生物質氣化發(fā)電技術主要類別
2022-01-03
從氣化形式上看，生物質氣化過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，其中研究和應用最多的是循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)。
從燃氣發(fā)電過程上分，氣化發(fā)電可分為內燃機發(fā)電系統(tǒng)、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，見圖1。
從發(fā)電規(guī)模上分，生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型、中型、大型，如表1所示。
一、低熱值燃氣內燃機發(fā)電技術
以簡單的燃氣內燃機組為主，可單獨燃用低熱值燃氣，也可以燃氣、油兩用。其特點是：設備緊湊，系統(tǒng)簡單、對燃氣質量要求低。
生物質燃氣的特點是熱值低(4~6MJPnm3)、雜質含量高，所以生物質燃氣發(fā)電技術雖然與天然氣發(fā)電技術、煤氣發(fā)電技術的原理一樣，但它有更多的獨特性，對發(fā)電設備的要求也與其他燃氣發(fā)電設備有較大的差別。生物質燃氣內燃機必須解決以下問題：
1.生物質燃氣熱值低，內燃機出力大大降低，為了保證相同的出力，內燃機的進料系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)、壓縮比等必須做較大改動。一般生物質燃氣熱值只是天燃氣的1P5~1P6，相同規(guī)格的燃氣機在燃用生物質燃氣時出力將降低1P3左右(相對于柴油將降低50%左右)，如果是增壓的燃氣內燃機，出力降低將更大，各系統(tǒng)的改動將更加復雜。
2.合H2量高可能引起的爆燃問題：由于H2的著火速度比其他燃氣快，在H2含量太高時，燃氣內燃機容易引起點火時間不規(guī)則，從而引***燃。生物質燃氣的氫氣含量差別很大，流化床一般在10%左右，而固定床有時將高于15%。通過大量的試驗表明，當生物質燃氣中H2含量高于18%時，爆燃的問題將較嚴重，所以為安全起見一般生物質燃氣內燃機要求燃氣中H2含量<15%。
3.焦油及含灰量的影響：雖然生物質燃氣經過了嚴格的凈化，但仍有一定的焦油和灰(一般為幾十ppm)。焦油會引起點火系統(tǒng)失靈，燃燒后積炭會增加磨損，而含灰量太高也會增加設備磨損，嚴重時會引起拉缸。所以一般生物質燃氣內燃機機組的配件損耗和潤滑油消耗比其他燃氣內燃機都會成倍增加。
4.排煙溫度過高及效率過低問題：由于低熱值燃氣燃燒速度比其他燃料慢，低熱值燃氣內燃機的排煙溫度比其他內燃機明顯偏高。這就使設備材料容易老化而系統(tǒng)效率有明顯降低。
由于上述難題，我國生物質燃氣發(fā)電機組的產品開發(fā)很少，我國目前只有200kW的機組，更大的機組還沒有定型產品，只正在開發(fā)之中。國外這方面的產品也很少，只有低熱值與油共燒的雙燃料機組，大型的機組和單燃料生物質燃氣機都是從天然氣機組改裝而來，所以產品價格很高，是一般國外柴油機組價格的1~2倍，更是國內同類生物質燃氣發(fā)電機組的幾倍。所以經濟可靠的單燃料生物質燃氣內燃機組的開發(fā)研究是發(fā)展中小型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的主要內容之一。
二、燃氣輪機發(fā)電技術
燃氣輪機是最常見的發(fā)電設備之一。國內外的燃氣輪機技術已發(fā)展非常成熟，目前應用最多的是作為航空動力裝置。作為發(fā)電用途的燃氣技術，一般規(guī)模在幾MW以上，小于3MW的燃氣發(fā)電設備應用較少，而最大的已達幾百MW。燃氣輪機最常見的燃料是石油或天燃氣，其他燃料的氣輪機很少見。我國的燃氣輪機發(fā)電技術與國內外差別較大，特別是在設備的規(guī)模和效率上與國外產品有明顯的差距。
生物質氣化發(fā)電所需要的燃氣輪機很獨特。首先生物質燃氣是低熱值燃氣，它的燃燒溫度與發(fā)電效率與天燃氣等相比明顯偏低，而且由于燃氣體積較大，壓縮困難，從而進一步降低了系統(tǒng)發(fā)電效率；其次，生物質燃氣雜質偏高，特別是有堿金屬等腐蝕成份，對燃氣輪機的轉速和材料都有更嚴格的要求。最后，因為生物質較分散，生物質氣化發(fā)電規(guī)模不可能很大，所以所需的燃氣輪機也較小，一般幾MW左右，小型燃氣輪機設備的效率較低，而單位造價較高，這幾方面使燃氣輪機應用于生物質氣化電系統(tǒng)更為困難。表2表示了典型燃氣內燃機對燃料的要求，實際上有的要求將比表中的指標嚴格得多，有的雜質在長期運行中要求比表中指標低10倍以上。
在國內外的研究中，影響最大的雜質主要是堿金屬和硫化物，在生物質中硫的含量很少，但即使很少量的硫，例如含硫量約0.1%時，燃氣中的硫化物也可能高達100ppm，這對燃氣輪機設備的影響是明顯的，但生物質的過程與生物質中堿金屬的析出和硫化物等雜質的排放之間的關系，直到現(xiàn)在仍不是很清楚，也是目前生物質研究的主要內容之一。
從表2可以看出，燃氣輪機對大部分雜質的要求極為荷核，但對焦油的要求不嚴，這是因為假設燃氣輪機進口溫度在450~600e，此時焦油大部分以氣態(tài)存在，但是，如果考慮到燃氣需降溫后再加壓，此時對焦油的要求也很嚴格，大約在50ppm以下，所以總的來說，一般生物質氣化凈化過程很難滿足燃氣輪機的要求，必須針對具體原料的特性進行專門的設計，而燃氣輪機也必須經過專門的改造，以適應生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的特殊要求。目前國內外仍沒有適用于生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的通用技術和設備，極少的幾個示范工程都是由專門的研究部門或廠家根據(jù)項目的要求進行改造和訂造的，造價非常高，所以燃氣輪機技術是制約生物質氣化發(fā)電技術大型化發(fā)展的主要因素之一。
三、燃氣蒸汽循環(huán)聯(lián)合發(fā)電技術
不管是燃氣內燃機，還是燃氣輪機，發(fā)電后排放的尾氣溫度都在500~600e之間(如果發(fā)電設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。所以在燃氣發(fā)電設備后增加余熱回收裝置(如余熱鍋爐等)，是大部分燃氣發(fā)電系統(tǒng)提高系統(tǒng)效率的有效途徑。在生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)中，除了發(fā)電設備尾氣有大量余熱外，生物質氣化爐出口的燃氣溫度也很高(達700~800e左右)，所以把這部分氣化顯熱和燃氣發(fā)電設備的余熱結合起來，利用余熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環(huán)進行發(fā)電，是大部分大型生物質氣化發(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，所以一般稱生物質整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(BPIGCC)。
傳統(tǒng)的BPIGCC技術包括生物質氣化、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(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，必須具備兩個條件：一是燃氣進入燃氣輪機之前不能降溫，二是燃氣必須是高壓的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術才能使BPIGCC的總體效率達到較高水平(40%)。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，氣體發(fā)電的整體效率一般都低于35%。
由蒸汽輪機發(fā)電的效率在100MW以上才較高，所以小型的蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)的經濟性較差。生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)由于原料供應問題，發(fā)電規(guī)模很難高于100MW，目前國際上正在建設的BPIGCC示范項目大部分在10MW左右，所以總的系統(tǒng)效率遠比煤的IGCC系統(tǒng)為低。即使這樣，大部分生物質的BPGICC項目的效率都在35%以上。比一般簡單的生物質氣化)內燃機發(fā)電系統(tǒng)高出了近1倍，但也是由于規(guī)模的原因，目前國外的BPIGCC系統(tǒng)幾乎全部采用專門改造的燃氣輪機設備。
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)達國家由于生物質氣化發(fā)電技術的經濟性較差，目前仍未真正進入市場，所以目前中小型氣化發(fā)電系統(tǒng)結合蒸汽循環(huán)的方案仍未有實施的先例，有待于今后進一步研究與探索。
總的來說，生物質氣化發(fā)電有兩種基本的形式，一是采用內燃機，二是采用燃氣輪機，為了提高系統(tǒng)效率，可以考慮同時采用蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。燃氣內燃機與燃氣輪機的選用與比較，主要是根據(jù)氣化發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模來確定的，雖然兩者之間有明顯的界限，但在國際上，傳統(tǒng)觀點認為燃氣內燃機比較合適于5~10Mwe以下的氣化發(fā)電系統(tǒng)，燃氣輪機比較合適于10Mwe~20Mwe的常壓氣化發(fā)電系統(tǒng)，但超過20Mwe的氣化發(fā)電系統(tǒng)除了必須采用燃氣輪機外，還必須采用高壓氣化技術。一般來說采用燃氣輪機的氣化發(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)模下燃氣輪機具有更明顯的優(yōu)勢。在小規(guī)模下，由于燃氣內燃機具有體積小、效率高、容易維護的優(yōu)點，特別是它對燃氣的質量要求技術低，充許雜質的含量較高(焦油可高于30ppm)，所以它的用途更廣泛。
