1.1氣化發(fā)電工作原理

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設(shè)備進行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用而又分布分散的缺點，又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電技術(shù)設(shè)備緊湊而污染少的優(yōu)點，所以是生物質(zhì)能最有效最潔凈的利用方法之一。

氣化發(fā)電過程包括三個方面，一是生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料;二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質(zhì)，包括灰份、焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃氣發(fā)電設(shè)備的正常運行;三是燃氣發(fā)電，利用燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機進行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機。

生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)能利用中有別于其他可再生能源的獨特方式，具有三個方面特點：一是技術(shù)有充分的靈活性，由于生物質(zhì)氣化發(fā)電可以采用內(nèi)燃機，也可以采用燃氣輪機，甚至結(jié)合余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，所以生物質(zhì)氣化發(fā)電可以根據(jù)規(guī)模的大小選用合適的發(fā)電設(shè)備，保證在任何規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率。這一技術(shù)的靈活性能很好地滿足生物質(zhì)分散利用的特點;二是具有較好的潔凈性，生物質(zhì)本身屬可再生能源，可以有效地減少CO2、SO2等有害氣體的排放。而氣化過程一般溫度較低(大約在700-900oC)，NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放;三是經(jīng)濟性，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的靈活性，可以保證該技術(shù)在小規(guī)模下有效好的經(jīng)濟性，同時燃氣發(fā)電過程簡單，設(shè)備緊湊，也使生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)比其他可再生能源發(fā)電技術(shù)投資更小，所以總的來說，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是所有可再生能源技術(shù)中最經(jīng)濟的發(fā)電技術(shù)，綜合的發(fā)電成本已接近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平。

氣化發(fā)電的工作原理及工藝流程

生物質(zhì)固定床床氣化發(fā)電裝置主要由進料機構(gòu)，燃氣發(fā)生裝置，燃氣凈化裝置，燃氣發(fā)電機組、控制裝置及廢水處理設(shè)備六部分組成：

進料機構(gòu)：進料機構(gòu)有多種，根據(jù)場地大小不同分別為螺旋加料器，皮帶上料機，和提斗上料機動力設(shè)備是電磁調(diào)速電機。加料器既便于連續(xù)均勻進料，電磁調(diào)速電機則可任意調(diào)節(jié)生物質(zhì)進料量。

燃氣發(fā)生裝置： ?氣化裝置可采用固定床氣化爐或其他可連續(xù)運行的氣化爐，氣化爐和排渣螺旋構(gòu)成。生物質(zhì)在氣化爐中經(jīng)低溫?zé)峤鈿饣煽扇細怏w，氣化后剩余的灰份則由排渣螺旋及時排出爐外。

燃氣凈化裝置： ?燃氣需經(jīng)凈化處理后才能用于發(fā)電，燃氣凈化包括除塵、除灰和除焦油等過程。為了保證凈化效果，該裝置可采用多級除塵技術(shù)：例如慣性除塵器、旋風(fēng)分離器、文氏管除塵器、冷凝器等，經(jīng)過多級除塵，燃氣中的固體顆粒和微細粉塵基本被清洗干凈，除塵效果較為徹底;燃氣中的焦油采用吸附和水洗的辦法進行清除，主要設(shè)備是兩個串聯(lián)起來的噴淋洗氣塔。

燃氣發(fā)電裝置：可采用燃氣發(fā)電機組或燃氣輪機。由于目前國內(nèi)燃氣內(nèi)燃機的最大功率只有500kW,故大于500kW發(fā)電機系統(tǒng)可由多臺500kW的發(fā)電機并聯(lián)而組成。燃氣輪機必須根據(jù)燃氣的要求進行相應(yīng)的改造，目前該項技術(shù)國內(nèi)還未開展，國外技術(shù)也不成熟，所以成本較高。

控制裝置：由電控柜，熱電偶及溫度顯示表，壓力表及風(fēng)量控制閥所構(gòu)成。在用戶需要實業(yè)可增加相應(yīng)的工業(yè)電腦監(jiān)控系統(tǒng)。

廢水處理設(shè)備：采用過濾吸附、生物處理或化學(xué)、電凝聚等辦法處理廢水，處理后的廢水可以循環(huán)使用。

1.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的分類

生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)由于采用氣化技術(shù)和燃氣發(fā)電技術(shù)的不同，其系統(tǒng)構(gòu)成和工藝過程有很大的差別。從氣化形式上看，生物質(zhì)氣化過程可以分成為固定床和流化床兩大類，固定床氣化包括上吸式氣化、下吸式氣化和橫吸層氣化三種，現(xiàn)在這三種形式的氣化發(fā)電系統(tǒng)都有代表性的產(chǎn)品。流化床氣化包括鼓泡床氣化、循環(huán)流化床氣化及雙流化床氣化三種。這三種氣化發(fā)電工藝目前都有研究，其中研究和應(yīng)用最多是循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)。從燃氣發(fā)電過程上看，氣化發(fā)電可分為內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)，燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)以簡單的燃氣內(nèi)燃機組為主，可單獨燃用低熱值燃氣，也可以燃氣、油兩用，它的特點是設(shè)備緊湊，系統(tǒng)簡單、技術(shù)較成熟、可靠;燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)采用低熱值燃氣輪機，燃氣需增壓，否則發(fā)電效率較低，由于燃氣輪機對燃氣質(zhì)量要求高，并且需有較高的自動化控制水平和燃氣輪機改造技術(shù)，所以一般單獨采用燃氣輪機的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)較少。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是在內(nèi)燃機、燃氣輪機發(fā)電的基礎(chǔ)上增加余熱蒸汽的聯(lián)合循環(huán)，該種系統(tǒng)可以有效地提高發(fā)電效率。一般來說，燃氣—蒸汽聯(lián)系循環(huán)的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)采用的是燃氣輪發(fā)電設(shè)備，而且最好的氣化方式是高壓氣化，構(gòu)成的系統(tǒng)稱為生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)(B/IGCC)。它的一般系統(tǒng)效率可以達40%以上，是目前發(fā)達國家重點研究的內(nèi)容。

傳統(tǒng)的B/IGCC技術(shù)包括生物質(zhì)氣化，氣體凈化，燃氣輪機發(fā)電及蒸汽輪機發(fā)電。由于生物質(zhì)燃氣熱值低(約1200kcal/m3)，爐子出口氣體溫度較高(800℃以上)，要使IGCC具有較高的效率，必須具備兩個條件，一是燃氣進入燃氣輪機之前不能降溫，二是燃氣必須是高壓的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術(shù)才能使IGCC的總體效率達到較高水平(>40%)，否則，如果采用一般的常壓氣化和燃氣降溫凈化，由于氣化效率和帶壓縮的燃氣輪機效率都較低，氣體的整體效率一般都低于35%。

它的基本原理是生物質(zhì)氣化后，燃氣不需經(jīng)過除焦，直接在燃燒器中燃燒，燃燒后的煙氣用來加熱高壓的空氣，最后由高溫高壓空氣推動燃氣輪機發(fā)電，該技術(shù)路線的最大優(yōu)點是避開了高溫除塵及除焦兩大難題，但最大的難題是高溫空氣供熱設(shè)備的材料和工藝問題。由于該項目的設(shè)備可靠性和造價問題，目前還很難進入實際應(yīng)用

從發(fā)電規(guī)模上分，生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型、中型、大型三種，小型氣化發(fā)電系統(tǒng)簡單靈活，主要功能為農(nóng)村照明或作為中小企業(yè)的自備發(fā)電機組，它所需的生物質(zhì)數(shù)量較多少，種類單一，所以可以根據(jù)不同生物質(zhì)形狀選用合適的氣化設(shè)備，一般發(fā)電功率，<6mw。

中型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)主要作為大中型企業(yè)的自備電站或小型上網(wǎng)電站，它可以適用于一種或多種不同的生物質(zhì)，所需的生物質(zhì)數(shù)量較多。需要粉碎、烘干等預(yù)處理，所采用的氣化方式主要以流化床氣化為主，中型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)用途廣泛，適用性強，是當(dāng)前生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要方式，功率規(guī)模一般在500~3000KW之間。

大型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)主要功能是作為上網(wǎng)電站，它可以適用的生物質(zhì)較為廣泛，所需的生物質(zhì)數(shù)量巨大，必須配套專門的生物質(zhì)供應(yīng)中心和預(yù)處理中心，是今后生物質(zhì)利用的主要方面。大型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)功率一般在5000KW以上，雖然與常規(guī)能源比仍顯得非常小，但在生物質(zhì)能發(fā)展成熟后，它將是今后替代常規(guī)能源電力的主要方式之一。

表1-1各種生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的特點

針對目前我國具體實際，采用氣體內(nèi)燃機代替燃氣輪機，其它部分基本相同的生物質(zhì)氣化發(fā)電過程，不失為解決我國生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的有效手段。一方面，采用氣體內(nèi)燃機可降低對燃氣雜質(zhì)的要求(焦油與雜質(zhì)含量﹤100mg/N ?m3即可)，可以大大減少技術(shù)難度。另一方面，避免了調(diào)控相當(dāng)復(fù)雜的燃氣輪機系統(tǒng)，大大降低系統(tǒng)的成本。從技術(shù)性能上看，這種氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在常壓氣化下整體發(fā)電效率可達28%—30%左右，只比傳統(tǒng)的低壓IGCC降低3%—5%。但由于系統(tǒng)簡單，技術(shù)難度小，更重要的是，這種技術(shù)方案更適合于我國目前的工業(yè)水平，設(shè)備可以全部國產(chǎn)化，適合于發(fā)展分散的、獨立的生物質(zhì)能源利用體系，可以形成我國自己的產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展中國家大范圍處理生物質(zhì)中有更廣闊的應(yīng)用前景。

2生物質(zhì)氣化發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1生物質(zhì)氣化工藝的設(shè)計與選用

生物質(zhì)的氣化有各種各樣的氣化工藝過程。從理論上講，任何一種氣化工藝都可以構(gòu)成生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。但從氣化發(fā)電的質(zhì)量和經(jīng)濟性出發(fā)，生物質(zhì)氣化發(fā)電要求達到發(fā)電頻率穩(wěn)定、發(fā)電負(fù)荷連續(xù)可調(diào)兩個基本要求，所以對氣化設(shè)備而言，它必須達到燃氣質(zhì)量穩(wěn)定，燃氣產(chǎn)量可調(diào)，而且必須參連續(xù)運行。在這些前提下，氣化能量轉(zhuǎn)換效率的高低是氣化發(fā)電系統(tǒng)運行成本的才是關(guān)鍵所在。

氣化形式選定以后，從系統(tǒng)匹配的角度考慮，氣化設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：

(1)產(chǎn)氣盡可能干凈，以減少后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，使焦油含量達到內(nèi)燃機允許的程度。如果后續(xù)凈化系統(tǒng)選用催化裂解工藝，還要盡可能使原始氣中的焦油具有易于催化裂解的特點;

(2)產(chǎn)氣熱值要高而且穩(wěn)定，以提高內(nèi)燃機的輸出功率，增大整個系統(tǒng)的效率;

(3)設(shè)計氣化爐本體及加料排渣系統(tǒng)，應(yīng)充分考慮原料特性，實現(xiàn)連續(xù)運行;

(4)充分利用余熱，提高能量利用率。

表1-2是各種氣化爐的特性，是氣化發(fā)電系統(tǒng)選擇氣化爐形式和控制運行參數(shù)的制約條件。

表1-2幾種氣化形式對氣化發(fā)電系統(tǒng)性能的影響

從實際應(yīng)用上考慮，固定床氣化爐比較合適于小型5MW以內(nèi)的、間隙性運行的氣化發(fā)電系統(tǒng)，它的最大優(yōu)點是原料不用預(yù)處理，而具設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊，燃氣中含灰量較低，凈化可以采用簡單的過濾方式適用于小型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。

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