黃達(dá)其，陳佳瓊?cè)A東電站鍋爐部件制造有限公司，江蘇張家港 215600

[摘要]生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是利用生物質(zhì)能的一種有效方法，正日益得到廣泛的研究和應(yīng)用。但是，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用中，存在生物質(zhì)物料運(yùn)輸、貯存、燃燒結(jié)焦、產(chǎn)生含焦廢水、尾氣難以回收等問(wèn)題，需進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。對(duì)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用、存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析。

我國(guó)可利用的生物質(zhì)能源十分豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年可使用的生物質(zhì)能源總量相當(dāng)于5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，但實(shí)際生物質(zhì)能源年利用量卻不足0.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，開(kāi)發(fā)潛力巨大。

2006年我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)已達(dá)2200MW，主要集中在糖廠的熱電聯(lián)產(chǎn)、稻殼發(fā)電和城市垃圾發(fā)電，而其它形式的生物質(zhì)能發(fā)電，如混合燃料發(fā)電等還不具備規(guī)模(表1)。十一五期間，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到5500MW，到2020年，生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到30000MW。我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。

1生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)鍋爐直燃發(fā)電及生物質(zhì)2煤混合燃燒發(fā)電，是生物質(zhì)能發(fā)電的3種主要技術(shù)。生物質(zhì)燃料具有高氯、高堿、高揮發(fā)分、低灰熔點(diǎn)等特點(diǎn)，采用鍋爐直燃生物質(zhì)發(fā)電和生物質(zhì)2煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)，燃燒效率低，且鍋爐易產(chǎn)生腐蝕、結(jié)渣、結(jié)焦等問(wèn)題。而生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)充分利用生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達(dá)70%以上的特點(diǎn)，在相對(duì)較低的溫度下能使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，可避免生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程中發(fā)生的灰結(jié)渣、團(tuán)聚等問(wèn)題。

我國(guó)在生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方面具有一定研究基礎(chǔ)，從上世紀(jì)60年代初即開(kāi)展了這方面的研究，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的中小規(guī)模氣化發(fā)電系統(tǒng)具有投資少、原料適應(yīng)性強(qiáng)和規(guī)模靈活等特點(diǎn)，已研制成功的中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電機(jī)組功率可達(dá)5MW。氣化爐的結(jié)構(gòu)有層式下吸式、開(kāi)心式、下吸式和常壓循環(huán)流化床氣化爐等(表2)。采用單燃料氣體內(nèi)燃機(jī)和雙燃料內(nèi)燃機(jī)，單機(jī)最大功率已達(dá)500kW。

生物質(zhì)氣化發(fā)電從規(guī)模上可分為3個(gè)級(jí)次，下面以秸稈為例，加以說(shuō)明。

(1)小型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電功率在2kW~160kW之間，采用下吸式固定床氣化爐(圖2)，這種氣化爐產(chǎn)出燃?xì)饨褂秃枯^低，凈化系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境造成的危害較小。采用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行方便，適合照明或驅(qū)動(dòng)小型電動(dòng)機(jī)。

(2)中型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)功率在500kW~5MW之間，由于氣化容量較大，多采用流化床或循環(huán)流化床形式(圖3)。其冷卻過(guò)濾系統(tǒng)比小型發(fā)電系統(tǒng)完善，通過(guò)催化裂解的方法使90%以上的焦油裂解成永久性氣體。采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，適合秸稈較多的地區(qū)進(jìn)行發(fā)電自供。

山東省能源研究所研究的生物質(zhì)氣化技術(shù)流程是：1)將經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單預(yù)處理的生物質(zhì)原料送入循環(huán)流化床反應(yīng)器，在反應(yīng)器中與高溫的返料和熱載體混合，并在空氣的推動(dòng)下，達(dá)到很高的流速，形成高速湍流攜帶床層；2)在強(qiáng)烈的熱作用和傳熱傳質(zhì)作用下，用極短的時(shí)間完成熱解以及部分氧化和還原過(guò)程，產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)除塵冷卻后用做氣體燃料；3)未完全反應(yīng)的碳顆粒和熱載體與燃?xì)夥蛛x后通過(guò)循環(huán)回料系統(tǒng)返回流化床反應(yīng)器，繼續(xù)完成氣化。該循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)78%以上的氣化效率，所得燃?xì)鉄嶂翟?.0MJ/m3以上，氣化器熱功率在2MW以上。

目前，該生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化/燃燒技術(shù)已進(jìn)入中間試驗(yàn)階段。廣州能源研究所在1998年成功研制了1MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，近年來(lái)又開(kāi)展了對(duì)3MW和4MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的研究，其主要流程是：將生物質(zhì)原料加入循環(huán)流化床氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)旋風(fēng)分離器、Venturi管和2個(gè)水洗塔進(jìn)行了清潔，并將清潔后的可燃?xì)鈨?chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，供內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組使用。針對(duì)300e~400e燃?xì)獬龎m的需要，設(shè)計(jì)的中高溫除塵系統(tǒng)處理能力為3000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，對(duì)灰的去除率達(dá)80%左右。焦油催化裂解設(shè)計(jì)處理能力為3000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，對(duì)焦油的處理效率達(dá)75%以上。整體生物質(zhì)氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率可達(dá)25%~28%。

(3)大型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。目前有2種技術(shù)，一種是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)，另一種是熱空氣氣輪機(jī)循環(huán)(HATC)。IGCC發(fā)電系統(tǒng)的功率在5MW~10MW之間，效率可達(dá)35%~40%，系統(tǒng)由物料預(yù)處理設(shè)備、氣化設(shè)備、凈化設(shè)備、換熱設(shè)備(余熱鍋爐等)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成。氣化爐為循環(huán)流化床或增壓流化床，凈化采用陶瓷濾芯過(guò)濾器、焦油裂解爐及焦油水洗塔。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是原料處理量大，自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)效率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

目前，我國(guó)的生物質(zhì)IGCC示范系統(tǒng)正在建設(shè)之中，與國(guó)外先進(jìn)的同類(lèi)技術(shù)相當(dāng)，設(shè)備已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，投資不到國(guó)外的2/3，運(yùn)行成本比國(guó)外低50%左右。HATC發(fā)電系統(tǒng)的功率在0.5MW~3MW之間，系統(tǒng)包括原料系統(tǒng)、空氣流化床(或移動(dòng)床氣化爐)、凈化設(shè)備、燃燒器、熱交換器及燃?xì)廨啓C(jī)等。其與IGCC的主要區(qū)別是氣化后產(chǎn)生的熱可燃?xì)饪稍谙噜彽娜紵髦腥紵?，故凈化系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需旋風(fēng)分離器除去雜粒即可。燃?xì)廨啓C(jī)在干凈的熱空氣下運(yùn)行，減少了氣化后可燃?xì)庵薪褂秃碗s質(zhì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的損害，因此又稱(chēng)之為間接燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。

2生物質(zhì)氣化發(fā)電的難點(diǎn)

目前，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)還需解決以下5個(gè)技術(shù)難題。

(1)一般認(rèn)為生物質(zhì)的利用半徑為(80~120)km，且生物質(zhì)原料大多體積大，造成運(yùn)輸、儲(chǔ)存的費(fèi)用相對(duì)較高，這大大限制了大型電廠對(duì)生物質(zhì)能的有效利用。同時(shí)，生物質(zhì)原料的密度和能量低，不同生物質(zhì)原料在水分含量、揮發(fā)分含量、熱值和灰分化學(xué)組成上差異大，給電廠在生產(chǎn)使用上帶來(lái)困難。

(2)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低，堿金屬元素含量高，燃燒時(shí)易產(chǎn)生結(jié)焦和高溫堿金屬元素腐蝕。

(3)生物質(zhì)氣化時(shí)，渣與飛灰的含碳量高，氣化效率低。此外，燃?xì)庵薪褂秃扛?，?dǎo)致一方面產(chǎn)生大量含焦廢水，另一方面影響燃?xì)饫迷O(shè)備的連續(xù)正常運(yùn)行。

(4)在目前的工藝水平下，焦油裂解和廢水處理再利用是氣體凈化的2個(gè)基本要求，但現(xiàn)用的水洗方法不但降低了系統(tǒng)效率，而且產(chǎn)生大量含焦油廢水，因此氣體凈化是國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。

(5)生物質(zhì)氣化發(fā)電中的燃?xì)夂徒?jīng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的尾氣未回收，造成整個(gè)系統(tǒng)效率降低(18%左右)。

3技術(shù)展望

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，有了很大進(jìn)步。但是，生物質(zhì)原料的密度低，體積大，運(yùn)輸、存儲(chǔ)成本高，不太適合建造大型的生物質(zhì)發(fā)電廠，而分散的小型電站投資、人工費(fèi)高，效率低，經(jīng)濟(jì)效益差，所以將生物質(zhì)與化石燃料聯(lián)合氣化燃燒成為一個(gè)新的研究方向。