1、生物質氣化發電技術 1.氣化發電的工作原理及工藝流程1.1氣化發電工作原理生物質氣化發電技術的基本原理是把生物質轉化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。它既能解決生物質難于燃用而又分布分散的缺點，又可以充分發揮燃氣發電技術設備緊湊而污染少的優點，所以是生物質能最有效最潔凈的利用方法之一。氣化發電過程包括三個方面，一是生物質氣化，把固體生物質轉化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質，包括灰份、焦炭和焦油等，需經過凈化系統把雜質除去，以保證燃氣發電設備的正常運行；三是燃氣發電，利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發電，有的工藝為了提高發電效率，發電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽

2、輪機。生物質氣化發電技術是生物質能利用中有別于其他可再生能源的獨特方式，具有三個方面特點：一是技術有充分的靈活性，由于生物質氣化發電可以采用內燃機，也可以采用燃氣輪機，甚至結合余熱鍋爐和蒸汽發電系統，所以生物質氣化發電可以根據規模的大小選用合適的發電設備，保證在任何規模下都有合理的發電效率。這一技術的靈活性能很好地滿足生物質分散利用的特點；二是具有較好的潔凈性，生物質本身屬可再生能源，可以有效地減少CO2、SO2等有害氣體的排放。而氣化過程一般溫度較低（大約在700-900oC），NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放；三是經濟性，生物質氣化發電技術的靈活性，可以保證該技術在小規模下有

3、效好的經濟性，同時燃氣發電過程簡單，設備緊湊，也使生物質氣化發電技術比其他可再生能源發電技術投資更小，所以總的來說，生物質氣化發電技術是所有可再生能源技術中最經濟的發電技術，綜合的發電成本已接近小型常規能源的發電水平。典型的生物質氣化發電工藝流程如圖1-1所示。圖1-1氣化發電系統流程圖生物質循環流化床氣化發電裝置主要由進料機構，燃氣發生裝置，燃氣凈化裝置，燃氣發電機組、控制裝置及廢水處理設備六部分組成： 進料機構：進料機構采用螺旋加料器，動力設備是電磁調速電機。螺旋加料器既便于連續均勻進料，又能有效地將氣化爐同外部隔絕密封起來，使氣化所需空氣只由進風機控制進入氣化爐，電磁調速電機則可任意調節

4、生物質進料量。燃氣發生裝置： 氣化裝置可采用循環流化床氣化爐或其他可連續運行的氣化爐，它主要由進風機，氣化爐和排渣螺旋構成。生物質在氣化爐中經高溫熱解氣化生成可燃氣體，氣化后剩余的灰份則由排渣螺旋及時排出爐外。燃氣凈化裝置： 燃氣需經凈化處理后才能用于發電，燃氣凈化包括除塵、除灰和除焦油等過程。為了保證凈化效果，該裝置可采用多級除塵技術：例如慣性除塵器、旋風分離器、文氏管除塵器、電除塵等，經過多級除塵，燃氣中的固體顆粒和微細粉塵基本被清洗干凈，除塵效果較為徹底；燃氣中的焦油采用吸附和水洗的辦法進行清除，主要設備是兩個串聯起來的噴淋洗氣塔。燃氣發電裝置：可采用燃氣發電機組或燃氣輪機。由于目前國內

5、燃氣內燃機的最大功率只有500kW,故大于500kW發電機系統可由多臺500kW的發電機并聯而組成。燃氣輪機必須根據燃氣的要求進行相應的改造，目前該項技術國內還未開展，國外技術也不成熟，所以成本較高。控制裝置：由電控柜，熱電偶及溫度顯示表，壓力表及風量控制閥所構成。在用戶需要實業可增加相應的電腦監控系統。廢水處理設備：采用過濾吸附、生物處理或化學、電凝聚等辦法處理廢水，處理后的廢水可以循環使用。1.2生物質氣化發電技術的分類生物質氣化發電系統由于采用氣化技術和燃氣發電技術的不同，其系統構成和工藝過程有很大的差別。從氣化形式上看，生物質氣化過程可以分成為固定床和流化床兩大類，固定床氣化包括上吸式

6、氣化、下吸式氣化和開心層下式氣化三種，現在這三種形式的氣化發電系統都有代表性的產品。流化床氣化包括鼓泡床氣化、循環流化床氣化及雙流化床氣化三種。這三種氣化發電工藝目前都有研究，其中研究和應用最多是循環流化床氣化發電系統。（另外，國際上為了實現更大規模的氣化發電方式，提高氣化發電效率，正在極積開發高壓流化床氣化發電工藝。）從燃氣發電過程上看，氣化發電可分為內燃機發電系統，燃氣輪機發電系統及燃氣蒸汽聯合循環發電系統。內燃機發電系統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，它的特點是設備緊湊，系統簡單、技術較成熟、可靠；燃氣輪機發電系統采用低熱值燃氣輪機，燃氣需增壓，否則發

7、電效率較低，由于燃氣輪機對燃氣質量要求高，并且需有較高的自動化控制水平和燃氣輪機改造技術，所以一般單獨采用燃氣輪機的生物質氣化發電系統較少。燃氣蒸汽聯合循環發電系統是在內燃機、燃氣輪機發電的基礎上增加余熱蒸汽的聯合循環，該種系統可以有效地提高發電效率。一般來說，燃氣蒸汽聯系循環的生物質氣化發電系統采用的是燃氣輪發電設備，而且最好的氣化方式是高壓氣化，構成的系統稱為生物質整體氣化聯合循環（B/IGCC）。它的一般系統效率可以達40%以上，是目前發達國家重點研究的內容。傳統的B/IGCC技術包括生物質氣化，氣體凈化，燃氣輪機發電及蒸汽輪機發電。由于生物質燃氣熱值低（約1200kcal/m3），爐子

8、出口氣體溫度較高（800以上），要使IGCC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IGCC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，氣體的整體效率一般都低于35%。從純技術的角度看，生物質IGCC技術可以大大地提高生物質氣化發電的總效率。目前國際上有很多先進國家開展這方面研究，如美國Battelle (63MW)和夏威夷（6MW）項目，歐洲英國（8MW）和芬蘭（6MW）的示范工程等，但由于焦油處理

9、技術與燃氣輪機改造技術難度很高，仍存在很多問題，如系統未成熟，造價也很高，限制了其應用推廣。以意大利12MW 的IGCC示范項目為例，發電效率約為31.7%，但建設成本高達25000元/kW，發電成本約1.2元/kW.h，實用性仍很差。 近年來，歐洲為了解決開展了新的氣化發電工藝研究(JOULE II項目)，如比利時（2.5MW）和奧地利（TINA,6MW）開展的生物質氣化與外燃式燃氣輪機發電技術。它的主要目的是發展適合于中小型規模使用的生物質氣化發電技術，解決B/IGGCC過程中碰的難題，提高生物質氣化發電技術的實用性，它的基本原理是生物質氣化后，燃氣不需經過交貨除焦，直接在燃燒器中燃燒，燃

10、燒后的煙氣用來加熱高壓的空氣，最后由高溫高壓空氣推動燃氣輪機發電，該技術路線的最大優點是避開了高溫除塵及除焦兩大難題，但最大的難題是高溫空氣供熱設備的材料和工藝問題。由于該項目的設備可靠性和造價問題，目前還很難進入實際應用（圖1-2）圖1-2 Free Un流程從發電規模上分，生物質氣化發電系統可分為小型、中型、大型三種，小型氣化發電系統簡單靈活，主要功能為農村照明或作為中小企業的自備發電機組，它所需的生物質數量較多少，種類單一，所以可以根據不同生物質形狀選用合適的氣化設備，一般發電功率，<200KW。中型生物質氣化發電系統主要作為大中型企業的自備電站或小型上網電站，它可以適用于一種或多

11、種不同的生物質，所需的生物質數量較多。需要粉碎、烘干等預處理，所采用的氣化方式主要以流化床氣化為主，中型生物質氣化發電系統用途廣泛，適用性強，是當前生物質氣化技術的主要方式，功率規模一般在5003000KW之間。大型生物質氣化發電系統主要功能是作為上網電站，它可以適用的生物質較為廣泛，所需的生物質數量巨大，必須配套專門的生物質供應中心和預處理中心，是今后生物質利用的主要方面。大型生物質氣化發電系統功率一般在5000KW以上，雖然與常規能源比仍顯得非常小，但在生物質能發展成熟后，它將是今后替代常規能源電力的主要方式之一。表1-1各種生物質氣化發電技術的特點規模氣化過程發電過程主要用途小型系統功率

12、200KW固定床氣化流化床氣化內燃機組微型燃氣輪機農村用電中小企業用電中型系統500KW功率3000KW常壓流化床氣化內燃機大中企業自備電站、小型上網電站大型系統5000KW常壓流化床氣化、高壓流化床氣化、雙流化床氣化內燃機+蒸汽輪機燃氣輪機+蒸汽輪機上網電站、獨立能源系統 在中國目前條件下研究開發與國外相同技術路線的B/IGCC的大型氣化發電系統，由于資金和技術問題，將更加較困難。由于我國工業水平的限制，目前，我國小型燃氣輪機（5000kW）的效率僅有25%左右（僅能用于天燃氣或石油，如果利用低熱值氣體，效率更低），而且燃汽輪機對燃氣參數要求很高（進口燃氣H2S200mg/N m3

13、，萘100mg/N m3，HCN150mg/N m3，焦油與雜質100mg/N m3）。而國外的燃汽輪機的造價很高，單位造價約達7000元/KW左右(系統造價將達15000元/ kW以上)。另外，由于我國仍未開展生物質高壓氣化的研究，所以在我國如果研究傳統的B/IGCC系統，以目前的水平其效率將低于30%，而且有很多一時難以解決的技術問題。針對目前我國具體實際，采用氣體內燃機代替燃氣輪機，其它部分基本相同的生物質氣化發電過程，不失為解決我國生物質氣化發電規模化發展的有效手段。一方面，采用氣體內燃機可降低對燃氣雜質的要求（焦油與雜質含量100mg/N m3即可），可以大大減少技術難度。另一方面，

14、避免了調控相當復雜的燃氣輪機系統，大大降低系統的成本。從技術性能上看，這種氣化及聯合循環發電在常壓氣化下整體發電效率可達28%30%左右，只比傳統的低壓IGCC降低3%5%。但由于系統簡單，技術難度小，單位投資和造價大大降低（約5000元/kW）；更重要的是，這種技術方案更適合于我國目前的工業水平，設備可以全部國產化，適合于發展分散的、獨立的生物質能源利用體系，可以形成我國自己的產業，在發展中國家大范圍處理生物質中有更廣闊的應用前景。2生物質氣化發電的關鍵技術2.1生物質氣化工藝的設計與選用生物質的氣化有各種各樣的氣化工藝過程。從理論上講，任何一種氣化工藝都可以構成生物質氣化發電系統。但從氣化

15、發電的質量和經濟性出發，生物質氣化發電要求達到發電頻率穩定、發電負荷連續可調兩個基本要求，所以對氣化設備而言，它必須達到燃氣質量穩定，燃氣產量可調，而且必須參連續運行。在這些前提下，氣化能量轉換效率的高低是氣化發電系統運行成本的才是關鍵所在。氣化形式選定以后，從系統匹配的角度考慮，氣化設備應滿足以下要求：（1）產氣盡可能干凈，以減少后處理系統的復雜性，使焦油含量達到內燃機允許的程度。如果后續凈化系統選用催化裂解工藝，還要盡可能使原始氣中的焦油具有易于催化裂解的特點；（2）產氣熱值要高而且穩定，以提高內燃機的輸出功率，增大整個系統的效率；（3）設計氣化爐本體及加料排渣系統，應充分考慮原料特性，實

16、現連續運行；（4）充分利用余熱，提高能量利用率。表1-2是各種氣化爐的特性，是氣化發電系統選擇氣化爐形式和控制運行參數的制約條件。 表1-2幾種氣化形式對氣化發電系統性能的影響  上吸式 下吸式 鼓泡流化床 循環流化床原料適應性 適應不同形狀尺寸原料、含水量在15-45%間可穩定運行。大塊原料不經預處理可直接使用。  原料尺寸控制較嚴，需預處理過程。能適應不同種類的原料，但要求為細顆粒，原料需預處理過程。燃氣特點后處理過程的簡單性H2和CnHm含量少，CO2含量高，焦油含量高，需要復雜凈化處理。H2含量增加。焦油經高溫區裂解，含量減少。 與直徑

17、相同的固定床比，產氣量大4倍，焦油較少，燃氣成分穩定，后處理過程簡單。焦油含量少, 產氣量大,氣體熱值比固定床氣化爐高40%左右。后處理簡單。設備實用性、單爐生產能力、結構復雜程度、制造維修費用生產強度小。結構簡單、加工制造容易生產強度小結構簡單，容易實現連續加料。生產強度是固定床的4倍，但受氣流速度的限制。故障處理容易，維修費用低生產強度是固定床的8-10倍，流化床的2倍，單位容積的生產能力最大。故障處理容易，維修費用低。 與發電系統的匹配性工作安全、穩定。安全、穩定。操作安全穩定。負荷調節幅度受氣速的限制。負荷適應能力強，啟動、停車容易，調節范圍大，運行平穩。 從實際應

18、用上考慮，固定床氣化爐比較合適于小型、間隙性運行的氣化發電系統，它的最大優點是原料不用預處理，而具設備結構簡單緊湊，燃氣中含灰量較低，凈化可以采用簡單的過濾方式，但它最大的缺點是固定床不便于放大，難以實現工業化，發電成本一般較高。另外，固定床由于加料和排灰問題，不便于設計為連續運行的方式，對氣化發電系統的連續運行不利，而且燃氣質量容易波動，發電質量不穩定，這些方面都限制了固定床氣化技術在氣化發電系統中的大量應用，是小型生物質氣化發電系統實現產業化的最大技術難題。各種流化床氣化技術，包括鼓輪床、循環流化床、雙流化床等。是比較合造于氣化發電工藝的氣化技術，首先它運行穩定，包括燃氣質量，加料與排渣等

19、非常穩定，而且流化床的運行連續可調，最重要的一點是它便于放大，適于生物質氣化發電系統的工業應用。當然，流化床也有兩個明顯的缺點，一是原料需進行預處理，使原料滿足流化床與加料的要求；二是流化床氣化產生燃氣中飛灰含量較高，不便于后續的燃氣凈化處理，這兩方面都是目前生物質流化床工業應用正在研究解決主要內容。     圖1-3 流化床氣化器 生物質流化床氣化工藝有三種典型的形式，即鼓泡床氣化，循環流化床氣化及雙床氣化，（圖1-3圖1-4），三種流化床氣化爐中以循環流氣化速度最快。它適用于較小的生物質顆料，在大部人情況下它可以不必加流化床熱載體，所以它運

20、行最簡單，但它的炭回流難以控制，在炭回流較少的情況下容易變成低速率的載流床。鼓泡床流化速度較慢，比較合適于顆粒較大的生物質原料，而且一般必須增加熱截體。雙床系統是鼓泡床和循環流化床的結合，它把燃燒和氣化過程分開，燃燒床采用鼓泡床，氣化床采用循環流化床，兩床之間靠熱載體進行傳熱，所以控制好熱截體的循環速度和加熱溫度是雙床系統最關鍵也是最難的技術。總的來說流化床氣化由于存在著飛灰和夾帶炭顆嚴重，運行費用較大等問題，它不適合于小型氣化發電系統，只適合于大中型氣化發電系統，所以研究小型的流化床氣化技術在生物質能利用中很難有實際意義。    圖1-4 雙流化床氣化

21、器流化床氣化爐的放大設計是大中型生物質氣化發電系統應用必解決的關鍵技術之一，由于一般氣化過程采用空氣作氣化分質，所以流化床氣化爐的下部一般是燃燒的熱空氣中上部為燃氣混合氣、兩都的氣體體積變化較大，為了保證流休床運行在合理的流化速度范圍，一般設計時采用下部小，上部大的變戴面結構。（如圖1-5）             圖1-5流化床氣化爐結構示意圖    常壓流化床的放大有一定的限制，當氣化發電系統的發電規模大于100MW以后，由于流化床氣化設備的

22、體積過于龐大，加工氣化調諧和增壓燃氣輪機發電效率較低，常壓流化床已不能滿足氣化發電技術的要求，所以高壓氣化技術是氣化發電技術大型化和規模化發展的必然趨勢。表7-3是瑞典TPS公司對常壓及增加流化床（10-15atm）的理論計算結果比較，比較發現，當循環流化床的出力達150MW以后，常壓流化床的直徑已達5500mm，而增壓流化床氣化爐直徑才2300mm，所以此時采用高壓流化床氣化技術又非常必要，需要說明的是，由于生物質顆粒度的差別，對大部妥粉碎后的生物質，實際設計選用的參數要比表1-3的結果保守得到。例如對粉碎后的秸桿或一般木屑，20MW的循環流化床直徑已達3000mm,而不是理論計算的2001

23、mm，從這個角度出發，高壓氣化技術對大型生物質氣化發電系統顯得更為重要。表1-3常壓、高壓流化床理論直徑比數燃氣出力20MW50MW150MW常壓流化床 2100mm300mm5500mm高壓流化床（atm）1200mm160mm2300mm3生物質焦油裂解技術3.1生物質焦油的特性 生物質氣化的目標是得到盡可能多的可燃氣體產物，但在氣化過程中，焦炭和焦油都是不可避免的副產物。其中由于焦油在高溫時呈氣態，與可燃氣體完全混合，而在低溫時（一般低于200）凝結為液態，所以其分離和處理更為困難，特別對于燃氣需要降溫利用的情況（如燃氣用于家庭或內燃機發電時），問題更加突出。 焦油的存在對氣化有多方面的

24、不利影響，首先它降低了氣化效率，氣化中焦油產物的能量一般占總能量的515%，這部分能量是在低溫時難以與可燃氣體一道被利用，大部分被浪費，其次焦油在低溫時凝結為液態，容易和水、焦炭等結合在一起，堵塞送氣管道，使氣化設備運行發生困難。另外，凝結為細小液滴的焦油比氣體難以燃燼，在燃燒時容易產生炭黑等顆粒。對燃氣利用設備，如內燃機、燃氣輪機等損害相當嚴重，這就大大降低了氣化燃氣的利用價值。所以針對氣化過程產生的焦油，采取辦法把它轉化為可燃氣，既提高氣化效率，又降低燃氣中焦油的含量，提高可燃氣體的利用價值，對發展和推廣生物質氣化發電技術具有決定性的意義。3.2 焦油的特點在生物質熱轉換中，焦油的數量主要

25、決定于轉換溫度和氣相停留時間，與加熱速率也密切相關。對一般生物質而言，在500左右時焦油產物最多，高于或低于這一溫度焦油都相應減少（見圖1-6）。而在同一溫度下，氣相停留時間越長，意味著焦油裂解越充分。所以隨著氣相停留時間的增加，焦油產量會相應地減少（見圖1-7）。    圖1-6 生物質熱解時在不同溫度下的焦油產量 焦油的成份非常復雜，可以分析到的成份有100多種，另外還有很多成份難以確定，而主要成份不少于20種，大部分是苯的衍生物及多環芳烴，其中含量大于5%的大約有7種，它們是：benzene（苯），naphthalene（萘），toluene（甲苯），xyl

26、ene（二甲苯），styrene（苯乙烯），phernol（酚）和indene（茚），其它成份含量一般都小于5%，而且在高溫下很多成份會被分解。所以隨著溫度的升高，焦油含量中成份的數量越來越少（見圖1-8），因而在不同條件下（溫度、停留時間、加熱速率）焦油的數量和各種成份的含量都是變化的，任何分析結果只能針對于特定的條件而言。                圖1-7 停留時間對氣化產物的影響   圖1-8焦油種類與溫

27、度的關系 根據這些特點，我們應在氣化過程中盡可能提高溫度和氣相停留時間，減少焦油的產量和種類，以達到在氣化時控制焦油的產生，減少氣體凈化的難度。3.3 生物質焦油催化裂解3.3.1焦油催化裂解的原理  盡管在生物質氣化過程中采取各種措施控制焦油的產生，但實際上氣體中焦油的含量仍遠遠超出應用允許的程度，所以對氣體中的焦油進行處理，是有效利用燃氣必不可少的過程，其中焦油的催化裂解是最有效、最先進的辦法。以往簡單的水洗或過濾等辦法，只是把焦油從氣體中分離出來，然后作為廢物排放，既浪費了焦油本身的能量，又會產生大量的污染。而焦油熱裂解卻可把焦油分解為永久性氣體，與可燃氣一起被利用。所以它既減

28、少了焦油含量，又利用了焦油中的能量。但熱裂解需要很高的溫度（10001200），所以實現較困難。催化裂解利用催化劑的作用，把焦油裂解的溫度大大降低（約750900），并提高裂解的效率，使焦油在很短時間內裂解率達99%以上。化學式描述裂解的轉化過程。但不管何種成份，裂解的最終產物與氣化氣體的成份相似，所以焦油裂解對氣化氣體質量沒有明顯影響，只是數量有所增加。對大部分焦油成份來說，水蒸汽在裂解過程中有關鍵的作用，因為它能和某些焦油成份發生反應，生成CO和H2等氣體，既減少炭黑的產生，又提高可燃氣的產量。例如，萘在催化裂解時，發生下述反應3：C10H8+10H2O10CO+14H2C10H8+20H

29、2O10CO2+24H2C10H8+10H2O2CO+4CO2+6H2+4CH4由此可知，水蒸汽非常有利于焦油裂解和可燃氣體的產生。3.3.2 催化劑的特點及選擇 生物質焦油催化裂解原理與石油的催化裂解相似，所以關于催化劑的選用可從石油工業中得到啟發。但由于焦油催化裂解的附加值小，其成本要求很低才有實際意義。所以人們除利用石油工業的催化劑外，還大量研究了低成本的材料，如石灰石，石英砂和白云石等天然產物。 大量的實驗表明，很多材料對焦油裂解都有催化作用，其中效果較好又有應用前景的典型材料主要有三種，即木炭、白云石、鎳基催化劑，它們的主要性能列于表1-4中。表1-4 典型催化劑的主要特點名稱反應溫

30、度接觸時間轉化效率特點鎳基催化劑7501.0s97 %(1) 反應溫度低，轉換效果好4(2) 材料較貴，成本較高木炭8009000.5s0.5s91 %99.5%  (1) 木炭為氣化自身產物，成 本低(2) 隨著反應進行，木炭本身減少白云石*8009000.5s0.5s95 %99.8 % 轉換效率高，材料分布廣泛， 成本低*白云石的主要成份為CaCO3和MgCO3，不同地方出產的白云石成份略有不同。  從上面三種典型催化結果比較可知，鎳基催化劑的效果最好，在750時即有很高的裂解率，而其他材料在750裂解的效果還不理想，但由于鎳基催化劑較昂貴，成本較高，一般生物質氣化技

31、術難以應用，所以只能在氣體需要精制或合成汽油的工藝中使用。木炭的催化作用實際上在下吸式氣化爐中即有明顯的效果，但由于木炭在裂解焦油的同時參與反應，所以消耗很大（在1000時達0.1kg/Nm3）,對大型生物質氣化來說木炭作催化劑不現實，但木炭的催化作用對氣化爐的設計及小型氣化爐有一定的指導意義。 白云石（dolomite）是目前為止研究得最多和最成功的催化劑，雖然各地白云石的成份略有變化，但都有催化效果，一般當白云石中CaCO3 / MgCO3在11.5時效果較好。白云石作為焦油裂解催化劑的主要優點是催化效率高，成本低，所以具有很好的實用價值。 3.3.3焦油催化裂解的工藝條件

32、60; 焦油催化裂解除要求合適的催化劑外，還必須有嚴格的工藝條件。和其他催化過程一樣，影響催化效果最重要因素有溫度和接觸時間，所以其工藝條件也是根據這方面的要求來確定的。下面以白云石為例，分析這些工藝條件的特點 1）溫度：任何催化過程必須在合適的溫度下才能進行，白云石對焦油的裂解在800以上即有很高的裂解率，而在900左右即可得到理想的效果（見圖7-9），這一溫度和生物質氣化的溫度相近6，所以比較容易實現，這也是白云石被廣泛使用的主要原因之一。 2）接觸時間：焦油和催化劑的接觸時間是決定催化效果的另一重要因素。由于接觸時間又是由氣相停留時間和催化劑的比表面積決定的，所以氣相停留時間和白云石和顆

33、粒大小成為催化裂解的重要工藝條件。在同一條件下，氣相停留時間越長，裂解效果越好(見圖1-9和見圖1-10)。                   圖1-9白云石中裂解床溫度和床高與焦油含量的關系            圖1-10白云石裂解床焦油轉化率與停留時間的關系   對于不同的接觸方式，氣相停留時間的要求不同，例如，在800

34、時，對dp5mm的固定床，氣相停留時間一般要求在0.5s左右，而對于dp1.5mm的流化床，氣相停留時間僅需0.10.25s即可7。同樣的白云石的直徑越小，催化效果越好（見圖1-11），但顆粒直徑太小，對固定床來說，阻力太大，而對流化床來說飛灰損失太嚴重，所以白云石的直徑有一合適范圍，一般dp為2.07.0mm為好。  圖1-11白云石直徑對焦油裂解旅的影響3.3.4實現催化裂解工藝要求的關鍵 對理想的白云石催化劑，裂解焦油的首要條件是足夠高的溫度（800以上），這一溫度與流化床氣化爐的運行溫度相似。有關的實驗表明，把白云石直接加入流化床氣化爐中對焦油有一定的控制效果，但并不能完全解

35、決問題。這主要是由于氣化爐中焦油與催化劑的接觸并不充分（因為焦油的產生主要在加料口位置，但即使循環流化床，加料口以上的催化劑數量也不可能很多）。所以為了達到預期效果，氣化和焦油裂解一般要求在兩個分開的反應爐中進行，這就使實際應用出現下列難題：(1) 氣化爐出口氣體的溫度已降至600左右，為了使裂解爐的溫度維持在800以上，必須外加熱源或使燃氣部分燃燒（一般燃燒份額為510%），這就使氣化氣體質量變差，而且顯熱損失增加。(2)   不管裂解爐采用固定床還是流化爐，氣化氣體中灰分或炭粒都有可能引起裂解爐進口堵塞。所以裂解爐和氣化爐之間需增加氣固分離口裝置，但不能使氣體溫度下降太多，這就使

36、系統更加復雜。(3)   由于焦油裂解需獨立的裝置，而且由于高溫的要求，裂解裝置要連續進行（否則效率太低），這就使催化裂解技術只適于較大型的氣化系統，限制了該技術和適用性。 所以應用焦油催化裂解的關鍵，就是針對不同的氣化特點，設計不同的裂解爐，盡可能降低裂解爐的能耗并提高系統熱效率。 關于白云石對焦油的裂解作用，有關研究者已取得一致結論，目前的主要課題是如何把該技術應用到實際的氣化工程中。由于催化裂解需要專門的設備，系統復雜，運行成本較高，小型氣化系統很難使用，而生產實踐大中型氣化系統仍較少，所以目前實際上焦油催化裂解爐應用極少，只有少數的示范項目和中試裝置。 對于大中型氣化系統，氣

37、化爐和裂解爐一般都采用循環流化床形式（見圖1-12），由于裂解爐采用流化床反應器，白云石的磨損嚴重，所以需連續補充白云石的裝置和復雜的除塵系統。這種工藝路線的特點是適于大規模氣化利用，焦油裂解效率較高，其缺點是系統復雜，出口燃氣溫度高。                              &#

38、160;    圖1-12定型的循環流化床氣化和焦油裂解系統 對中小型的氣化裝置，較適宜采用結構簡單的固定床裂解器。為了解決裂解器出口燃氣溫度太高的難題，荷蘭特溫特大學提出了一種燃氣可以雙向流動的裂解工藝，稱反吹反應器（見圖1-13），它的基本原理是裂解氣的流向每隔一段時間切換一次，一方面利用裂解器本身的蓄熱特點把燃氣加熱，另一方面裂解后的氣體經過一段溫度較低的區域，使出口氣體溫度降低（見圖1-14），這樣減少熱損失，提高裂解器的熱效率。這一工藝流程的優點是系統簡單，裂解器可以在較高溫度下工作（1000），而不必消耗很多熱量（它消耗的能量公為其他裂解器的約1/4）

39、，它的缺點是需要精密的切換閥，這種閥門的耐熱性和耐磨性都要求很高。                      圖1-13 具有反吹裂解氣的氣化系統示意圖                        

40、           圖1-14番吹裂解器中溫度分布情況3.4 焦油的裂解技術在生物質氣化發電技術中的應用 生物質焦油除了催化裂解，還有高溫裂解，高溫裂解是最簡單的裂解方法，但它的裂解效果還沒有催化裂解好，它需要更高的溫度和更長的停留時間，裂解率一般也低于90%。 在生物質氣化發電技術中，由于發電系統的規模和采用氣化型式的不同，有效的裂解技術不一定是最經濟的辦法，所以催油裂技術的適用性需慎重考慮。 對中小型氣化發電系統，由于設備要求簡單可靠，焦油催化裂解很能滿足要求，因為焦油催化裂解需增加獨立的

41、設備，運行工況等條件要求較高，工藝過程和使系統控制過于復雜，失去了中小型氣化發電系統簡單靈活的優勢。在這種情況下，最好的辦法充分利用焦油高溫裂解技術，在氣化爐形成獨特的高溫（溫度需高于10000C），使氣化設備出口焦油含量盡量降低，這種要求顯然使氣化設備設計和控制難度增加，但仍可保證氣化發電系統有較高的靈活性和較好的經濟性。 對中型生物質氣化發電系統，可以考慮使用操作簡單制造成本低的固定床催化裂解工藝，同時實現高溫裂解和催化裂解的效果。但要充分照顧系統的運行成本和配套系統的成本，盡量保證氣化發電系統綜合和經濟性。圖7-15是一種以木炭為催化劑的催化裂解工藝，它可使木炭在高溫下燃燒，形成高溫區，

42、可燃氣中的焦油經過燃燒區時進行裂解木炭同時具有催化作用。 同時木炭與燃氣反應時可以生成更多燃氣，不必再生。該裂解工藝的關鍵是控制木炭燃燒溫度并保證裂解反應器不堵塞，是中等規模氣化發電系統可以考慮的一種簡單辦法。    對于大型氣化發電系統，可以考慮采用裂解效果最好，技術最復雜的流化床催化裂解工藝，但在設計時需結合氣化發電系統的特點，減少能耗、簡化配套系統和操作條件，同時考慮到經濟問題，必須盡可能選用價格較低，或易于再生的低成本催化劑，目前國內外這方面的技術還未成熟，需要進行更多的研究和實踐。      

43、              圖7-15 固定床催化裂解床7.3應用實例分析7.3.1小型生物質氣化發電系統  小型生物質氣化發電系統一般指采用固定氣化設備，發電規模在200KW以下的氣化發電系統。小型生物質氣化發電系統主要集中在發展中國家，特別是非洲、印度和中國等東南亞國家。美國、歐洲等發達國家雖然小型生物質氣化發電技術非常成孰，但由于發達國家中生物質能源相對較貴，而能源供應系統完善，對勞動強度大，使用不方便不方便的小型生物質氣化發電技術反應等非常少，只有

44、少數供研究用的實驗裝置。 1小型氣化發電系統的技術性能    中國有著良好的生物質氣化發電基礎，我國早在60年代初就開展該方面工作1,。研究了樣機并做了初步推廣, 還曾出口到發展中國家, 一度取得了較大的進展。但由于當時經濟環境的限制, 谷殼氣化發電很難在經濟上取得較好收益, 在很長一段時間上沒有新的改進。近年來, 中國的經濟狀況發生了明顯的變化, 因而利用谷殼氣化發電的外部經濟環境有了明顯的改善: 首先是中國能源供應持續緊張, 電力價格居高不下, 氣化發電可以取得顯著的效益; 其次是糧食加工廠趨向于大型化, 谷殼比較集中, 便于大規模處理, 氣化發電的

45、成本大大降低; 最后是環境問題, 丟棄或燃燒谷殼會產生環境污染, 處理谷殼已成為一種環保要求。目前160kW和200kW的生物質氣化發電設備在我國已得到小規模應用，顯示出一定的經濟效益。 在原來谷殼氣化發電技術的基礎上, 近年來中國對生物質氣化發電技術作了進一步的研究, 主要對發電容量大小和不同生物質原料進行了探索, 先后完成了2.5到200KW的各種機組的研制, 其主要特點見表7-7。 表7-7. 中國生物質氣化發電技術主要特點功率(KW)2.55.51260160200總效率(%)11.516141811.512.5氣化爐層式下吸式下吸式凈化 水 洗 過 濾

46、發電機內燃機 燃 料 生物質生物質 和 柴油 谷殼     中國現在生產的谷殼氣化發電設備主要有三種規格, 即60KW、160KW、200KW。由于氣化爐采用的是較簡單的下吸式氣化爐, 氣化效率等各種指標都較差, 以最典型的200KW機組為例, 其發電效率也僅為12.5% (見表7-8)。表7-8 200KW谷殼氣化發電機組的主要資料參 數投 資 (元)氣化爐直徑 (mm) 2000氣化爐 60000.氣體熱值 (MJ/m3) 4100凈化器 30000.氣化效率 (%) 47發電設備 320000.水洗塔直徑 (mm) 500原料系統 30000.氣體

47、停留時間 (s) 6.0管道 10000.耗水量 (m3/h) 3050 水處理 40000.壓縮比 9基建 50000.標定轉速 (r/min) 750管理費 10000. 熱效率 ( %) 26.6總投資 550000.2小型氣化發電系統的經濟性 谷殼氣化發電機組的固定投資主要包括設備和基建兩部分。表7-8列出了200KW氣化發電機組的投資組成, 其中設備投資是主要的, 單位功率的投資隨容量的增大而降低(見圖7-17), 而且發電設備(內燃機)所占的份額越來越大, 這也是小功率氣化發電機組經濟性差的主要原因。      

48、                                         圖7-17單位投資隨功率的變化     谷殼氣化發電的運行成本包括燃料和消耗材

49、料等。由于現在谷殼不能作飼料, 市場價已非常低, 有的地方甚至當廢料丟棄, 所以燃料價主要指谷殼的收集、運輸與處理費等。消耗材料主要指發動機使用的潤滑油和除焦用的冷卻水。維修費主要指零配件的更換與修理。電力價格以國內大部分地區的電網價為基準。具體內容見表7-9。從表中可知, 200KW谷殼氣化發電機組在目前條件可以取得可觀的經濟效益。從成本的敏感性上分析, 可以發現, 影響進行成本最大的因素是機組容量大小、燃料開支和運行時間三方面, 圖7-18 是在原料為100元/噸, 開工時間為6000小時/年情況下發電成本隨機組容量的變化。從圖可以發現, 小功率的氣化發電成本比柴油發電還要高。圖7-19

50、是在現有技術條件下發電成本隨原料價格的變化情況。圖7-20是原料為100元/噸時, 運行時間對發電成本的影響, 它說明了技術穩定性對降低成本的重要性。                                     

51、60;        圖7-18發電成本隨機組容量的變化                                        &#

52、160;     圖7-19 發電成本與生物質價格的關系                                          圖7-20

53、發電成本與運行時間的關系表 7-9 200KW谷殼氣化發電機組運行成本及經濟效益項目數量單價總開支(元/年)運行成本:人工10人6000元/人60000.燃料2361.6噸/年100元/噸236160.潤滑油3600kg/年7元/kg25200.水16000m3/年0.5元/m38000.投資費用:投資利息10%總投資55000元/年55000.設備維修5%機組投資25000元/年25000.總費用409360.經濟效益： 產品收益120萬kWh0.5元/kWh600000.年利潤190460.投資回收期（不考慮通脹因素）2.9（年）    在現有技術條

54、件下，由于各地原料、電價不同，谷殼氣化發電的經濟效益將有較大的變化。單純從經濟上考慮，谷殼氣化發電可行的標準是氣化發電機組的年收益高于設備的折舊費，或加上設備折舊費用后發電成本低于0.5元/ Kwh。圖7-16 到圖7-18中的虛線表示加上設備折舊后發電成本的臨界值。由圖中可知，谷殼氣化發電設備要能取得經濟效益，必須符合以下條件： （1）在現有技術條件下，原料價值不能高于150元/噸（包括運輸及預處理費用）；（2）在原料為100元/噸，機組運行時間為6000小時/年時，氣化發電容量不能低于60KW；（3）在發電容量為200KW，原料單價為100元/噸時，設備年運行時間不能低于2500

55、小時。7.3.2中型生物質氣化發電系統 中型生物質氣化發電系統一般指標采用流化床氣化工藝，發電規模在4003000KW的氣化發電系統。中型氣化發電系統在發達國家應用較早，所以技術較成熟，但由于設備造價很高，發電成本居高不下，所以，在發達國家應用極少，目前在歐洲有少量的幾個項目在測用中。近年我國開發出了循環流化床氣化發電系統，工藝流程如圖7-1所示，由于該系統有較好的經濟性，在我國推廣很快，所以已經是國際上應用等最多的中型生物質氣化發電系統。 1.中型氣化發電系統的技術性能 以1000KW的生物質氣化發電系統為例，在正常運行下，生物質循環流化床氣化發電系統氣化效率大約在75%左右，系統發電效率在1518%之間，單位電費對原料的要需求量為1.51.8lg/kw.h（谷殼），或1.251.35lg/kw.h木屑。但由于氣化工藝的影響，在不同的溫度下進行氣化，氣化生成的燃氣質量和氣化效率有明顯的變化，具體變化情況見表7-10、表7-12 表7-10溫度對木粉的氣化發電系統技術參數的影響影響因素620750820