生物質(zhì)燃料氣化發(fā)電介紹

生物質(zhì)燃料來自于大自然，主要是稻秸稈，麥秸稈，灌木和生活垃圾中的有機(jī)物。隨著地球上的化石燃料越來越少，可再生能源是目前世界各國政府的重要任務(wù)。生物質(zhì)燃料是可再生能源的重要組成部分，如何合理利用是目前需要迫切解決的問題。

過去利用生物質(zhì)燃料的方法主要是直接燃燒，將生物質(zhì)燃料破碎后，直接進(jìn)入鍋爐，產(chǎn)生蒸汽，然后再驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組。這樣的利用方法主要特點(diǎn)是系統(tǒng)成熟，但效率低下。建立這樣的生物質(zhì)直燃發(fā)電裝置，投資回報非常低。國家必須提供大量的補(bǔ)貼才能生存下去。

將生物質(zhì)燃料通過氣化的方法，產(chǎn)生可燃?xì)怏w，用往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，可以大幅度提高發(fā)電效率。在目前的上網(wǎng)電價和生物質(zhì)原料價格條件下，投資收益大幅改善。

目前在國際上，歐美發(fā)達(dá)國家也在大力開發(fā)生物質(zhì)氣化發(fā)電的技術(shù)。上圖是預(yù)計(jì)到2030年全球生物質(zhì)氣化發(fā)電市場規(guī)模。

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)一般的功率范圍大約是1-2MW，適合于小單位例如農(nóng)村，小養(yǎng)殖場自用發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)模較大，適合于區(qū)域發(fā)電，覆蓋的收集生物質(zhì)燃料的半徑大約可以50-70公里。用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)配合聯(lián)合循環(huán)，可以使系統(tǒng)的凈發(fā)電輸出效率達(dá)到38-50%。前景非常廣闊。
 

氣化技術(shù)介紹

目前世界上能夠產(chǎn)生適合燃?xì)廨啓C(jī)使用的生物質(zhì)燃?xì)庵饕袃深惣夹g(shù)，水蒸汽或富氧氣化技術(shù)，等離子氣化技術(shù)。

水蒸氣氣化技術(shù)，在附圖1上的流程圖簡單介紹了蒸汽氣化技術(shù)。生物質(zhì)原料例如稻秸稈、麥秸稈和棉秸稈等經(jīng)過破碎后，進(jìn)入氣化室。氣化室內(nèi)有高溫石英砂保持氣化反應(yīng)溫度。蒸汽注入氣化室，和生物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，水分子在高溫條件下裂解，和生物質(zhì)反應(yīng)后產(chǎn)生可燃合成氣。氣體主要成分如下：

燃料氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器后，再冷卻凈化，進(jìn)入到儲存罐中。從分離器出來的石英砂和碳粒子進(jìn)入到再生燃燒器中，經(jīng)過燃燒后將石英砂加熱，然后再循環(huán)到氣化室中重復(fù)使用。

等離子氣化技術(shù)，在附圖2上的流程圖簡單介紹等離子氣化技術(shù)。生物質(zhì)原料例如生活垃圾，稻秸稈、麥秸稈，棉秸稈或煤等經(jīng)過破碎后，進(jìn)入等離子高溫氣化室。在極高溫度等離子火炬條件下，所有的碳?xì)浠衔锒急粴饣纸?。產(chǎn)生的氣體經(jīng)過冷卻過濾后，就可以作為燃料使

等離子氣體的特點(diǎn)是氣化率高，速度快。氣體熱值比較低，具體的氣體組分和原料關(guān)系較大。

國內(nèi)目前正在開發(fā)其它氣化技術(shù)包括兩段氣化，富氧氣化等，具體參見參考文獻(xiàn)4和8。參與開發(fā)的有關(guān)單位有中科院廣州能源所，山東大學(xué)，浙江大學(xué)，四川通美新能源有限公司，凱迪電力等。

燃?xì)廨啓C(jī)燃料適用性

燃料熱值要求

燃?xì)廨啓C(jī)使用氣體燃料時以下面的單位衡量是否符合燃燒系統(tǒng)的要求：

W.I. = LHV/(SG)1/2
W.I.: Wobbe Index華白數(shù)
LHV：燃料低熱值, Btu/scf
SG: Specific Gravity 燃料相對比重

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)燃料是天然氣，大約是900-1000。

水蒸汽氣化的生物質(zhì)燃料氣大約華白數(shù)是430-450，等離子體氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料氣大約華白數(shù)是250-270。

索拉透平國際公司的大力神130(TITAN 130)可以使用最低華白數(shù)的燃料是235。

燃料中雜質(zhì)要求

大力神130機(jī)組常規(guī)燃料系統(tǒng)中，要求燃料中的雜質(zhì)不超過如下范圍：
 

生物質(zhì)氣化生成的燃料氣，里面含雜質(zhì)較多，特別是K離子，固體顆粒和焦油含量都非常高。氣體凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)改型

燃料系統(tǒng)改型

燃料系統(tǒng)流通面積

生物質(zhì)燃料氣的熱值大約是標(biāo)準(zhǔn)天然氣燃料的三分之一到四分之一，要保持原機(jī)組的輸出功率，生物質(zhì)燃料氣的流量就必須提高三到四倍。若流量倍增，燃?xì)鈮毫托枰哟?，這樣一來，燃料氣加壓裝置的功率就會增加許多，減低了整個系統(tǒng)的效率。

為了保持燃機(jī)輸出功率，但系統(tǒng)壓力增加幅度控制在有限范圍內(nèi)，燃料系統(tǒng)的流通面積就需要增大。一般的天然氣機(jī)組燃料總管是單排布置，若使用低熱值燃?xì)?，就需要將燃料總管做成雙排布置，流通面積提高一倍，燃?xì)鈮毫υ黾硬欢唷?/P>

燃料噴嘴

生物質(zhì)燃料氣含氫量比較高，為了安全起見，需要用標(biāo)準(zhǔn)燃料作為啟動燃料，到機(jī)組負(fù)荷達(dá)到一定界限后，切換到生物質(zhì)燃料氣。目前的啟動燃料有柴油，壓縮天然氣或丙烷氣。

過去在焦?fàn)t煤氣機(jī)組中，用柴油作為啟動燃料。噴嘴上有兩個燃料出口，一個是液體燃料，另外一個是氣體燃料。若采用生物質(zhì)燃料氣，由于噴嘴截面有限，若采用液體燃料的話，燃?xì)鈮毫σ缶头浅８?，與系統(tǒng)效率不利。系統(tǒng)只有采用單孔氣體燃料噴嘴。這樣的設(shè)計(jì)可以保持較大的流通面積，燃料氣體壓力增加幅度有限。

目前在國內(nèi)比較容易獲得的啟動燃料是壓縮天然氣或丙烷氣。丙烷氣在正常儲存狀態(tài)時是液體，經(jīng)過加熱氣化后，壓力也可以上升到20公斤，直接進(jìn)入燃機(jī)作為啟動燃料。

安全系統(tǒng)改造

標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)廨啓C(jī)使用天然氣燃料，對于高氫氣的安全性需要做特別改造以滿足安全規(guī)范要求。主要改造方面如下：

電器防爆等級要滿足H2的環(huán)境
由于可燃?xì)怏w混合空燃比界限，余熱鍋爐不能帶補(bǔ)燃裝置
防火隔音罩內(nèi)必須額外安裝H2探頭

生物質(zhì)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目所在地市美國紐約州，Taylor Biomass Montgomery。主要設(shè)備構(gòu)成有，蒸汽氣化爐，大力神130燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，余熱鍋爐，蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，氣體凈化系統(tǒng)等。

項(xiàng)目主要參數(shù)如下：

生物質(zhì)燃?xì)釽I 430
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī) Titan 130 (15MW)
生物質(zhì)燃?xì)鈮嚎s系統(tǒng)，輸出壓力大約3MPA，流量大約12000 NM/hr
中溫中壓余熱鍋爐
汽輪發(fā)電機(jī)組 5MW

項(xiàng)目預(yù)計(jì)2012年8月投入使用

結(jié)論

生物質(zhì)燃料氣化發(fā)電具有效率高，投資中等的特點(diǎn)。市場前景廣大，是可再生能源的重要組成部分。目前世界上的幾個試驗(yàn)性項(xiàng)目還屬于經(jīng)驗(yàn)摸索階段，主要的擔(dān)心是氣體凈化裝置處理后燃?xì)鉂崈舳仁欠駶M足燃?xì)廨啓C(jī)的要求。目前的潔凈技術(shù)是常規(guī)的成熟技術(shù)，主要積累的經(jīng)驗(yàn)是用合理的花費(fèi)建設(shè)凈化系統(tǒng)滿足燃?xì)廨啓C(jī)要求。大約2-3年以后，市場規(guī)模會有重大發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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2 Pembleton, T.K. and LeCren, R.T., 1964, “Specification for Fuels Used in Solar Gas Turbines,” ER 1505,Solar Turbines Incorporated, San Diego, California.
3 Sood, V.M., 1992, “Gas Turbine Combustion System Technology,” TTS52, Turbomachinery Technology Seminar, Solar Turbines Incorporated, San Diego,California.
4 黃進(jìn)，夏濤 生物質(zhì)化工與生物質(zhì)材料 化學(xué)工業(yè)出版社 2009
5 賴艷華，呂明新 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，10
6 Solar, Specification ES 9-98, 1996, “Fuel, Air and Water (or Steam) for Solar Gas Turbine Engines,”Solar Turbines Incorporated, San Diego, California.
7 吳創(chuàng)之，可再生能源，2003，2
8 馬隆龍，吳創(chuàng)之，生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2003