生物质能发电技术与装备
生物质能发电技术与装备
序言
能源是国民经济重要的基础产业，是人类生产和生活必需的基本物质保障。目前，能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源，化石能源资源的有限性和化石能源开发利用过程中引起的环境问题，对经济和社会的可持续发展产生了严重的制约。我国已成为能源生产和消费大国，在全国建设小康社会的进程中，如何改善能源结构，保障能源安全，减少环境污染，促进经济和社会的可持续发展，是我国面临的一个重大战略问题。
生物质是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，每年净光合作用产生的生物质约1700亿吨，其能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍，而作为能源的利用量还不到其总量的1%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐节将能量和碳素释放，放回自然界中。另一方面，由于过度消费化石燃料，过快、过早地消耗了这些有限的资源，释放出大量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，更加剧了环境和全球气候恶化。
通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料生产电力，从而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。目前，世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物智能利用技术，以达到保护矿产资源，保障国家能源安全，实现CO2减排，保持国家经济可持续发展的目的。
一、生物质
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。
二、生物质能
生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、
动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。
三、生物质能的分类
依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。
林业资源
林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。
农业资源
农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。
污水废水
生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。
固体废物
城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。
畜禽粪便
畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。
沼气
沼气就是由生物质能转换的一种可燃气体，通常可以供农家用来烧饭、照明。
四、生物质能的特点
可再生性
生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用；
低污染性
生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应；
广泛分布性
缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；
总量十分丰富
生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。
广泛应用性
生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等形式存在，应用在国民经济的各个领域。
五、生物质能利用现状
生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%-30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。
2006年底全国已经建设农村户用沼气池1870万口，生活污水净化沼气池14万处，畜禽养殖场和工业废水沼气工程2,000多处，年产沼气约90亿立方米，为近8000万农村人口提供了优质生活燃料。
中国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2,000万立方米。
六、生物质能发电技术
一、技术原理
1、生物质燃烧发电原理
生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热, 产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电能。在生物质燃烧发电过程中, 一般要将原料进行处理再进行燃烧以提高燃烧效率。例如, 燃烧秸秆发电时, 秸秆入炉有多种方式: 可以将秸秆打包后输送入炉; 也可以将秸秆粉碎造粒( 压块) 后入炉或与其他的燃料混合后一起入炉。生物质燃烧发电的技术已基本成熟, 已进入推广应用阶段, 这种技术大规模下效率较高, 单位投资也较合理, 但它要求生物质集中, 数量巨大。
2、生物质气化发电原理
经处理的（以符合不同气化炉的要求）生物质原料，由进料系统送进气化炉内。由于有限地提供氧气，生物质在气化炉内不完全燃烧，发生气化反应，生成可燃气体─—气化气。气化气一般与物料进行热交换以加热生物质原料，然后经过冷却及净化系统。在该过程中，灰分、固体颗料、焦油及冷凝物被除去，净化后的气体即可用于发电，通常采用蒸汽轮机、燃气轮机及内燃机。因此,生物质气化是在高温下部分氧化的转化过程。该过程
是直接向生物质通气化剂（空气、氧气或水蒸汽），使之在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体的过程。
生物质气化发电有3种方式。（1）作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽轮机发电。这种方式对气体要求不很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。气化气经过旋风分离器除去杂质和灰分即可使用，不需冷却。燃烧器在气体成分和热值有变化时，能够保持稳定的燃烧状态，排放物污染少。（2）在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种利用方式要求气化压力在10~30kg/cm2，气化气也不需冷却，但有灰尘、杂质等污染的问题。（3）在内燃机内燃烧带动发电机发电。这种方式应用广泛，而且效率较高。但该种方式对气体要求严格，气化气必须净化及冷却。
3、生物质厌氧消化发电原理
厌氧消化：在隔绝氧气的密闭反应器中，采用天然菌团将生物质分解，产生甲烷，用于发电
包括：湿式连续多级发酵系统、干式单级发酵系统。
4、生物质直接燃烧技术与生物质气化技术的比较
生物质直接用来燃烧简化了环节和设备，减少了投资，但利用率还比较低，利用的范围还不是很广。由于中国生物质分布分散，成为大规模利用生物质直接燃烧技术发电较大障碍。然而秸秆类生物质因为含有较多的K、Cl等无机物质，在燃烧过程中很容易出现严重的积灰、结渣、聚团和受热面腐蚀等碱金属问题，碱金属问题是秸秆大规模燃烧利用面临的严峻挑战，这些还需要进一步研究解决问题的方法。生物质气化技术能够一定程度上缓解中国对气体燃料的需求，生物质被气化后利用的途径也得到相应的扩展，提高了利用效率。
七、生物质能发电装备
1、燃烧发电装备
生物质在适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽驱动汽轮发电机发电。包括生物质锅炉直接燃烧发电和生物质一煤混合燃烧发电。生物质发电装备中锅炉是关键设备，世界上生物质燃烧发电发达的几个国家目前均使用的是振动炉排锅炉，技术较为成熟，热效率也很高，达到9l％以上。炉排炉的核心部件是炉排，通过可移动、可调节的炉排控制生物质在炉中的移动，并使炉排炉的一次空气量可调节，达到调节燃烧进程的目的。炉排冷却方式、炉排材质方面的改进也大大提高了炉排的使用寿命。
2、气化发电装备
生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。气化发电工艺包括3个过程，一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电；有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机。
气化炉类型分为固定床气化炉和流化床气化炉。
（1）固定床气化炉
固定床气化炉中气化反应在一个相对静止的床层中进行，依次完成干燥、热解、氧化和还原反应过程，将生物质原料转变成可燃气体。根据气流方向的不同，固定床气化器又分为上吸式气化器和下吸式气化器。
上吸式气化炉，原料从上部加入，然后依靠重力向下移动；空气从下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。原料移动方向与气流方向相反，又称逆流式气化器。刚进入气化器，原料遇到下方上升的热气流，首先脱除水分，但温度提高到250℃以上时，发生热解反应，析出挥发分，余下的木炭再与空气发生氧化和还原反应。空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应，温度迅速升高到1 000℃以上，然后通过还原层转变成含一氧化碳和氢等可燃气体后，进入热解层，与热解层析出的挥发分合成为粗燃气，也是气化器的产品。
下吸式气化炉，作为气化剂的空气从气化炉侧壁空气喷嘴吹人，产出气的流动方向与物料下落的方向一致，故下吸式气化炉也称为顺流式气化炉。吹人的空气与物料混合燃烧，这一区域称为氧化区，温度约为900～1 200℃，产生的热量用于支持热解区裂解反应和还原区还原反应的进行;氧化区的上部为热解区，温度约为300～700℃，在这一区域，生物质中的挥发分(裂解气、焦油以及水分)被分离出来；热解区的上部为干燥区，物料在此区域被预热；氧化区的下部为还原区，氧化区产生的CO 、炭和水蒸气在这一区域进行还原反应，同时残余的焦油在此区域发生裂解反应，产生以CO和H 为主的产出气，这一区域的温度约为700～900℃。来自热解区富含焦油的气体须经过高温氧化区和以炽热焦炭为主的还原区，其中的焦油在高温下被裂解，从而使产出气中的焦油大为减少。
（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。鼓泡流化床气化炉中气流速率相对较低，几乎没有固体颗粒从流
化床中逸出，比较适合于颗粒较大的生物质原料，而且一般必须增加热载体。而循环流化床气化炉中流化速率相对较高，从流化床中携带出的大量固体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。
在生物质气化过程中，流化床首先通过外加热达到运行温度，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了能量转化，从而生产出需要的燃气。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。流化床气化炉良好的混合特性和较高的气固反应速率使其非常适合于大型的工业供气系统。因此，流化床反应炉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。
流化床气化炉一般气化过程采用空气作气化剂，所以流化床气化炉下部一般是燃烧的热空气，中一上部为燃气混合气，两部分的气体体积变化较大，为了保证流化床运行在合理的流化速率范围，一一般设计采用下部小、上部大的变截面结构。
中国林业科学研究院林产化学工业研究所开发研制了内循环锥型鼓泡流化床系统。由于锥形流化床截面积随高度变化，存在着速度梯度；底部截面积较小，流速较高，可以保证大颗粒的流化，而在顶部截面积较大，流速低，可防止颗粒的带出。这样在一定的流体流量下，能使大小不同的颗粒都能在床层中流化，另一方面可以使流化床轴方向气速基本不变，有效降低流化床炭粉夹带量，同时增加设备的操作弹性。内循环锥形流化床气化炉作为气化装置，流化床气化炉的气化能力比固定床高5～l0倍，气体的热值可提高20％左右。气化产生的灰渣直接由煤气从炉顶带出气化炉，气化炉可连续长时间稳定地运行。
中国科学院广州能源所开发的循环流化床速度最快，它适用于较小的生物质颗粒，在大部分情况下，它可以不必加流化床热载体，因此运行最简单。循环流化床气化装置的成功运行，使气化技术提高到一个新的水平，它为生物质的大规模工业化应用奠定了基础。
3、厌氧消化发电（沼气发电）装备
（1）单燃料沼气发电机组工作原理及优点：
将“空气沼气”的混合物在气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。①不需要辅助燃料油及其供给设备②燃料为一个系统，在控制方面比可烧两种燃料的发电机组简单③发电机组价格较低
（2）双燃料沼气-柴油发电机组工作原理及优点：
将“空气燃烧气体”的混合物在气缸内压缩，用点火燃料使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。①用液体燃料或气体燃料都可工作②对沼气的产量和甲烷浓度的变化能够适应③如由用气体燃料转为用柴油燃料在停止工作，发电机组内不残留未燃烧的气体，因为饿耐腐蚀性好两种沼气发电机组缺点:工作受到供给的沼
气的数量和质量的影响①用气体燃料工作时也需要液体辅助燃料②需要液体燃料供
给设备③控制机构稍复杂④借个较单燃料式发电机组稍高
八、总结
生物质遍布世界各地，蕴藏量极大，仅地球上的植物每年产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍，因此在全球能源结构中占有十分
重要的地位。(8)
在当前全球能源和环境向人类亮出“黄牌警告”之时，以高新技术将可再生的生物质能转化为洁
净的高品位气体和液体燃料作为化石燃料的替代能源，用于电力、交通运输、城市煤气等方面，颇受世界各国的重视。生物质发电技术由于其原料的可再生及对环境的友好，因而受到越来越多的
关注。
对于生物质大规模燃烧发电来说, 近期有前景的应用也许是在现有电厂利用木材或农作物的残余物与煤的混合燃烧。发展生物质气化发电技术, 将固体生物质转换成高品位的气体燃料使用, 是有效利用生物质能源, 并使能源结构从以矿物燃料为主向以可再生能源为主的持续能源系统转变的重要措施之一。沼气工程技术治理环境污染、获取绿色能源更为经济、实用的手段,从我国沼气产量潜力、发电技术水平、市场需求和政策导向的发展趋势
来看, 沼气发电的产业将有突破性进展。今后的几十年是中国将在以生物能为主的可再生能源技术领域, 进入高新技术开发与大规模推广并举的发展阶段。我们要紧紧抓住机遇促进生物质能源产业和市场的全面发展。
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