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图1 生物质气化工艺一般流程
3、生物质气化关键技术
气化炉是生物质气化系统中的核心设备,生物质在气化炉内进行气化反应,生成合成气。生物质气化炉可以分为固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉(EF)及等离子体气化炉(Plasma)等类型。
中国对各种气化方式都有研究,已完成了多种气化炉的研制,目前已使用的气化炉有上吸式、下吸式、敞口式和流化床等。从原理上讲,各种气化炉都可以用于气化发电,但目前研究完成并正常运转的主要有三种,即敞口下吸式,下吸式及循环流化床,发电功率可以从几千瓦到几千千瓦,这为气化发电技术的进一步发展提供了条件。
3.1生物质固定床气化炉
固定床是一种传统的气化反应器,其运行温度一般在1000℃左右。固定床气化炉中气化反应是在一个相对静止的物料床层中进行,即物料相对于气流来说,是处于静止状态。物料在炉内基本上是有层次的分为四个阶段,即干燥阶段、热解阶段、燃烧阶段、还原阶段。固定床气化炉的炉内反应速度较慢。根据炉内气化剂的流动方向,可将固定床气化炉分为四类:上吸式、下吸式、横吸式和开心式。
下面对上吸式固定床生物质气化炉的运行工艺作简单介绍
在上气式固定床气化炉中,生物质原料从气化炉的上部的加料装置送入炉内,整个料层由炉膛下部的炉栅支撑。气化剂从炉底下部的送风口进入炉内,由炉栅缝隙均匀分布并渗入料层底部区域的灰渣层,气化剂和灰渣进行热交换,气化剂被预热,灰渣被冷却。气化剂随后上升至燃烧层,在燃烧层气化剂和原料中的碳发生氧化反应,放出大量的热量。可使炉内温度达到1000℃,这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。气流接着上升到还原层,在燃烧层生成的CO2还原成CO;气化剂中的水蒸气分解,生成H2和CO2这些气体与气化剂中未反应部分一起继续上升,加热上部的原料层,使原料层发生热解,脱除挥发分,生成的焦炭落人还原层。生成的气体继续上升,将刚入炉的原料预热、干燥后,进入气化炉上部,经气化炉气体出口引出。
固定床气化炉的优点:气化炉结构简单、投资少、运行可靠、操作比较容易,对原料的种类及粒度要求不高。缺点:固定床气化炉通常产气量比较小,多用于小型气化站、小型热电联产或户用供气,不适合大规模的生产。
3.2流化床气化炉
流化床燃烧是一种先进的燃烧技术,应用于生物质燃烧上已获得了成功,但是用于生物质气化仍是一个新课题。与固定床相比。流化床没有炉栅,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人流化床反应器中。按气固流动特性不同,将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床,如图4所示。鼓泡流化床气化炉中气流速度相对较低,几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。而循环流化床气化炉中流化速度相对较高,从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送人炉内进行气化反应。流化床气化炉有良好的混合特性和较高的气固反应速率。
图4 流化床气化炉
流化床气化炉的优点:温度稳定均匀;使用燃料颗粒很细小,传热面积大;气化效率高;适用于连续运转,适合大规模的商业应用。已被粉碎的原料和被加压的气化剂(氧气或水蒸气)从塔顶同时进入气化炉。塔顶部的湍流火焰燃烧部分原料,为整个气化过程提供足够的热量,气化炉内的温度达到1300 ?C。
在生物质气化过程中,流化床首先通过外加热到运行温度,床料吸收并贮存热量。鼓人气化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流化,床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒定的温度当合适粒度的生物质燃料经供料装置加入到流化床中时,与高温床料迅速混合,在布风板以上的一定空间内激烈翻滚,在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程,使之在等温条件下实现能量转化,从而生产出需要的燃气。床料本身的较高的热容量像一个热量词速器,可使生物质气化炉在停炉一整夜后无需外在热量情况下重新开车。由于床料热容大,即使水分含量较高的燃料也可直接气化。通过控制运行参数可使流化床床温保持在结渣温度以下,床层只要保持均匀流化就可使床层保持等温,这样可避免局部燃烧高温。流化床气化炉气化强度高,人炉的燃料量及风量可严格控制,非常适合于大型的工业供气系统,且燃气的热值可在一定的范围内任意调整。因此,流化床反应器是生物质气化转化的一种较佳选择,特别是对于灰熔点较低的生物质。
3.3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。下面主要从工业技术及运行情况、使用的原料、能量利用和转换、环境效益和经济性五个方面对流化床和固定床气化炉进行比较。
3.4气流床气化炉
已被粉碎的原料和被加压的气化剂(氧气或水蒸气)从塔顶同时进入气化炉。塔顶部的湍流火焰燃烧部分原料,为整个气化过程提供足够的热量,气化炉内的温度达到1300 ?C。气流床的特点:合成气出炉的温度可达1300 ?C,大部分焦油可在半焦气化过程中裂化,出炉的合成气中几乎不含焦油;气化炉壁上的灰融物可当作熔渣除去。
3.5等离子体气化炉
原料从塔顶进入气化炉,接触到常压、温度为500~1500 ?C的由电生成的等离子体后,原料中有机物转化为高质量的合成气,无机物变成玻璃化的惰性熔渣。这种炉的气化效率很高,得到不含焦油的合成气。等离子弧也可以用于净化合成气。
4、生物质气化发电技术应用及国内外发展现状
4.1生物质气化发电技术在国外的发展及现状
生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视,如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划,生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%~3%增到目前的25%。到目前为止,该国已拥有装机容量为1~2MWe的区域供热站80~90座。瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求,以大大提高其转换效率。一些发展中国家,随着经济发展也逐步重视生物质的开发利用,增加生物质能的生产,扩大其应用范围,提高其利用效率。菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家,都先后开展了生物质能的气化、成型固化、热解等技术的研究开发,并形成了工业化生产。
生物质气化的发电技术主要有以下三种方法:带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是引擎的常压生物质气化、带有Rankine循环的传统生物质燃烧系统。传统的BIGCC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5021kJ/m3),炉子出口气体温度较高(800℃以上),要使BIGCC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BIGCC的总体效率较高(40%)目前欧美一些国家正开展这方面研究,如美国Battelle(63MWe)和夏威夷(6MWe)项目.欧洲英国(8MWe)、瑞典(加压生物质气化发电4MWe)、芬兰(6Mwe)以及欧盟建设3个7~12Mwe生物质气化发电BIGCC示范项目,其中一个是加压气化,两个是常压气化。但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大.存在的许多问题(如系统未成熟,造价很高)限制了其应用推广。以意大利12Mwe的BIGcC示范项目为例,发电效率约为31.7%但建设成本高达25000元/kW,发电成本约1.2元/(kW·h).实用性很差。近利用了生物质原料固有的高反应特性。生物质的气化强度超过l46000kg/(h·m).而其他气化系统的气化强度通常小于1000kg/(h·1TI)。Battelle气化工艺的商业规模示范建在弗蒙特州的柏林顿McNeil电站,该项目的一期工程.用Battelle技术建造日产200t燃料气的气化炉,在初始阶段生产的燃料气用于现有的Mc—Neil电站锅炉。二期工程安装一台燃气轮机来接受从气化炉来的高温燃气,组成联合循环。该气化设备于1998年完成安装并投入运行。
大型生物质气化循环发电系统包括原料预处理、循环流化床气化、催化裂解净化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电等设备,适合于大规模处理农林废物。
除了将生物质气化用于发电之外,欧共体进而开展了生物质气化合成甲醇、氨的研究工作。1998年,欧共体建立了四个规模在4.8~12.1t/d之间不等的生年欧美开展了其它技术路线的研究,如比利时(2.5MWe)和奥地利(TINA,6MWe)开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术,美国的史特林循环发电等,但技术仍未成熟,成本较高。
美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平,生产一种中热值气体,不需要制氧装置,此工艺使用两个实际上分开的反应器:(1)气化反应器,在其中生物质转化成中热值气体和残炭;(2)燃烧反应器,燃烧残炭并为气化反应供热。两个反应器之间的热交换载体由气化炉和燃烧室之间的循环沙粒完成。
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