生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)主要類別
2022-01-03
從氣化形式上看，生物質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(nèi)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(zhì)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(nèi)燃機發(fā)電技術(shù)
以簡單的燃氣內(nèi)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(shè)備緊湊，系統(tǒng)簡單、對燃氣質(zhì)量要求低。
生物質(zhì)燃氣的特點是熱值低(4~6MJPnm3)、雜質(zhì)含量高，所以生物質(zhì)燃氣發(fā)電技術(shù)雖然與天然氣發(fā)電技術(shù)、煤氣發(fā)電技術(shù)的原理一樣，但它有更多的獨特性，對發(fā)電設(shè)備的要求也與其他燃氣發(fā)電設(shè)備有較大的差別。生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機必須解決以下問題：
1.生物質(zhì)燃氣熱值低，內(nèi)燃機出力大大降低，為了保證相同的出力，內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(nèi)燃機，出力降低將更大，各系統(tǒng)的改動將更加復(fù)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(nèi)燃機容易引起點火時間不規(guī)則，從而引***燃。生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)燃氣內(nèi)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(zhì)燃氣經(jīng)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(shè)備磨損，嚴重時會引起拉缸。所以一般生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機機組的配件損耗和潤滑油消耗比其他燃氣內(nèi)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(nèi)燃機的排煙溫度比其他內(nèi)燃機明顯偏高。這就使設(shè)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(zhì)燃氣發(fā)電機組的產(chǎn)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(chǎn)品，只正在開發(fā)之中。國外這方面的產(chǎn)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(zhì)燃氣機都是從天然氣機組改裝而來，所以產(chǎn)品價格很高，是一般國外柴油機組價格的1~2倍，更是國內(nèi)同類生物質(zhì)燃氣發(fā)電機組的幾倍。所以經(jīng)濟可靠的單燃料生物質(zhì)燃氣內(nèi)燃機組的開發(fā)研究是發(fā)展中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的主要內(nèi)容之一。
二、燃氣輪機發(fā)電技術(shù)
燃氣輪機是最常見的發(fā)電設(shè)備之一。國內(nèi)外的燃氣輪機技術(shù)已發(fā)展非常成熟，目前應(yīng)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(shù)，一般規(guī)模在幾MW以上，小于3MW的燃氣發(fā)電設(shè)備應(yīng)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(shù)與國內(nèi)外差別較大，特別是在設(shè)備的規(guī)模和效率上與國外產(chǎn)品有明顯的差距。
生物質(zhì)氣化發(fā)電所需要的燃氣輪機很獨特。首先生物質(zhì)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(zhì)燃氣雜質(zhì)偏高，特別是有堿金屬等腐蝕成份，對燃氣輪機的轉(zhuǎn)速和材料都有更嚴格的要求。最后，因為生物質(zhì)較分散，生物質(zhì)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(shè)備的效率較低，而單位造價較高，這幾方面使燃氣輪機應(yīng)用于生物質(zhì)氣化電系統(tǒng)更為困難。表2表示了典型燃氣內(nèi)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(zhì)在長期運行中要求比表中指標低10倍以上。
在國內(nèi)外的研究中，影響最大的雜質(zhì)主要是堿金屬和硫化物，在生物質(zhì)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(shè)備的影響是明顯的，但生物質(zhì)的過程與生物質(zhì)中堿金屬的析出和硫化物等雜質(zhì)的排放之間的關(guān)系，直到現(xiàn)在仍不是很清楚，也是目前生物質(zhì)研究的主要內(nèi)容之一。
從表2可以看出，燃氣輪機對大部分雜質(zhì)的要求極為荷核，但對焦油的要求不嚴，這是因為假設(shè)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(zhì)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(shè)計，而燃氣輪機也必須經(jīng)過專門的改造，以適應(yīng)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的特殊要求。目前國內(nèi)外仍沒有適用于生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的通用技術(shù)和設(shè)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(shù)是制約生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)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(shù)
不管是燃氣內(nèi)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(shè)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(shè)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(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)中，除了發(fā)電設(shè)備尾氣有大量余熱外，生物質(zhì)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(shè)備的余熱結(jié)合起來，利用余熱鍋爐和過熱器產(chǎn)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(zhì)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(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(BPIGCC)。
傳統(tǒng)的BPIGCC技術(shù)包括生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術(shù)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(jīng)濟性較差。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)由于原料供應(yīng)問題，發(fā)電規(guī)模很難高于100MW，目前國際上正在建設(shè)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(zhì)的BPGICC項目的效率都在35%以上。比一般簡單的生物質(zhì)氣化)內(nèi)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(shè)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(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的經(jīng)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(jié)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(zhì)氣化發(fā)電有兩種基本的形式，一是采用內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)。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(nèi)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(zhì)量要求技術(shù)低，充許雜質(zhì)的含量較高(焦油可高于30ppm)，所以它的用途更廣泛。
