【正文】 床下吸式氣化爐的穩(wěn)定運行 ， 對于木炭和木材等優(yōu)質(zhì)原料并不太難，但對于秸秤和草類等物理性質(zhì)較差的低品質(zhì)原料就難了許多，因為秸秤等物料在揮發(fā)分大量析出后，其體積會迅速縮小，從而使得秸秤半焦依靠自身重力向下移動的能力變得很差，因 此，熱解層和氧化層極易發(fā)生局部穿透 。該爐的優(yōu)點是，有效層的高度幾乎不變、氣 化 強度高、工作穩(wěn)定性好、可以隨時加料，而且氣化氣體中焦油含量較少。 圖 32 上吸式固定床氣化爐圖 下吸式固定床氣 化爐圖 在下吸式氣化爐中，生物質(zhì)有頂部的加料口投入，氣化劑可以在頂部加入，也可以再喉部加入。其主要優(yōu)點是產(chǎn)生 氣 在經(jīng)過裂變層和干燥層時，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的裂解和干燥，同時降低自身的溫度，使?fàn)t子的熱效率提高，產(chǎn)生氣體含灰量少。 表 31 是兩種爐型的主要特點。固定床氣化爐設(shè)備簡單、熱效率高，處理量小，適合中、小規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。固定床氣化爐和流化床氣化爐又有多種不同的形式，其各種類型見圖 31 。按氣化爐的運行方式不同，可以分為固定床、流化床和旋轉(zhuǎn)床三種。所以在是用燃?xì)廨啓C發(fā)電的基礎(chǔ)上 ，增加余熱鍋爐和過熱器產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，可有效提高發(fā)電效率（系統(tǒng)效率大于 40%）稱為生物質(zhì)氣化聯(lián)合 循環(huán)， 大規(guī)模生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng) 是 國際上重點研究方向。燃?xì)廨啓C的工作過程是，壓氣機連續(xù)不斷從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃料室，與噴入的燃料混合后進(jìn)行燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入燃?xì)馔钙街信蛎涀龉?，推動透平葉輪 帶動壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃?xì)庾龉δ芰︼@著提高，因而燃?xì)馔钙皆趲訅簹鈾C的同時，尚有余量作為燃?xì)?輪機的輸出機械 功 。生物質(zhì)氣化氣可在發(fā)動機內(nèi)部燃燒，將 釋放出來的熱能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。內(nèi)燃機在實際工作時，每次能量轉(zhuǎn)變都必須2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 14 經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個過程，完成四個過程就完成了一個工作循環(huán)。 第四節(jié) 燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng) 燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)的種類有內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)，整體氣化聯(lián)合循環(huán)。（ 3）焦油還會與顆粒物等其他污染物發(fā)生相互作用，比如吸附在顆粒物質(zhì)上并 在管道上積累起來，嚴(yán)重時將造成管道的堵塞。 焦油對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的危害主要有三點，（ 1）當(dāng)燃?xì)鉁囟冉档徒褂蜁纬蔁熿F，這種焦油霧中含有大量直徑小于 1mm 的細(xì)小液滴被氣化燃?xì)鈹y帶進(jìn)入下級設(shè)備，影響其安全運行，并對用氣設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，冷凝下來將附著于管道內(nèi)壁和有關(guān)設(shè)備表面上，對系統(tǒng)安全運行造成危害。 氣化的目標(biāo)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(shè)備都產(chǎn)生十分不利的影響。 表 23 燃?xì)庵懈鞣N雜質(zhì)的特征 雜質(zhì)種類 典型成份 可能引起問題 凈化辦法 顆粒 灰、焦炭、熱質(zhì)、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(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 13 硫氯 HCL、 H2S 腐蝕污染 水洗化學(xué)反應(yīng)法 生物質(zhì)氣化燃?xì)夂写罅课⑿〗固款w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 。 第三節(jié) 凈化系統(tǒng) 生物質(zhì)燃?xì)庵泻懈鞣N各樣的雜質(zhì)， 其 主要成分如 表 23 所示， 這些雜質(zhì) 會導(dǎo)致后部氣化發(fā)電設(shè)備磨損腐蝕和污染等問題 。影響氣化指標(biāo)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(yīng)器的連接。氫氣氣化是使氫氣同碳及水發(fā)生反應(yīng)生成大量甲烷的過程，其可燃?xì)鈱儆诟咧禋怏w，其熱值可達(dá) 22260—26040kJ/m3,但其反應(yīng)條件苛刻，需要在高溫高壓具有氫源的條件下進(jìn)行，此類氣化不 常 應(yīng)用。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?xì)浠衔铮貏e是在有催化劑存在的條件下 ， CO 變成 CO2 反應(yīng)的進(jìn)行，降低了氣體中 CO 的含量，使氣體燃料更適合用于城市燃?xì)?；另一方面?是自供熱系統(tǒng)，不需要復(fù)雜的外部熱源?？諝猓ㄑ鯕猓?— 水蒸氣混合氣化是指空氣（氧氣）和水蒸氣同時作為氣化質(zhì)的氣化過程。水蒸氣氣化是指水蒸氣與高溫下的生物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，它不僅包括水蒸氣 — 碳的還原反應(yīng) ，還有 CO 與水蒸氣的變換反應(yīng)、甲烷反應(yīng)、生物質(zhì)在氣 化爐內(nèi)的熱分解反應(yīng)等，其主要氣化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此水蒸氣氣化需要外部熱源，不易控制和操作，技術(shù)復(fù)雜。與空氣氣化相同反應(yīng)溫度下，耗氧量減少，當(dāng)量比降低，因而也提高了氣體質(zhì)量。 由于空氣氣化得到的氣化氣熱值較低，為了提高燃?xì)鈿鉄嶂?，發(fā)展了氣化介質(zhì)為氧氣的工藝 。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(yīng)，反而卻稀釋了燃?xì)庵锌扇冀M分的含量，生成的可燃?xì)庵械獨夂扛哌_(dá) 50%左右，因而降低了燃?xì)獾臒嶂?。 它們的主要工藝參數(shù)見 表 22： 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 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(zhì)則又分為以下幾種： (1)空氣氣化。主要是生物質(zhì)在一定的溫度下進(jìn)行分解，生成固定碳、液體（焦油）和可燃?xì)怏w。 不使用氣化介質(zhì)主要指的是 熱解氣化。 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 10 第二章 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù) 的系統(tǒng) 構(gòu)成 第一節(jié) 生物質(zhì)氣化發(fā)電機組的主要系統(tǒng) 和設(shè)備 生物質(zhì)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)。 綜上所述生物質(zhì)直接燃燒、混合燃燒、沼氣發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備多是引進(jìn)國外技術(shù)，國內(nèi)還沒有消化吸收，目前不適合在國內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用。 沼氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于畜牧場、工業(yè)廢水處理沼氣以及垃圾填埋場沼氣。 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)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(shù)中最具競爭力的技術(shù)之一，比較符合發(fā)展中國家的情況。中國還處于技術(shù)研究階段，實際應(yīng)用剛剛起步缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)。 生物質(zhì)和煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)，規(guī)模靈活經(jīng)濟(jì)性較好。直燃發(fā)電技2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 9 術(shù)在國外已進(jìn)入推廣應(yīng)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。 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(nèi)燃機式的結(jié)構(gòu)最簡單，而且具有操作簡便、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點 圖 14不同動力設(shè)備的能量利用率 第五節(jié) 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的特 點比較 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)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(jìn)行開發(fā)利用。目前已知的甲烷反應(yīng)綜合如2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 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?xì)淙剂峡杀欢喾N動力設(shè)備使用，如內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C、 鍋爐（蒸汽輪機） 等。 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(zhì)已經(jīng)很豐富以及產(chǎn)氨細(xì)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。乙醇數(shù)量最大約占80%。 （ 2）產(chǎn)酸階段。沼氣發(fā)酵一般可分為三個階段： （ 1）液化階段。沼氣是在厭氧條件下有機物經(jīng)多種微生物的分解與轉(zhuǎn)化作用后產(chǎn)生的可燃性氣體，屬于生物質(zhì)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%。氣化利用方式產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟葹?600℃ ～ 900℃并不需要冷卻過程，在爐內(nèi)完全燃燒時間短，且可將生物質(zhì) 灰與煤分離，具有一定的靈活性 。 （ 3）與第二種方法基本相同，不同的是為生物質(zhì)準(zhǔn) 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。此方式可以充分利用原有設(shè)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(zhì)種類和使用比例，如樹皮會影響磨煤機的正常使用。 現(xiàn)階段世界上最大的生物發(fā)電廠工藝流程如 圖 13 所示 ： 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 6 圖 13生物發(fā)電廠工藝流程圖 當(dāng)采用煤粉爐作為燃燒設(shè)備時，生物質(zhì)的預(yù)處理可以分為以下三種方式。 直接燃燒是先對生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，然后直接送入鍋爐燃燒室的利用方式。其原理是將生物質(zhì)和煤一起在鍋爐中燃燒轉(zhuǎn)化為 高溫、高壓蒸汽的內(nèi)能，再通過蒸汽輪機轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動能，最后通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化電能。 第三節(jié) 生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù) 混合燃燒發(fā)電是指將生物質(zhì)原料應(yīng)用于燃煤電廠中，使用生物質(zhì)和煤兩種原料進(jìn)行發(fā)電。 （ 3）根據(jù)生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)模分類。生物質(zhì)氣化過程可分為固定床氣化和流化床氣化兩大類 （ 2）根據(jù)發(fā)電技術(shù)不同分類。 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 5 生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)采用的氣化技術(shù)和燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)不同，其系統(tǒng)構(gòu)成和工藝過程有很大的差別。 氧化溫度可達(dá)到 800— 1200℃，反應(yīng)的化學(xué)方程式為： C + O2 CO2 C + O2 CO 通常把熱分解區(qū)和干燥區(qū)成為氣化器的燃料準(zhǔn)備區(qū)，把還原區(qū)和氧化區(qū)統(tǒng)稱為氣化區(qū)。氧化反應(yīng)由于還原反應(yīng)是吸熱，所以汽化器內(nèi)必須保持熱量供給。還原反應(yīng)發(fā)生在沒有氧氣的條件下，生物質(zhì)中的碳與氣流中的二氧化碳、水、氫氣發(fā)生反應(yīng) ，生成可燃性氣體，由于是吸熱反應(yīng)，需外來熱量維持反應(yīng)溫度。熱解過程十分復(fù)雜，結(jié)果是大分子的碳水化合物的鍵被打碎，析出揮發(fā)分（主要包括氫氣、一氧化碳、 二氧化碳、甲烷、焦油和其 它 碳?xì)浠衔铮?，留下碳?gòu)成進(jìn)一步反應(yīng)的機體。生物質(zhì)本身含有一定的水分，進(jìn)入氣化裝置后在高溫作用下，生物質(zhì)內(nèi)的水分被加熱析出。 生物質(zhì)氣化過程復(fù)雜，氣化反應(yīng)條件，氣化劑的種類也各不相同 ，但所有氣化反應(yīng)的過程基本都包括生物質(zhì)的干燥、熱解、還原和氧化反應(yīng)過程。 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 4 所謂的生物質(zhì)氣化是指將固體或液體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過程。其原理是將儲藏在生物質(zhì)中的化學(xué)能通過在特定氣化爐中燃燒轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，再通過燃?xì)鈾C發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為清潔高效的電能 如圖 12 所示 。 飽和蒸汽依次經(jīng)過四級過熱器，并有減溫器控制氣溫最終成為符合機組要求的高溫、高壓蒸汽 。高溫 煙氣逐次通過四級過熱器、省煤器煙氣冷卻器，對煙道中各個受熱面加熱然后進(jìn)入除塵器成為符合國 卻器 壓加熱器 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 3 家排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣 ，最后被引風(fēng)機送入煙囪，排入大氣。 圖 11生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)示意圖 簡單講整個工藝 流程為：將生物質(zhì)原料從附近各個收集點運送至電廠，經(jīng)預(yù)處理（破碎、分選）存放到原料儲存?zhèn)}庫，倉庫容積要保證存放五天的發(fā)電原料；然后由原料輸送車將預(yù)處理后的生物質(zhì)送入 料倉，料倉中的燃料被螺旋給料機直接送入 爐膛，燃料在振動 爐排上邊燃燒邊移動，燃盡后的爐渣由渣斗排出。 2021 屆畢業(yè)生論文 —— 生物質(zhì)能 發(fā)電技術(shù) 及前景分析 2