生物質(zhì)氣化機理及應用

生物質(zhì)氣化機理及應用發(fā)電設備(2010N0.5)生物質(zhì)氣化機理及應用鄭昀',邵巖2,李斌21.福建省電力勘測設計院,福州350003;2.濟南鍋爐集團有限公司,濟南250023)摘要:介紹了生物質(zhì)氣化機理、工藝及設備并介紹了目前應用較多的生物質(zhì)氣化供氣和生物質(zhì)氣化發(fā)電方式,指出了生物質(zhì)氣化技術(shù)目前面臨的問(wèn)題,提高效率和可靠性、降低飛灰和焦油含量等是今后生物質(zhì)氣化技術(shù)應用的主要研究課題關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化機理;氣化技術(shù)應用中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1671-086X(2010)05-038504Mechanism of Biomass Gasification and its applicationZHENG Yun, SHAO Yan, LI Bin(1. Fujian Electric Power Survey Design Institute, Fuzhou 350003, China;2. Jinan Boiler Group Co. Ltd, Jinan 250023, China)Abstract: An introduction is being presented to the mechanism, technology and equipment of biomassgasification, including its wide application for gas supply and power generation. Problems existing in currentgasification technologies of biomass are listed, and how to improve the efficiency and reliability, reduce thegasification technologyKeywords: biomass; gasification mechanism; application of gasification technology生物質(zhì)能是指由光合作用產(chǎn)生的各種有機86%生物質(zhì)受熱后在較低的溫度下就能使大量體蘊含的熱能,通常包括農業(yè)廢棄物、木材及森的揮發(fā)分物質(zhì)析出。幾種常見(jiàn)生物質(zhì)燃料的工林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮生活垃圾以及能業(yè)分析成分見(jiàn)表1。源作物等。生物質(zhì)能具有以下特點(diǎn):(1)屬于可表1幾種生物質(zhì)的工業(yè)分析成分再生能源,可保證能源的繼續利用;(2)種類(lèi)多而工業(yè)分析成分分布廣,便于就地取材,利用形式多樣;(3)相關(guān)種類(lèi)uM)w(w)wc)wA)an技術(shù)已經(jīng)成熟,可貯存性好;(4)節能、環(huán)保效/%/%/%/(MJkg-1)果好雜草5.4368.7716豆秸5.1074.6517.123.131生物質(zhì)氣化的機理稻草4.9765.1116.0613.8613,970麥秸4.396719.358.9015.363生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物玉米秸4.871.4517.755.9315.450作氣化劑,在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃玉米芯15.0076.607.00140部分轉化為可燃氣(主要是H2、CO和CH4)的熱棉秸6.7868.5420.713.9715.991化學(xué)反應過(guò)程。20世紀70年代, Ghaly首次提為了提供反應的熱力學(xué)條件,氣化過(guò)程需要出了將氣化技術(shù)應用于生物質(zhì)這種含能密度低供給空氣或氧氣,使部分原料發(fā)生燃燒,并使盡的燃料。生物質(zhì)的揮發(fā)分含量一般在76%~量多中國煤化工可燃氣中,氣收稿日期:2010-03-15CNMHG作者簡(jiǎn)介:鄭昀(1983-),男,助理工程師長(cháng)期從事電廠(chǎng)勒測設計工作E-mail:zhengyun1028g126.com發(fā)電設備(2010No.5)生物質(zhì)氣化機理及應用化后的產(chǎn)物含有H2、CO及低分子的CmH,等可表3生物質(zhì)氣化爐的分類(lèi)燃性氣體。整個(gè)過(guò)程可分為干燥、熱解、氧化和按運行方式分類(lèi)按結構形式分類(lèi)還原四個(gè)階段上吸式固定床氣化妒(1)干燥過(guò)程生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐后,在熱固定床氣化爐下吸式固定床氣化爐橫吸式固定床氣化爐量的作用下析出表面水分,在200~300℃時(shí)為鼓泡床氣化爐主要干燥階段流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐雙流化床氣化爐(2)熱解反應當溫度升高到300℃以上時(shí)攜帶床氣化爐開(kāi)始進(jìn)行熱解反應。在300~400℃時(shí)生物質(zhì)就可以釋放出70%左右的揮發(fā)分,而煤要到800℃3.1固定床氣化爐[3才能釋放出約30%的揮發(fā)分。熱解反應析出的固定床氣化爐是一種傳統的氣化反應爐,其揮發(fā)分主要包括水蒸氣、H2、CO、CH、焦油及其運行溫度約為100他碳氫化合物(1)上吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由爐頂加(3)氧化反應熱解的剩余木炭與引入的空,氣化劑由爐底部進(jìn)氣口加入,氣體流動(dòng)的方氣發(fā)生反應,同時(shí)釋放大量的熱以支持生物于向與燃料運動(dòng)的方向相反,向下流動(dòng)的生物質(zhì)原燥、熱解和后續的還原反應,溫度可達到1000料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干、裂解、氣化。其主1200℃要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)出氣在經(jīng)過(guò)裂解層和干燥層時(shí),將其(4)還原過(guò)程還原過(guò)程沒(méi)有氧氣存在氧攜帶的熱量傳遞給物料,用于物料的裂解和干化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木炭發(fā)燥,同時(shí)降低自身的溫度,使氣化爐的熱效率提生反應,生成H2和CO等。這些氣體和揮發(fā)分高,產(chǎn)出氣體含灰量少組成了可燃氣體,完成了固體生物質(zhì)向氣體燃料(2)下吸式氣化爐中,生物質(zhì)由頂部的加料的轉化過(guò)程?？谕度?氣化劑可以在頂部加入,也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是2氣化工藝有效層高度幾乎不變,氣化強度高,工作穩定性生物質(zhì)氣化有多種形式見(jiàn)表2。不同氣化好,可以隨時(shí)加料,而且氣化氣體中焦油含量較技術(shù)所得到的熱值不同,因而應用領(lǐng)域也有所不少。但是燃氣中灰塵較多,出爐溫度較高。同。表2列出了不同氣化工藝產(chǎn)生可燃性氣(3)橫吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由氣化爐體的熱值及其主要用途頂部加入,氣化劑從位于爐身一定高度處進(jìn)入爐內,灰分落入爐柵下部的灰室。燃氣呈水平流動(dòng),表2不同氣化工藝技術(shù)的用途故稱(chēng)作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃燒區溫度可可燃氣體熱值氣化形式(標準狀態(tài))/(MJm-3)用途達到2000℃,超過(guò)了灰熔點(diǎn),容易結渣,因此該空氣氣化5.440~7.32鍋爐、干燥、動(dòng)力爐只適用于含焦油和灰分不大于5%的燃料,如使用氣氧氣氣化10.878~18.200區域管網(wǎng)、合成燃料無(wú)煙煤焦炭和木炭等,但對于生物質(zhì)問(wèn)題不大?；橘|(zhì)水蒸氣氣化10.920~18.900區域管網(wǎng)、合成燃料氫氣氣化22.260~26工藝熱源、管網(wǎng)3.2流化床氣化爐氣化介質(zhì)熱分解氣化10.878~15.00燃料與發(fā)電、制造不使用流化床燃燒技術(shù)是一種先進(jìn)的燃燒技術(shù)。汽油與酒精的原料流化床氣化爐的溫度一般在750~800℃。這種氣化爐適用于氣化水分含量大、熱值低、著(zhù)火困3氣化設備難的生物質(zhì)物料,但是要求原料粒度相當小,可氣化爐是生物質(zhì)氣化反應的主要設備。按大規模、高效地利用生物質(zhì)能氣化爐的運行方式不同可分為固定床、流化床和(1)鼓泡床氣化爐爐中氣流速度相對較旋轉床三種類(lèi)型,目前國內生物質(zhì)氣化過(guò)程低,幾"V山中國煤化工所采用的氣化爐主要為固定床氣化爐和流化床CNMHG流化速度相對氣化爐,它們又各有多種不同的形式,其分類(lèi)見(jiàn)較高從冰中帝出的顆粒週理風(fēng)分離器收集后,重新送入爐內進(jìn)行氣化反應。386生物質(zhì)氣化機理及應用發(fā)電設備(2010No.5)(3)雙流化床與循環(huán)流化床相似,見(jiàn)圖2。4.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)不同的是第I級反應器的流化介質(zhì)在第Ⅱl級反生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是目前研究與應用最應器中加熱。在第I級反應器中進(jìn)行裂解反應,多、裝備最為完善的技術(shù)。目前,生物質(zhì)氣化發(fā)第Ⅱ級反應器中進(jìn)行氣化反應。雙流化床氣化電有三種方式:爐碳轉化率較高。(1)生成的可燃氣體作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電。這種方式對氣可燃氣體要求不是很?chē)栏?直接在鍋爐內燃燒氣化氣氣化氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分后即可第級反應器使用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí),能夠保持穩定的燃燒狀態(tài),污染物排放較少氣化劑碳粒燃燒爐(2)生成的可燃氣體在燃氣輪機內燃燒帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。這種方式對氣體的壓力有要求,一般為高溫砂子氣化劑1~3MPa。該技術(shù)存在灰塵、雜質(zhì)等污染問(wèn)題。圖2雙循環(huán)流化床示意圖(3)生成的可燃氣體在內燃機內燃燒帶動(dòng)發(fā)4)攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種電機發(fā)電。這種方式應用廣泛,效率高。但是該特例其運行溫度高達1100~1300℃,產(chǎn)出氣方法對氣體要求極為嚴格氣化氣必須經(jīng)過(guò)凈化體中焦油成分和冷凝物含量很低,碳轉化率可以和冷卻處理。達到100%。大型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統均采用燃氣輪機發(fā)電機,這是目前世界上最先進(jìn)的生物質(zhì)發(fā)電4應用實(shí)例技術(shù)。該系統包括兩種發(fā)電技術(shù):整體氣化聯(lián)合41生物質(zhì)氣化供氣循環(huán)(IGCC)和整體氣化熱空氣循環(huán)( IGHAT)生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)是指氣化爐產(chǎn)出的生由于燃氣輪機排放的尾氣溫度大于500℃,所物質(zhì)燃氣,通過(guò)相應的配套裝備,完成為居民供以增設余熱鍋爐和過(guò)熱器產(chǎn)生蒸汽,再利用蒸汽應燃氣的技術(shù),其工藝流程見(jiàn)圖3。循環(huán)進(jìn)行發(fā)電,這就是生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)可以有效提高發(fā)電系統效率,其工藝流程見(jiàn)圖4生物質(zhì)氣化設備原料[氣化爐[燃燒凈化器][風(fēng)機[水封器空氣高溫過(guò)濾器燃氣輪機氣裂解爐「阡燃氣管[阻火器圖3生物質(zhì)氣化供氣系統工藝流程圖氣化爐分離器生物質(zhì)原料首先經(jīng)過(guò)處理滿(mǎn)足氣化爐的使蒸汽輪機○用條件然后由送料裝置送入氣化爐中。不同類(lèi)型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。所產(chǎn)生的可燃氣體,在凈化器中除去灰塵和焦油等雜圖4生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)工藝流程圖質(zhì)。經(jīng)過(guò)凈化后的氣體經(jīng)過(guò)水封,由鼓風(fēng)機送入該系統由物料預處理設備、氣化設備、凈化設儲氣罐中,水封相當于一個(gè)單向閥,只允許燃氣備、換熱設備、燃氣輪機蒸汽輪機等設備組成,發(fā)向儲氣罐中流動(dòng)。儲氣罐出口的阻火器是一個(gè)電功率在7~30MW整體效率可以達到40%。重要的安全設備。最后,燃氣通過(guò)燃氣供應網(wǎng)統整體氣化熱空氣循環(huán)( IGHAT)技術(shù)正處于一輸送給用戶(hù)。開(kāi)發(fā)中國煤化工在于用同一個(gè)目前生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)已經(jīng)在山東、遼寧、燃CNMHGL和汽輪機。由吉林安徽等十幾個(gè)省市推廣開(kāi)來(lái)已經(jīng)成功氣化水蒸氣和燃氣的混合工質(zhì)通過(guò)燃氣輪機輸出有的生物質(zhì)包括玉米芯玉米秸棉柴和麥秸等。用功,其整體效率可以達到60%有望成為21世發(fā)電設備(2010No.5)生物質(zhì)氣化機理及應用紀的新型發(fā)電技術(shù)我國生物質(zhì)能資源十分豐富僅各類(lèi)農業(yè)廢5生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨的問(wèn)題棄物每年即有3.08×10°t標準煤,薪柴資源量為1.3×10°t標準煤。第15次世界能源大會(huì )將生生物質(zhì)能在我國是僅次于煤炭、石油和天然物質(zhì)氣化技術(shù)確定為優(yōu)先開(kāi)發(fā)的新能源技術(shù)之氣的第四種能源資源,在能源系統中占有重要地目前,我國已經(jīng)建立了500個(gè)以上的生物質(zhì)位。當前,生物質(zhì)氣化技術(shù)在實(shí)際利用過(guò)程中,氣化應用工程。這些裝置連續運行的經(jīng)驗表明,還存在以下問(wèn)題(:生物質(zhì)氣化技術(shù)對處理大量的農作物廢棄物、減(1)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低、堿金屬元素含量高,直輕環(huán)境污染提高人民生活水平等方面都發(fā)揮著(zhù)接燃燒易結焦和產(chǎn)生高溫堿金屬元素腐蝕。積極作用。(2)生物質(zhì)氣化時(shí),渣與飛灰的含碳量較高,參考文獻氣化效率低(3)燃氣中焦油含量高容易產(chǎn)生含焦廢水,[1]吳正舜,吳創(chuàng )之,鄭舜鵬4MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程并影響設備的正常運行。的設計研究[門(mén)],能源工程,2003(3);14-17(4)目前氣化發(fā)電機組的尾氣余熱回收效果(2) GAHLY M, PISKORZ. The hydro gasification of woodMres,1988(27):256-264.不好,造成整個(gè)系統效率較低。[3]李傳統新能源與可再生能源技術(shù)[M.南京:東南大學(xué)出版所以,降低燃氣中的飛灰和焦油含量,提高社,2005系統效率和可靠性是今后利用生物質(zhì)氣化技術(shù)[4]駱仲泱張冀強姚向軍.中國生物質(zhì)能利用技術(shù)評價(jià)[J的主要研究課題。中國能源2004,26(9):39-42.[5]劉榮厚,牛衛生,張大雷.生物質(zhì)熱化學(xué)轉換技術(shù)[M].北6結語(yǔ)京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005上接第369頁(yè))(2)由于目前采用油品為180號重油,而且各有機硅樹(shù)脂潤滑,使其滑動(dòng)順暢?？刂撇僮魉疁貍€(gè)批次的產(chǎn)地不同。每一批次油品的含水量、固型度在15~60℃,防止有機硅樹(shù)脂變得硬稠影響物的含量都不同。雖然原油在原油罐中經(jīng)過(guò)沉淀活塞運動(dòng)。同時(shí)應該檢查操作水和操作氣的品脫水,但是還是不同程度地有雜質(zhì)進(jìn)入分離機,這質(zhì),防止雜質(zhì)影響活塞運動(dòng)。使得分離機在處理油品的時(shí)候每分鐘產(chǎn)生的油渣(4)在每次分離機或水操作模塊解體檢修也是不同的,所以確定分離機的油污排放間隔是很后,手動(dòng)打開(kāi)操作水和電磁隔離閥進(jìn)行噴水試重要的。為了檢查排污間隔值是否適當在運行一驗,排盡操作水通道內的空氣。從分離機轉筒下定時(shí)間后應對轉筒進(jìn)行解體檢查。如果積污空間的操作水刮盤(pán)裝置上看,應該有連續不斷的微弱沒(méi)有明顯的堅硬油污塊,間隔可稍微延長(cháng);如果積水柱從洞口噴出時(shí)為好。污空間內積聚著(zhù)一些硬油污,必須縮短間隔時(shí)間ALFA LAVAL公司給出了一個(gè)重油的油4結語(yǔ)污排放的推薦間隔時(shí)間表,見(jiàn)表1。分離機是燃料系統最重要的設備之一,直接表1GTPX517型分離機重油處理油污排放間隔關(guān)系著(zhù)燃氣輪機用油的正常供應,尤其目前為節約成本普遍采用劣質(zhì)的重油,使其工作環(huán)境更加油污排放間隔/h解體檢查分離筒油類(lèi)型初始最大的時(shí)間間隔/周惡化,故障率上升。提高檢修工藝、總結檢修經(jīng)驗和準確判斷故障原因能夠大大提高檢修人員的處理分離機故障的能力和效率由此可以看出,當重油批次變化時(shí),要重新V山中國煤化工調整排污最佳間隔。參考文CNMHG(3)解體水操作模塊活塞軸和活塞缸,清洗1]南京燃氣輪機研究所.重油處理裝置技術(shù)手冊[Z].197各個(gè)部件,尤其是各個(gè)相對移動(dòng)的位置,并涂以388·