783802290生物质能发电技术及前景分析(毕业设计).doc

分类号 郑州电力高等专科学校毕 业 设 计（论 文）题 目 生物质能发电技术及前景分析 并列英文题目The Technology and Prospect Analysis of Biomass Power Generation 系部 动力工程系 专业电厂热能动力装置姓名 班级 指导教师 职称 论文报告提交日期2012.05.30 郑州电力高等专科学校摘要本设计的主要目的在于研究生物质能发电的技术分类，以及各种生物发电技术之间的特点比较。介绍了生物质气化发电技术的系统组成和设备组成，并且着重介绍了气化发电的几种气化炉。在文章的最后又对生物质发电的优点和缺点进行了分析，并且结合搜索的信息提出了自己对我国生物质发电技术发展前景的看法，认为生物质发电在今后必将成为我国的一项朝阳产业。关键词：生物质能发电；生物质气化发电技术；气化炉；前景分析AbstractThe main purpose of this design is to study the characteristics between the classification of biomass power generation technology, as well as a variety of biomass power generation technology. And biomass gasification power generation technology system components and equipment components, and highlights several of the gasification and power generation gasify. End of the article on the advantages and disadvantages of biomass power generation, analysis, and combine the search for information put forward their own views on the prospects for the development of biomass power generation technology in the development of biomass power generation in the future will become a sunrise industry.KeywordBiomass Power Generation，The technology of biomass power generation，Gasify，Prospect Analysis目录前言1第一章 生物质能发电的技术分类2第一节 生物质直接燃烧发电技术2第二节 生物质气化发电技术3第三节 生物质混合燃烧发电技术5第四节 沼气发电技术7第五节 生物质发电技术的特点比较8第二章 生物质气化发电技术的系统构成10第一节 生物质气化发电机组的主要系统和设备10第二节 气化系统10第三节 净化系统12第四节 燃气发电系统13第三章：生物质气化技术常见的系统与设备14第一节 生物质气化技术系统设备15第二节 固定床气化炉15第三节 流化床气化炉17第四章：生物质能发电优缺点分析及前景预测21结束语24附录26参考文献35前 言生物质能是唯一一种既可再生又可储存运输的能源。中国生物质能在能源消费中约占20但大部分仍处于低效应用和直接焚烧的状况。生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。对发电行业在当前化石燃料如煤炭、石油、天燃气等紧缺的状况下，开发并产生各种可再生能源来代替化石燃料，是世界解决能源紧缺的一种有效途径。生物质能是绿色可再生能源，生物质发电技术也是绿色电力能源技术，国家出于环境保护及开发可再生能源的目的对于污染治理和绿色电力能源技术的研究和整合十分重视。由于我国生物质资源丰富可开发潜力大而且生物质能发电技术的日趋成熟，并且发展生物质绿色电能是调整能源结构实施可持续发展的战略要求。另外国内相关政策的出台将打通生物质能发电在内的绿色电力上网的瓶颈，因此生物质能发电在我国社会经济蓬勃发展的大环境下其发展走向已引起人们的关注，生物质能发电也将成为朝阳产业。第一章 生物质能发电的技术分类第一节 生物质直接燃烧发电技术生物质直接燃烧发电技术是指利用生物质燃烧后的热能转化为蒸汽进行发电，在原理上，与燃煤火力发电没有什么区别如图1-1所示。其原理是将储藏在生物质中的化学能通过在特定蒸汽锅炉中燃烧转化为高温、高压蒸汽的内能，再通过蒸汽轮机转化为转子的动能，最后通过发电机转化为清洁高效的电能。图1-1生物质直燃发电系统示意图1.料仓 2.锅炉 3.汽轮机 4.发电机 5.汽包 6.炉排 7.过热器 8.省煤器9.烟气冷却器 10.空气预热器 11.除尘器 12.引风机 13.烟囱 14.凝汽器15.循环水泵 16.凝结水泵 17.低压加热器 18.除氧器 19.给水泵 20.高 压加热器 21.送风机 22.给料机 23.灰斗简单讲整个工艺流程为：将生物质原料从附近各个收集点运送至电厂，经预处理（破碎、分选）存放到原料储存仓库，仓库容积要保证存放五天的发电原料；然后由原料输送车将预处理后的生物质送入料仓，料仓中的燃料被螺旋给料机直接送入炉膛，燃料在振动炉排上边燃烧边移动，燃尽后的炉渣由渣斗排出。送风机将空气送经空气预热器加热，之后送入炉膛保证燃料的完全燃烧，并形成高温烟气。高温烟气逐次通过四级过热器、省煤器烟气冷却器，对烟道中各个受热面加热然后进入除尘器成为符合国家排放标准的烟气，最后被引风机送入烟囱，排入大气。锅炉给水在汽包、下降管和水冷壁之间形成自然循环，汽包中的水经下降管分配到水冷壁中去，经过水冷壁的加热，成为汽水混合物，回到汽包后由冷水分离器分离出饱和蒸汽。饱和蒸汽依次经过四级过热器，并有减温器控制气温最终成为符合机组要求的高温、高压蒸汽。蒸汽被送入汽轮机膨胀做功，推动汽轮机转子转动，汽轮机转子带动发电机，产生电负荷.第二节 生物质气化发电技术生物质气化发电技术是把生物质转化为可燃气体再利用可燃气体，燃气发电设备进行发电。其原理是将储藏在生物质中的化学能通过在特定气化炉中燃烧转化为可燃气体，再通过燃气机发电系统转化为清洁高效的电能如图1-2所示。图1-2生物质整体气化联合循环工艺流程图生物质气化发电过程包括三个方面：一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机。所谓的生物质气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。在这个过程中，水蒸气、游离氧或结合氧与燃料中的碳进行热化学反应，生成可燃气体。生物质气化过程复杂，气化反应条件，气化剂的种类也各不相同，但所有气化反应的过程基本都包括生物质的干燥、热解、还原和氧化反应过程。（1）生物质干燥。生物质本身含有一定的水分，进入气化装置后在高温作用下，生物质内的水分被加热析出。（2）热分解反应。热解过程十分复杂，结果是大分子的碳水化合物的键被打碎，析出挥发分（主要包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和其它碳氢化合物），留下碳构成进一步反应的机体。（3）还原反应。还原反应发生在没有氧气的条件下，生物质中的碳与气流中的二氧化碳、水、氢气发生反应，生成可燃性气体，由于是吸热反应，需外来热量维持反应温度。其中发生的主要化学反应如下： C + CO2 2CO + H H=-162.41KJH2O + C CO + H2 + H H=-118.82KJ 2H2O + C CO2 + 2H2 + H H=-75.24KJ H2O + CO CO2 + H2 +H H=-43.58KJ（4）氧化反应。氧化反应由于还原反应是吸热，所以汽化器内必须保持热量供给。通常的做法是将气化残留的碳与氧进行燃烧反应来放出热量。氧化温度可达到8001200，反应的化学方程式为： C + O2 CO2 C + O2 CO通常把热分解区和干燥区成为气化器的燃料准备区，把还原区和氧化区统称为气化区。区与区之间没有严格的界限，是相互渗透的。生物质气化发电系统采用的气化技术和燃气发电技术不同，其系统构成和工艺过程有很大的差别。（1）根据生物质气化形式不同分类。生物质气化过程可分为固定床气化和流化床气化两大类（2）根据发电技术不同分类。从燃气发电过程上看，生物质发电主要有三种方式：一是将可燃气作为内燃机的燃料，用内燃机带动发电机组发电；二是将可燃气体作为燃气轮机的燃料，用燃气轮机带动发电机组发电；三是用燃气轮机和汽轮机实现两级发电即利用燃气轮机排出的高温废气把水加热成蒸汽，再用蒸汽推动汽轮机发电机组发电。（3）根据生物质气化发电规模分类。从发电规模上生物质气化发电系统可分为大型（发电功率在5000kW以上）、中型(发电功率在5003000kW)发电功率、小型（发电功率小于200kW）三种。第三节 生物质混合燃烧发电技术混合燃烧发电是指将生物质原料应用于燃煤电厂中，使用生物质和煤两种原料进行发电。在原理上，与燃煤火力发电没有什么区别。其原理是将生物质和煤一起在锅炉中燃烧转化为高温、高压蒸汽的内能，再通过蒸汽轮机转化为转子的动能，最后通过发电机转化电能。生物质和煤混合燃烧技术可分为直接混烧和气化利用两种形式。 直接燃烧是先对生物质进行预处理，然后直接送入锅炉燃烧室的利用方式。采用的方式可以是层燃流化床和煤粉炉等燃烧方式，例如芬兰的AlholmensKraft机组的装机容量为550MW采用循环流化床燃烧技术，燃料由45%的泥煤、10%的森林残留物、35%的树皮与木材加工废料，以及10%的重油或是煤组成。现阶段世界上最大的生物发电厂工艺流程如图1-3所示：预处理烧嘴锅炉净化设备预处理、粉碎、干燥、制粒、混合汽轮机发电机组烟气蒸汽生物质煤图1-3生物发电厂工艺流程图当采用煤粉炉作为燃烧设备时，生物质的预处理可以分为以下三种方式。（1）生物质与煤预先混合，然后经过煤粉机粉碎后，通过分配系统送至燃烧器。此方式可以充分利用原有设备，简单易行，低投资，但有可能降解锅炉的出力，限制了生物质种类和使用比例，如树皮会影响磨煤机的正常使用。（2）生物质与煤分别处理包括计量粉碎，然后通过自管路输送至燃烧器前，此方式需要安装生物质能燃料管道，控制和维护锅炉比较麻烦。（3）与第二种方法基本相同，不同的是为生物质准备了专门的燃烧器单独使用，此方法投资成本高，但一般不会影响锅炉正常运行。在采用气化方式时，首先将生物质在气化炉中气化，产生燃气（主要成分为CH4、CO、CO2、CMHN、N2）经简单的处理后，直接输送至锅炉燃烧室与煤进行混合燃烧。气化利用方式产生的燃气温度为600900并不需要冷却过程，在炉内完全燃烧时间短，且可将生物质灰与煤分离，具有一定的灵活性。第四节 沼气发电技术沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展 而出现的一项沼气利用技术, 它将沼气用于发动机上, 并装有综合发电装置, 以产生电能和热能, 是有效利用沼气的一种重要方式.沼气多产生于污水处理厂、垃圾填埋场、酒厂、食品加工厂、养殖场等。沼气是在厌氧条件下有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃性气体，属于生物质能的范畴，主要成分是甲烷二氧化碳，其中甲烷含量约为50%70%，二氧化碳含量为30%40%（容积比）还有少量的硫化氢、氮、氧、氢等气体，约占总含量的10%20%。甲烷在空气中与火燃烧，转变为二氧化碳和水，并释放出能量，其化学方程式为： + k沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵或甲烷发酵，是指有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂生物化学过程。沼气发酵一般可分为三个阶段：（1）液化阶段。在液化阶段，复杂有机物（纤维素、蛋白质、脂肪等）在兼容性微生物及少数厌氧微生物的酶催化作用下降解至基本结构单位或简单有机酸、醇等。（2）产酸阶段。液化产物被微生物吸收到菌体内，并在胞内酶的催化作用下，将他们转化为低分子化合物，如乙酸、丙酸、丁酸、及乳酸等，还有乙醇、甲醇以及氢等。乙醇数量最大约占80%。（3）产甲烷阶段。经过前两阶段的分解作用后，有机溶液中产甲烷的基质已经很丰富以及产氨细菌的活动，使氨态氮浓度不断增高，使发酵液中的氧化还原电势降低。为产甲烷细菌提供了适宜的环境条件，促使产甲烷细菌迅速生长繁殖，将乙酸、甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳转化为甲烷。目前已知的甲烷反应综合如下： 乙酸 CH3COO- + H2O CH4 + HCO3- 甲醇 4CH3OH 3CH4 +HCO3- + H+ + H2O H2、CO2 4H2 + H+ + HCO3- CH4 + 2H2O 4CH3NH3- + 3H2O 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 胺类 2(CH3)2NH+ + 3H2O 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH3+ + 9H2O 9CH4 + 3HCO3- + 4HN4 + 3H+ 甲酸 4HCOOH + H2O CH4 + 3HCO3- + 3H+从能量角度看，碳氢燃料可被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、锅炉（蒸汽轮机）等。燃料燃烧放出的能量通过动力发电机组的热交换器进行利用，相比不进行余热利用的机组，其综合效率高。图1-4所示是采用不同种类动力发电装置的效率，从图中可以看出采用内燃机式的结构最简单，而且具有操作简便、经济、高效等优点图1-4不同动力设备的能量利用率第五节 生物质发电技术的特点比较生物质发电技术集环保与可再生能源利用于一体，受到各国政府的重视，特别是在目前能源和环保的双重压力下，从战略需求出发，各国都加大投资力度进行开发利用。生物质直燃发电技术在大规模下效率较高，但它要求生物质集中，数量巨大，如果考虑大规模收集运输，电厂的运行管理成本较高，而小规模直燃发电技术存在效率较低的问题。直燃发电技术在国外已进入推广应用阶段，但在中国还没有形成系统性研究，许多问题亟待解决。如：以秸秆为燃料容易在炉膛内结渣、结焦或沉积于受热面，严重影响锅炉换热，甚至造成腐蚀，制约生物质锅炉长期稳定运行。生物质和煤混合燃烧发电技术，规模灵活经济性较好。美国和欧盟已建设了混合燃烧示范工程，装机容量在50 MW700MW。中国还处于技术研究阶段，实际应用刚刚起步缺乏自主知识产权。该技术生产实践中仍有一些实际问题需要解决，如：燃煤锅炉燃烧温度通常介于10001250，高于生物质的灰熔点，容易引起结渣等。生物质气化发电技术具有有投资少，发电成本较低，灵活性好的特点，是同类技术中最具竞争力的技术之一，比较符合发展中国家的情况。但该发电技术在配套设备和系统优化集成方面仍然存在不足，电厂的自动化控制程度较低，生物质气化发电技术的成套性成为产业化的主要瓶颈。沼气发电技术应用于畜牧场、工业废水处理沼气以及垃圾填埋场沼气。由于国产沼气发电机组主要是对柴油机进行简单改装，对发动机的热工性能研究不深，产品质量不过关，发电机组效率比国外同类机组低4%8%，成熟的发电机组规模也只有500MW。综上所述生物质直接燃烧、混合燃烧、沼气发电的关键设备多是引进国外技术，国内还没有消化吸收，目前不适合在国内大规模推广应用。气化发电技术具有自主知识产权，但也有许多产业化问题需要解决。第二章 生物质气化发电技术的系统构成第一节 生物质气化发电机组的主要系统和设备生物质气化发电机组有六大系统组成：气化系统；净化系统；发电系统；升压并网系统；监测与管理系统；除灰系统。以稻壳气化发机组为例，生物质气化发电机组各个系统的主要设备如表2-1所示：表2-1 主要设备系 统 名 称主 要 设 备 名 称气化系统气化炉、送风机、螺旋进料器净化系统旋风除尘器、管式除尘器、喷淋洗涤塔、文丘里除尘器、汽水分离器、罗茨风机、储气罐、循环水泵发电系统燃气内燃机、发电机、控制柜、循环水泵、冷却塔、空气压缩机、空气瓶升压并网系统变压器、高压开关柜、低压开关柜、同期屏监测与管理系统前置单元、主台计算机除灰系统螺旋除灰器、送风机、集灰仓、刮板机第二节 气化系统生物质气化按气化介质分类，可以分为使用气化介质和不使用气化介质两种。不使用气化介质主要指的是热解气化。生物质热解气化是在完全无氧或只提供极有限氧情况下进行的热解，也可描述成生物质的部分气化。主要是生物质在一定的温度下进行分解，生成固定碳、液体（焦油）和可燃气体。热解过程工艺参数的选择直接决定了热解产物的组成和比例，工艺参数包括：热解温度、传热速率、压力、停留时间及生物质原料的种类、粒度等。它们的主要工艺参数见表2-2：表2-2 三类热解工艺主要参数类型热解温度（）加热速率(/S)颗粒尺寸（mm）停留时间（S）常规热解3007000.115506006000快速热解60010001020010.510闪解800100010000.20.5使用气化介质则又分为以下几种：(1)空气气化。空气气化介质是空气，空气中的与生物质中的可燃组分进行化学反应，反应所需要的热量来源于氧化反应过程中放出的热量。整个气化过程是一个自供热系统，但由于空气中氮的存在，它不仅不参与气化反应，反而却稀释了燃气中可燃组分的含量，生成的可燃气中氮气含量高达50%左右，因而降低了燃气的热值。（2）氧气气化。由于空气气化得到的气化气热值较低，为了提高燃气气热值，发展了气化介质为氧气的工艺。氧气气化的特点是产生的可燃性气体不会被氮气稀释，在与空气气化相同的当量比下，反应温度较高，反应速率加快，反应器容积减小，热效率提高，气化气热值有很大提高，氧气气化的气体产物热值与城市煤气相当。与空气气化相同反应温度下，耗氧量减少，当量比降低，因而也提高了气体质量。（3）水蒸气气化。水蒸气气化是指水蒸气与高温下的生物质发生反应，它不仅包括水蒸气碳的还原反应，还有CO与水蒸气的变换反应、甲烷反应、生物质在气化炉内的热分解反应等，其主要气化反应是吸热反应，因此水蒸气气化需要外部热源，不易控制和操作，技术复杂。（4）空气（氧气）水蒸气混合气化。空气（氧气）水蒸气混合气化是指空气（氧气）和水蒸气同时作为气化质的气化过程。理论上空气（氧气）水蒸气混合气化比单用水蒸气或空气都优越的气化方法。一方面，气化所需要的一部分氧气可有水蒸气提供，减少了空气（或氧气）的消耗量并生成更多的H2及碳氢化合物，特别是在有催化剂存在的条件下，CO变成CO2反应的进行，降低了气体中CO的含量，使气体燃料更适合用于城市燃气；另一方面他是自供热系统，不需要复杂的外部热源。（5）氢气气化。氢气气化是使氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷的过程，其可燃气属于高值气体，其热值可达2226026040kJ/m3,但其反应条件苛刻，需要在高温高压具有氢源的条件下进行，此类气化不常应用。生物质气化是非常复杂的热化学过程，受很多因素影响。影响气化指标的因素取决于三个方面，即原料特征、气化过程的操作条件和气化反应器的连接。这些都影响产品的气产率、产品的气组成和热值、碳转化率、气化效率、气化强度等。第三节 净化系统生物质燃气中含有各种各样的杂质，其主要成分如表2-3所示，这些杂质会导致后部气化发电设备磨损腐蚀和污染等问题。燃气净化的目标就是要根据气化工艺的特点，设计合理有效的杂质去除工艺，保证后部气化发电设备不会因杂质而导致磨损腐蚀和污染等问题。表2-3 燃气中各种杂质的特征杂质种类典型成份可能引起问题净化办法颗粒灰、焦炭、热质、颗粒磨损、堵塞气固缩过滤水洗碱金属钠、钾等化合物高温腐蚀冷凝、吸附、过滤氮化物主要是氨和HCN形成NO2水洗SCR等焦油各种芳香烃等堵塞、难以燃烧裂解、除焦、水洗硫氯HCL、H2S腐蚀污染水洗化学反应法生物质气化燃气含有大量微小焦炭颗粒和灰，由于焦炭的密度和直径都很小，一般的分离器难以去除，这种情况下，比较好的净化方法是过滤、水洗、气固分离。生物质气化设备产生的燃气是一种还原性气体，其中碱金属物质大多数处于还原形式并且通常聚集在颗粒较小的飞灰上形成微小烟雾，很难去除通常采用冷凝、吸附、过滤方法去除。气化的目标是得到尽可能多的可燃性气体，但在气化过程中，焦油是不可避免的副产物，对气化系统和用气设备都产生十分不利的影响。焦油的成分十分复杂，一般焦油的主要成分是：苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。焦油对发电系统产生的危害主要有三点，（1）当燃气温度降低焦油会形成烟雾，这种焦油雾中含有大量直径小于1mm的细小液滴被气化燃气携带进入下级设备，影响其安全运行，并对用气设备产生腐蚀，冷凝下来将附着于管道内壁和有关设备表面上，对系统安全运行造成危害。（2）焦油占可燃气体能量的5%10%在低温下难以与可燃气体一道被燃烧利用，易产生炭黑等颗粒物质，从而导致磨损和腐蚀问题。（3）焦油还会与颗粒物等其他污染物发生相互作用，比如吸附在颗粒物质上并在管道上积累起来，严重时将造成管道的堵塞。焦油的除去方法通常可归纳为两大类物理净化方法，包括湿法和干法；化学净化方法，包括焦油的热裂化和催化裂化。第四节 燃气发电系统燃气发电系统的种类有内燃机发电系统，燃气轮机发电系统，整体气化联合循环。1.内燃机发电系统内燃机自19世纪60年代问世以来经不断改进和发展，已经是比较完善的机械。内燃机在实际工作时，每次能量转变都必须经历进气、压缩、做功、排气四个过程，完成四个过程就完成了一个工作循环。内燃机发电设备具有设备简单、技术成熟可靠、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好、热效率高等特点获得了广泛应用。生物质气化气可在发动机内部燃烧，将释放出来的热能转化为机械能驱动发电机发电。2.燃气轮机发电系统燃气轮机是以连续流动的气体工质驱动叶轮高速转动，将燃料的能量转化为有用功的热力发动机。燃气轮机的工作过程是，压气机连续不断从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃料室，与喷入的燃料混合后进行燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带动压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余量作为燃气轮机的输出机械功。3.整体气化联合循环对于燃气轮机发电系统，发电后的排烟温度在500600从能量利用角度看，为其仍然携带大量的可用能量，应该加以回收利用。所以在是用燃气轮机发电的基础上，增加余热锅炉和过热器产生蒸汽，再利用蒸汽循环进行发电，可有效提高发电效率（系统效率大于40%）称为生物质气化联合循环，大规模生物质气化发电系统是国际上重点研究方向。工艺流程如2-1图所示:图2-1生物质整体气化联合循环工艺流程图第三章 生物质气化技术常见的系统与设备第一节 生物质气化技术系统设备气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同，可以分为固定床、流化床和旋转床三种。国内目前生物质气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式，其各种类型见图 3-1 。图3-1 生物质气化炉的分类第二节 固定床气化炉固定床气化炉是一种传统的气化反应炉，其运行温度大约在1000。固定床气化炉设备简单、热效率高，处理量小，适合中、小规模的工业化生产。在固定床气化炉中，原料相对于气流处于静止状态，根据气化剂在炉内的走向，固定床气化炉可分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉，目前较为成熟的气化反应设备为上吸式和下吸式气化炉。表3-1是两种炉型的主要特点。在上吸式气化炉中，生物质原料有炉顶加入，气化剂由炉底部进气口加入，气流流动的方向与燃料运动方向相反，向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气化。其主要优点是产生气在经过裂变层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的裂解和干燥，同时降低自身的温度，使炉子的热效率提高，产生气体含灰量少。如图3-2 所示。图3-2 上吸式固定床气化炉图 下吸式固定床气化炉图在下吸式气化炉中，生物质有顶部的加料口投入，气化剂可以在顶部加入，也可以再喉部加入。气化剂与物料混合向下流动。该炉的优点是，有效层的高度几乎不变、气化强度高、工作稳定性好、可以随时加料，而且气化气体中焦油含量较少。但是燃气中灰尘较多，出炉温度较高。 保证固定床下吸式气化炉的稳定运行，对于木炭和木材等优质原料并不太难，但对于秸秤和草类等物理性质较差的低品质原料就难了许多，因为秸秤等物料在挥发分大量析出后，其体积会迅速缩小，从而使得秸秤半焦依靠自身重力向下移动的能力变得很差，因此，热解层和氧化层极易发生局部穿透。为了及时填充穿透空间并阻止气流短路，合理设计加料机构和炉腔形状，辅以合理的拨火方式都是必须的。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。其缺点是抽出气化气时要耗费较大的功率，且气化气的温度较高，需要冷却。 两种气化炉的特点比较如表3-1 所示。表3-1 两种固定床气化炉型的特点气化炉型气流走向炉内气压连续进料焦油含量热值上吸式与原料移动方向相反不能炉冷却排受到进风的影响，不易损坏高偏高下吸式与原料移动方向相同能炉处于高温区，容易损坏低偏低在横吸式气化炉中，生物质原料有气化炉顶部加入，气化剂从位于炉身一定高度处进入炉内灰分落入炉栅下部的灰室。燃气呈水平流动，故称作横吸式气化炉。该气化炉的燃烧区温度可达到2000，超过灰熔点，容易结渣。因此该炉只适用于焦油和灰分不大于5%的燃料，如无烟煤、焦炭和焦木炭。 3-4 横吸式固定气化图 第三节 流化床气化炉流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术。与固定床相比，流化床没有炉栏，一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成，气化剂通过布风板进入流化床反应器中。流化床气化炉的温度一般在750800。这种气化炉适用于气化水分含量大、热量低、着火困难的生物质物料，但是原料要求相对小的颗粒，可大规模、高效的利用生物质能。流化床具有物料混合均匀、反应速度快、反应温度均匀、传热传质系数高、能连续工作、生产能力大、焦油含量高、出口温度高等。按照气固流动特性不同，流化床气化炉分为单流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉和携带床气化炉。单流化床气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速度相对较高，从床中带出的颗粒通过旋风分离器收集后，从新送到炉内进行气化反应，如图3-5。图3-5 单流化床气化炉图图3-6为循环流化床气化炉的工作原理图，它与单流化床气化炉的主要区别是生成气中的固体颗粒在经过了旋风分离器或滤袋分离器后，通过料脚再返回到流化床，继续进行气化反应。与单流化床气化相比，循环流化床气化的主要优点如下(1)由于操作气速可以明显提高而不必担心碳的转化率，故气化效率尤其是气化强度可以得到进一步提高；(2)可以适用更小的物料粒径，在大部分情况下可以不加流化热载体，运行较为简单。其缺点主要是因流系统控制较难，料脚容易发生下料困难，且在碳回流较少的情况下容易变成低速携带床。图3-6 循环流化床气化炉图 双流化床与循环流化床相似，见图3-7，不同的是第1级反应器的流化介质在第2级反应器中加热。在第1级反应器中进行裂解反应，第2级反应器中进行气化反应。双流化床气化炉碳转化率较高。图3-7 双流化床气化炉携带床气化炉是流化床气化炉中的一种特例，其运行温度高达1300，产出气体中焦油成分和冷凝物含量很低，碳转化率可以达到100%。1.固定床气化炉与流化床气化炉适用范围 流化床气化与固定床气化相比较，气化温度更均匀，气化强度更高，原料粒度要求小，对于连续运转，以木材加工厂下脚料和碾米厂的稻壳为原料的中小型气化发电系统比较适合。但同时由于流化床床层温度相对较低，焦油裂解受到抑制，产出气中焦油含量较高，用于发电需要复杂的净化系统，流化床内气流速度大，石英砂等惰性热载体与床壁易于磨损，燃料颗粒细小，产出气体中带出物较多，加重系统负担。固定床气化对原料适应性强，原料粒度要求不严格，反应区温度较高有利于焦油的裂解，出炉灰分相对较少，系统投资较循环流化床低，但固定床气化强度不高，一般是问歇式工作，在连续工作方面不如流化床，目前在农村集中供气供热系统和中小型气化发电中广泛应用。固定床气化炉与流化床气化炉都有各自的特点和一定的适用范围，固定床结构简单、操作便利，运行模式灵活，适用于中小规模生产；而流化床适合于工业化、大型化，设备较复杂、投资大。充分考虑目标市场的实际情况，选择技术路线，采用最适宜的技术。2. 固定床气化炉与流化床气化炉性能比较 固定床气化炉与流化床气化炉有着各自的优缺点和一定的适用范围。例如, 逆流式固定床气化反应器结构简单、操作便利, 运行模式灵活, 但是只能适用于中小规模生产; 而流化床气化反应器虽然适合于工业化、大型化, 但设备复杂、投资大, 而且需要一个相对稳定的对产品气的市场需求。第四章 生物质能发电优缺点分析及前景预测我国拥有丰富的生物质能资源, 我国政府及有关部门对生物质能源利用极为重视, 九十年代以后中国主要发展了生物压块成型，气化与气化发电，生物质液体燃料等新技术，到1998年中国在生物质能源利用领域就已经取得了重大进展。在生物质发电方面已经基本掌握了农林生物质发电，城市垃圾发电生物质致密成型燃料技术。但到目前生物质能的开发利用规模还有待扩大，可再生能源“十二五”发展规划提出的“十二五”期间生物质能源发展目标是：到2015年底，生物质发电装机将达1300万千瓦，到2020年将达3000万千瓦，在2010年底550万千瓦的基础上分别增长1.36倍和4.45倍；其中“十二五”末，农林生物质发电将达800万千瓦，沼气发电将达200万千瓦，垃圾焚烧发电将达300万千瓦，“十二五”期间生物质成型燃料利用量将达1000万吨，并达到非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%的目标。生物质能发电最大的优点是代替煤炭、石油、天然气等燃料生产电力，从而减少对矿物质能源的依赖，有利于改善生态环境。生物质能是最具发展潜力的可再生资源。按照能源当量计算，生物质能仅次于煤炭、石油、天然气，位列第四，是国际社会公认的能够缓解能源危机的有效资源和最佳替代方式。而且生物质资源丰富，发展潜力巨大，且适合发展分布式电力系统接近终端用户，当前，不少地区的秸秆不能得到有效的利用，只能被烧掉，造成大范围的烟气污染。生物质能发电技术恰恰变废为宝，利用秸秆等生物质向电网送电或分散式送电。生物质能发电在可再生能源发电中电能质量好、可靠性高，比小水电、风电和太阳能发电等间歇性发电要好得多，可以作为小水电、风电、太阳能发电的补充能源，具有很高的经济价值；如果中国生物质能利用量达到5亿吨标准煤，就可解决目前中国能源消费量的20%以上，每年可减少排放二氧化碳的量近3.5亿吨，二氧化硫、氮氧化物、烟尘减排量近2500万吨，而且我国生物质能资源相当丰富，仅各类农林业废弃物的资源量每年即有3.5×108t吨标煤，预计到2020年生物质能资源量可达910亿吨标准煤，在中国能源资源中占有举足轻重的地位。如果这些生物质得到充分的利用将产生巨大的环境效益。“十二五”规划纲要关于能源发展的表述是，“坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境”，发展生物质发电是发展循环经济，走可持续发展道路的具体体现。生物质发电能够利用农林生产过程中产生的废弃物发出电力，燃烧后的灰分还可以肥料的形式还田，是一个变废为宝的良性循环过程。据测算，一个装机容量25MW的机组，一年消耗农林剩余物2×105t，按热值计算，可替代标准煤约9×104t。这是一项节约能源，减少环境污染有益于农民的技术。推进生物质发电产业发展是建设环境友好型社会的重要举措。废弃的秸秆无法有效处理，直接在田间焚烧带来的大气污染和消防安全问题危害巨大，是长期以来普遍存在而又无法有效解决的难题。大力发展生物质发电项目，能够有效处理农林剩余物，改善环境效果明显。据测算，一个25MW的生物质发电厂每年保守估计可减少二氧化碳排放超1×105t。另外发展生物质发电是建设社会主义新农村、服务“三农”的需要。生物质发电可以有效增加农民收入，转移农村剩余劳动力。据测算，一台装机容量为25MW生物质发电厂一年的发电量可以达到150GWh，新增产值近亿元；年消耗农林剩余物约2×105t，可为当地农民增加就业岗位1000余个，增加收入达到6000万元以上。同时，这也是落实科