清洁能源与新能源生物质气化发电技术的现状及发展趋势欧训民(清华大学能源环境经济研究所,北京100084)摘 要:简要介绍了国内外生物质气化发电技术的研究现状及发展趋势。
生物质气化发电技术在发达国家已受到广泛重视,生物质联合循环发电技术(BIGCC)利用外燃机燃用生物质气,可避免高温气化气的除尘除焦难题,是一种比较先进的生物质能利用技术。
根据我国国情,引进大型BIGCC 并采用内燃机代替燃气轮机,是解决我国生物质气化发电规模化发展的有效手段之一。
关键词:生物质;气化;生物质联合循环发电;外燃机中图分类号:T M 619;X 382 文献标志码:A 文章编号:1005-7439(2009)02-0084-02Status Quo and Developing Trend of the Biomass Gasification PowerGeneration TechnologyOU Xun -min(Institute of Energ y and Enviro nmental Economy ,T sing hua U niv ersity ,Beijing 100084,China)Abstract:Br iefly discusses the bio mass g asificatio n po wer generat ion techno log y (BGP GT )r esear ch and development status and tr ends.BGPG T is widely g iven pubic attention in the develo ped countries.Biomass Integ rated Generation of Combined Cycle (BIG CC)is an advanced biomass energ y utilizatio n techno log y w ith the applicat ion of O ut er Combustion Eng ine (OCE)pr oducing biomass gas and avoiding the coke pro blem due to hig h -temper atur e gasificat ion.Accor ding to China p situation,t o dev elop big BIGCC and substituted Inner Combustio n Eng ine (ICE)fo r turbine is a promising and effectiv e means for the la rg e -scale development of bio mass g asificatio n po wer generatio n.Keywords:bio mass;gasification;co mbined cycle bio mass pow er g ener ation;o uter combustion eng ines生物质气化发电先将生物质原料放在气化炉中气化,生成的可燃气体再经过净化后供给内燃机或小型燃气轮机燃烧带动发电机发电;这是一种最有效和最洁净的现代化生物质能利用方式,设备紧凑污染少,可以克服解决生物质燃料的能源密度低和资源分散的缺点[1]。
生物质发电技术在发达国家已受到广泛重视,特别是瑞典、丹麦、芬兰、奥地利、挪威和法国等国政府近年来大力推动生物质能的发展,生物质能在总能源消耗中所占的比例迅速增加。
例如瑞典和丹麦目前正在实施利用生物质进行热电联产的计划,希基金项目:国家自然科学基金重大国际(地区)合作研究项目/能源利用CO 2减排技术路线评价模型与战略研究"(编号:50246003)资助。
望进一步提高生物质能的转换效率,把生物质能转换为高品位电能并满足供热的需求。
芬兰是世界上利用林业废料、造纸废弃物等生物质发电最成功的国家之一,福斯特威勒公司是芬兰最大的能源公司,所生产的发电设备主要利用木材加工业、造纸业的废弃物为燃料,废弃物的最高含水量可达60%,机组的热效率可达88%[2],所制造的燃烧生物质的循环流化床锅炉技术先进,可提供的生物质发电机组功率为3~47MW 。
奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划,生物质能在可再生能源总利用量中的比例由原来的3%增加到最近的25%,已拥有装机容量为1~2M W 的区域供热站90座[3]。
在比利时,有100多年历史的布罗赛尔温克能源技术公司是生物质热电联产专用锅炉的生产企业,也是世界上最早采用生物质为燃料的锅炉#84#第30卷第2期2009年4月能源技术ENERGY TECH NOLOGYV ol.30 N o.2Apr il. 2009制造公司之一,已发展出适应木材废弃物、建筑木质废弃物、造纸废弃物及城市垃圾等不同燃料的锅炉设备;与芬兰、丹麦等国的技术不同,该公司的产品采用的是倾斜式液压移动式炉排,其热效率可达85%,比较适用于20MW以下的生物质发电[4]。
生物质气化气虽然也可以作为蒸汽锅炉的燃料生产蒸汽带动蒸汽轮机组发电,但更适合直接作为燃气轮机组或者内燃机组的燃料带动发电机发电。
燃气轮机发电机组燃用生物质气化气,根据生物质能的特点要求燃气轮机的容量小,适合于低热值的生物质燃气(燃气压力要求在0.098~ 2.92M Pa之间)[5];而且采用燃气轮机组发电,气化装置产出的气化气净化后不需要冷却可直接进入机组燃烧,热能损失少效率较高;内燃机发电机组燃烧气化气发电技术相对简单应用也广泛,所用的内燃机可以用柴油机或是天然气机改造,不过要求气化气严格净化和充分冷却[6]。
生物质联合循环发电(BIGCC)是一种比较先进的生物质能利用技术,整个系统包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。
由于生物质燃气热值低(约5MJ/m3),要使BIGCC具有较高的效率,燃气必须处于高温高压状态,因此必须采用高温高压的气化和净化技术。
当气化炉出口时的温度800e以上(进入燃气轮机之前不降温)压力又足够高时,BIGCC的整体效率可以达到40%;采用一般常压的气化和燃气降温净化,由于气化效率和带压缩的燃气轮机效率都较低,整体效率一般只能低于35%[4]。
目前比较典型的BIGCC有美国Battelle (63MW)和夏威夷(6MW)项目、欧洲英国(8MW)和芬兰(6MW)的示范工程等,但由于燃气轮机改造在技术上难度很高,特别是焦油的处理还存在很多有待进一步解决的技术问题,技术尚未成熟设备造价也很高,限制了应用推广。
以意大利12MW的BIGCC 示范项目为例,机组的发电效率约为31.7%,但建设成本高达2.5万元/kW,发电成本高达1.2元/kWh,缺乏市场竞争力[7]。
目前,还有一些国家正在开展其他大型气化发电的技术研究,例如比利时和奥地利为了发展适合于中小规模生物质气化发电技术,分别研制了容量为2.5M W和6MW的生物质气化与外燃机(斯特林机)发电技术结合的装置,采用该装置生物质气化后不需进行除尘除焦就可以直接在外燃机的燃烧器中燃烧,燃烧后产生的烟气用来加热空气,所产生的高温高压空气可以推动涡轮机组发电。
利用外燃机燃用生物质气,可以避开高温气化气的除尘除焦难题,不过对设备的材料要求较高,目前还需要解决高温空气供热设备的材料和工艺问题,为了能够实际应用,设备的可靠性有待提高,造价也有待降低[8]。
我国有良好的生物质气化发电基础,早在20世纪60年代初就开展相关研究工作。
近年来一些科研机构在已有的谷壳气化发电技术基础上作了进一步的研究,主要对发电的容量和生物质原料种类进行了探索,先后完成了2.5kW到200kW机组的研制,特别是中小型生物质气化发电技术的研究和应用所开发的中小型生物质气化发电装置具有投资少、灵活性好等特点。
目前系统的容量已发展到了6MW,方式也从单一的燃气内燃机发电发展为独特的燃气蒸汽联合循环发电,系统发电效率由18%提高到28%。
在我国推广很快的循环流化床气化发电系统,可以用来大规模利用生物质,具有显著的经济效益,已成为世界上应用最多的中型生物质气化发电系统[5]。
引进国外先进的大型生物质整体气化联合发电技术,根据我国国情采用内燃机代替燃气轮机,是解决我国生物质气化发电规模化发展的有效手段。
采用气体内燃机可降低对气化气杂质的要求(焦油与杂质含量<100mg/m3即可),气化及联合循环发电系统在常压气化时整体发电效率可达28%~ 30%,只比传统的低压BIGCC降低3%~5%;这种技术方案系统简单、技术难度小、单位投资和造价大大降低(约5000元/kW),设备可以全部国产化,比较适合于我国目前的工业水平,适合于发展分散的、独立的生物质能源利用体系[9]。
由于小规模气化发电系统很适合生物质分散利用,投资小和发电成本低,目前已经进入了商业化示范阶段,而大规模气化发电系统还只是进入示范和研究阶段。
不过大规模气化发电系统能够对生物质进行大规模利用,发电效率高,是今后发展的重要方向[1];特别是BIGCC,作为先进的生物质气化发电技术总体效率可超过40%,从上世纪90年代起成为关注的焦点,目前仍然是发达国家研发的重点。
参考文献:[1]王革华主编.新能源概论[M].北京:化学工业出版社,2006.[2]袁振宏.欧洲生物质发电技术掠影[J].可再生能源,2004(4):65.[3]米铁,唐汝江,陈汉平,等.生物质气化技术比较及其气化发电技术研究进展[J].能源工程,2004(5):33-37.(下转第88页)#85#欧训民:生物质气化发电技术的现状及发展趋势室能够达到较高的热负荷,同时组织好空气的补充。
本锅炉选择的喷料口和炉膛高度分别为2840m m 和30.7m,并把蔗渣喷射设备的落料调整板设计成可上下摆动30b,喷料风道设有调节风门;炉膛布置有前拱和上部后拱,炉膛后墙布置有上下两排三次风。
这些措施可使蔗渣在炉膛内完全燃烧,以避免尾部烟道二次燃烧而引起的爆燃。
(3)设计方案采用膜式壁敷管炉墙和尾部烟道混凝土壁板炉墙结构,目的是增强炉膛承压的能力和墙料的结合度,因为实际使用中,光管水冷壁敷管炉墙和尾部烟道砖砌轻型炉墙偶然会因爆燃而发生崩裂和崩落的现象。
蔗渣锅炉容易爆燃,为了保证刚性梁不弯曲水冷壁不作大改动,蔗渣锅炉刚性梁的刚性应比流化床或煤粉锅炉高,圈数也应更密;设计方案每隔约2.5m布置一圈刚性梁,并采用大号的工字钢构成。
另外,炉膛和尾部竖井烟道上部左右侧墙分别布置了2个和1个防爆门,一旦发生爆燃,所产生的压力能及时排出。