生物質(zhì)氣化機(jī)理及應(yīng)用發(fā)電設(shè)備(2010N0.5)生物質(zhì)氣化機(jī)理及應(yīng)用鄭昀',邵巖2,李斌21.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,福州350003;2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250023)摘要:介紹了生物質(zhì)氣化機(jī)理、工藝及設(shè)備并介紹了目前應(yīng)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(yīng)用的主要研究課題關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化機(jī)理;氣化技術(shù)應(yīng)用中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jī)86%生物質(zhì)受熱后在較低的溫度下就能使大量體蘊(yùn)含的熱能,通常包括農(nóng)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(zhèn)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(xù)利用;(2)種類多而工業(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uM)w(w)wc)wA)an技術(shù)已經(jīng)成熟,可貯存性好;(4)節(jié)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(jī)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(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是H2、CO和CH4)的熱棉秸6.7868.5420.713.9715.991化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。20世紀(jì)70年代, Ghaly首次提為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件,氣化過(guò)程需要出了將氣化技術(shù)應(yīng)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(guó)煤化工可燃?xì)庵?氣收稿日期:2010-03-15CNMHG作者簡(jiǎn)介:鄭昀(1983-),男,助理工程師長(zhǎng)期從事電廠勒測(cè)設(shè)計(jì)工作E-mail:zhengyun1028g126.com發(fā)電設(shè)備(2010No.5)生物質(zhì)氣化機(jī)理及應(yīng)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)氣化爐的分類燃性氣體。整個(gè)過(guò)程可分為干燥、熱解、氧化和按運(yùn)行方式分類按結(jié)構(gòu)形式分類還原四個(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(yīng)當(dāng)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(yīng)。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(yīng)析出的固定床氣化爐是一種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐,其揮發(fā)分主要包括水蒸氣、H2、CO、CH、焦油及其運(yùn)行溫度約為100他碳?xì)浠衔?1)上吸式氣化爐中,生物質(zhì)原料由爐頂加(3)氧化反應(yīng)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(yīng),同時(shí)釋放大量的熱以支持生物于向與燃料運(yùn)動(dòng)的方向相反,向下流動(dòng)的生物質(zhì)原燥、熱解和后續(xù)的還原反應(yīng),溫度可達(dá)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(yīng),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?xì)怏w,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(zhuǎn)化過(guò)程。口投入,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(qiáng)度高,工作穩(wěn)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(yīng)用領(lǐng)域也有所不少。但是燃?xì)庵谢覊m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(nèi),灰分落入爐柵下部的灰室。燃?xì)獬仕搅鲃?dòng),表2不同氣化工藝技術(shù)的用途故稱作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃燒區(qū)溫度可可燃?xì)怏w熱值氣化形式(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))/(MJm-3)用途達(dá)到2000℃,超過(guò)了灰熔點(diǎn),容易結(jié)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(qū)域管網(wǎng)、合成燃料無(wú)煙煤焦炭和木炭等,但對(duì)于生物質(zhì)問(wèn)題不大?；橘|(zhì)水蒸氣氣化10.920~18.900區(qū)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、著火困3氣化設(shè)備難的生物質(zhì)物料,但是要求原料粒度相當(dāng)小,可氣化爐是生物質(zhì)氣化反應(yīng)的主要設(shè)備。按大規(guī)模、高效地利用生物質(zhì)能氣化爐的運(yùn)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(duì)較旋轉(zhuǎn)床三種類型,目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化過(guò)程低,幾"V山中國(guó)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(duì)氣化爐,它們又各有多種不同的形式,其分類見(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(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)。386生物質(zhì)氣化機(jī)理及應(yīng)用發(fā)電設(shè)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(jí)反應(yīng)器的流化介質(zhì)在第Ⅱl級(jí)反生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是目前研究與應(yīng)用最應(yīng)器中加熱。在第I級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行裂解反應(yīng),多、裝備最為完善的技術(shù)。目前,生物質(zhì)氣化發(fā)第Ⅱ級(jí)反應(yīng)器中進(jìn)行氣化反應(yīng)。雙流化床氣化電有三種方式:爐碳轉(zhuǎn)化率較高。(1)生成的可燃?xì)怏w作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種方式對(duì)氣可燃?xì)怏w要求不是很嚴(yán)格,直接在鍋爐內(nèi)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(jí)反應(yīng)器使用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí),能夠保持穩(wěn)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?xì)怏w在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方式對(duì)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?xì)怏w在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)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(jī)發(fā)電。這種方式應(yīng)用廣泛,效率高。但是該特例其運(yùn)行溫度高達(dá)1100~1300℃,產(chǎn)出氣方法對(duì)氣體要求極為嚴(yán)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(zhuǎn)化率可以和冷卻處理。達(dá)到100%。大型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)均采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī),這是目前世界上最先進(jìn)的生物質(zhì)發(fā)電4應(yīng)用實(shí)例技術(shù)。該系統(tǒng)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?xì)廨啓C(jī)排放的尾氣溫度大于500℃,所物質(zhì)燃?xì)?通過(guò)相應(yīng)的配套裝備,完成為居民供以增設(shè)余熱鍋爐和過(guò)熱器產(chǎn)生蒸汽,再利用蒸汽應(yīng)燃?xì)獾募夹g(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(tǒng)效率,其工藝流程見(jiàn)圖4生物質(zhì)氣化設(shè)備原料[氣化爐[燃燒凈化器][風(fēng)機(jī)[水封器空氣高溫過(guò)濾器燃?xì)廨啓C(jī)氣裂解爐「阡燃?xì)夤躘阻火器圖3生物質(zhì)氣化供氣系統(tǒng)工藝流程圖氣化爐分離器生物質(zhì)原料首先經(jīng)過(guò)處理滿足氣化爐的使蒸汽輪機(jī)○用條件然后由送料裝置送入氣化爐中。不同類型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w,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(jī)送入該系統(tǒng)由物料預(yù)處理設(shè)備、氣化設(shè)備、凈化設(shè)儲(chǔ)氣罐中,水封相當(dāng)于一個(gè)單向閥,只允許燃?xì)鈧?、換熱設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)等設(shè)備組成,發(fā)向儲(chǔ)氣罐中流動(dòng)。儲(chǔ)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(dá)到40%。重要的安全設(shè)備。最后,燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)統(tǒng)整體氣化熱空氣循環(huán)( IGHAT)技術(shù)正處于一輸送給用戶。開(kāi)發(fā)中國(guó)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(jī)。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?xì)獾幕旌瞎べ|(zhì)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)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(dá)到60%有望成為21世發(fā)電設(shè)備(2010No.5)生物質(zhì)氣化機(jī)理及應(yīng)用紀(jì)的新型發(fā)電技術(shù)我國(guó)生物質(zhì)能資源十分豐富僅各類農(nóng)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(biāo)準(zhǔn)煤,薪柴資源量為1.3×10°t標(biāo)準(zhǔn)煤。第15次世界能源大會(huì)將生生物質(zhì)能在我國(guó)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(tǒng)中占有重要地目前,我國(guó)已經(jīng)建立了500個(gè)以上的生物質(zhì)位。當(dāng)前,生物質(zhì)氣化技術(shù)在實(shí)際利用過(guò)程中,氣化應(yīng)用工程。這些裝置連續(xù)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明,還存在以下問(wèn)題(:生物質(zhì)氣化技術(shù)對(duì)處理大量的農(nóng)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)揮著接燃燒易結(jié)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(xiàn)氣化效率低(3)燃?xì)庵薪褂秃扛呷菀桩a(chǎn)生含焦廢水,[1]吳正舜,吳創(chuàng)之,鄭舜鵬4MW級(jí)生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程并影響設(shè)備的正常運(yùn)行。的設(shè)計(jì)研究[門],能源工程,2003(3);14-17(4)目前氣化發(fā)電機(jī)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(tǒng)效率較低。[3]李傳統(tǒng)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?xì)庵械娘w灰和焦油含量,提高社,2005系統(tǒng)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(qiáng)姚向軍.中國(guó)生物質(zhì)能利用技術(shù)評(píng)價(jià)[J的主要研究課題。中國(guó)能源2004,26(9):39-42.[5]劉榮厚,牛衛(wèi)生,張大雷.生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北6結(jié)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(hào)重油,而且各有機(jī)硅樹(shù)脂潤(rùn)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(jī)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(yùn)動(dòng)。同時(shí)應(yīng)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(jī),這質(zhì),防止雜質(zhì)影響活塞運(yùn)動(dòng)。使得分離機(jī)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(jī)或水操作模塊解體檢修也是不同的,所以確定分離機(jī)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(dāng)在運(yùn)行一驗(yàn),排盡操作水通道內(nèi)的空氣。從分離機(jī)轉(zhuǎn)筒下定時(shí)間后應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)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(yīng)該有連續(xù)不斷的微弱沒(méi)有明顯的堅(jiān)硬油污塊,間隔可稍微延長(zhǎng);如果積水柱從洞口噴出時(shí)為好。污空間內(nèi)積聚著一些硬油污,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(jié)語(yǔ)污排放的推薦間隔時(shí)間表,見(jiàn)表1。分離機(jī)是燃料系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一,直接表1GTPX517型分離機(jī)重油處理油污排放間隔關(guān)系著燃?xì)廨啓C(jī)用油的正常供應(yīng),尤其目前為節(jié)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(jié)檢修經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)確判斷故障原因能夠大大提高檢修人員的處理分離機(jī)故障的能力和效率由此可以看出,當(dāng)重油批次變化時(shí),要重新V山中國(guó)煤化工調(diào)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?xì)廨啓C(jī)研究所.重油處理裝置技術(shù)手冊(cè)[Z].197各個(gè)部件,尤其是各個(gè)相對(duì)移動(dòng)的位置,并涂以388·