我國生物質氣化發電技術使用及展望

黃達其，陳佳瓊華東電站鍋爐部件制造有限公司，江蘇張家港 215600

[摘要]生物質氣化發電技術是利用生物質能的一種有效辦法，正日益得到廣泛的研究和使用。但是，生物質氣化發電技術在使用中，存在生物質物料運輸、貯存、燃燒結焦、萌生含焦廢水、尾氣難以回收等問題，需進行更進一步的研究。對生物質氣化發電技術在國內的使用、存在的問題和將來的發展方向進行了分解。

我國可利用的生物質能源十分豐富，據統計每年可使用的生物質能源總量相當于5億t標準煤，但實際生物質能源年利用量卻不足0.1億t標準煤，開發潛力巨大。

2006年我國生物質發電總裝機已達2200MW，主要聚集在糖廠的熱電聯產、稻殼發電和城市垃圾發電，而其它形式的生物質能發電，如混合燃料發電等還不具備規模(表1)。十一五期間，我國生物質發電裝機將達到5500MW，到2020年，生物質發電總裝機容量將達到30000MW。我國生物質發電裝機容量發展趨勢如圖1所示。

1生物質氣化發電技術的現狀和特點

生物質氣化發電技術、生物質鍋爐直燃發電及生物質2煤混合燃燒發電，是生物質能發電的3種主要技術。生物質燃料具有高氯、高堿、高揮發分、低灰熔點等特點，采用鍋爐直燃生物質發電和生物質2煤混合燃燒發電技術，燃燒效率低，且鍋爐易萌生腐蝕、結渣、結焦等問題。而生物質氣化發電技術充足利用生物質原料揮發分高達70%以上的特點，在相對較低的溫度下能使大量的揮發分物質析出，可避免生物質燃料燃燒過程中發生的灰結渣、團聚等問題。

我國在生物質氣化發電技術方面具有一定研究基礎，從上世紀60年代初即開展了這方面的研究，近年來開發的中小規模氣化發電系統具有投資少、原料適應性強和規模靈活等特點，已研制成功的中小型生物質氣化發電機組功率可達5MW。氣化爐的結構有層式下吸式、開心式、下吸式和常壓循環流化床氣化爐等(表2)。采用單燃料氣體內燃機和雙燃料內燃機，單機最大功率已達500kW。

生物質氣化發電從規模上可分為3個級次，下面以秸稈為例，加以說明。

(1)小型秸稈氣化發電系統。該系統發電功率在2kW~160kW之間，采用下吸式固定床氣化爐(圖2)，這種氣化爐產出燃氣焦油含量較低，凈化系統相對簡單，對環境造成的危害較小。采用內燃發電機組，運行方便，適合照明或驅動小型電動機。

(2)中型秸稈氣化發電系統。該系統功率在500kW~5MW之間，由于氣化容量較大，多采用流化床或循環流化床形式(圖3)。其冷卻過濾系統比小型發電系統完善，通過催化裂解的辦法使90%以上的焦油裂解成永久性氣體。采用內燃機發電機組，適合秸稈較多的地區進行發電自供。

山東省能源研究所研究的生物質氣化技術流程是：1)將經過簡單預解決的生物質原料送入循環流化床反應器，在反應器中與高溫的返料和熱載體混合，并在空氣的推動下，達到很高的流速，形成高速湍流攜帶床層；2)在強烈的熱作用和傳熱傳質作用下，用極短的時間完成熱解以及部分氧化和還原過程，萌生的燃氣經除塵冷卻后用做氣體燃料；3)未完全反應的碳顆粒和熱載體與燃氣分離后通過循環回料系統返回流化床反應器，持續完成氣化。該循環流化床生物質氣化系統可實現78%以上的氣化效率，所得燃氣熱值在5.0MJ/m3以上，氣化器熱功率在2MW以上。

目前，該生物質循環流化床氣化/燃燒技術已進入中間實驗階段。廣州能源研究所在1998年成功研制了1MW生物質氣化發電系統的基礎上，近年來又開展了對3MW和4MW生物質氣化發電系統的研究，其主要流程是：將生物質原料加入循環流化床氣化爐萌生的可燃氣通過旋風分離器、Venturi管和2個水洗塔進行了清潔，并將清潔后的可燃氣儲存在儲氣罐內，供內燃發電機組使用。針對300e~400e燃氣除塵的需要，設計的中高溫除塵系統解決能力為3000m3/h(標準狀態)，對灰的去除率達80%左右。焦油催化裂解設計解決能力為3000m3/h(標準狀態)，對焦油的解決效率達75%以上。整體生物質氣化及聯合循環發電系統效率可達25%~28%。

(3)大型秸稈氣化發電系統。目前有2種技術，一種是整體氣化聯合循環(IGCC)，另一種是熱空氣氣輪機循環(HATC)。IGCC發電系統的功率在5MW~10MW之間，效率可達35%~40%，系統由物料預解決設備、氣化設備、凈化設備、換熱設備(余熱鍋爐等)、燃氣輪機、蒸汽輪機等組成。氣化爐為循環流化床或增壓流化床，凈化采用陶瓷濾芯過濾器、焦油裂解爐及焦油水洗塔。該系統的特點是原料解決量大，自動化程度高，系統效率高，適合工業化加工。

目前，我國的生物質IGCC示范系統正在建設之中，與國外先進的同類技術相當，設備已全部實現國產化，投資不到國外的2/3，運行成本比國外低50%左右。HATC發電系統的功率在0.5MW~3MW之間，系統包括原料系統、空氣流化床(或移動床氣化爐)、凈化設備、燃燒器、熱交換器及燃氣輪機等。其與IGCC的主要區別是氣化后萌生的熱可燃氣可在相鄰的燃燒器中燃燒，故凈化系統相對簡單，只需旋風分離器除去雜粒即可。燃氣輪機在干凈的熱空氣下運行，減少了氣化后可燃氣中焦油和雜質對燃氣輪機的損害，因此又稱之為間接燃氣輪機發電。

2生物質氣化發電的難點

目前，生物質氣化發電技術還需處理以下5個技術難題。

(1)一般認為生物質的利用半徑為(80~120)km，且生物質原料大多體積大，造成運輸、儲存的費用相對較高，這大大限制了大型電廠對生物質能的有效利用。同時，生物質原料的密度和能量低，不同生物質原料在水分含量、揮發分含量、熱值和灰分化學組成上差異大，給電廠在加工使用上帶來困難。

(2)生物質灰熔點低，堿金屬元素含量高，燃燒時易萌生結焦和高溫堿金屬元素腐蝕。

(3)生物質氣化時，渣與飛灰的含碳量高，氣化效率低。此外，燃氣中焦油含量高，導致一方面萌生大量含焦廢水，另一方面影響燃氣利用設備的連續正常運行。

(4)在目前的工藝水平下，焦油裂解和廢水解決再利用是氣體凈化的2個基本要求，但現用的水洗辦法不但降低了系統效率，而且萌生大量含焦油廢水，因此氣體凈化是國內生物質氣化技術的研究重點之一。

(5)生物質氣化發電中的燃氣和經發電機組萌生的尾氣未回收，造成整個系統效率降低(18%左右)。

3技術展望

生物質氣化發電技術具有良好的發展前景，經過幾十年的發展，有了很大進步。但是，生物質原料的密度低，體積大，運輸、存儲成本高，不太適合建造大型的生物質發電廠，而分散的小型電站投資、人工費高，效率低，經濟效益差，所以將生物質與化石燃料聯合氣化燃燒成為一個新的研究方向。

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