【正文】 質能 發(fā)電技術 及前景分析 6 圖 13生物發(fā)電廠工藝流程圖 當采用煤粉爐作為燃燒設備時，生物質的預處理可以分為以下三種方式。 （ 1）生物質與煤預先混合，然后經(jīng)過煤粉機粉碎后，通過分配系統(tǒng)送至燃燒器。此方式可以充分利用原有設備，簡單易行，低投資，但有可能降解鍋爐的出力，限制了生物質種類和使用比例，如樹皮會影響磨煤機的正常使用。 （ 2）生物質與煤分別處理包括計量粉碎，然后通過 自管路輸送至燃燒器前，此方式需要安裝生物質能燃料管道，控制和維護鍋爐比較麻煩。 （ 3）與第二種方法基本相同，不同的是為生物質準 備了專門的燃燒器單獨使用，此方法投資成本高，但一般不會影響鍋爐正常運行。 在采用氣化方式時，首先將生物質在氣化爐中氣化，產(chǎn)生燃氣（主要成分為 CH CO、 CO CMHN、 N2）經(jīng)簡單的處理后，直接輸送至鍋爐燃燒室與煤進行混合燃燒。氣化利用方式產(chǎn)生的燃氣溫度為 600℃ ～ 900℃并不需要冷卻過程，在爐內完全燃燒時間短，且可將生物質 灰與煤分離，具有一定的靈活性 。 預處理 燒嘴 鍋爐 凈化設備 預處理、粉碎、干燥、制粒、混合 汽輪機發(fā)電機組 煙氣 蒸汽 生物質 煤 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 7 第四節(jié) 沼氣發(fā)電技術 沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展 而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術 , 它將沼氣用于發(fā)動機上 , 并裝有綜合發(fā)電裝置 , 以產(chǎn)生 電能和熱能 , 是有效利用沼氣的一種重要方式 . 沼氣 多產(chǎn)生于污水處理廠、垃圾填埋場、酒廠、食品加工廠、養(yǎng)殖場等。沼氣是在厭氧條件下有機物經(jīng)多種微生物的分解與轉化作用后產(chǎn)生的可燃性氣體，屬于生物質能的范疇，主要成分是甲烷二氧化碳，其中甲烷含量約為 50%～ 70%，二氧化碳含量為30%～ 40%（容積比）還有少量的硫化氫、氮、氧、氫等氣體，約占總含量的 10%～ 20%。甲烷在空氣中與火燃燒，轉變?yōu)槎趸己退?，并釋放出能量，其化學方程式為： ＣＨ ４ +２Ｏ ２ ＝ ２Ｈ ２ Ｏ＋ ＣＯ ２ ＋ ８９０ kＪ／ｍｏｌ 沼氣發(fā)酵又稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵或甲烷發(fā)酵，是指有機物質在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過種類繁多、數(shù)量巨大且功能不同的各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體（沼氣） 的復雜生物化學過程。沼氣發(fā)酵一般可分為三個階段： （ 1）液化階段。在液化階段，復雜有機物（纖維素、蛋白質、脂肪等）在兼容性微生物及少數(shù)厭氧微生物的酶催化作用下降解至基本結構單位或簡單有機酸、醇等。 （ 2）產(chǎn)酸階段。液化產(chǎn)物被微生物吸收到菌體內，并在胞內酶的催化作用下，將他們轉化為低分子 化合物，如乙酸、丙酸、丁酸、及乳酸等 ，還有乙醇、甲醇以及氫等。乙醇數(shù)量最大約占80%。 （ 3）產(chǎn)甲烷階段。 經(jīng)過前兩階段的分解作用后，有機溶液中產(chǎn)甲烷的基質已經(jīng)很豐富以及產(chǎn)氨細菌的活動， 使 氨態(tài)氮濃度不斷增高，使發(fā)酵液中的氧化還原電勢降低。為產(chǎn)甲烷細菌提供了適 宜的環(huán)境條件，促使產(chǎn)甲烷細菌迅速生長繁殖，將乙酸、甲酸、甲醇、氫氣及二氧化碳轉化為甲烷。目前已知的甲烷反應綜合如2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 8 下： ① 乙酸 CH3COO + H2O CH4 + HCO3 ② 甲醇 4CH3OH 3CH4 +HCO3 + H+ + H2O ③ H CO2 4H2 + H+ + HCO3 CH4 + 2H2O 4CH3NH3 + 3H2O 3CH4 + HCO3 + 4NH4+ + H+ ④胺類 2(CH3)2NH+ + 3H2O 3CH4 + HCO3 + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH3+ + 9H2O 9CH4 + 3HCO3 + 4HN4 + 3H+ ⑤甲酸 4HCOOH + H2O CH4 + 3HCO3 + 3H+ 從能量角度看，碳氫燃料可被多種動力設備使用，如內燃機、燃氣輪機、 鍋爐（蒸汽輪機） 等。 燃料燃燒放出的能量通過動力發(fā)電機 組的熱交換器進行利用，相比不進行余熱利用的機組，其綜合效率高。 圖 14 所示是采用 不同種類動力發(fā)電裝置的效率，從圖 中可以看出采用內燃機式的結構最簡單，而且具有操作簡便、經(jīng)濟、高效等優(yōu)點 圖 14不同動力設備的能量利用率 第五節(jié) 生物質發(fā)電技術的特 點比較 生物質發(fā)電技術集環(huán)保與可再生能源利用于一體 ，受到各國政府的重視，特別是在目前能源和環(huán)保的雙重壓力下，從戰(zhàn)略需求出發(fā)，各國都加大投資力度進行開發(fā)利用。 生物質直燃發(fā)電技術在大規(guī)模下效率較高，但它要求生物質集中，數(shù)量巨大，如果考慮大規(guī)模收集運輸，電廠的運行管理成本較高，而小規(guī)模直燃發(fā)電技術存在效率較低的問題。直燃發(fā)電技2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 9 術在國外已進入推廣應用階段，但在中國還沒有形成系統(tǒng)性研究，許多問題亟待解決。如 ： 以秸稈為燃料容易在爐膛 內結渣、結焦或沉積于受熱面，嚴重影響鍋爐換熱，甚至造成腐蝕，制約生物質鍋爐長期穩(wěn)定運行 。 生物質和煤混合燃燒發(fā)電技術，規(guī)模靈活經(jīng)濟性較好。美國和歐盟已建設了混合燃燒示范工程，裝機容量在 50 MW～ 700MW。中國還處于技術研究階段，實際應用剛剛起步缺乏自主知識產(chǎn)權。該技術生產(chǎn)實踐中仍有一些實際問題需要解決，如：燃煤鍋爐燃燒溫度通常介于 1000℃ ～ 1250℃，高于生物質的灰熔點，容易引起結渣等。 生物質氣化發(fā)電技術具有有投資少，發(fā)電成本較低，靈活性好的特點，是同類技術中最具競爭力的技術之一，比較符合發(fā)展中國家的情況。但該發(fā)電技術在配套設備和系統(tǒng)優(yōu)化集成方面仍然存在不足，電廠的自動化控制程度較低 ，生物質氣化發(fā)電技術的成套性成為產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸。 沼氣發(fā)電技術應用于畜牧場、工業(yè)廢水處理沼氣以及垃圾填埋場沼氣。由于國產(chǎn)沼氣發(fā)電機組主要是對柴油機進行簡單改裝，對 發(fā)動機的熱工性能研究不深，產(chǎn)品質量不過關，發(fā)電機組效率比國外同類機組低 4%～ 8%， 成熟的發(fā)電機組規(guī)模也只有 500MW。 綜上所述生物質直接燃燒、混合燃燒、沼氣發(fā)電的關鍵設備多是引進國外技術，國內還沒有消化吸收，目前不適合在國內大規(guī)模推廣應用。氣化發(fā)電技術具有自主知識產(chǎn)權，但也有許多產(chǎn)業(yè)化問題需要解決。 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 10 第二章 生物質氣化發(fā)電技術 的系統(tǒng) 構成 第一節(jié) 生物質氣化發(fā)電機組的主要系統(tǒng) 和設備 生物質氣化發(fā)電機組有六大系統(tǒng)組成：①氣化系統(tǒng)；②凈化系統(tǒng)；③發(fā)電系統(tǒng)；④升壓并網(wǎng)系統(tǒng)；⑤監(jiān)測與管理系統(tǒng)；⑥除灰系統(tǒng)。 以稻殼氣化發(fā)機組為例，生物質氣化發(fā)電機組 各個系統(tǒng)的主要設備 如 表 21 所示： 表 21 主要設備 系 統(tǒng) 名 稱 主 要 設 備 名 稱 氣化系統(tǒng) 氣化爐、送風機、螺旋進料器 凈化系統(tǒng) 旋風除塵器、管式除塵器、噴淋洗滌塔、文丘里除塵器、 汽水分離器、羅茨風機、儲氣罐、循環(huán)水泵 發(fā)電系統(tǒng) 燃氣內燃機、發(fā)電機、控制柜、循環(huán)水泵、冷卻塔、空 氣壓縮機、空氣瓶 升壓并網(wǎng)系統(tǒng) 變壓器、高壓開關柜、低壓開關柜、同期屏 監(jiān)測與管理系統(tǒng) 前置單元、主臺計算機 除灰系統(tǒng) 螺旋除灰器、送風機、集灰倉、刮板機 第二節(jié) 氣化系統(tǒng) 生物質氣化按氣化介質分類，可以分為使用氣化介質和不使用氣化介質兩種。 不使用氣化介質主要指的是 熱解氣化。生物質熱解氣化是在完全無氧或只提供極有限氧情況下進行的熱解，也可描述成生物質的部分氣化。主要是生物質在一定的溫度下進行分解，生成固定碳、液體（焦油）和可燃氣體。 熱解過程工藝參 數(shù)的選擇直接決定了熱解產(chǎn)物的組成和比例，工藝參數(shù)包括：熱解溫度、傳熱速率、壓力、停留時間及生物質原料的種類、粒度等。 它們的主要工藝參數(shù)見 表 22： 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 11 表 22 三類熱解工藝主要參數(shù) 類型 熱解溫度 （℃） 加熱速率 (℃ /S) 顆粒尺寸 （ mm） 停留時間 （ S） 常規(guī)熱解 300～ 700 ～ 1 5～ 50 600～ 6000 快速熱解 600～ 1000 10～ 200 ? 1 ～ 10 閃解 800～ 1000 ? 1000 ? ? 使用氣化介質則又分為以下幾種： (1)空氣氣化。 空氣氣化介質是空氣，空氣中的與生物質中的可燃組分進行化學反應，反應所需要的熱量來源于氧化反應過程中放出的熱量。整個氣化過程是一個自供熱系統(tǒng)，但由于空氣中氮的存在，它不僅不參與氣化反應，反而卻稀釋了燃氣中可燃組分的含量，生成的可燃氣中氮氣含量高達 50%左右，因而降低了燃氣的熱值 。 （ 2）氧氣氣化 。 由于空氣氣化得到的氣化氣熱值較低，為了提高燃氣氣熱值，發(fā)展了氣化介質為氧氣的工藝 。氧氣氣化的特點是產(chǎn)生的可燃性氣體不會被氮氣稀釋，在與空氣氣化相同的當量比下，反應溫度較高，反應速率加快，反應器容積減小，熱效率提高，氣化氣熱值有很大提高，氧氣氣化的氣體產(chǎn)物熱值與城市煤氣相當。與空氣氣化相同反應溫度下，耗氧量減少，當量比降低，因而也提高了氣體質量。 （ 3）水蒸氣氣化。水蒸氣氣化是指水蒸氣與高溫下的生物質發(fā)生反應，它不僅包括水蒸氣 — 碳的還原反應 ，還有 CO 與水蒸氣的變換反應、甲烷反應、生物質在氣 化爐內的熱分解反應等，其主要氣化反應是吸熱反應，因此水蒸氣氣化需要外部熱源，不易控制和操作，技術復雜。 （ 4）空氣（氧氣） — 水蒸氣混合氣化。空氣（氧氣） — 水蒸氣混合氣化是指空氣（氧氣）和水蒸氣同時作為氣化質的氣化過程。理論上空氣（氧氣） — 水蒸氣混合氣化比單用水蒸氣或空氣2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 12 都優(yōu)越的氣化方法。一方面，氣化所需要的一部分氧氣可有水蒸氣提供，減少了空氣（或氧氣）的消耗量并生成更多的 H2及碳氫化合物，特別是在有催化劑存在的條件下 ， CO 變成 CO2 反應的進行，降低了氣體中 CO 的含量，使氣體燃料更適合用于城市燃氣；另一方面他 是自供熱系統(tǒng)，不需要復雜的外部熱源。 （ 5）氫氣氣化。氫氣氣化是使氫氣同碳及水發(fā)生反應生成大量甲烷的過程，其可燃氣屬于高值氣體，其熱值可達 22260—26040kJ/m3,但其反應條件苛刻，需要在高溫高壓具有氫源的條件下進行，此類氣化不 常 應用。 生物質氣化是非常復雜的熱化學過程，受很多因素影響。影響氣化指標的因素取決于三個方面，即原料特征、氣化過程的操作條件和氣化反應器的連接。這些都影響產(chǎn)品的氣產(chǎn)率、產(chǎn)品 的氣組成和熱值、碳轉化率、氣化效率、氣化強度等。 第三節(jié) 凈化系統(tǒng) 生物質燃氣中含有各種各樣的雜質， 其 主要成分如 表 23 所示， 這些雜質 會導致后部氣化發(fā)電設備磨損腐蝕和污染等問題 。燃氣凈化的目標就是要根據(jù)氣化工藝的特點，設計合理有效的雜質去除工藝，保證后部氣化發(fā)電設備不會因雜質而 導致 磨損腐蝕和污染等問題。 表 23 燃氣中各種雜質的特征 雜質種類 典型成份 可能引起問題 凈化辦法 顆粒 灰、焦炭、熱質、顆粒 磨損、堵塞 氣固縮過濾水洗 堿金屬 鈉、鉀等化合物 高溫腐蝕 冷凝、吸附、過濾 氮化物 主要是氨和 HCN 形成 NO2 水洗 SCR等 焦油 各種芳香烴等 堵塞、難以 燃燒 裂解、除焦、水洗 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質能 發(fā)電技術 及前景分析 13 硫氯 HCL、 H2S 腐蝕污染 水洗化學反應法 生物質氣化燃氣含有大量微小焦炭顆粒和灰，由于焦炭的密度和直徑都很小，一般的分離器難以去除，這種情況下，比較好的凈化方法是過濾 、水洗、氣固分離 。 生物質氣化設備產(chǎn)生的燃氣是一種還原性氣體，其中堿金屬 物質大多數(shù)處于還原形式并且通常聚集在顆粒較小的飛灰上形成微小煙霧，很難去除 通常采用冷凝、吸附、過濾方法去 除 。 氣化的目標是得到盡可能多的可燃性氣體，但在氣化過程中，焦油是不可避免的副產(chǎn)物，對氣化系統(tǒng)和用氣設備都產(chǎn)生十分不利的影響。焦油的成 分十分復雜，一般焦油的主要成分是：苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。 焦油對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的危害主要有三點，（ 1）當燃氣溫度降低焦油會形成煙霧，這種焦油霧中含有大量直徑小于 1mm 的細小液滴被氣化燃氣攜帶進入下級設備，影響其安全運行，并對用氣設備產(chǎn)生腐蝕，冷凝下來將附著于管道內壁和有關設備表面上，對系統(tǒng)安全運行造成危害。（ 2）焦油占可燃氣體能量的 5%～ 10%在低溫下難以與可燃氣體一道被燃燒利用，易產(chǎn)生炭黑等顆粒物質，從而導致磨損和腐蝕問題。（ 3）焦油還會與顆粒物等其他污染物發(fā)生相互作用，