绿色能源气化发电技术应用综述.docx
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绿色能源气化发电技术应用综述
生物质气化发电技术应用综述
李斌
（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074）
随着化石燃料的逐渐枯竭、环境问题的日益严重及全球气候异常等，寻求新的可再生、洁净的能源资源已经迫在眉睫。
生物质作为可再生、几乎无污染的资源，其开发和利用越来越受到人们的重视。
生物质是重要的可再生能源，我国生物质能资源样多量大，可用于发电的资源相当丰富。
生物质发电技术和产业有着良好的发展前景。
1.国家政策扶持
我国自1998年起实施的《中华人民共和国节能法》就明确提出“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”。
可再生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要战略措施。
人类能够长久依赖的未来能源必须储量丰富、可再生利用且无环境污染。
以植物为主，每年以近2000亿吨的速度不断再生的生物质资源将是人类未来的理想选择。
大力开发生物质资源，对于改善我国以化石燃料为主的能源结构，延长化石燃料使用时间，改变能源的生产方式和消费方式，建立可持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。
从2006年1月1日起，全国开始正式实施了《中华人民共和国可再生能源法》，在国家《2006-2020年中长期科学和技术发展规划纲要》中就提出了包括生物质能在内的可再生能源低成本规模化开发利用。
同时国家还制定了一系列的优惠政策来鼓励和支持开展生物质能的研究和利用，生物质清洁能源项目将享受国家财政贴息，并且生物质发电可以优先上网。
国家发改委2006年1月4日以发改能源【2006】7号文件印发了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，生物质发电上网每度电可以补贴0.25元。
在财政部、发展改革委、农业部、税务总局、国家林业局联合印发的《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》中指出国家将在财税政策上大力扶持生物质能源的发展。
同时在“十一五”期间，国家财政也将加大对生物质能源和煤制油等石油替代能源开发的资金投入，以缓解我国面临的石油安全问题。
2.生物质发电技术分类与比较
在生物质发电技术中，比较成熟的有直接燃烧发电和生物质气化发电两种类型。
直接燃烧发电的过程是生物质与过量空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生出的高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发电。
气化发电是一种更为洁净的利用方式，其过程是生物质通过热化学方法转化为气体燃料，净化后的气体燃料直接被送入锅炉、内燃机、燃气轮机的燃烧室中燃烧或者在高温燃料电池中来发电。
美国能源部（DOE）在1997年归纳了生物质燃料发电技术的特点，对比直接燃烧与生物质整体气化联合循环（BIGCC）发电参数。
直接燃烧的电站容量是50MWe、效率是23.0%、投资成本是1965＄/kWh，总运行费用5.50C/kWh；BIGCC的电站容量是75MWe、效率是36.0%、投资成本是2102＄/kWh，总运行费用3.98C/kWh。
显然，生物质气化发电技术比直接燃烧的效率要高很多，而且运行费用也低。
所以，我们要大力发展生物质气化发电技术，使生物质发电更具有竞争力。
3.国外生物质气化发电现状
生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。
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，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%-3%增到1999年的10%，并打算在本世纪末增加到25%，到目前为止该国已拥有装机容量为1-2MWe的区域供热站80-90座。
瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。
1991年，瑞典供热及热电联产所消耗的燃料，26%是生物质。
一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质的开发利用，增加生物质能的生产，扩大其应用范围，提高其利用效率。
菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化，成型固化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。
生物质气化发电技术主要有以下三种方法：
带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是引擎的常压生物质气化、带有Rankine循环的传统生物质燃烧系统。
生物质整体气化联合循环发电技术（BIGCC）作为先进的生物质气化发电技术，通过采用两级燃烧方式，利用两种工质将勃雷登（Brayton）循环和朗肯循环叠加在一起，具有较高的发电效率和较大的发电规模，从1990年开始得到了广泛的研究。
传统的BIGCC技术包括生物质气化、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1200kcal/m3），炉子出口气体温度较高（800℃以上），要使BIGCC具有较高的效率，必须具备两个条件，一是燃气进入燃气轮机之前不能降温，二是燃气必须是高压的。
这就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术才能使BIGCC的总体效率较高（40%）。
目前欧美一些国家正开展这方面研究，如美国Battelle（63MW）和夏威夷（6MW）项目、欧洲英国（8MW）、瑞典（加压生物质气化发电4MW）、芬兰（6MW）以及欧盟建设3个7～12MW生物质气化发电IGCC示范项目，其中一个是加压气化，两个是常压气化。
但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大，存在许多问题，如系统未成熟，造价很高，限制了其应用推广。
以意大利12MW的BIGCC示范项目为例，发电效率约为31.7%，但建设成本高达25000元/kW，发电成本约1.2元/kWh，实用性很差。
近年欧美开展了其它技术路线的研究，如比利时（2.5MW）和奥地利（TINA，6MW）开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术，美国的史特林循环发电等，但技术仍未成熟，成本较高。
3.1.国外生物质整体气化联合循环发电示范项目介绍
3.1.1.美国Battelle
美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位。
美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平，生产一种中热值气体，不需要制氧装置，此工艺使用两个实际上分开的反应器：
①气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭；②燃烧反应器，燃烧残炭并为气化反应供热。
两个反应器之间的热交换载体由气化炉和燃烧室之间的循环沙粒完成。
表1给出了Battelle示范电厂气化炉的产气组分和热值，图1的工艺流程图则表明了两个反应器以及它们在整个气化工艺中的配合情况。
这种Battelle/FERCO工艺与传统的气化工艺不同，它充分利用了生物质原料固有的高反应特性。
生物质的气化强度超过146000kg/h·m2，而其他气化系统的气化强度通常小于1000kg/h·m2。
Battelle气化工艺的商业规模示范建在弗蒙特州的柏林顿McNeil电站，该项目的一期工程，用Battelle技术建造日产200吨燃料气的气化炉，在初始阶段生产的燃料气用于现有的McNeil电站锅炉。
二期工程，将安装一台燃气轮机来接受从气化炉来的高温燃气，组成联合循环。
该气化设备于1998年完成安装并投入运行。
表1Battelle示范电厂气化炉产气组分和热值
气体组分（%）
热值（MJ/m3）
CO
H2
CH4
CO2
C2H4
C2H6
44.4
22
15.6
12.2
5.1
0.7
17.3
图1Battelle/FERCO工艺流程图
3.1.2.瑞典VARNAMO
瑞典VARNAMOBIGCC电厂是由SydkraftAB公司投建的，于1993年正式运行，是世界上首家以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂，电厂装机容量为6MW，供热容量为9MW，整体电效率为32%（除自用电外）。
系统流程见图2。
生物质原料（主要是木屑和树皮）经过干燥粉碎后，在带有密闭阀门的上下料斗中加压后进入气化炉。
电厂采用FosterWheeler公司生产的增压CFB气化炉，操作温度为950～1000℃，压力为1.8MPa，采用空气作为气化剂，从燃气轮机的压缩机抽调10%左右的空气，经二次压缩后由流化床底部布风板通入。
产气经过旋风分离器分离后，进入烟气冷却器冷却至350～400℃，然后通过高温管式过滤器净化，净化后燃气组分和热值见表2。
净化燃气通过TYPHOON燃气轮机（4.2MW）发电；燃气透平排气进入余热锅炉，连同烟气冷却器一起产生蒸汽（4MP，455℃），蒸汽进入汽轮机发电（1.8MW），同时供热（9MW）。
VARNAMO电厂从1993年开始运行，系统整体运行时间达3600h/a，验证了生物质增压气化和高温烟气净化系统的可行性，得到了一些宝贵的运行经验。
在运行中出现了冷却器的沉灰和结垢等现象，实验表明，使用MgO作床料和采用底灰再循环方式可以有效解决这些问题。
系统采用陶瓷管式过滤器，在运行1200h左右后发生机械应力破碎，在1998年改用金属管式过滤器，正常运行时间达2500h，可以有效地过滤飞灰和重焦油。
通过对燃气轮机的燃烧室、燃烧器和空气压缩机进行改造，使低热值产气（3.4～4.2MJ/m3）能稳定燃烧，燃气轮机能在40%～100%的电厂负荷下稳定运行，但低负荷运行时CO排放量较大（＞0.02%）。
表2VARNAMO电厂气化炉产气组分和热值
气体组分
热值（MJ/m3）
CO（%）
H2（%）
CH4（%）
CO2（%）
N2（%）
苯（mg/m3）
轻焦油（mg/m3）
16-19
9.5-12
5.8-7.5
14.4-17.5
48-52
5000-6300
1500-2200
5.0-6.3
图2瑞典VARNAMOBIGCC电厂系统流程示意图
3.1.3.意大利TEF
2002年6月，意大利TEF（THERMIEENERGYFARM）BIGCC示范电厂在Cascina建成。
该电厂生物质消耗量为8230kg/h，发电容量为16MW，发电效率为31.7%（除自用电外）。
电厂投资4100万欧元（欧盟THERMIE出资34%），建设成本为2300欧元/kW。
该系统流程见图3。
电厂采用Lurgi制造的常压CFB气化炉和常温湿法烟气净化系统。
原料（短期轮作物和木屑）在微负压环境下，利用余热锅炉乏气进行干燥，空气经压缩和预热后由气化炉底部布风板进入。
产气通过空气预热器和烟气冷却器进行冷却，再通过二次旋风分离和布袋除尘，然后在水洗塔内彻底清除焦油和其它污染物（NH3，HCN，HCl等）。
除尘器捕集的飞灰与灰渣一起排放，水洗塔排水经处理后排放。
净化燃气经过冷却压缩后，其组分和热值如表3所示。
燃气与经过压缩比为15.4的多级空压机压缩的空气在燃烧室内混合燃烧。
燃气轮机采用NuovoPignone的pgt10机组，发电容量为11MW。
燃气轮机排气经余热锅炉回收热量，连同烟气冷却器一起产生蒸汽（5.5MPa，470℃），蒸汽进入汽轮机发电（5MW）。
表3TEF示范电厂气化炉产气组分和热值
气体组分（%）
热值（MJ/m3）
CO
H2
CH4
CnHm
CO2
N2
H2O
22
17
4
2
13
41
1
7.4
图3意大利TEF示范电厂系统流程图
3.1.4.英国ARBRE
英国ARBREBIGCC电厂于1999年建成，发电容量为8MW，系统整体电效率为31%。
电厂所用原料来自电厂周围种植的柳树和白杨树，气化炉和催化裂解炉的灰渣及处理污水所得的污泥用作树木的有机肥料。
电厂采用2台TPS常压CFB炉，一台作为气化炉，操作温度为850～900℃，另一台加入催化剂作为催化裂解炉。
燃气通过冷却器换热后，经过布袋除尘和
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