（控制理论与控制工程专业论文）生物质发电气化过程机理分析与建模研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 生物质发电是生物质能利用的一种重要技术，可将农、林业废弃物以及生活、 工业有机垃圾等转换成清洁、高效的电能，对于保护和改善生态环境、充分利用可 再生能源具有重要意义。目前国内外在生物质气化发电技术方面，由于缺乏对气化 过程特性机理建模和参数优化的研究，使得气化气中焦油和污染物的含量过高，燃 气品质难以保证，进而对燃气轮机等发电设备带来不利的影响，降低了燃气的利用 价值。据此对于生物质气化过程的建模和重要参数的优化研究和探讨具有实际意 义。本论文完成的主要工作如下：( 1 ) 查阅了国内外大量相关的文献资料，深入分析 了生物质气化过程的机理。( 2 ) 基于热化学平衡机理，建立了一种气化过程的平衡 模型，通过模拟计算对气化过程性能指标及参数优化等做了分析。( 3 ) 用神经网络 模型拟合了竹子和木粉两种生物质的气化反应过程，介绍了模型的建立过程，仿真 结果表明，模型对生物质气化反应的过程特性具有较好的模拟预测作用。 关键词：生物质，气化过程，机理分析，建模 a b s t r a c t b i o m a s sp o w e rg e n e r a t i o ni sak i n do fi m p o r t a i l tt e c l m o l o g yf o rt h eb i o m a s se n e r g y u t i l i z a t i o n ，w h i c hc a nt r a n s f o ma g r i c u l t u r a lw a s t e s 、d o m e s t i cr e m s ea n di n d u s t r i a l o r g a n i cg a r b a g ee t c i n t oc l e a ra n de f 行c i e n tp o w e r i ti ss i g i l i f i c a n tt ou s er e n e w a b l e e n e r g yt op r o t e c t 锄di m p r 0 v ee c o l o 西c a l le n v i r o n m e n t a tp r e s e n t ，b i o m a s sg a s i f i c a t i o n a n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sa r el a c ko ft h er e s e a r c ho nm o d e l i n ga n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n t h ec o n t e n to ft a ra n d c o n t a i l i n i n a t i o ni nb i o m a s s 如e lg a si st o oh i g l lt og u a r a n t e e 如e lg a sq u a l i t y i ti sh a m 向l t og a st u r b i n ea n di tc a nr e d u c e2 a s i f i c a t i o n 向e lg a sv a l u ei nu s e i ns h o r t ，t h ed i s c u s s i o n a n dr e s e a r c ho nm o d e l i n ga n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nh a si m p o r t a n ts i l m i f i c a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n t h em a i nw o r ki sa s f o l l o w s ：( 1 ) m e c h a i l i s ma n a l y s i si sc o m p l e t e db y1 0 0 k i n gu pl i t e r a t l l r ei na n da b r o a d ( 2 ) t - h ee q u i l i b r i u mm o d e li sb u i l tb a s e do nt h e m o c h e m i c a le q u i l i b r i 啪m e c h a n i s m s e n s i t i v i t ys n l d i e sa n dp a r 锄e t e ro p t i m i z a t i o no nb i o m a s sg a s i f i c a t i o na r ec o m p l e t e d ( 3 ) t h eg a s i f i c a t i o no ft h eb a m b o oa n dt h ew o o dp o w d e ra r e1 f i t t e dw i t ht h en e u r a l n e t w o r km o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h i sm o d e lh a sg o o df i t t i n ge f - f e c to n p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co fg a s i f i c a t i o n z h a n gr u i x i a n g ( c o n t r o lt h e o 巧a n dc o n t r o le n g i n e e r ) d i r e c t e db yp r o f l id a z h o n g k e yw o r d s ：b i o m a s s ， g a s i 6 c a t i o np r o c e s s ， m e c h a n i s ma n a i y s i s ， m o d e l i n g 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 生物质发电是生物质能利用的一种重要技术，可将农、林业废弃物以及生活、 工业有机垃圾等转换成清洁、高效的电能，对于保护和改善生态环境、充分利用可 再生能源具有重要意义。目前国内外在生物质气化发电技术方面，由于缺乏对气化 过程特性机理建模和参数优化的研究，使得气化气中焦油和污染物的含量过高，燃 气品质难以保证，进而对燃气轮机等发电设备带来不利的影响，降低了燃气的利用 价值。据此对于生物质气化过程的建模和重要参数的优化研究和探讨具有实际意 义。本论文完成的主要工作如下：( 1 ) 查阅了国内外大量相关的文献资料，深入分析 了生物质气化过程的机理。( 2 ) 基于热化学平衡机理，建立了一种气化过程的平衡 模型，通过模拟计算对气化过程性能指标及参数优化等做了分析。( 3 ) 用神经网络 模型拟合了竹子和木粉两种生物质的气化反应过程，介绍了模型的建立过程，仿真 结果表明，模型对生物质气化反应的过程特性具有较好的模拟预测作用。 关键词：生物质，气化过程，机理分析，建模 a b s t r a c t b i o m a s sp o w e rg e n e r a t i o ni sak i n do fi m p o r t a i l tt e c l m o l o g yf o rt h eb i o m a s se n e r g y u t i l i z a t i o n ，w h i c hc a nt r a n s f o ma g r i c u l t u r a lw a s t e s 、d o m e s t i cr e m s ea n di n d u s t r i a l o r g a n i cg a r b a g ee t c i n t oc l e a ra n de f 行c i e n tp o w e r i ti ss i g i l i f i c a n tt ou s er e n e w a b l e e n e r g yt op r o t e c t 锄di m p r 0 v ee c o l o 西c a l le n v i r o n m e n t a tp r e s e n t ，b i o m a s sg a s i f i c a t i o n a n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sa r el a c ko ft h er e s e a r c ho nm o d e l i n ga n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n t h ec o n t e n to ft a ra n d c o n t a i l i n i n a t i o ni nb i o m a s s 如e lg a si st o oh i g l lt og u a r a n t e e 如e lg a sq u a l i t y i ti sh a m 向l t og a st u r b i n ea n di tc a nr e d u c e2 a s i f i c a t i o n 向e lg a sv a l u ei nu s e i ns h o r t ，t h ed i s c u s s i o n a n dr e s e a r c ho nm o d e l i n ga n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nh a si m p o r t a n ts i l m i f i c a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n t h em a i nw o r ki sa s f o l l o w s ：( 1 ) m e c h a i l i s ma n a l y s i si sc o m p l e t e db y1 0 0 k i n gu pl i t e r a t l l r ei na n da b r o a d ( 2 ) t - h ee q u i l i b r i u mm o d e li sb u i l tb a s e do nt h e m o c h e m i c a le q u i l i b r i 啪m e c h a n i s m s e n s i t i v i t ys n l d i e sa n dp a r 锄e t e ro p t i m i z a t i o no nb i o m a s sg a s i f i c a t i o na r ec o m p l e t e d ( 3 ) t h eg a s i f i c a t i o no ft h eb a m b o oa n dt h ew o o dp o w d e ra r e1 f i t t e dw i t ht h en e u r a l n e t w o r km o d e l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h i sm o d e lh a sg o o df i t t i n ge f - f e c to n p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co fg a s i f i c a t i o n z h a n gr u i x i a n g ( c o n t r o lt h e o 巧a n dc o n t r o le n g i n e e r ) d i r e c t e db yp r o f l id a z h o n g k e yw o r d s ：b i o m a s s ， g a s i 6 c a t i o np r o c e s s ， m e c h a n i s ma n a i y s i s ， m o d e l i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文生物质发电气化过程机理分析与 建模研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纨益半 日 期：盔望芝二! 垄 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 1 1 1 生物质能概述 第一章引言 一切有生命的可以再生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生 物。各种生物质之间存在着相互依赖和相互作用的关系。生物质能是指蕴藏在生物 质中的能量，生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：木材及森林工业 废弃物；农业废弃物；水生植物；油料植物；城市生活垃圾及工业废弃物； 排泄物。从本质上讲，生物质是由光和作用而产生的各种有机体，光和作用利用 空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气。植物 光合作用的简单过程如下： 工c d ，+ 旧，d 2 1 鱼笪堡旦 c ，( 日，d ) ，+ z d ， 一 - 7 ， - 在各种可再生能源中，生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能 而存储在生物中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量，是一种唯一可再生的 碳源，可转化成常规的固态、液态和气体燃料。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。随着矿物燃料的日益枯竭及 人类大量使用矿物燃料带来的日益严重的环境问题( 如温室效应、酸雨等) ，大力开 发清洁的可再生能源己成为摆在世界各国政府面前的一个非常紧迫的世界性课题。 生物质能和其它的可再生能源，如太阳能、风能、地热能等相比，具有以下特点： ( 1 ) 可再生性。生物质通过光合作用，不断吸收空气中的二氧化碳及水分，把 太阳能以化学能的形式储存于有机体内；人类通过燃烧等方式将存储于生物质体内 的化学能转化为热能、电能等，同时释放出二氧化碳和水。两个过程互相匹配，生 物质可以说是取之不尽，用之不竭的。 ( 2 ) 真正的“绿色能源 。开发“绿色能源”已成为当今世界上工业化国家开 源节流、化害为利和保护环境的重要手段。而生物质和常规矿物燃料相比，它的挥 发组份高、碳活性高、含硫量和灰份都比煤低，因此生物质能利用过程中s 0 2 和n o 。 的排放较少，造成的空气污染和“温室效应”现象减少。我国是世界上人口最多的 国家，经济发展面临资源和环境的双重压力。以煤为主的能源结构是造成环境污染 严重的主要原因。目前我国二氧化碳排放量排世界第二，仅次于美国，高于日本和 欧洲国家。虽然按照京都议定书，我国近期没有限排二氧化碳的义务，但是按 照我国的经济发展趋势，限制二氧化碳排放已纳入日程。 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2 开发生物质能的必要性 在面临矿产资源枯竭的背景下，全世界都在谋求以循环经济、生态经济为指导， 坚持可持续发展战略，从保护人类自然资源、生态环境出发，充分有效的利用可再 生的资源。而生物质能资源是最具潜力的可再生能源资源，它品种多，资源量可以 不断增加，而且采用的技术多样化，除转换成电力外，还可以转化为热能或液态燃 料使用。生物质能的开发可以解决化石能源日益减少、能源短缺的问题。表1 1 和 表1 2 列出了我国及世界的能源消费结构【l 】。从表中可以看出，近2 0 年来，我国的 煤炭在一次能源消费构成中约占7 0 7 5 ，与世界平均约为2 5 的水平相比，煤 炭仍是我国最主要的能源。从表1 2 中还可以看出，直至2 0 5 0 年，矿物燃料( 化石 能源) 仍是世界最主要的能源。 表1 1中国一次能源的消费结构( 单位：) 煤炭石油天然气矿物燃料水电核能与 ( 总量)新能源 我国作为世界上最大的发展中国家，2 1 世纪将面临人口、资源和环境的巨大压 力。由于我国地广人多，常规能源不可能完全满足日益增长对能源的需求，而且国 际在制定各种有关环境问题的公约，限制二氧化碳等温室气体的排放，这对以煤炭 为主的我国是不利的。因此，改变我国能源生产和消费方式，利用生物质能等可再 生的清洁能源对建立可持续的能源系统，促进国民经济和环境保护具有重大意义。 生物质能源和生物质利用的战略意义在于生物质具有多功能、多效益的特点以及在 满足国家重大战略需求方面的重要作用。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 3 生物质能发电技术 在可再生能源中，生物质能最具有发展前景。因为，化石能源也是生物质能衍 变而来的，都是利用太阳能将大自然中的c 0 2 和h 2 0 通过光合作用固定在植物上的碳 氢化合物，成为自然界中重要的碳氢资源【2 】。我国生物质能极为丰富，现在每年农 村中的秸秆量约6 5 1 08 吨，2 0 1 0 年将达到7 2 6x1 08 吨，相当于5 1 08 吨标煤【3 1 。 生物质发电将是中国最大的环保项目，可有效解决秸秆焚烧造成的大气污染，减少 温室气体排放，所以研究生物质能源发电技术有重要的意义。根据可再生能源中 长期发展规划确定的发展目标，到2 0 1 0 年生物质发电达到5 5 0 万千瓦，到2 0 2 0 年 生物质发电装机达到3 0 0 0 万千瓦【4 】。其中生物质发电技术主要包括直接燃烧发电技 术、混合燃烧发电技术和气化发电技术。 1 1 3 1 直接燃烧发电 直接燃烧通常是在蒸汽循环作用下将生物质能转化为热能和电能，生物质在锅 炉中燃烧，释放出热量，产生高温、高压的水蒸汽( 饱和蒸汽) ，在蒸汽过热器吸 热后成为过热蒸汽，进入汽轮机膨胀做功，以高速度喷向涡轮叶片，驱动发电机发 电。做功后的乏气在向冷却水释放出热量后凝结为水，经给水泵重新进入锅炉，完 成一个循环【5 】，系统示意如图1 一l 所示。 图1 1生物质直燃发电系统流程 汽轮机发电的效率取决于水蒸汽进入汽轮机的压力( 初压) ，初压越高，发电 效率就越高。生物质直接燃烧技术由于不存在转化过程热量损失，从理论上讲，是 能源利用效率比较高的一种利用方式。生物质燃烧技术主要考虑的因素有：( 1 ) 原 料密度，有些生物质( 如稻草、秸秆等) ，其堆积密度只有矿物燃料( 煤) 的l 1 0 1 2 0 ，因此利用这些生物质原料时一般需要先进行压缩处理。( 2 ) 水分，有些生物 质水分高达5 0 7 0 ，这些生物质在燃烧过程中蒸发需要吸收大量热量，大幅度降 3 华北电力大学硕士学位论文 低燃烧效率，因此一般需要预干燥处理。( 3 ) 颗粒尺寸，对些粒径比较大的生物 质原料( 如圆木) ，必须在燃烧前对其进行破碎处理。( 4 ) 挥发分，生物质挥发分 一般比较高，接近6 0 7 5 。对于炉排式锅炉，生物质燃烧主要不在炉排上而是上 部空间，因此燃烧生物质的锅炉必须有足够的燃烧空间，才能保证燃烧完全和蒸发 管安全。 生物质直燃发电是目前生物质发电发展最成熟、应用也最广泛的一种技术。从 2 0 世纪9 0 年代起，丹麦、奥地利等欧洲国家开始对生物质能发电技术进行开发和研 究。1 9 8 8 年丹麦建设了第一座秸秆生物质发电厂【6 】，目前，丹麦已经建立了1 3 0 家秸 秆发电厂，在可再生能源中生物质所占的比例为8 1 。 在国内，2 0 0 6 年1 1 月1 8 日，国能生物发电有限公司投资建设的国能单县生物 发电项目( b e ) 1 2 5 m w 机组顺利完成7 2 小时满负荷试运行，成为我国第一个投产 的国家级生物质发电示范项目。截至2 0 0 7 年9 月底，国能生物发电公司已投产项 目6 个，发电装机容量1 5 万千瓦。已消耗农林剩余物5 0 多万吨，向社会奉献绿色 清洁电量约5 亿千瓦时，为当地农民带来直接收入1 5 亿元以上，生物质发电产业 的巨大社会效益正在逐渐显现【7 1 。 1 1 3 2 混合燃烧发电 由于生物质的能量密度低、体积大，运输过程增加了c o z 的排放，不适应集中 的大型生物质发电厂。而分散的小型电站，投资、人工费高，效率低，经济效益差。 所以在大型燃煤电厂，将生物质与矿物燃料联合燃烧成为新的概念。它不仅为生物 质和矿物燃料的优化混合提供了机会，同时许多现存设备不需太大的改动，使整个 投资费用低。更积极的影响是：大型电厂的可调节性大，能适应不同混合燃烧，使 烧煤装置能适应当地生物质的特点。大多数燃煤电厂燃烧粉煤，生物质必须经过预 处理，因为磨煤机不适合粉碎树皮、森林残余物或木块等生物质。生物质与煤炭的 混合燃烧具有很大的潜力。这项技术十分简单，并且可以迅速减少二氧化碳的排放 量。生物质混合燃烧可有以下四种方式： ( a ) 生物质在一个独立系统中燃烧，产生的热用于现有电厂的锅炉； ( b ) 生物质在组装于燃煤锅炉炉膛中的炉排上燃烧； ( c ) 用专用粉碎机粉碎生物质，在燃煤锅炉中与粉煤一起燃烧； ( d ) 生物质在气化炉中气化，燃气作为锅炉燃料。 虽然生物质混合燃烧发电技术有很好的经济性，但是由于在管理中缺乏有效的 操作办法和监管手段，没有具体的补贴或保护政策，所以目前在我国应用还很少。 1 1 3 3 气化发电 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 4 华北电力大学硕士学位论文 燃气轮机进行发电。它既能解决生物质难于燃用而且分布分散的缺点，又可以充分 发挥燃气发电设备紧凑而且污染少的优点，所以气化发电是生物质能最有效最洁净 的利用方法之一。气化发电过程包括3 个方面：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，气化出来的燃气都含有一定的杂质，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【8 】。 生物质气化发电技术是生物质能利用中有别于其它利用技术的一种独特方式， 它具有3 个方面的特点：技术灵活性好，由于生物质气化发电可以采用燃气轮机， 也可以采用内燃机，甚至结合余热锅炉和蒸汽发电系统，即国外目前的主流技术 b i g c c ；具有较好的洁净性，可以有效的减少c 0 ：、s o ：等有害气体的排放，而气化 过程一般温度较低( 大约在7 0 0 9 0 0 ) ，n o 。的生成量很少，所以能有效控制n o 。 的排放；经济性好，生物质气化发电技术灵活、简单，比其它可再生能源发电技 术投资更小。因此，生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技 术，综合的发电成本己接近小型常规能源的发电水平。典型的生物质气化发电工艺 流程如图l 一2 所示【引。 图1 2生物质气化发电流程图 生物质气化发电技术在欧美等发达国家已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬 兰、德国、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【9 】。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，已 拥有装机容量为1 2 m w e 的区域供热站9 0 座。美国的生物质能发电的总装机容量已 超过1 0 0 0 0 m w ，单机容量达1 0 2 5 m w ；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，如菲律宾、马来西亚以及非洲的些国家，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。 5 华北电力大学硕士学位论文 中国生物质气化发电技术的研究始于六十年代，原料以稻( 谷) 壳为主并已经 研制出了样机和进行了推广，还曾出口到发展中国家，后因经济环境的限制和收益 不高等原因停止了这方面的工作。近年来，客观条件有了变化：第一是粮食加工趋 向大规模化，稻( 谷) 壳比较集中，便于收集，降低了气化发电成本；第二是随着 乡镇企业的发展和人民生活水平的提高，一些缺电、少电地方迫切需要电能；第三 是环境问题，丢弃或焚烧秸秆等将造成环境污染，而气化发电可以有效的利用废弃 的秸秆谷壳等，所以以秸秆、谷壳等为原料的生物质气化发电又逐渐得到人们的重 视；第四是生物质气化技术在许多省份的陆续应用与推广，农作物秸秆、木材生产 与加工的废弃物、薪炭林的营造等，为生物质气化提供了充足的原料；第五是气化 发电技术的进步和人们的认识与知识水平的提高，所有这些都有利于生物质气化发 电事业的发展。2 0 世纪9 0 年代，中国科学院广州能源所进行循环流化床的研究，在 生物质气化发电技术研究、开发和商业化方面取得了不少成果和经验。1 9 9 1 年第一 台直径为4 0 0 咖，高度为4 m ，加料量为每小时2 0 0 3 0 0 k g 的循环流化床气化装置， 由中国科学院广州能源研究所研制成功，在广东省湛江市模压木制品厂运行，利用 该厂所产生的木粉废料，转换成气体燃料作为锅炉的燃料，与煤共烧，每年节煤3 0 0 0 多吨，取得明显的社会和经济效益。以后又发展为系列产品，用于供热和发电。1 9 9 8 年第一台循环流化床气化装置与内燃机发电机组配套、出力1 0 0 0 k w 的稻壳气化发电 机组，在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行。随后，在海南三亚也建成1 0 0 0 k w 生物质示范电站，己成功运行3 年多，并在全国推广2 0 余套。目前，广州能源所完 成了“十五课题“4 0 0 0 k w 级生物质气化发电示范工程的研究工作【1 0 】。 生物质i g c c 作为先进的生物质气化发电技术，能耗比常规系统低，总体效率可 高于4 0 ，从1 9 9 0 年起引起了极大的兴趣【1 1 1 。目前国际上有很多发达国家把主要目 标集中于大型生物质气化发电技术上，在推广直接燃烧的同时，发展可以进入商业 应用的i g c c 发电系统。比如美国，目前正在进行的6 m w i g c c 项目和6 0 m w 中热值i g c c 项目都要求2 0 1 0 年左右完成，并进入工业示范应用，2 0 1 0 年计划总装机容量达到 6 1 g w ，2 0 2 0 年发电量计划达到2 0 0 t w h ( 1 t = 1 0 1 2 ) 。2 0 3 0 年，生物质发电技术将完全 市场化，成为主要的能源之一。美国能源部的电力研究协会( e p r i ) 在1 9 9 7 年给出 了直接燃烧发电技术与生物质整体气化联合循环( b i g c c ) 发电技术的一些性能参 数【l2 1 。直接燃烧的电站容量是5 0 m w 、发电效率是2 3 o 、投资成本是1 ，9 6 5 $ k w ，总 运行费用5 5 0 c k w h ；b i g c c 的电站容量是7 5 m w 、发电效率是3 6 o 、投资成本是 2 ，1 0 2 $ k w ，总运行费用3 9 8 c k w h 。显然，生物质气化发电技术比直接燃烧的发 电效率要高很多，而且运行费用也低。所以，研究生物质气化及发电技术有重要的 意义。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 2 生物质气化技术概述 1 2 1 气化技术历史 气化技术问世已经有2 0 0 多年的历史，有记载的商业应用可以上溯到1 8 世纪 3 0 年代。到了1 9 世纪5 0 年代，英国伦敦大部分城区都用上了以“民用气化炉产 生的“发生气”为燃料的“气灯”，并形成了生产“民用气化炉的行业，这种“民 用气化炉一所用的气化原料为煤和木炭。大约在1 8 8 1 年，这种“发生气 首次被 用于固定式的内燃机如排灌机械灯，并由此诞生了“动力气化炉。到了2 0 世纪2 0 年代，这种生物质气化动力气化系统的应用已由固定式的内燃机拓展到移动式的内 燃机如汽车、拖拉机等，应用范围由英国伦敦扩展到欧洲全境和世界其它一些地区。 第二次世界大战期间，由于当时几乎所有的石油燃料都被用于战争，民用燃料 匮乏，从而导致生物质气化技术得到迅猛发展，除非洲外的世界各大洲都出现了生 物质动力气化系统的应用，仅欧洲一地( 尤其是德国) 就用于车载气化器先后装备了 一百多万部交通运载工具，并形成了与此相配套的一整套技术。那时，以固定床气 化为主的生物质气化技术已达到相当完善的程度，所用气化原料主要是木炭和优质 硬木。 战争结束后，这些在战争应急机制下装载的大量车载气化器又都迅速遭到遗 弃，人们又转而使用更为便捷的石油燃料。随着中东地区廉价石油大量的开采，世 界几乎所有国家的能源结构都转向了以石油等化石燃料为主，生物质气化技术在较 长的时期内陷入停顿。1 9 7 3 年秋季发生的石油危机深刻影响和冲击了世界政治经济 格局，西方各主要工业国家都认识到常规能源的不可再生性和分布不均匀性。出于 对能源和环境的战略考虑，发达国家纷纷投入大量的人力和物力进行可再生能源研 究，作为一种重要的新能源技术，生物质气化的研究重新活跃起来，多学科的交叉 和渗透使这一技术得到新的发展，气化器除了过去的固定床气化器外，还发展了流 化床气化器和旋转床气化器等；适用原料也由木炭和优质的硬木扩大到几乎所有的 干生物质；产生的可燃气不仅用于燃料，也还用于发电，其中小型发电系统主要由 固定床气化器和内燃机组成，而大型发电系统一般由流化床气化器和燃气轮机组 成，目前已经出现了1 8 m w 的实验电站【l 引。 1 2 2 生物质气化原理 生物质气化是在不完全燃烧条件下，利用空气中的氧气或含氧物质作气化剂， 将生物质转化为含c o 、h ：、c h 。等可燃气体的过程。目前气化技术是生物质热化学 转化技术中最具实用性的一种，将低品位的固态生物质转化为高品位的可燃气体， 可用于驱动内燃机、汽轮机发电，农用灌溉设备，用于炊事、采暖和作物烘干等。 7 华北电力大学硕士学位论文 由于生物质原料由纤维素、半纤维素、木质素等组成，含氧量和挥发分都很高，活 性较强，更有利于气化，根据气化介质和气化炉的不同，燃气热值也会发生变化。 当采用空气作为气化剂进行气化时，燃气热值将在4 1 8 m j p m 3 的范围内变化【3 】。气 化反应过程同时包括固体燃料的干燥、热分解反应、氧化反应和还原反应【l4 1 。 生物质气化根据所处的气化环境可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热 解气化。空气气化技术直接以空气为气化剂，气化效率较高，是目前应用最广，也 是所有气化技术中最简单、最经济的一种。由于大量氮气的存在，稀释了燃气中可 燃气体的含量，氮气占到总体积的5 0 5 5 ，燃气热值较低，通常为5 6 m j p m 3 。可 直接用于供气、工业锅炉等。富氧气化使用富氧气体做气化剂，在与空气气化相同 的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，可得到焦油含量低的中热值燃气，发 热值一般在1 0 1 8 m j p m 3 ，与城市煤气相当，但相应会增加制氧设备，电耗和成本都 很高，在一定场合下，具有显著的效益，使生产的总成本降低。吴创之等【l5 】使用循 环流化床富氧气化木粉得到最佳气化条件：氧气浓度( 9 0 5 ) ，气化当量比约0 1 5 。 富氧气化可用于大型整体气化联合循环( i g c c ) 系统、固体垃圾发电等。水蒸气气化 是指在高温下水蒸气同生物质发生反应，涉及水蒸气和碳的还原反应，c o 与水蒸气 的变换反应等甲烷化反应以及生物质在气化炉内的热分解反应。燃气质量好，h ：含 量高( 3 0 6 0 ) ，热值在1 0 1 6m j p m 3 【1 6 】，由于系统需要蒸汽发生器和过热设备， 一般需要外供热源，系统独立性差，技术较复杂。现研究主要在流化床反应器内进 行【17 1 。g i l 等【1 8 】在常压泡状流化床反应器内研究了空气、水蒸气和水蒸气一氧气三种 不同的气化剂对气化产物的影响，发现以水蒸气为气化介质时，氢气的百分含量最 高。热解气化不使用气化介质，又称为干馏气化，产生固定炭、液体( 焦油) 与可燃 气，热值在1 0 1 3 m j p m 3 。 1 2 3 生物质气化技术存在问题和前景 从生物质气化应用发展的现状看，存在着以下几个问题：经济上讲，目前最大 的问题是资源的收集。中国绝大部分农村都是以农户为生产单位，资源分散，对于 气化技术的规模化应用造成了一定的障碍，从成本上分析，规模化应用将导致生物 质收集半径的加大与运输成本提高，可能失去经济性。技术上讲，第一，生物质气 化技术未完全解决二次污染问题。中小型气化发电设备大部分采用水洗方法，这些 水含有灰份和焦油等物质【”】，一般循环使用不对外排放。大型化后耗水量将大大增 加，洗焦废水的生化处理工艺仍不成熟。目前对焦油的处理技术还未成熟，而如果 采用催化裂解手段等方法处理，则需要设备达到定规模才能适用。生物质气化可 以减少环境污染，但如果在减少二氧化碳排放的同时增加了焦油的污染，就失去了 该技术的意义，彻底解决焦油的污染问题，将是今后一项重要的研究工作。第二， 生物质气化的目的就是尽最大程度的得到可燃的有用气体，使气化气的指标达到燃 8 华北电力大学硕士学位论文 气轮机或内燃机的要求，而气化过程又与温度、气化剂添加量、压力等密切相关， 因此如何控制与优化气化过程，使气化过程指标达到最优也是一个重要的研究方 向。因此，如果能找到一种模拟生物质气化过程的模型和方法，使该模型和方法能 够在工程误差范围内实现对生物质气化过程的预测。给出典型生物质气化的最佳工 况和条件，尤其是对气化气中的焦油脱除给出适合的脱除条件( 即气化温度、气化 剂当量比及焦油催化剂等) 使其在气化过程中尽可能的被裂解转化为可燃气，降低 和减少焦油及污染物在燃气中的组分，提高气化气质量。所以，研究生物质发电气 化过程的参数优化以及提高发电效率具有一定的实际意义，这也是本论文的选题来 源。 生物质气化具有广阔的发展前景，未来生物质能源将在可再生能源中占有重要 地位，气化技术也将取得突破，生物质气化将逐步由制取低热值气体向中高热值气 体迈进。在气化制氢方面，蒸汽气化和超临界水催化气化值得关注【l6 1 。生物质本身 能量密度偏低，以水为介质制取氢气不会显著降低燃气的热值，具有较高的能量转 化效率，同时这类制氢技术具有较强的有机物无害化处理能力、反应条件温和、产 品的能量品味高等优点，与生物质的可再生性和水的循环利用相结合可实现能源转 化、利用与大自然的良性循环。在生物质气化制取液体燃料方面，随着气体净化技 术的创新发展和新技术开发力度的加大，成本将有望大大降低，经济性提高，在相 关政策的支持下，会逐步替代部分石油等不可再生资源，达到规模化、工业化的利 用途径。目前的气化集中供气和中小型气化发电技术将进一步发展，各种新工艺和 新设备会不断的涌现，可靠性和成熟度也大大提高，区域的热电联产技术有望得到 商业化应用。 1 3 本文研究的主要内容 目前国内外在生物质气化发电技术方面，由于缺乏对生物质气化过程机理特性 建模和参数优化的研究，没有一个通用的适合于多种生物质料气化过程的数学模 型，尤其缺乏对影响气化过程的重要参数( 如气化温度、气化压力、气化剂当量比 以及焦油催化剂等) 的优化控制，使得燃气中焦油和污染物的含量过高，影响了燃 气的品质，对燃气轮机等发电设备产生不利的影响，进而降低了气化燃气的利用价 值。大量资料表明，国内外目前对生物质发电气化过程特性的模型多数没有充足的 数据来验证，而且它们在动力学参数值上对试验的依赖性太强，不同的模型往往参 数稍微改变就不能适用，特别对气体成分还没有较为广泛适用的方法和模型，多数 模型都没有考虑焦油的产生对模型的影响【2 0 2 ，而且研究主要集中在生物质气化过 程的动力学特性、热化学特性等试验，以及小型生物质气化发电系统设计等方面 【2 2 ，2 3 ，2 4 1 ，而生物质发电气化过程特性的建模和参数优化控制方面的研究还非常少2 5 1 。 9 华北电力大学硕士学位论文 本论文研究的目标主要有两个方面，一是进行生物质气化过程的机理分析，总 结影响气化过程主要性能指标的因素和规律；二是建立一种生物质气化过程的模型 和模拟气化过程特性的方法，为今后生物质气化过程的参数优化和控制提供依据。 具体内容包括： 1 气化过程的机理分析：总结气化过程的反应动力学规律，分析气化过程的质量 平衡、热量平衡以及化学反应平衡，指出了影响气化过程性能指标的因素如温度、 当量比等。 2 热化学平衡模型的建立：通过机理分析，建立了一种基于热化学平衡机理的模 型，详细介绍了模型的原理、建立和求解过程、模型验证以及主要参数的计算，并 利用平衡模型分析了气化过程的特性。在平衡模型的基础上，进行了参数优化问题 的探讨，建立了一种优化目标函数并进行了计算。 3 气化过程的神经网络模拟：建立了一种基于b p 神经网络的气化过程模型，可以 在避免分析过程复杂内部机理的条件下，只建立输入与输出的关系，用于预测不同 气化物料、气化反应温度等条件下的合成气体的组分百分比。 1 4 ，j 、结 本章介绍了课题研究背景和国内外生物质发电技术的应用和研究现状，重点分 析了生物质气化发电技术。通过查阅大量资料表明，国内外目前对生物质气化过程 特性的模拟还没有通用有效的模型，特别对分析气体成分还没有较为广泛适用的方 法和模型。我国目前这方面的研究主要集中在生物质气化过程的动力学特性、热化 学特性等试验，以及小型生物质气化发电系统设计等方面，而对生物质发电气化过 程特性的建模和参数优化控制方面的研究还非常少，这也是本课题研究的重点。据 此，本章提出本论文研究的内容及方法： ( 1 ) 进行生物质气化过程的机理分析，总结影响气化过程主要性能指标的因素和规 律； ( 2 ) 建立一种生物质气化过程的模型和模拟气化过程特性的方法，为今后生物质气 化过程的参数优化和控制提供依据。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章生物质气化过程的机理分析 2 1 气化过程反应机理分析 2 1 1 气化反应基本原理 生物质气化过程涉及气化炉内发生的一系列物理变化和化学反应过程，过程的 操作参数对气化过程的影响与气化反应的机理紧密相连，因此需要先对气化反应的 机理进行分析和研究。 生物质的气化反应机理十分复杂，这方面的文献还比较少，至今仍是一个有争 议的问题，主要有还原说、一氧化碳说和络合物说三种学说【2 6 1 。随着气化装置的类 型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，反应的过程也不 相同。不过这些过程的基本反应包括固体燃料的干燥、热分解反应、还原反应和氧 化反应四个过程。如图2 1 所示的上吸式气化炉，生物质原料经氧化层、还原层、 热分解层和干燥层后，产出的燃气经上方管道输走，通常把氧化层和还原层总称为 气化层，气化过程的主要反应在这里发生。 原料 图2 1 生物质气化机理示意图 气化过程的主要反应如表2 1 所示，其中反应( 1 ) ( 4 ) 均为吸热反应，反应 ( 1 ) 为c o z 的还原反应，反应吸热，此区域的温度相对降低，速度相对燃烧反应比较 慢。反应( 2 ) 称为水煤气反应，是气化过程的重要反应之一。反应( 9 ) ( 1 0 ) 是氧化 华北电力大学硕士学位论文 区的放热反应，此区域最高温度可达1 0 0 0 1 2 0 0 ，正是这个区域产生的反应热为 干燥、热解和还原提供了热源【2 7 1 。 表2 一l 气化过程的主要反应 2 1 2 气化反应动力学 生物质气化是一个相对复杂的过程，其中一个重要的特点就是气化产物复杂， 且可变性大。同时气化的产物及其组成又取决于所选择反应器的类型与具体结构。 对于不同类型的气化器生物质的化学转化机制也不同，如固定床气化器生物质的转 化可明显的分层反应，不同的层中反应完全不同，而流化床则没有明显的分层反应， 所以不同类型的气化器中生物质气化的机理与动力学有很大的差异。生物质气化动 力学研究的目的是通过分析不同反应器在不同条件下气化产物的成分组成，进而分 析气化器的各种参数是否合理，然后通过模拟反过来帮助气化器的设计工作。例如 针对不同目标的产气，气化器应采用什么类型、气化器的塔高和内径参数，最佳送 料比例、气化温度与压力等参数的预确定，可以看出气化动力学的研究对生物质的 定向转化具有十分重要的意义，是生物质气化研究的基础。从化学反应动力学的观 点考虑，气化过程主要是碳和气化剂之间的非均相反应。两者之间的总反应速度除 了与化学反应速度有关，还与气化剂和中间生成气向碳表面的分子扩散速度有关。 生物质气化过程的动力学特性是研究生物质气化过程的理论基础，包括热分解 机理及动力学表达式。固体生物质气化的动力学表达式为【8 】 ， 竺= 彳p 廿旭r ( 1 一口) ” ( 2 1 ) 班 式中：口一反应程度；n 一反应级数；e 一活化能，j m o l ；a 一频率因子，1 s ；t