新能源及分布式發(fā)電技術chapter5

1概述2太陽能發(fā)電3風能發(fā)電4地熱能發(fā)電目錄6海洋能發(fā)電5生物質能的利用7分布式發(fā)電與現(xiàn)行電網的關系本章的主要內容5.1節(jié)生物質資源分類及簡述5.2.節(jié)直接燃燒發(fā)電技術生物質電氣化5.3節(jié)垃圾發(fā)電現(xiàn)狀垃圾發(fā)電方式生物質：源自動植物的、積累至一定量的有機類資源。廣義上講，生物質是植物通過光合作用生成的有機物。生物能是指以生物為載體的能量。生物質能源是除煤炭、石油和天然氣之外，人類消耗的能源資源的最大來源。第五章

生物能利用生物質農林水產資源工業(yè)廢棄物城市垃圾主要的生物質生活垃圾廚房垃圾紙屑農作物木材海藻紙漿廢物造紙黑液釀酒殘渣主要包括：發(fā)電技術、氣化技術、液化技術和成型技術等。在發(fā)達國家，生物質直接燃燒發(fā)電占非水電可再生能源發(fā)電量的70%。隨著石油供應的日趨緊張，世界各國都在嘗試利用生物質資源生產液體燃料。20世紀70年代末，巴西開始實施大規(guī)模的木薯和甘蔗制乙醇計劃。歐洲近年來大力開發(fā)生物柴油技術，利用休閑耕地生產油料作物。生物質能商業(yè)化利用技術主要是農業(yè)廢棄物、森林和林產品剩余物及城市生活垃圾等。農業(yè)廢棄物資源分布廣泛，其中農業(yè)秸稈年產量超過6億噸，其中約三分之一可作為能源用途，農產品加工和畜牧業(yè)廢棄物理論上可以生產沼氣近800億立方米。森林和林業(yè)剩余物的資源量也相當豐富。能源作物是具有商業(yè)開發(fā)前途的生物能源資源。適合我國種植的能源作物品種很多，主要有油菜樹等油料作物和一些野生植物例如，漆樹、黃連木和甜高粱等。我國的生物質能源資源2003年國家先后核準批復了河北晉州、山東單縣和江蘇如東3個秸稈發(fā)電示范項目，頒布了《可再生能源法》，并實施了生物質發(fā)電優(yōu)惠上網電價等有關配套政策，從而使生物質發(fā)電，特別是秸稈發(fā)電迅速發(fā)展。最近幾年來，國家電網公司、五大發(fā)電集團等大型國有、民營以及外資企業(yè)紛紛投資參與中國生物質發(fā)電產業(yè)的建設運營。由龍基電力公司提供先進技術、國能生物發(fā)電公司投資建設的中國第一家生物發(fā)電廠-山東省單縣生物發(fā)電廠于2006年12月1日建成發(fā)電。僅2007年，由龍基電力公司參股投資的國能生物發(fā)電公司就先后建成了山東省高唐、墾利生物發(fā)電廠,河北省威縣、成安生物發(fā)電廠，江蘇省射陽生物發(fā)電廠，黑龍江省望奎生物發(fā)電廠，吉林省遼源生物發(fā)電廠，河南?？h、鹿邑生物發(fā)電廠。截至2007年底，國家和各省發(fā)改委已核準生物發(fā)電項目87個，總裝機規(guī)模220萬千瓦。根據(jù)國家“十一五”規(guī)劃綱要提出的發(fā)展目標，未來將建設生物質發(fā)電550萬千瓦裝機容量，已公布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》也確定了到2020年生物質發(fā)電裝機3000萬千瓦的發(fā)展目標。此外，國家已經決定，將安排資金支持可再生能源的技術研發(fā)、設備制造及檢測認證等產業(yè)服務體系建設。直接燃燒：獲取能量；生物轉換技術：通過微生物發(fā)酵方法制取液體燃料或氣體燃料；熱化學轉換技術：通過熱化學技術轉化成優(yōu)質的流體燃料。文獻[4]對生物質轉換方式進行了更詳細的分類，見下圖5.1。生物質能的轉換利用技術圖5.1生物質能利用技術分類1、森林能源森林能源主要是薪炭材，也包括森林工業(yè)的一些殘留物等。薪材來源于樹木生長過程中修剪的枝杈，木材加工的邊角余料，以及專門提供薪材的薪炭林。現(xiàn)今對于能源林的定義為除了提供薪炭外,凡是能夠提供能量的森林泛稱能源林。能源林木質能源屬生物質能的一種，在人類歷史上起著巨大的作用。5.1生物質資源秸稈資源與農業(yè)主要是種植業(yè)生產關系十分密切。除了作為飼料、工業(yè)原料之外，其余大部分作為農戶炊事、取暖燃料。以傳統(tǒng)方式利用的秸稈首先成為被替代的對象，致使被棄于地頭田間直接燃燒的秸稈量逐年增大，許多地區(qū)廢棄秸稈量已占總秸稈量的60%以上，既危害環(huán)境，又浪費資源。因此，加快秸稈的優(yōu)質化轉換利用勢在必行。除了農作物秸稈外，現(xiàn)亦栽培速生高產的能源植物如象草。2、農作物秸稈禽畜糞便也是一種重要的生物質能源。除在牧區(qū)有少量的直接燃燒外，禽畜糞便主要是作為沼氣的發(fā)酵原料。中國主要的禽畜是雞、豬和牛，根據(jù)這些禽畜品種、體重、糞便排泄量等因素，可以估算出糞便資源量。在糞便資源中，大中型養(yǎng)殖場的糞便更便于集中開發(fā)、規(guī)?；?。3、禽畜糞便

城鎮(zhèn)生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商業(yè)與服務業(yè)垃圾和少量建筑垃圾等廢棄物所構成的混合物，成分比較復雜，其構成主要受居民生活水平、能源結構、城市建設、綠化面積以及季節(jié)變化的影響。城鎮(zhèn)垃圾具有以下特點：一是垃圾中有機物含量接近1/3甚至更高；二是食品類廢棄物是有機物的主要組成部分；三是易降解有機物含量高。

城市垃圾主要成分包括：紙屑(占40%)、紡織廢料(占20%)和廢棄食物(占20%)等。4、生活垃圾

1、燃料油作物

據(jù)研究，每一公頃的油菜田可生產1200L植物油和1060L的氧氣，植物油不僅可供食用，同時只要經過簡單的化學反應，就可變成生物柴油；氧氣對凈化空氣很有益處。生物柴油不含硫化物，因此不會形成酸雨現(xiàn)象；另外它可以被微生物分解，避免對土壤、地下水的污染。

到目前為止，科學家們已發(fā)現(xiàn)了很多種產“石油”植物。專家們正在進行品種的選擇和質量的優(yōu)化，并準備盡快實行商業(yè)化生產。5、能源作物

(1)桉樹油類型：從桉樹的干、枝葉中獲得。(2)黑皂油類型：一種熱帶野生植物產的油，該植物主要生長在我國西南山地。(3)產烴類物質類型：一年生的續(xù)隨子和多年生的綠玉樹含烴類物質為干重的6%-11.7%。(4)產醇類物質類型：部分植物汁液含有一定量的乙醇，可作為天然的含醇飲料，亦可以蒸餾為乙醇。燃料油植物分類(1)綠玉樹綠玉樹屬大戟科大戟屬植物，是直立無刺的灌木或小喬木，原產非洲的肯尼亞、莫桑比克等國的熱帶至暖溫帶。美國等國家還培育出乳汁含量高的栽培品種。綠玉樹作為一種重要的燃料油樹種，其莖干中的白色乳汁中含有豐富的烯、萜、醇、異大戟二烯醇（C30H50O）、天然橡膠、三十一烷和三十一烷醇等十二種烴類物質，其成分接近石油成分，不含硫，可以直接或與其它物質混合成原油，作為燃料油替代石油。2.研究得比較多的兩種產石油植物

綠玉樹還可作為沼氣的原料，具有可再生、可生物降解、對環(huán)境無污染或低污染和能持續(xù)利用的特點，其沼氣產量是一般嫩枝綠草產氣量的5-10倍，榨汁后剩余的纖維還可用作造紙原料或生活燃料。續(xù)隨子原產歐洲，是大戟科二年生草本植物喜溫暖、喜光照、抗逆性較強，生長期需水量不大，宜于不適于種糧食的干旱山地種植。其植物用途很廣，除了是有利用潛力的能源植物外，還可藥用、工業(yè)油脂用和農藥用，而且還是很好的觀賞植物。(2)續(xù)隨子

續(xù)隨子是一種產烴類和糖類作物，其干物每萬平方米(ha)產量達20-25t，其烴類的含量在5%-8%之間，可發(fā)酵糖含量為20%，其中大約含油2t/ha和糖5t/ha。在80℃干燥的莖和葉的庚烷提取物絕大部分為烴類，不灌溉的含量為干物質的6.62%，而栽培時灌溉的烴含量為5.96%。水溶提取物含有烴類,可發(fā)酵糖類的含量僅為干物的10%-21%。除此之外，其種子的產量為1.5-2.5t/ha，含油率為48%。

5.2.1直接燃燒發(fā)電技術生物質直接燃燒發(fā)電就是利用生物質代替煤炭直接燃燒產生熱和水蒸氣進行火力發(fā)電。生物質直接燃燒主要分為：爐灶燃燒：操作簡便、投資較省,但燃燒效率普遍偏低,從而造成生物質資源的嚴重浪費；鍋爐燃燒：采用先進的燃燒技術，把生物質作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質的利用效率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質資源。5.2生物質能發(fā)電技術生物質鍋爐按燃料品種分木材爐薪柴爐秸稈爐垃圾焚燒爐按燃燒方式分流化床鍋爐層燃爐生物質燃料鍋爐的分類生物質燃料鋪在爐排上形成層狀，與一次配風相混合，逐步地進行干燥、熱解、燃燒及還原過程,可燃氣體與二次配風在爐排上方的空間充分混合燃燒，可分為：爐排式鍋爐：形式包括固定床、移動爐排、旋轉爐排和振動爐排等，可適于含水率較高，顆粒尺寸變化較大的生物質燃料。下飼式鍋爐：作為一種簡單廉價的技術，廣泛的應用于中、小型系統(tǒng)。一、傳統(tǒng)的鍋爐技術固體燃料顆粒在爐床內經過氣體硫化后然手的技術，在能源、化工、建材、制藥和食品行業(yè)得到了廣泛的推廣應用。在能源領域，流化床燃燒技術以燃料種類適應性好、低溫燃燒和污染排放低等獨特的優(yōu)點在近三十年中得到了廣泛的重視和商業(yè)化應用，并且由早期的鼓泡硫化床發(fā)展為現(xiàn)在不同形式的循環(huán)流化床。流化床燃燒技術適合于燃燒含水率較高的生物質燃料。二、流化床燃燒技術當流化介質(空氣)從風室通過布風板進人流化床時，隨著風速的不斷增加，流化床內的燃料先后出現(xiàn):固定床；流化床；氣流輸送。1、流化床的硫化過程圖5.3流化床的流化過程風速

空氣的流速較低，燃料顆粒的重力大于氣流的向上浮力，使燃料顆粒處于靜止狀態(tài)，燃料層在布風板上保持靜止不動空氣通過燃料層的阻力與速度的平方成正比風速

氣流速度超過某一臨界值時，氣流產生的浮力等于燃料顆粒的重力。燃料顆粒由氣流托起上下翻騰，呈現(xiàn)不規(guī)則運動。燃料顆粒開始膨脹臨界硫化點臨界硫化速度氣流輸送通過燃料層的實際風速趨于常數(shù)，氣流通過燃料層的阻力也基本維持定值燃料顆粒間的空隙度增加，整個燃料層發(fā)生膨脹，體積增加，處于松散的沸騰狀態(tài)，燃料層表現(xiàn)出流體特性。通過燃料層的實際風速趨于常數(shù)，氣流通過燃料層的阻力也基本維持定值當達到氣流輸送，燃料層已不存在，氣流阻力下降，攜帶燃料顆粒離開流化床床體的空截面速度稱為攜帶速度，它在數(shù)值上等于燃料顆粒在氣流中的沉降速度。因此，要保證燃料顆粒處于正常的流化狀態(tài)，就要使流化床內的氣流速度大于臨界流化速度，小于攜帶速度。為了保證流化床內穩(wěn)定地燃燒，流化床內常加入大量的石英砂(SiO2)作為床料的一部分來蓄存熱量。熾熱的床料具有很大的熱容量，新鮮燃料進入流化床后，燃料顆粒與氣流的強烈混合，充分燃燒。流化床燃燒過程中，燃料層的溫度一般控制在800-900℃，可顯著減少NOx的排放。流化床還便于在燃燒過程中直接加入石灰石白云石等脫硫劑。用煙氣中SO2被石灰石吸收的百分比表示。影響脫硫率的主要因素是Ca/S摩爾比、脫硫劑特性、溫度、流化速度和分級燃燒等。當農作物秸稈采用流化床燃燒時，秸稈灰中的Na2CO3或K2CO3可與床料中的石英砂發(fā)生反應，生成了熔點為874℃和764℃的低溫共熔混合物，并與床料相互粘結，導致流化床溫度和壓力波動，影響了流化床的安全性和經濟性，可用長石、白云石、氧化鋁等取代石英砂作為床料，以緩解上述情況的發(fā)生。脫硫率鼓泡流化床技術(BFB)：燃燒效率較低，排放碳氧化物含量較高。循環(huán)流化床技術(CFB)：具有燃燒效率高、有害氣體排放易控制、熱容量大等一系列優(yōu)點。流化床鍋爐適合燃用各種水分大、熱值低的生物質，具有較廣的燃料適應性。流化床燃燒技術分類主循環(huán)回路是循環(huán)流化床鍋爐的關鍵。其主要作用是將大量的高溫固體物料從氣流中分離出來，送回燃燒室，以維持燃燒室穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復燃燒和反應，以提高燃燒效率和脫硫效率。2、循環(huán)床技術的發(fā)展歷程分離器是主循環(huán)回路的關鍵部件，其作用是完成含塵氣流的氣固分離，并把收集下來的物料回送至爐膛，實現(xiàn)灰平衡及熱平衡，保證爐內燃燒的穩(wěn)定與高效。從某種意義上講，CFB鍋爐的性能取決于分離器的性能，所以循環(huán)床技術的分離器研制經歷了三代發(fā)展，而分離器設計上的差異標志了CFB燃燒技術的發(fā)展歷程。應用絕熱旋風筒作為分離器的循環(huán)流化床鍋爐稱為第一代循環(huán)流化床鍋爐，目前已經商業(yè)化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技術轉移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等設計制造的循環(huán)流化床鍋爐均采用了此種形式。①采用絕熱旋風筒分離器的第一代循環(huán)流化床鍋爐這種分離器具有相當好的分離性能，使用這種分離器的循環(huán)流化床鍋爐具有較高的性能。但這種分離器也存在一些問題，主要是旋風筒體積龐大，因而鋼耗較高，鍋爐造價高，占地較大，旋風筒內襯厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、費用高啟動時間長、運行中易出現(xiàn)故障、密封和膨脹系統(tǒng)復雜。Circofluid的中溫分離技術在一定程度上緩解了高溫旋風筒的問題，爐膛上部布置較多數(shù)量的受熱面，降低了旋風筒入口煙氣溫度和體積，旋風筒的體積和重量有所減小，因此相當程度上克服了絕熱旋風筒技術的缺陷，使其運行可靠性提高，但爐膛上部布置有過熱器和高溫省煤器等，需要采用塔式布置，爐膛較高，鋼耗量大，鍋爐造價提高。同時，它的CO2排放及檢修問題在一定程度上限制了該技術的發(fā)展。應用水(汽)冷分離器(FW分離器)的循環(huán)流化床鍋爐被稱為第二代循環(huán)流化床鍋爐)。FW分離器取消絕熱旋風筒的高溫絕熱層，代之以受熱面制成的曲面及其內側布滿銷釘涂一層較薄厚度的高溫耐磨澆注料，殼外側覆以一定厚度的保溫層。水(汽)冷旋風筒可吸收一部分熱量，分離器內物料溫度不會上升，甚至略有下降，同時較好地解決了旋風筒內側防磨問題。②采用水(汽)冷旋風筒分離器的第二代循環(huán)流化床鍋爐FW式水（汽）冷旋風分離器的問題是制造工藝及生產成本，這使其商業(yè)競爭力下降，通用性和推廣價值受到了限制。同時該分離器的結構形式與高溫絕熱旋風筒并無本質差異，因此鍋爐結構仍未恢復到傳統(tǒng)鍋爐完美的形式。因此調整分離器的形狀，進一步提高緊湊性和可靠性問題成為循環(huán)流化床燃燒技術發(fā)展的關鍵。為克服汽冷旋風筒鍋爐的結構及制造成本高的問題，芬蘭的Ahlstrom公司研制出了采用其獨特專利技術的方型分離器的第三代循環(huán)流化床鍋爐。方型分離器的分離機理與圓形旋風筒本質上無差別，但因其分離器的壁面作為爐膛壁面水循環(huán)系統(tǒng)的一部分，與爐膛之間免除熱膨脹環(huán)節(jié)，同時方型分離器可緊貼爐膛布置從而使整個循環(huán)床鍋爐的體積大為減少。借鑒汽冷旋風筒成功的防磨耐火經驗，方型分離器水冷表面敷設了一層薄的耐火層，分離器成為受熱面的一部分，為鍋爐快速啟停提供了條件。③采用方型水冷分離器的第三代循環(huán)流化床鍋爐芬蘭Ahlstrom公司的方型分離器緊湊型設計推出之后，經過多臺鍋爐5年的運行實踐才為人們所接受。FosterWheeler公司和Ahlstrom公司合并后采用方型分離器的緊湊型布置循環(huán)床鍋爐的市場份額逐年增加。

目前方型分離器在大型化方面具有很大的優(yōu)勢。1993年清華大學在實驗室對國外方型分離器專利進行了驗證實驗，并改進了入口段設計，實驗表明這個改進是完全正確的，這個改進最終取得了中國專利—“水冷異型分離器”。該設計低成本有效地克服了絕熱旋風筒的后燃結焦問題和圓形汽(水)冷旋風筒的結構問題，被認為達到九十年代國際先進水平。

清華大學對幾種不同當量尺寸的方型分離器進行了一些卓有成效的試驗和較為深入的研究，得出方型分離器的放大性能要優(yōu)于圓形旋風分離器的結論。清華大學在該方面的研究成果以及220t/h、410t/h采用方型分離器的循環(huán)流化床鍋爐設計得到國際同行的充分肯定和高度評價，在15屆FBC國際會議上被評為最佳論文。循環(huán)流化床燃燒技術具有氣固混合很好、燃燒速率高、燃燒效率高(97.5%-99.5%)的特點。

根據(jù)統(tǒng)計資料，循環(huán)流化床燃燒效率受煤種影響較大。對較為年輕的褐煤、泥煤、燃燒效率可達到98%以上；而對于變質程度較高的無煙煤到煙煤，飛灰含碳量往往高達10%以上。3、循環(huán)流化床鍋爐的效率

超臨界循環(huán)流化床鍋爐電廠的效率可達43%-44%。根據(jù)法國SteinIndustrie公司對超臨界參數(shù)Lurgi循環(huán)流化床鍋爐的研究，由于Lurgi型循環(huán)流化床鍋爐有外置換熱器，而外置換熱器的工作溫度在700°C左右，使用清潔空氣流化，在外置換熱器內布置高溫換熱器可防止高溫腐蝕，因而采用超臨界參數(shù)比煤粉爐更為有利。采用超臨界參數(shù)可使發(fā)電效率提高約6%。3、循環(huán)流化床鍋爐的效率

在懸浮燃燒系統(tǒng)中，首先要對生物質進行粉碎，顆粒尺寸要小于2mm，含水率要低于15%。經過粉碎的生物質與空氣混合后噴入燃燒室，呈懸浮燃燒狀態(tài)。通過精確控制燃燒溫度，可使懸浮燃燒系統(tǒng)在較低的過量空氣系數(shù)下進行充分燃燒，采用分段送風以及良好的燃料顆粒與空氣的良好混合，可以降低CO2的排放。三、懸浮燃燒技術生物質中的水分，在燃燒過程中大量的熱量以汽化潛熱的形式被煙氣帶走排入大氣，燃燒效率低，浪費了大量的能量。為了克服單燃生物質發(fā)電的缺點，當今使用較多的是利用大型電廠的設備，將生物質與煤混燃發(fā)電。大型電廠混燃發(fā)電能夠克服生物質原料供應波動的影響，在原料供應充足時進行混燃，在原料供應不足時單燃煤。利用大型電廠混燃發(fā)電,無需或只需對設備進行很小的改造，能夠利用大型電廠的規(guī)模，經濟效率高。四、生物質與煤混燒技術

在生物質燃燒時易引起積灰結渣損壞燃燒床,還可能發(fā)生燒結現(xiàn)象。為防止積灰結渣、燒結腐蝕問題發(fā)生,可以考慮采用后者比例不小于30%與煤炭或泥炭混合燃燒技術，使用具有抗腐蝕功能的富鉻鋼材或者鍍鉻管道材料要；并盡可能使用較低的蒸汽溫度；如有可能,使農作物收割后置于田間,經過雨淋和風干降低堿含量后再使用。

在煤炭緊缺且價格上漲的今天，我國發(fā)電企業(yè)走混燃發(fā)電道路，是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。

一、生物質電氣化發(fā)電的基本知識生物質氣化發(fā)電是將生物質首先轉化成生物質氣，用生物質氣供給內燃機或是燃氣輪機帶動發(fā)電裝置對外提供動力。生物質氣來自生物質的氣化、裂解或生物厭氧發(fā)酵過程。生物質氣化發(fā)電包括沼氣發(fā)電和將生物質在氣化爐內轉換成可燃氣體，將可燃氣體供給內燃機或是燃氣輪機，帶動發(fā)電裝置對外提供動力。5.2.2生物質氣化發(fā)電

1、把固體生物質轉化為氣體燃料，供給充足的氧氣，使原料充分燃燒。2、氣體凈化氣化出來的燃氣經過凈化系統(tǒng)把雜質除去，以保燃氣發(fā)電設備的正常運行。3、燃氣發(fā)電，利用氣輪機或燃氣內燃機進行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機。氣化發(fā)電的過程固定床氣化：包括上吸式氣化、下吸式氣化和開心層下式氣化三種。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。國際上為了實現(xiàn)更大規(guī)模的氣化發(fā)電方式,提高氣化發(fā)電效率,正在積極開發(fā)高壓流化床氣化發(fā)電工藝。生物質氣化過程分類1、生物質氣化產生燃氣作為燃料直接進入燃氣鍋爐生產蒸汽，再驅動蒸汽輪機發(fā)電；2、將凈化后的燃氣送給燃氣輪機燃燒發(fā)電；3、將凈化后的燃氣送入內燃機直接發(fā)電。在發(fā)電和投資規(guī)模上，它們分別對應于大規(guī)模、中等規(guī)模和小規(guī)模的發(fā)電。生物質氣化發(fā)電方式實現(xiàn)途徑圖5.4生物質氣化發(fā)電方式內燃機發(fā)電系統(tǒng)：設備緊湊、系統(tǒng)簡單、技術較成熟、可靠。燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)：采用低熱值燃氣輪機，燃氣需增壓，需有較高的自動化控制水平和燃氣輪機改造技術。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)：有效地提高發(fā)電效率，可以達40%以上,是目前發(fā)達國家重點研究的內容。從燃氣發(fā)電過程上分類包括生物質氣化、氣體凈化、燃氣輪機發(fā)電及蒸汽輪機發(fā)電。由于生物質燃氣熱值低，爐子出口氣體溫度較高，要使B/IGCC具有較高的效率,就要求系統(tǒng)必須采用生物質高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術，否則，如果采用一般的常壓氣化和燃氣降溫凈化，由于氣化效率和帶壓縮的燃氣輪機效率都較低，整體效率一般都低于35%。傳統(tǒng)的生物質整體氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（B/IGCC）芬蘭是世界上利用林業(yè)廢料、造紙廢棄物等生物質發(fā)電最成功的國家之一，機組的熱效率可達88%。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計劃，生物質能在可再生能源總利用量中的比例由原來的3%增加到最近的25%。比利時，有100多年歷史的布羅賽爾溫克能源技術公司已生產出適應木材廢棄物、建筑木質廢棄物、造紙廢棄物及城市垃圾等不同燃料的鍋爐設備。該公司的產品采用的是傾斜式液壓移動式爐排，其熱效率可達85%，比較適用于20MW以下的生物質發(fā)電。生物質B/IGCC技術的研究規(guī)模氣化過程發(fā)電過程主要用途小型系統(tǒng)功率<200kW固定床氣化流化床氣化內燃機組微型燃氣輪機農村用電中小企業(yè)用電中型系統(tǒng)500kW<功率3000kW常壓流化床氣化內燃機大中企業(yè)自備電站、小型上網電站大型系統(tǒng)>5000kW常壓流化床氣化、高壓流化床氣化、雙流化床氣化內燃機＋蒸汽輪機燃氣淪機＋蒸汽輪機上網電站、獨立能源系統(tǒng)表5-1生物質氣化發(fā)電分類小型氣化發(fā)電系統(tǒng)簡單靈活，主要功能為農村照明或作為中小企業(yè)的自備發(fā)電機組。中型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)主要作為大中型企業(yè)的自備電站或小型上網電站，功率規(guī)模一般在500～3000kw之間。大型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)主要功能是作為上網電站，它可以適用的生物質較為廣泛，所需的生物質數(shù)量巨大，必須配套專門的生物質供應中心和預處理中心，發(fā)電系統(tǒng)功率一般在5000kw以上。生物質氣化生成的燃氣含有各種各樣的雜質，其含量與原料特性、氣化爐的形式關系很大。燃氣凈化的目標就是要根據(jù)氣化工藝的特點，設計合理有效的雜質去除工藝，保證后續(xù)氣化發(fā)電設備不會因雜質而產生磨損腐蝕和污染等問題。二、生物質燃氣的凈化技術雜質種類典型成分可能引起問題凈化辦法顆?；摇⒔固?、熱質、顆粒磨損、堵塞氣固分離、過濾水洗堿金屬鈉、鉀等化合物高溫磨損冷凝、吸附、過濾氮化物主要是氨和HCN形成NO2水洗SCR等焦油各種芳香烴等堵塞、難以燃燒裂解、除焦、水洗硫氯HCl、H2S腐蝕污染水洗化學反應法表5-2燃氣中的各種雜質特性目前比較多的是采用燒結金屬或燃結的陶瓷材料作為過濾器。但是由于焦油在300℃以下開始少量地凝結析出，凝結的焦油容易堵塞管道和過濾材料，所以過濾過程必須在較高溫度下進行，難度較高的高溫燃氣過濾工藝。高溫蜂窩陶瓷或燃結金屬過濾材料在大部分實際應用中都會碰到阻力增加過快的問題，同時高溫過濾材料的熱力性能很差，加上除灰過程控制困難，成本也較高，這都是目前高溫燃氣高溫過濾需要研究解決的問題。1、燃氣高溫過濾焦油裂解是除焦油技術的一種。但對不能采用焦油裂解技術的中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)來說，一般來說，中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)采用的除焦技術有水洗，低溫過濾和靜電除焦等方式。水洗除焦的優(yōu)點是同時有除焦、除塵和降溫三方面的效果，缺點是有污水產生。焦油低溫過濾是在較低溫度下采用過濾設備濾掉焦油的技術。通常同時采用兩套過濾設備，進行切換操作。過濾材料的頻繁更換，使得勞動強度太大，一般只應用于小型的氣化發(fā)電系統(tǒng)。2、燃氣除焦技術

靜電除焦技術的優(yōu)點是除塵、除焦效率高，一般達98%以上，但靜電除焦對進口燃氣焦油含量要求較高，一般要求低于5g/m3(標態(tài))。由于焦油與炭混合后容易粘在電除塵設備上，所以電捕焦器對燃氣中灰的含量要求也很高。目前在生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)中的應用仍很少，但該技術應用于連續(xù)運行的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)是可能的，而且除焦效果也較好，是今后中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)除焦的有效途徑之一，值得進一步深入研究。靜電除焦技術水洗除焦法存在能量浪費和二次污染現(xiàn)象，凈化效果只能勉強達到內燃機的要求；熱裂解法在1100℃以上能得到較高的轉換效率，但實際應用中實現(xiàn)較困難；催化裂解法可將焦油轉化為可燃氣，既提高系統(tǒng)能源利用率，又徹底減少二次污染，是目前較有發(fā)展前途的技術。除焦技術的比較主要集中于白云石和鎳基催化劑。鎳基催化劑的活性是白云石的10-20倍，但它對原始氣的要求較嚴，焦油含量在2g/m3(標態(tài))以上，就會由于焦碳形成積聚而失活，加之其價格較高，在商業(yè)應用中并沒有優(yōu)勢。白云石資源豐富且便宜，但簡單摻加白云石的催化效果并不理想，需針對不同的氣化特點，配合相應的裂解工藝，控制嚴格的操作參數(shù)。國外對催化裂解的研究1、小型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)小型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)一般指采用固定床氣化設備，發(fā)電規(guī)模在200kw以下的氣化發(fā)電系統(tǒng)。小型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)主要集中在發(fā)展中國家；美國、歐洲等發(fā)達國家雖然小型生物質氣化發(fā)電技術非常成熟，但由于發(fā)達國家中生物質能源相對較貴，而能源供應系統(tǒng)完善，對勞動強度大，使用不方便的小型生物質氣化發(fā)電技術應用等非常少。三、氣化發(fā)電技術的應用

中國有著良好的生物質氣化發(fā)電基礎，研究了樣機并做了初步推廣，但由于當時經濟環(huán)境的限制，谷殼氣化發(fā)電很難在經濟上取得較好收益，在很長一段時間上沒有新的改進。近年來，中國的經濟狀況發(fā)生了明顯的變化，因而利用谷殼氣化發(fā)電的外部經濟環(huán)境有了明顯的改善。①小型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的技術性能

首先是中國能源供應持續(xù)緊張，電力價格居高不下，氣化發(fā)電可以取得顯著的效益；其次是糧食加工廠趨向于大型化，谷殼比較集中，便于大規(guī)模處理，氣化發(fā)電的成本大大降低；最后是環(huán)境問題，丟棄或燃燒谷殼會產生環(huán)境污染，處理谷殼已成為一種環(huán)保要求。外部經濟環(huán)境的改善

目前160kW和200kW的生物質氣化發(fā)電設備在我國已得到小規(guī)模應用，顯示出一定的經濟效益。在原來谷殼氣化發(fā)電技術的基礎上，近年來中國對生物質氣化發(fā)電技術作了進一步的研究，主要對發(fā)電容量大小和不同生物質原料進行了探索，先后完成了2.5kW到200kW的各種機組的研制。其主要特點見表5-3。功率/kW2.55.51260160200總效率(%)11.516141811.512.5氣化爐層式下吸式下吸式凈化水洗過濾發(fā)電機內燃機燃料生物質生物質和柴油谷殼表5-3中國生物質氣化發(fā)電技術主要特點(2000之前)谷殼氣化發(fā)電機組的建設費用主要有設備投資、基建項目。其中設備投資是主要的，單位功率的投資隨容量的增大而降低。而且發(fā)電設備（內燃機）所占的份額越來越大，這也是小功率氣化發(fā)電機組經濟性差的主要原因。②小型氣化發(fā)電系統(tǒng)的經濟性

包括燃料和消耗材料及維修費用等。由于現(xiàn)在谷殼基本不作飼料，市場價已非常低，有的地方甚至當廢料丟棄，所以燃料成本主要指谷殼的收集、運輸與處理費等。消耗材料主要指發(fā)動機使用的潤滑油和除焦用的冷卻水。維修費主要指零配件的更換與修理。谷殼氣化發(fā)電的運行成本圖5.5小型氣化發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本隨機組容量的變化圖5.6小型氣化發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本隨生物質價格的變化圖5.7小型氣化發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本隨發(fā)電時間的變化在現(xiàn)有技術條件下，由于各地原料、電價不同，谷殼氣化發(fā)電的經濟效益將有較大的變化。單純從經濟上考慮，谷殼氣化發(fā)電可行的標準是氣化發(fā)電機組的年收益高于設備的折舊費，或加上設備折舊費用后發(fā)電成本低于0.5元/(kw·h)。1、

在現(xiàn)有技術條件下，原料價值不能高于150元/t(包括運輸及預處理費用)；2、

在原料為100元/t，機組運行時間為6000h/年時，氣化發(fā)電容量不能低于60kW；3、在發(fā)電容量為200kW，原料單價為100元/t時，設備年運行時問不能低于2500h。谷殼氣化發(fā)電設備取得經濟效益的條件一般指采用流化床氣化工藝，發(fā)電規(guī)模在400-3000kW的氣化發(fā)電系統(tǒng)。中型氣化發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)達國家應用較早，所以技術較成熟，但由于設備造價很高，發(fā)電成本居高不下，所以，在發(fā)達國家應用極少。近年我國開發(fā)出了循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)有較好的經濟性，在我國推廣很快，所以已經是國際上應用等最多的中型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)。2、中型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)

以l000kW的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)為例，在正常運行下，生物質循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)氣化效率大約在75％左右，系統(tǒng)發(fā)電效率在15％-18％之間，單位電量對原料的需求量為1.5-1．8kg／(kw·h)(谷殼)，或1．25-1．35kg／(kW·h)(木屑)。但由于氣化工藝的影響，在不同的溫度下進行氣化，氣化生成的燃氣質量和氣化效率有明顯的變化，見表5.4-5.6。①中型氣化發(fā)電系統(tǒng)的技術性能

表5-4溫度對木粉汽化發(fā)電系統(tǒng)技術參數(shù)的影響單位質量的原料氣化后所產生的氣體燃料在標準狀態(tài)下的體積。生物質氣化后生成的氣體總熱量與氣化原料的總熱量之比單位體積氣體燃燒所產生的熱能生物質燃料中的碳轉化為氣體燃料中碳的份額，即氣體中含碳量與原料中含碳量之比表5-5谷殼汽化爐在不同操作溫度下的氣體質量表5-6溫度對氣體質量的影響當溫度小于600℃時，適當減少進料量或稍微加大進風量，使溫度回升至正常范圍；當溫度高于800℃時，加大進料量或減少進風量，使爐溫下降至正常范圍。氣化爐的運行控制方法

谷殼的灰分含量高達12%以上，氣化后仍殘余大量灰份，這些灰份必須及時排出爐外，可以采用螺旋干式排灰機構，排灰連續(xù)而均勻，谷殼進料量和排灰量形成一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，保證氣化爐順利運行，當排灰螺旋排灰出現(xiàn)不均現(xiàn)象或無灰排出時，應及時排除故障防止加料口堵塞而停機。由于排灰不均勻，爐內灰分時多時少，谷殼氣化的穩(wěn)定狀態(tài)受到干擾，其結果是爐內溫度不均，局部溫度過高并出現(xiàn)結渣現(xiàn)象，氣化爐無法正常運行。由于凈化裝置中文氏管除塵器及噴淋洗氣塔都采用水封結構，因此氣化爐點火啟動前必須先啟動水泵以確保水封結構有充足的水起密封作用，防止燃氣通過水封口外竄引起意外事故；其次，應定期清除文氏管喇叭口處的灰垢，一般每星期清理一次較為合理。凈化裝置的運行管理1000kW循環(huán)流化床谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)生產負荷的需要對發(fā)電量進行調節(jié)，調節(jié)范圍為200kW-1000kW。其方法是控制谷殼進料量及相應的進風量，先緩慢加大進料量，同時加大進風量，使爐內溫度穩(wěn)定在700℃-800℃之間，加料量的多少可由加料螺旋電磁調速電機的轉速來確定。由于氣化爐的溫度直接決定于空氣量與加料量的比例，所以根據(jù)負荷以及調節(jié)爐溫的需要，空氣量有一定變化。發(fā)電量大小的調節(jié)氣化發(fā)電系統(tǒng)的投資成本和經濟效益是影響用戶應用積極性的關鍵因素，規(guī)模小于200kW的發(fā)電系統(tǒng)國內目前采用固定床氣化裝置，總的經濟效益較差，循環(huán)流化床谷殼氣化發(fā)電對于處理大規(guī)模生物質具有顯著的經濟效益，表5-7是600kW、800kW、1000kW谷殼氣化發(fā)電的投資成本和運行費用估算表。②中型氣化發(fā)電系統(tǒng)的經濟性表5.7流化床谷殼氣化發(fā)電投資成本及運行費用估算表表5.7流化床谷殼氣化發(fā)電投資成本及運行費用估算表①毛利以電價0.80元/kw·h計算。②毛利以電價0.6元/kw·h計算。人工費用以人均月工資1500元計算。表5-7的結果表明，在開工率70%，電價0.8元/kW·h條件下，氣化發(fā)電的投資回收期約一年，若開工率不變，而電價降為0.6元/kW·h，則600kW、800kW、1000kW三種規(guī)模的投資回收期分別是22.5、21和17.8個月，在實際應用過程中，由于各地的人工成本和電價差異很大，這兩種因素將對投資回收期構成重大影響。需要指出的是，流化床谷殼氣化發(fā)電設備的氣化原料不僅局限于谷殼，它還可用于處理木屑?？紤]到生物質資源分散的特點，一般把大于3000kw，而且采用了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式的氣化發(fā)電系統(tǒng)歸人“大型”的行列。特別對于發(fā)展國家3000kw以上的氣化發(fā)電系統(tǒng)每天需生物質約100t，所以應用的客戶已很少。在國際上，大型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的技術遠未成熟，真正進入商業(yè)應用的例子還未見報道，主要的應用仍停留在示范和研究的階段。下面以瑞典的Vamamo示范電站為例，分析國外大型生物質氣化發(fā)電站的技術經濟性。3、大型生物質氣化發(fā)電技術的應用瑞典的Vamamo生物質示范電站是歐洲發(fā)達國家一個B/IGCC發(fā)電項目，它是由瑞典國家能源部、歐盟政府資助，由瑞典南方電力公司，福斯特.威勒公司等企業(yè)合作建設的一個示范項目。它的主要目的是建設一個完善的生物質B/IGCC示范系統(tǒng)，研究生物質B/IGCC的各部分關鍵過程，所以該生物質發(fā)電站更合適于生物質氣化發(fā)電的R&D活動，而不是完全的商業(yè)化運行。瑞典的Vamamo生物質示范電站關鍵技術高壓循環(huán)流化床氣化技術高溫過濾技術燃氣輪機技術余熱蒸氣發(fā)電技術在55MWe發(fā)電規(guī)模條件下，生物質B/IGCC系統(tǒng)的投資大約在1500美元/kW左右，但對于15MWe左右發(fā)電項目，投資將達到2300美元/(kW·h)。對于70MWe出力的生物質B/IGCC發(fā)電系統(tǒng)，在生物質價格大約250元/t時，70MWeB/IGCC發(fā)電站的發(fā)電成本大約為0.35元/kW·h，幾乎與小型的煤發(fā)電電站成本相當。有條件建設這種項目的國家或地區(qū)都很少，而小規(guī)模下的經濟性將明顯降低，所以這種項目近期要進入應用是相當困難的。Vamamo生物質氣化發(fā)電項目經濟評估垃圾發(fā)電是把各種垃圾收集后，進行分類處理：一是對燃燒值較高的進行高溫焚燒，在高溫焚燒中產生的熱能轉化為高溫蒸氣，推動渦輪機轉動，使發(fā)電機產生電能。二是對不能燃燒的有機物進行發(fā)酵、厭氧處理，最后干燥脫硫，產生一種氣體叫甲烷，也叫沼氣。再經燃燒，把熱能轉化為蒸氣，推動渦輪機轉動，帶動發(fā)電機產生電能。5.3垃圾發(fā)電從20世紀70年代起，一些發(fā)達國家便著手運用焚燒垃圾產生的熱量進行發(fā)電。美國某垃圾發(fā)電站的發(fā)電能力達100兆瓦，每天處理垃圾60萬噸?，F(xiàn)在德國的垃圾發(fā)電廠每年要花費巨資，從國外進口垃圾。如果我國能將垃圾充分有效地用于發(fā)電，每年將節(jié)省煤炭5000～6000萬噸，其“資源效益”極為可觀。工業(yè)發(fā)達國家最常用的2種利用垃圾發(fā)電的模式：生化法：將垃圾衛(wèi)生填埋，回收填埋場沼，以沼氣為燃料燃燒發(fā)電；焚燒法：直接以垃圾為燃料,焚燒垃圾發(fā)電。5.3.1、國內外發(fā)展現(xiàn)狀

萌芽階段：1874年1885年英國諾丁漢和美國紐約先后建造了處理生活垃圾的焚燒爐。發(fā)展階段：從20世紀初到60年代末，歐洲、北美及日本都陸續(xù)建起了一些生活垃圾焚燒廠。成熟階段：從20世紀70年代初到90年代中期，幾乎所有的發(fā)達國家、中等發(fā)達國家都建設了不同規(guī)模、不同數(shù)量的垃圾焚燒廠。焚燒法發(fā)展歷程日本現(xiàn)有大小垃圾焚燒廠約1900座。2007年韓國全國43處大型生活廢棄物焚燒設施。垃圾焚燒設施所回收熱能的75.8%供給韓國地區(qū)供暖公司等企業(yè)，作為取暖和建筑設施、附屬設施的熱源等直接使用。其余熱能的24.2%轉換為電力后供給韓國電力公司，從這類廢棄物回收再利用所產生的能源量，占韓國生產的可再生能源總量的76%。各國垃圾發(fā)電現(xiàn)狀瑞士、比利時、丹麥、法國、盧森堡、瑞典、新加坡等國焚燒垃圾的比例都接近或超過填埋處理。垃圾焚燒技術得到迅速發(fā)展應用的原因，除了經濟、技術、環(huán)境保護觀念等因素外，首先是生活垃圾數(shù)量的快速增長，使垃圾填埋場日趨飽和；其次是生活垃圾中可燃物、易燃物的含量大幅度增長，為垃圾焚燒技術應用提供了先決條件。1988年我國第1座垃圾電廠在深圳建成，引進3臺150t/h的三菱重工馬丁式焚燒爐、3臺蒸發(fā)量為13t/h的雙鍋筒自然循環(huán)鍋爐,另配杭州汽輪機廠的4000kW汽輪發(fā)電機組。我國為建立垃圾電廠而從國外引進的垃圾鍋爐基本上都是爐排爐，價格昂貴，而且在燃用低熱值、高水分垃圾時，為了保證鍋爐的正常燃燒，必須加入燃料油，運行成本較高，經濟效益差。我國垃圾發(fā)電概況發(fā)展適合我國國情的焚燒爐，實現(xiàn)設備國產化，達到低污染和高效燃燒是目前許多科技人員正在研究開發(fā)的課題。1998年浙江大學熱能研究所與杭州錦江集團聯(lián)合開發(fā)將此項技術應用于余杭發(fā)電廠，把原有一35t/h鏈條爐改造成流化床焚燒爐，單爐日處理垃圾150~200t/d，取得了較好的經濟效益和社會效益。目前中國已有28個省、市和自治區(qū)的大中小城市建成了垃圾發(fā)電廠。截止到2005年底，兩省垃圾發(fā)電廠裝機容量28.8萬千瓦，占全國三分之二左右。浙江省投入商業(yè)運營的垃圾發(fā)電廠12家，總裝機容量11.6萬千瓦，其中，垃圾焚燒發(fā)電廠11座，總裝機容量11.4萬千瓦，垃圾填埋氣發(fā)電廠1家，裝機容量0.194萬千瓦，垃圾發(fā)電占垃圾處理量的27%。浙江省垃圾發(fā)電廣東省建成的垃圾發(fā)電廠16座，總裝機容量約17.2萬千瓦，其中，垃圾焚燒發(fā)電廠15座，總裝機容量11.6萬千瓦，垃圾填埋氣發(fā)電廠1座，裝機容量0.2596萬千瓦。2009年，深圳市能源環(huán)保有限公司投資興建的寶安二期垃圾發(fā)電廠，日處理能力可達4200噸，將成為國內最大的垃圾焚燒發(fā)電廠。目前深圳市垃圾日產量為12074噸，已建成垃圾焚燒發(fā)電廠7座，設計垃圾焚燒總處理能力為4875噸/日。廣東省垃圾發(fā)電該廠與2009年5月正式啟動發(fā)電，是湖北省首個垃圾發(fā)電廠。首期完成后，該項目裝機容量將達3兆瓦，目前每天處理垃圾2800噸，預計年發(fā)電量為2160萬度，可供近萬戶居民使用。陳家沖垃圾場不僅實現(xiàn)垃圾發(fā)電，更重要的是減少填埋氣向大氣中的排放，而填埋氣通過搜集碳排放量，可實現(xiàn)碳匯轉讓的收益。首期完成后的陳家沖垃圾場年均減排碳排放量13萬噸，每年可帶來1000多萬元的收益。陳家沖垃圾發(fā)電廠圖5.8武漢陳家沖垃圾發(fā)電廠有關專家預計，到2020年我國將新增垃圾發(fā)電裝機容量330萬千瓦左右，按每千瓦4500元的設備造價計算，中國垃圾發(fā)電市場容量為149億元人民幣。許多民營企業(yè)也十分看好垃圾發(fā)電行業(yè)。一、焚燒法垃圾發(fā)電一般垃圾的燃燒過程可分為干燥階段、焚燒階段、燃燼階段，如圖5.9所示。當垃圾進行焚燒時,爐內溫度一般為800-900℃，最高溫度可達1100℃,經過焚燒使垃圾中的病原菌徹底被殺滅,從而達到無害化處理的目的。垃圾焚燒后,體積減少90%，重量減輕75%，明顯地減容減量