生物质气化发电技术主要类别
2022-01-03
从气化形式上看，生物质气化过程可以分为固定床气化和流化床气化两大类。固定床气化包括上吸式气化、下吸式气化和开心式气化三种，现在这三种形式的气化发电系统都有代表性的产品。流化床气化包括鼓泡床气化、循环流化床气化及双流化床气化三种。这三种气化发电工艺目前都有研究，其中研究和应用最多的是循环流化床气化发电系统。
从燃气发电过程上分，气化发电可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气-蒸汽联合循环发电系统，见图1。
从发电规模上分，生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型，如表1所示。
一、低热值燃气内燃机发电技术
以简单的燃气内燃机组为主，可单独燃用低热值燃气，也可以燃气、油两用。其特点是：设备紧凑，系统简单、对燃气质量要求低。
生物质燃气的特点是热值低(4~6MJPnm3)、杂质含量高，所以生物质燃气发电技术虽然与天然气发电技术、煤气发电技术的原理一样，但它有更多的独特性，对发电设备的要求也与其他燃气发电设备有较大的差别。生物质燃气内燃机必须解决以下问题：
1.生物质燃气热值低，内燃机出力大大降低，为了保证相同的出力，内燃机的进料系统和燃烧系统、压缩比等必须做较大改动。一般生物质燃气热值只是天燃气的1P5~1P6，相同规格的燃气机在燃用生物质燃气时出力将降低1P3左右(相对于柴油将降低50%左右)，如果是增压的燃气内燃机，出力降低将更大，各系统的改动将更加复杂。
2.合H2量高可能引起的爆燃问题：由于H2的着火速度比其他燃气快，在H2含量太高时，燃气内燃机容易引起点火时间不规则，从而引***燃。生物质燃气的氢气含量差别很大，流化床一般在10%左右，而固定床有时将高于15%。通过大量的试验表明，当生物质燃气中H2含量高于18%时，爆燃的问题将较严重，所以为安全起见一般生物质燃气内燃机要求燃气中H2含量<15%。
3.焦油及含灰量的影响：虽然生物质燃气经过了严格的净化，但仍有一定的焦油和灰(一般为几十ppm)。焦油会引起点火系统失灵，燃烧后积炭会增加磨损，而含灰量太高也会增加设备磨损，严重时会引起拉缸。所以一般生物质燃气内燃机机组的配件损耗和润滑油消耗比其他燃气内燃机都会成倍增加。
4.排烟温度过高及效率过低问题：由于低热值燃气燃烧速度比其他燃料慢，低热值燃气内燃机的排烟温度比其他内燃机明显偏高。这就使设备材料容易老化而系统效率有明显降低。
由于上述难题，我国生物质燃气发电机组的产品开发很少，我国目前只有200kW的机组，更大的机组还没有定型产品，只正在开发之中。国外这方面的产品也很少，只有低热值与油共烧的双燃料机组，大型的机组和单燃料生物质燃气机都是从天然气机组改装而来，所以产品价格很高，是一般国外柴油机组价格的1~2倍，更是国内同类生物质燃气发电机组的几倍。所以经济可靠的单燃料生物质燃气内燃机组的开发研究是发展中小型生物质气化发电系统的主要内容之一。
二、燃气轮机发电技术
燃气轮机是最常见的发电设备之一。国内外的燃气轮机技术已发展非常成熟，目前应用最多的是作为航空动力装置。作为发电用途的燃气技术，一般规模在几MW以上，小于3MW的燃气发电设备应用较少，而最大的已达几百MW。燃气轮机最常见的燃料是石油或天燃气，其他燃料的气轮机很少见。我国的燃气轮机发电技术与国内外差别较大，特别是在设备的规模和效率上与国外产品有明显的差距。
生物质气化发电所需要的燃气轮机很独特。首先生物质燃气是低热值燃气，它的燃烧温度与发电效率与天燃气等相比明显偏低，而且由于燃气体积较大，压缩困难，从而进一步降低了系统发电效率；其次，生物质燃气杂质偏高，特别是有碱金属等腐蚀成份，对燃气轮机的转速和材料都有更严格的要求。最后，因为生物质较分散，生物质气化发电规模不可能很大，所以所需的燃气轮机也较小，一般几MW左右，小型燃气轮机设备的效率较低，而单位造价较高，这几方面使燃气轮机应用于生物质气化电系统更为困难。表2表示了典型燃气内燃机对燃料的要求，实际上有的要求将比表中的指标严格得多，有的杂质在长期运行中要求比表中指标低10倍以上。
在国内外的研究中，影响最大的杂质主要是碱金属和硫化物，在生物质中硫的含量很少，但即使很少量的硫，例如含硫量约0.1%时，燃气中的硫化物也可能高达100ppm，这对燃气轮机设备的影响是明显的，但生物质的过程与生物质中碱金属的析出和硫化物等杂质的排放之间的关系，直到现在仍不是很清楚，也是目前生物质研究的主要内容之一。
从表2可以看出，燃气轮机对大部分杂质的要求极为荷核，但对焦油的要求不严，这是因为假设燃气轮机进口温度在450~600e，此时焦油大部分以气态存在，但是，如果考虑到燃气需降温后再加压，此时对焦油的要求也很严格，大约在50ppm以下，所以总的来说，一般生物质气化净化过程很难满足燃气轮机的要求，必须针对具体原料的特性进行专门的设计，而燃气轮机也必须经过专门的改造，以适应生物质气化发电系统的特殊要求。目前国内外仍没有适用于生物质气化发电系统的通用技术和设备，极少的几个示范工程都是由专门的研究部门或厂家根据项目的要求进行改造和订造的，造价非常高，所以燃气轮机技术是制约生物质气化发电技术大型化发展的主要因素之一。
三、燃气蒸汽循环联合发电技术
不管是燃气内燃机，还是燃气轮机，发电后排放的尾气温度都在500~600e之间(如果发电设备带空气增气增压系统，尾气温都一般在450~500e之间)，从能量利用的角度，这部分尾气仍含有大量可回收的可用能量。所以在燃气发电设备后增加余热回收装置(如余热锅炉等)，是大部分燃气发电系统提高系统效率的有效途径。在生物质气化发电系统中，除了发电设备尾气有大量余热外，生物质气化炉出口的燃气温度也很高(达700~800e左右)，所以把这部分气化显热和燃气发电设备的余热结合起来，利用余热锅炉和过热器产生蒸汽，再利用蒸汽循环进行发电，是大部分大型生物质气化发电系统采用的气化发电工艺。由于该工艺与传统的煤IGCC系统相同，所以一般称生物质整体气化联合循环发电系统(BPIGCC)。
传统的BPIGCC技术包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低(约1200kcalPm3)，气化炉出口气体温度较高(800e以上)，要使BPIGCC具有较高的效率，必须具备两个条件：一是燃气进入燃气轮机之前不能降温，二是燃气必须是高压的。这就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术才能使BPIGCC的总体效率达到较高水平(40%)。否则，如果采用一般的常压气化和燃气降温净化，由于气化效率和带压缩的燃气轮机效率都较低，气体发电的整体效率一般都低于35%。
由蒸汽轮机发电的效率在100MW以上才较高，所以小型的蒸汽轮机发电系统的经济性较差。生物质气化发电系统由于原料供应问题，发电规模很难高于100MW，目前国际上正在建设的BPIGCC示范项目大部分在10MW左右，所以总的系统效率远比煤的IGCC系统为低。即使这样，大部分生物质的BPGICC项目的效率都在35%以上。比一般简单的生物质气化)内燃机发电系统高出了近1倍，但也是由于规模的原因，目前国外的BPIGCC系统几乎全部采用专门改造的燃气轮机设备。
从理论上讲，在中小型气化发电系统中，只要增加的余热回收系统投资合理，综合考虑原料和发电的成本可行，增加蒸汽循环系统仍然是提高系统效率的有效办法。但由于在发达国家由于生物质气化发电技术的经济性较差，目前仍未真正进入市场，所以目前中小型气化发电系统结合蒸汽循环的方案仍未有实施的先例，有待于今后进一步研究与探索。
总的来说，生物质气化发电有两种基本的形式，一是采用内燃机，二是采用燃气轮机，为了提高系统效率，可以考虑同时采用蒸汽联合循环发电系统。燃气内燃机与燃气轮机的选用与比较，主要是根据气化发电系统规模来确定的，虽然两者之间有明显的界限，但在国际上，传统观点认为燃气内燃机比较合适于5~10Mwe以下的气化发电系统，燃气轮机比较合适于10Mwe~20Mwe的常压气化发电系统，但超过20Mwe的气化发电系统除了必须采用燃气轮机外，还必须采用高压气化技术。一般来说采用燃气轮机的气化发电系统都带有蒸汽联合循环，效率有明显提高，所以在大规模下燃气轮机具有更明显的优势。在小规模下，由于燃气内燃机具有体积小、效率高、容易维护的优点，特别是它对燃气的质量要求技术低，充许杂质的含量较高(焦油可高于30ppm)，所以它的用途更广泛。
