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(fā)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(fā)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(fā)電技術在國內的使用、存在的問題和將來的發(fā)展方向進行了分解。

我國可利用的生物質能源十分豐富，據(jù)統(tǒng)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(fā)潛力巨大。

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

1生物質氣化發(fā)電技術的現(xiàn)狀和特點

生物質氣化發(fā)電技術、生物質鍋爐直燃發(fā)電及生物質2煤混合燃燒發(fā)電，是生物質能發(fā)電的3種重要技術。生物質燃料具有高氯、高堿、高揮發(fā)分、低灰熔點等特點，采用鍋爐直燃生物質發(fā)電和生物質2煤混合燃燒發(fā)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(fā)電技術充足利用生物質原料揮發(fā)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(fā)分物質析出，可防止生物質燃料燃燒過程中發(fā)生的灰結渣、團聚等問題。

我國在生物質氣化發(fā)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(fā)的中小規(guī)模氣化發(fā)電系統(tǒng)具有投資少、原料適應性強和規(guī)模靈活等特點，已研制成功的中小型生物質氣化發(fā)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(huán)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(fā)電從規(guī)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(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)相對簡單，對環(huán)境造成的危害較小。采用內燃發(fā)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(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)功率在500kW~5MW之間，由于氣化容量較大，多采用流化床或循環(huán)流化床形式(圖3)。其冷卻過濾系統(tǒng)比小型發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機組，適合秸稈較多的地區(qū)進行發(fā)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(huán)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)在強烈的熱用途和傳熱傳質用途下，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(huán)回料系統(tǒng)返回流化床反應器，持續(xù)完成氣化。該循環(huán)流化床生物質氣化系統(tǒng)可實現(xiàn)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(huán)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(fā)電系統(tǒng)的基礎上，近年來又開展了對3MW和4MW生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的研究，其重要流程是：將生物質原料加入循環(huán)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(fā)電機組使用。針對300e~400e燃氣除塵的要，設計的中高溫除塵系統(tǒng)解決能力為3000m3/h(標準狀態(tài))，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(tài))，對焦油的解決效率達75%以上。整體生物質氣化及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率可達25%~28%。

(3)大型秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)。目前有2種技術，一種是整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)，另一種是熱空氣氣輪機循環(huán)(HATC)。IGCC發(fā)電系統(tǒng)的功率在5MW~10MW之間，效率可達35%~40%，系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)的特點是原料解決量大，自動化程度高，系統(tǒng)效率高，適合工業(yè)化加工。

目前，我國的生物質IGCC示范系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)的功率在0.5MW~3MW之間，系統(tǒng)包括原料系統(tǒng)、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的重要差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(tǒng)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(fā)電。

2生物質氣化發(fā)電的難點

目前，生物質氣化發(fā)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(fā)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持續(xù)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(xiàn)用的水洗辦法不但降低了系統(tǒng)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(fā)電中的燃氣和經發(fā)電機組萌生的尾氣未回收，造成整個系統(tǒng)效率降低(18%左右)。

3技術展望

生物質氣化發(fā)電技術具有良好的發(fā)展前景，經過幾十年的發(fā)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(fā)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(lián)合氣化燃燒成為一個新的研究方向。