生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)主要類別
2022-01-03
從氣化形式上看，生物質(zhì)氣化過(guò)程可以分為固定床氣化和流化床氣化兩大類。固定床氣化包括上吸式氣化、下吸式氣化和開(kāi)心式氣化三種，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)用最多的是循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)。
從燃?xì)獍l(fā)電過(guò)程上分，氣化發(fā)電可分為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)及燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。
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，如表1所示。
一、低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)
以簡(jiǎn)單的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組為主，可單獨(dú)燃用低熱值燃?xì)?，也可以燃?xì)?、油兩用。其特點(diǎn)是：設(shè)備緊湊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量要求低。
生物質(zhì)燃?xì)獾奶攸c(diǎn)是熱值低(4~6MJPnm3)、雜質(zhì)含量高，所以生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)雖然與天然氣發(fā)電技術(shù)、煤氣發(fā)電技術(shù)的原理一樣，但它有更多的獨(dú)特性，對(duì)發(fā)電設(shè)備的要求也與其他燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備有較大的差別。生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)必須解決以下問(wèn)題：
1.生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档停瑑?nèi)燃機(jī)出力大大降低，為了保證相同的出力，內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)、壓縮比等必須做較大改動(dòng)。一般生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂抵皇翘烊細(xì)獾?/span>1P5~1P6，相同規(guī)格的燃?xì)鈾C(jī)在燃用生物質(zhì)燃?xì)鈺r(shí)出力將降低1P3左右(相對(duì)于柴油將降低50%左右)，如果是增壓的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，出力降低將更大，各系統(tǒng)的改動(dòng)將更加復(fù)雜。
2.合H2量高可能引起的爆燃問(wèn)題：由于H2的著火速度比其他燃?xì)饪?，?/span>H2含量太高時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)容易引起點(diǎn)火時(shí)間不規(guī)則，從而引***燃。生物質(zhì)燃?xì)獾臍錃夂坎顒e很大，流化床一般在10%左右，而固定床有時(shí)將高于15%。通過(guò)大量的試驗(yàn)表明，當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)庵?/span>H2含量高于18%時(shí)，爆燃的問(wèn)題將較嚴(yán)重，所以為安全起見(jiàn)一般生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)要求燃?xì)庵?/span>H2含量<15%。
3.焦油及含灰量的影響：雖然生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過(guò)了嚴(yán)格的凈化，但仍有一定的焦油和灰(一般為幾十ppm)。焦油會(huì)引起點(diǎn)火系統(tǒng)失靈，燃燒后積炭會(huì)增加磨損，而含灰量太高也會(huì)增加設(shè)備磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉缸。所以一般生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)組的配件損耗和潤(rùn)滑油消耗比其他燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)都會(huì)成倍增加。
4.排煙溫度過(guò)高及效率過(guò)低問(wèn)題：由于低熱值燃?xì)馊紵俣缺绕渌剂下?，低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排煙溫度比其他內(nèi)燃機(jī)明顯偏高。這就使設(shè)備材料容易老化而系統(tǒng)效率有明顯降低。
由于上述難題，我國(guó)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)很少，我國(guó)目前只有200kW的機(jī)組，更大的機(jī)組還沒(méi)有定型產(chǎn)品，只正在開(kāi)發(fā)之中。國(guó)外這方面的產(chǎn)品也很少，只有低熱值與油共燒的雙燃料機(jī)組，大型的機(jī)組和單燃料生物質(zhì)燃?xì)鈾C(jī)都是從天然氣機(jī)組改裝而來(lái)，所以產(chǎn)品價(jià)格很高，是一般國(guó)外柴油機(jī)組價(jià)格的1~2倍，更是國(guó)內(nèi)同類生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的幾倍。所以經(jīng)濟(jì)可靠的單燃料生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組的開(kāi)發(fā)研究是發(fā)展中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的主要內(nèi)容之一。
二、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)
燃?xì)廨啓C(jī)是最常見(jiàn)的發(fā)電設(shè)備之一。國(guó)內(nèi)外的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已發(fā)展非常成熟，目前應(yīng)用最多的是作為航空動(dòng)力裝置。作為發(fā)電用途的燃?xì)饧夹g(shù)，一般規(guī)模在幾MW以上，小于3MW的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備應(yīng)用較少，而最大的已達(dá)幾百MW。燃?xì)廨啓C(jī)最常見(jiàn)的燃料是石油或天燃?xì)?，其他燃料的氣輪機(jī)很少見(jiàn)。我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)與國(guó)內(nèi)外差別較大，特別是在設(shè)備的規(guī)模和效率上與國(guó)外產(chǎn)品有明顯的差距。
生物質(zhì)氣化發(fā)電所需要的燃?xì)廨啓C(jī)很獨(dú)特。首先生物質(zhì)燃?xì)馐堑蜔嶂等細(xì)?，它的燃燒溫度與發(fā)電效率與天燃?xì)獾认啾让黠@偏低，而且由于燃?xì)怏w積較大，壓縮困難，從而進(jìn)一步降低了系統(tǒng)發(fā)電效率；其次，生物質(zhì)燃?xì)怆s質(zhì)偏高，特別是有堿金屬等腐蝕成份，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速和材料都有更嚴(yán)格的要求。最后，因?yàn)樯镔|(zhì)較分散，生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)模不可能很大，所以所需的燃?xì)廨啓C(jī)也較小，一般幾MW左右，小型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的效率較低，而單位造價(jià)較高，這幾方面使燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于生物質(zhì)氣化電系統(tǒng)更為困難。表2表示了典型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)燃料的要求，實(shí)際上有的要求將比表中的指標(biāo)嚴(yán)格得多，有的雜質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行中要求比表中指標(biāo)低10倍以上。
在國(guó)內(nèi)外的研究中，影響最大的雜質(zhì)主要是堿金屬和硫化物，在生物質(zhì)中硫的含量很少，但即使很少量的硫，例如含硫量約0.1%時(shí)，燃?xì)庵械牧蚧镆部赡芨哌_(dá)100ppm，這對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的影響是明顯的，但生物質(zhì)的過(guò)程與生物質(zhì)中堿金屬的析出和硫化物等雜質(zhì)的排放之間的關(guān)系，直到現(xiàn)在仍不是很清楚，也是目前生物質(zhì)研究的主要內(nèi)容之一。
從表2可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)大部分雜質(zhì)的要求極為荷核，但對(duì)焦油的要求不嚴(yán)，這是因?yàn)榧僭O(shè)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度在450~600e，此時(shí)焦油大部分以氣態(tài)存在，但是，如果考慮到燃?xì)庑杞禍睾笤偌訅?，此時(shí)對(duì)焦油的要求也很嚴(yán)格，大約在50ppm以下，所以總的來(lái)說(shuō)，一般生物質(zhì)氣化凈化過(guò)程很難滿足燃?xì)廨啓C(jī)的要求，必須針對(duì)具體原料的特性進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)，而燃?xì)廨啓C(jī)也必須經(jīng)過(guò)專門(mén)的改造，以適應(yīng)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的特殊要求。目前國(guó)內(nèi)外仍沒(méi)有適用于生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的通用技術(shù)和設(shè)備，極少的幾個(gè)示范工程都是由專門(mén)的研究部門(mén)或廠家根據(jù)項(xiàng)目的要求進(jìn)行改造和訂造的，造價(jià)非常高，所以燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是制約生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)大型化發(fā)展的主要因素之一。
三、燃?xì)庹羝h(huán)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)
不管是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，還是燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電后排放的尾氣溫度都在500~600e之間(如果發(fā)電設(shè)備帶空氣增氣增壓系統(tǒng)，尾氣溫都一般在450~500e之間)，從能量利用的角度，這部分尾氣仍含有大量可回收的可用能量。所以在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備后增加余熱回收裝置(如余熱鍋爐等)，是大部分燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)提高系統(tǒng)效率的有效途徑。在生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)中，除了發(fā)電設(shè)備尾氣有大量余熱外，生物質(zhì)氣化爐出口的燃?xì)鉁囟纫埠芨?/span>(達(dá)700~800e左右)，所以把這部分氣化顯熱和燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的余熱結(jié)合起來(lái)，利用余熱鍋爐和過(guò)熱器產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，是大部分大型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)采用的氣化發(fā)電工藝。由于該工藝與傳統(tǒng)的煤IGCC系統(tǒng)相同，所以一般稱生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(BPIGCC)。
傳統(tǒng)的BPIGCC技術(shù)包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電及蒸汽輪機(jī)發(fā)電。由于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?/span>(約1200kcalPm3)，氣化爐出口氣體溫度較高(800e以上)，要使BPIGCC具有較高的效率，必須具備兩個(gè)條件：一是燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前不能降溫，二是燃?xì)獗仨毷歉邏旱?。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和燃?xì)飧邷貎艋瘍煞N技術(shù)才能使BPIGCC的總體效率達(dá)到較高水平(40%)。否則，如果采用一般的常壓氣化和燃?xì)饨禍貎艋?，由于氣化效率和帶壓縮的燃?xì)廨啓C(jī)效率都較低，氣體發(fā)電的整體效率一般都低于35%。
由蒸汽輪機(jī)發(fā)電的效率在100MW以上才較高，所以小型的蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較差。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)由于原料供應(yīng)問(wèn)題，發(fā)電規(guī)模很難高于100MW，目前國(guó)際上正在建設(shè)的BPIGCC示范項(xiàng)目大部分在10MW左右，所以總的系統(tǒng)效率遠(yuǎn)比煤的IGCC系統(tǒng)為低。即使這樣，大部分生物質(zhì)的BPGICC項(xiàng)目的效率都在35%以上。比一般簡(jiǎn)單的生物質(zhì)氣化)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)高出了近1倍，但也是由于規(guī)模的原因，目前國(guó)外的BPIGCC系統(tǒng)幾乎全部采用專門(mén)改造的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備。
從理論上講，在中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)中，只要增加的余熱回收系統(tǒng)投資合理，綜合考慮原料和發(fā)電的成本可行，增加蒸汽循環(huán)系統(tǒng)仍然是提高系統(tǒng)效率的有效辦法。但由于在發(fā)達(dá)國(guó)家由于生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性較差，目前仍未真正進(jìn)入市場(chǎng)，所以目前中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合蒸汽循環(huán)的方案仍未有實(shí)施的先例，有待于今后進(jìn)一步研究與探索。
總的來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)氣化發(fā)電有兩種基本的形式，一是采用內(nèi)燃機(jī)，二是采用燃?xì)廨啓C(jī)，為了提高系統(tǒng)效率，可以考慮同時(shí)采用蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的選用與比較，主要是根據(jù)氣化發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模來(lái)確定的，雖然兩者之間有明顯的界限，但在國(guó)際上，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)比較合適于5~10Mwe以下的氣化發(fā)電系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)比較合適于10Mwe~20Mwe的常壓氣化發(fā)電系統(tǒng)，但超過(guò)20Mwe的氣化發(fā)電系統(tǒng)除了必須采用燃?xì)廨啓C(jī)外，還必須采用高壓氣化技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)采用燃?xì)廨啓C(jī)的氣化發(fā)電系統(tǒng)都帶有蒸汽聯(lián)合循環(huán)，效率有明顯提高，所以在大規(guī)模下燃?xì)廨啓C(jī)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在小規(guī)模下，由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有體積小、效率高、容易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，特別是它對(duì)燃?xì)獾馁|(zhì)量要求技術(shù)低，充許雜質(zhì)的含量較高(焦油可高于30ppm)，所以它的用途更廣泛。
