應析出揮發(fā)分主要包括水蒸氣、氫氣、化技術(shù)所得到的熱值不同,因而應用領(lǐng)域也有氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氫化合物。所不同3。如表2所示為不同氣化工藝技術(shù)產(chǎn)(3)氧化反應熱解的剩余木炭與引入生可燃性氣體的熱值及其主要的用途。表2不同氣化工藝技術(shù)的用途氣化技術(shù)可燃氣體熱值(標準狀態(tài))(kJ/m3)用途空氣氣化5440~7322鍋爐、干燥、動(dòng)力氧氣氣化10878~18200區域管網(wǎng)、合成燃料水蒸氣氣化10920~18900區域管網(wǎng)、合成燃料氫氣氣化22260-26040工藝熱源、管網(wǎng)熱分解氣化10878-15000燃料與發(fā)電、制造汽油與酒精的原料1.3氣化設備上吸式固定床氣化爐氣化爐是生物質(zhì)氣化反應的主要設備。按氣化爐的運行方式不同,可以分為固定床、固定床氣化爐下吸式固定床氣化爐流化床和旋轉床三種類(lèi)型4。國內目前生物質(zhì)下吸式固定床氣化爐氣化過(guò)程所采用的氣化爐主要為固定床氣化生物質(zhì)氣化爐鼓泡床氣化爐爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐和流化床氣化爐又有多種不同的形式,其各種類(lèi)型如流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐圖1所示。雙流化床氣化爐1.3.1固定床氣化爐35攜帶床氣化爐固定床氣化爐是一種傳統的氣化反應圖1生物質(zhì)氣化爐的分類(lèi)爐,其運行溫度大約為1000℃。固定床氣化爐化。其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)出氣在經(jīng)過(guò)裂解層和干可以分為上吸式、下吸式和橫吸式氣化爐。燥層時(shí),將其攜帶的熱量傳遞給物料,用于物上吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由爐頂加料的裂解和干燥,同時(shí)降低自身的溫度,使爐入,氣化劑由爐底部進(jìn)氣口加入,氣體流動(dòng)的子的熱效率提高,產(chǎn)出氣體含灰量少。方向與燃料運動(dòng)的方向相反,向下流動(dòng)的生下吸式氣化爐中,生物質(zhì)由頂部的加料物質(zhì)原料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干、裂解、氣口投入,氣化劑可以在頂部加入,也可以在喉40-區域供熱2010.3期部加入氣化劑與物料混合向下流動(dòng)該爐的解反應,第Ⅱ級反應器中進(jìn)行氣化反應。雙流優(yōu)點(diǎn)是,有效層高度幾乎不變、氣候強度高、化床氣化爐炭轉化率較高。工作穩定性好、可以隨時(shí)加料,而且氣化氣體攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特中焦油含量較少但是燃氣中灰塵較多出爐例,其運行溫度高達1100~1300℃,產(chǎn)出氣體溫度較高。中焦油成分和冷凝物含量很低,碳轉化率可橫吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由氣化爐以達到100%頂部加入,氣化劑從位于爐身一定高度處進(jìn)2生物質(zhì)氣化技術(shù)的應用入爐內,灰分落入爐柵下部的灰室。燃氣呈水2.1生物質(zhì)氣化供氣平流動(dòng),故稱(chēng)作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)是指氣化爐產(chǎn)出的燒區溫度可達到200℃超過(guò)灰熔點(diǎn)容易結生物質(zhì)燃氣,通過(guò)相應的配套裝備,完成為居渣。因此該爐只適用于含焦油和灰分不大于民供應燃氣的技術(shù)。生物質(zhì)氣化供氣系統工5%的燃料,如無(wú)煙煤、焦炭和木炭等。藝流程如圖3所示。1.3.2流化床氣化爐流化床燃燒技術(shù)是一種先進(jìn)的燃燒技生物質(zhì)氣化組術(shù)。流化床氣化爐的溫度一般在750~800℃。原料氣化爐燃燒凈化器風(fēng)機水封器這種氣化爐適用于氣化水分含量大、熱值低、著(zhù)火困難的生物質(zhì)物料,但是原料要求相當燃氣管網(wǎng)阻火器氣柜小的粒度,可大規模、高效的利用生物質(zhì)能。按照氣固流動(dòng)特性不同,流化床氣化爐分為圖3生物質(zhì)氣化供氣系統工藝流程圖鼓泡床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床生物質(zhì)原料首先經(jīng)過(guò)處理達到氣化爐的氣化爐和攜帶床氣化爐。使用條件,然后由送料裝置送入氣化爐中,不鼓泡床中氣流速度相對較低,幾乎沒(méi)有固同類(lèi)型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。體顆粒從中逸出。循環(huán)流化床氣化爐中流化速所產(chǎn)生的可燃氣體,在凈化器中除去灰塵和度相對較高,從床中帶出的顆粒通過(guò)旋風(fēng)分離焦油等雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)凈化后的氣體經(jīng)過(guò)水封,由器收集后,重新送入爐內進(jìn)行氣化反應。鼓風(fēng)機送入儲氣罐中,水封相當于一個(gè)單向雙流化床與循環(huán)流化床相似,如圖2所閥,只允許燃氣向儲氣罐中流動(dòng)。儲氣罐出口示,不同的是第1級反應器的流化介質(zhì)在第Ⅱ的阻火器是一個(gè)重要的安全設備。最后,燃氣級反應器中加熱。在第1級反應器中進(jìn)行裂通過(guò)燃氣供應網(wǎng)統一輸送給用戶(hù)?？扇細鉄煔饽壳?生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)已經(jīng)在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣開(kāi)來(lái),已經(jīng)成功氣化的生物質(zhì)包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麥秸等。2.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)氣化劑碳粒燃燒爐生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是目前研究與應用生物質(zhì)最多、裝備最為完善的技術(shù)。目前,生物質(zhì)氣砂子化發(fā)電有三種方式:高溫砂子(1)作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽氣化劑空氣帶動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電。這種方式對氣體要求不圖2雙循環(huán)流化床示意圖是很?chē)栏?直接在鍋爐內燃燒氣化氣。氣化氣41-區域供熱2010.3期經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分后即可使望成為21世紀的新型發(fā)電技術(shù)。用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí),能夠3生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨的問(wèn)題及展望保持穩定的燃燒狀態(tài),排放污染物較少。生物質(zhì)能在我國是僅次于煤炭、石油和(2)在燃氣輪機內燃燒帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。天然氣的第四種能源資源,在能源系統中占這種方式對氣體的壓力有要求,一般為10有重要地位。當前,生物質(zhì)氣化技術(shù)在實(shí)際利30kg/cm2。該種技術(shù)存在灰塵、雜質(zhì)等污染問(wèn)用過(guò)程中,還存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題題。(a)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低、堿金屬元素含量(3)在內燃機內燃燒帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。這高,直接燃燒易結焦和產(chǎn)生高溫堿金屬元素種方式應用廣泛,效率高。但是該種方法對氣腐蝕;體要求極為嚴格,氣化氣必須經(jīng)過(guò)凈化和冷(b)生物質(zhì)氣化時(shí),渣與飛灰的含碳量較卻處理。高,氣化效率低;大型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統均采用燃氣(c)燃氣中焦油含量高,容易導致產(chǎn)生含輪機發(fā)電機,這是目前世界上最先進(jìn)的生物焦廢水以及影響設備的正常運行;質(zhì)發(fā)電技術(shù)。該系統包括兩種發(fā)電技術(shù):整體(d)目前氣化發(fā)電機組的尾氣余熱回收氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和整體氣化熱空氣循環(huán)效果不好,造成整個(gè)系統效率較低。(IGHAT)。所以,降低燃氣中的飛灰和焦油含量提由于燃氣輪機系統發(fā)電后排放的尾氣溫高系統效率和可靠性是今后利用生物質(zhì)氣化度大于500℃,所以增加余熱鍋爐和過(guò)熱器產(chǎn)技術(shù)的主要研究方向。我國生物質(zhì)能資源十生蒸汽,再利用蒸汽循環(huán),可以有效提高發(fā)電分豐富,僅各類(lèi)農業(yè)廢棄物的資源每年即有效率,這就是生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán),其發(fā)3.08×108t標準煤,薪柴資源量為1.3×10t標電工藝流程如圖4所示。準煤。第15次世界能源大會(huì )將生物質(zhì)氣化技空氣Q高溫過(guò)濾器蒸汽輪機術(shù)確定為優(yōu)先開(kāi)發(fā)的新能源技術(shù)之一目前,500℃原料裂娜爐我國已經(jīng)建立了500個(gè)以上的生物質(zhì)氣化應用工程,連續運行的經(jīng)驗表明,生物質(zhì)氣化技空氣術(shù)對處理大量的農作物廢棄物、減輕環(huán)境污染、提高人民生活水平等多方面都發(fā)揮著(zhù)積氣化爐分離器燃氣輪機極的作用。參考文獻圖4生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)工藝流程圖【1]吳正舜創(chuàng )之,鄭舜鵬4MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電該系統由物料預處理設備、氣化設備、凈示范工程的設計研究[J]能源工程,2003,3:14-化設備、換熱設備、燃氣輪機、蒸汽輪機等發(fā)17電設備組成。功率范圍在7~30MW,整體效率]Gahly Piskoretal The Hydro gasification of可以達到40%。 wood [J]. IndEngCheMres, 1988,27: 256-264.[3]李傳統,新能源與可再生能源技術(shù)[M],東南大學(xué)整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)技術(shù)正處出版社,2005于開(kāi)發(fā)階段,它和IGCC的主要區別在于用一[4]駱仲泱,張冀強,姚向軍中國生物質(zhì)能利用技術(shù)個(gè)燃氣輪機代替了后者的燃氣輪機和汽輪評價(jià)[J],中國能源,2004,26(9):39-42機。由水蒸氣和燃氣的混合工質(zhì)通過(guò)燃氣輪[5]劉榮厚牛衛生張大雷生物質(zhì)熱化學(xué)轉換技術(shù)機輸出有用功,其整體效率可以達到60%,有[M],化學(xué)工業(yè)出版社,200542