生物质气化合成气与煤混合燃烧发电技术

1、一生物质气化合成气与煤混合燃烧发电技术间接混合燃烧是先把生物质气化为清洁的可燃气体，然后与煤粉混燃。在欧洲，生物质与煤间接混合燃烧技术目前已进入商业化运行，技术上被认为是相当成熟。例如，位于奥地利 Styria的Zeltweg电厂，采用循环流化床技术， 以空气为气化剂气化木柴，产生可燃气体输入锅炉的燃烧室和烟煤一起燃烧，超过5000t的生物质被气化和燃烧，目前系统运行效果良好。止匕外，芬兰的 Lahti 电站与荷兰的Amer电站的9号机组，均是生物质与煤间接混燃技术成功运用的案 例。目前国内已建的生物质电厂主要以生物质直接燃烧发电和并联燃烧发电为 主。气化混燃电厂大多还处在示范工程研究阶段。在

2、气化混燃电厂中，从气化炉中产出的生物质气是由N2、CO、CO2、CH4、C2H2-6、H2和H2O组成的混合气 体，其中N2占到50%。生物质气的热值决定于给料的水分含量。与其它混燃技术相比，生物质间接混燃具有生物质燃料适用范围广的优点， 同时基于气化的混燃能够避免直燃过程中燃料处理、燃料输送等带来的问题、还 可缓解锅炉结渣等问题。另外，采用这种方法，使得煤灰和生物质灰分开了，煤 灰成分不受影响。生物质与煤间接混燃技术可以应用于现有不同容量的电站燃煤锅炉，并且对现有锅炉的改动很小，运行灵活性较高。目前，我国的生物质储量巨大，国内许 多小型火电厂效率低、污染严重，可以通过增加生物质气化系统实现生

3、物质气与 煤混合燃烧，既可以大规模地处理富余的生物质资源，又可以与我国现有的小型燃煤电站的改造结合起来，非常符合我国的国情。二 国内外生物质整体气化联合循环发电2.1 国外生物质整体气化联合循环发电示范项目介绍2.1.1 美国 Battelle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：气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭； 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。表 1给出

4、了 Battelle示范电厂气化炉的产气组分和热值，图 1的工艺 流程图则表明了两个反应器以及它们在整个气化工艺中的配合情况。这种Battelle/FERCO工艺与传统的气化工艺不同，它充分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 146000kg/ h-m2,而其他气化系统的气化强度通常小于1000kg/h m2。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200吨燃料气的气化炉，在初始阶段生产的燃料气用于 现有的McNeil电站锅炉。二期工程，将安装一台燃气轮机来接受从气化炉来的高温燃气， 组成

5、联合循环。该气化设备于1998年完成安装并投入运行。表1 Battelle示范电厂气化炉产气组分和热值气体组分()3 热值(MJ/m 3) CO H2 CH4CO2 C2H4 C2H644.42215.612.25.10.717.3图1 Battelle/FERCO工艺流程图2.1.2 瑞典 VARNAMO瑞典VARNAMO BIGCC电厂是由Sydkraft AB公司投建的，于1993年正式运行，是世界上 首家以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂，电厂装机容量为6MW,供热容量为9MW,整体电效率为32% (除自用电外)。系统流程见图2。生物质原料(主要是木屑和树皮)经过干燥粉碎后，在带有

6、密闭阀门 的上下料斗中加压后进入气化炉。电厂采用Foster Wheeler公司生产的增压CFB"t化炉，操作温度为9501000C,压力为1.8MPa,采用空气作为气化剂，从燃气轮机的压缩机抽调10%左右的空气，经二次压缩后由流化床底部布风板通入。产气经过旋风分离器分离后，进入烟气冷却器冷却至350400 C ,然后通过高温管式过滤器净化，净化后燃气组分和热值见表 2。净化燃气通过TYPHOON然气轮机(4.2MW)发电；燃气透平排气进入余热锅炉，连同烟气 冷却器一起产生蒸汽 (4MP, 455C),蒸汽进入汽轮机发电(1.8MW),同时供热(9MW)。 VARNAMO电厂从199

7、3年开始运行，系统整体运行时间达3600h/a ,验证了生物质增压气化和 高温烟气净化系统的可行性，得到了一些宝贵的运行经验。在运行中出现了冷却器的沉灰和结垢等现象，实验表明，使用MgO作床料和采用底灰再循环方式可以有效解决这些问题。系统采用陶瓷管式过滤器，在运行1200h左右后发生机械应力破碎，在1998年改用金属管式过滤器，正常运行时间达 2500h,可以有效地过滤飞灰和重焦油。通过对燃气轮机的燃烧室、 燃烧器和空气压缩机进行改造，使低热值产气(3.44.2MJ/m3)能稳定燃烧，燃气轮机能在40%100%的电厂负荷下稳定运行，但低负荷运行时CORE放量较大(> 0.02%)。表2

8、VARNAMO电厂气化炉产气组分和热值气体组分- 热值。 轻焦油。CO (%) H2 (%) CH4 (%) CO2 (%)N2 (%) 苯(mg/m )3 (MJ/m )(mg/m )16-199.5-125.8-7.514.4-17.548-525000-63001500-22005.0-6.3图2瑞典VARNAMO BIGCC电厂系统流程示意图2.1.3 意大利TEF2002年6月，意大利TEF（THERMIE ENERGY FARM BIGC航范电厂在Cascina建成。该电 厂生物质消耗量为8230kg/h,发电容量为16MW,发电效率为31.7% （除自用电外）。电厂 投资4100

9、万欧元（欧盟THERMIEB资34%）,建设成本为2300欧元/kW。该系统流程见图3。电厂采用Lurgi制造的常压CFEM化炉和常温湿法烟气净化系统。原料（短期轮作物和木屑）在微负压环境下，利用余热锅炉乏气进行干燥，空气经压缩和预热后由气化炉底部布风板进入。产气通过空气预热器和烟气冷却器进行冷却，再通过二次旋风分离和布袋除尘，然后在水洗塔内彻底清除焦油和其它污染物（ NH3, HCN, HC等）。除尘器 捕集的飞灰与灰渣一起排放，水洗塔排水经处理后排放。净化燃气经过冷却压缩后，其组分和热值如表 3所示。燃气与经过压缩比为 15.4的多级 空压机压缩的空气在燃烧室内混合燃烧。燃气轮机采用Nuo

10、vo Pignone的pgt10机组，发电容量为11MW。燃气轮机排气经余热锅炉回收热量，连同烟气冷却器一起产生蒸汽（ 5.5MPa, 470C）,蒸汽进入汽轮机发电（5MW）。表3 TE际范电厂气化炉产气组分和热值%)热值(MJ/m 3)COH2CH4CnHmCO2N2H2O221742134117.4图3意大利TE际范电厂系统流程图2.1.4 英国 ARBRE英国ARBRE BIGC电厂于1999年建成，发电容量为 8MW ,系统整体电效率为 31%。电厂 所用原料来自电厂周围种植的柳树和白杨树，气化炉和催化裂解炉的灰渣及处理污水所得的污泥用作树木的有机肥料。电厂采用2台TPSt压CF期，

11、一台作为气化炉，操作温度为850-900 C ,另一台加入催化剂作为催化裂解炉。燃气通过冷却器换热后，经过布袋除尘和水洗，除去焦油和其它污染物。净化后的燃气压缩至2MPa后进入燃气轮机（Alstom Power公司的TYPHOON燃气轮机）发电。整体系统与意大利 TE际范电厂大致相同。2.2 国外生物质气化项目概括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。表4给出了国外生物质气化项目的概括。表4国外生物质气化项目概括工程组织/项目名工程概况国家原料规模备注FOSTER WHEELERS,原奥斯龙公司常

12、压/压力CFB气化发电芬兰木片，树 皮，泥煤2t/h-27t/h该公司的全尺寸 CFB气化 炉，以MSW为原料已在 瑞典投入商业运行THERMIE能源农场项目Bioelettica S.P.A.速生能源林不范，Lurgi公司CFBIGCO 术意大利木片11.9MW1994年开始计划组织，常 压鼓空气循环床气化Varnamo IGCC 项目(Sydkraft)压力循环流化床IGCG空气气化瑞典废木材6MW-9 MW第,座成功运行的生物质IGCC电厂BGF项目(Westinghouse, PICHTR/IGT DOE)压力鼓泡流化床IGCC美国蔗渣，能源林100t/d在1997年8月到11月期间试

13、运行BIOSYN项目氧气气化产品气合成甲醇加拿大木头已投运VERMONT 工程BURLINGTON电力公司Battelle工艺的IGCC示范美国木片200t/dBattelle Columbus 双流化床工艺，燃气热值316-18MJ/NmIMTRAN VOIMA水蒸气干燥，注 蒸汽联合循环芬兰高水分木 柴，泥煤， 造纸废液鼓空气压力气化，注水蒸气联合循环JWP ENEPGY PRODUCT笠司流化床气化美国木头，农业 废弃物，25 MW已有3台木柴流化床气化装置分别在Oregon,RDFCalifomia and MissouriLURGI UMWELTTECHNIKGMBH循环流化床气化

14、发电、水泥、石 灰窑供热德国RDF,木头，树皮等14 MW50-100 MWPOWER SOURCE,S不同的供热、发美国木片，稻最大达已有2台废木材气化器，INC.1气化装置造纸废液330t/dTHERMOCHEM公司(MTCI)脉动燃烧水蒸气流化床气化美国木片，稻壳，造纸废液20t/d-50t/d间接加热流化床气化，燃 烧增加传热，典型燃气热值 9-12MJ/Nm 3PRODUCERS RICE MILLSENEGY SYSTEM宓司多区固定炉排气 化器，产热、蒸 汽和电能美国稻壳，秸 秆，树皮，10-1000t/d在美国，澳大利亚，马来西亚和哥斯达黎加有 18套系统投运SUR-LITE

15、CORP流化床气化，产 煤气和蒸汽美国木片，秸秆，稻壳等120t/d已有4-5个商业运行装置TPS TERMISKA PROCESSOR 流化床气化器AB(原 STUDSVIK公司)(IGCC)瑞典木柴，树 皮，泥煤， 秸秆，RDF最大50 MW其技术已应用于许多大型气化系统Tampella power Inc.流化床气化芬兰U-GAS气化工艺WELLMAN PROCESSENGINEERING上流式固定床气化装置英国木头，褐煤 等最大直径3米提供气化器和净化系统 定制设计的商业服务外热式水蒸气生BRIGHTSTAR SYNFUELS CO 质重整中热值气化技术美国木屑，树皮，蔗渣，MSW中热

16、值气化技术，典型热值 12.5 MJ/Nm 3BIG-GT 工程 STATE BAHIA生物质整体气化BRAZILELECTRO-BRAZSHELL 世联合循环以验证BIG-GT的商业可巴西木头，枝树 能源林采用TPS技术，预计系统 效率口J达47%界银行）行性ARBRE项目（TPS技术）8MW CFB IGCC和速生林工程英国8 MW热气净化系统也是示范 内容，空气净化COMBUSTIONCONSULTANTS LTD.)固定床气化燃烧 整合系统，提供 高温清洁的烟气新西兰木片，树皮等2-60Mbtu/hr投运装置超过600台FERCO (Future energy resources Co

17、.)高效、大型气化系统发展商美国木片5 MW2.3 国内生物质气化发电现状我国的生物质气化发电技术的研究起步比较早，早在上世纪60年代，我国就开始了生物质气化发电的研究， 研制出了样机并进行了初步推广，还曾出口到发展中国家，后因经济条件限制和收益不高等原因停止了这方面地研究工作。近年来，随着能源和环境问题日益严峻，化石燃料逐渐枯竭，燃烧化石燃料所造成的温室效应和环境污染已经引起了各国政府的 高度重视。由于能源安全是一个国家稳定运行经济持续发展的关键，因此寻求新的可再生、洁净的能源资源已是十分紧迫。生物质能以其可再生、无污染、资源量大、分布广和CO2零排放等优点又重新受到了人们的广泛关注。而目前

18、我国随着乡镇企业的发展和人民生活水平的提高，一些缺电、少电地方也迫切需要电能；其次是环境问题，丢弃或焚烧农业废弃物将造成资源浪费和环境污染，生物质气化发电可以有效的利用农业废弃物。所以，以农业废弃物为原料的生物质气化发电有逐渐得到人们的重视。a）国内生物质气化发电概况我国原有的气化发电技术都是以谷壳为主的固定床技术，而且发电规模都较小， 最大只有200kW,经济效益不显著。“九五”期间进行1MW的生物质气化发电系统研究，旨在开发适合中国国情的中型生物质气化发电技术。1MW的生物质气化发电系统已于1998年10月建成，采用一炉多机的形式，即 5台200kW发电机组并联工作，2000年7月通过中科

19、院 鉴定后投入小批量使用。该系统在很多方面比200kW气化发电有了改善，但由于受气化效率与内燃机效率的限制，简单的气化-内燃机发电循环系统效率低于18%,且单位电量的生物质消耗量一般大于 1.3kg （dry） /kWh。“十五”期间，以中科院广州能源所为主承担的国 家863计划在1MW的生物质气化发电系统的基础上，研制开发出46MW的生物质气化燃气一一蒸汽联合循环发电系统，建成了相应的示范工程，燃气发电机组单机功率达 500kW,系统效率也提高到28%,虽然与国外的技术仍然有一定的差距，但也为我国生物质气化发电技术的产业化打下了基础。从燃气发电过程上看， 气化发电可分为内燃机发电系统、燃气轮

20、机发电系统及燃气一蒸汽联合循环发电系统。内燃机发电系统以简单的燃气内燃机组为主，可单独燃用低热值燃气，也可以燃气、油两用，它的特点是设备紧凑，系统简单，技术较成熟、可靠，我国基本上使用的都是内 燃机发电系统和内燃机燃气一蒸汽联合循环发电系统。但由于受气化效率和内燃机效率的限制， 气化发电的总效率都比较低。从纯技术的角度看，生物质 IGCC可以有效地提高生物质气化发电的总效率，但由于受 焦油处理技术与燃气轮机技术的限制，在中国研究发展生物质IGCC仍比较困难。所以如何利用现已较成熟的技术，研制开发在经济上可行，而效率又有较大提高的系统，是目前我国发展生物质气化发电的一个主要课题。b）国内生物质气

21、化发电项目简介我国的生物质气化发电项目主要是中小型的气化发电系统，目前在运行的主要有固定床和流化床两种，固定床的机组容量一般都小于200kW,流化床机组目前最大的容量为 46MW ,以下将就这两种机组在国内的实际应用做简单的介绍。济南市历城区董家镇柿子园村“ 200kW固定床生物质气化发电示范系统”该气化发电示范系统是由山东省科学院能源研究所设计建造的，发电容量为200kW,年消耗秸秆约2000t,年发电量约为140万kW-h,可替代燃煤700t（标煤），该系统的单位投资约为 7000元/kW,投资回收期为10年左右。采用的是“二步法生物质固定床气化发电技术”，该技术可以使秸秆气化过程中产生的

22、有害物质焦油再次裂解，一定程度上克服了原有气化技术中燃气净化困难、易造成二次污染的缺点且回收利用了发动机尾气的部分余热，提高了能源的利用率，气化效率比其他固定床气化器提高8-10个百分点。该系统的工艺流程图见图4。系统采用螺旋推进式生物质进料方式，原料不需进行精细 的破碎处理，粒度在10100m闸可顺畅地进料，原料适应范围广，如玉米芯、花生壳、棉 柴、玉米秸和刨花锯末等均可作为原料。生物质原料首先经过简单破碎后被送入加料器中， 然后由螺旋推进器送入气化炉中。生物质原料首先被隔绝空气间接加热而发生热解反应；热解后的产物（热解气和残炭）与预热的空气发生强烈的氧化反应而产生高温区，热解气在高温区域发

23、生二次裂解， 其中的焦油被消除； 二次裂解后的气体通过下部炭层，经还原反应完成气化，得到含一氧化碳、氢、甲烷等可燃成分的低热值燃气。燃气经过冷却净化后送入内燃式发电机组，通过缸内燃烧驱动曲轴旋转装置，从而带动发电机产生电力。发动机的高温排气提供热解过程所需要的热量。加科W,2,矍解器：瓦工牝炉；L设处遇 糙;& RI火器；内姆机值 发电机图1两步法生物质固定床气化发电和阅流程图海南三亚“ 1MW生物质流化床气化发电系统”该气化发电系统是由中科院广州能源所设计，与海南三亚木材厂组成 “三亚绿源生物质有限公司”共同建成，充分利用当地木材厂生产废木屑进行发电，既处理了生产废料又发了电，年电厂

24、产值约 240多万元，利润约80多万元。该系统的发电容量为 1MW,气化效率大 约在75%左右，系统发电效率在1518%之间，单位电量对原料的要需求量为 1.251.35kg/kW?i 木屑。系统的流程图见图5。生物质原料（木屑等）从料仓进入螺旋给料机，由螺旋给料机送 入炉膛，产生的气化气经过惯性分离和旋风除尘后，进入焦油催化裂解和气体净化装置， 净化后的可燃气送入 5台并联的200kW的内燃机机组中发电。 表5为820c时木屑气化气化炉 出口处的产气组分和低位热值。该气化系统也可以采用谷壳作为气化原料。表5 820 C时气化炉产气组分和低位热值温度（C）%值(MJ/m 3)H2COCO2CH

25、4C2H6C2 H2N28206.419.98.74.70.090.2859.95.1图51MW生物质循环流化床气化发电系统流程图三国外政策及特点3.1 政策3.1.1 德国1991年提出的购电法成为德国关注可再生能源的重要里程碑。德国通过的可再生能源法不仅为包括生物质能在内的可再生能源发电上网提供了法律 保障，还通过价格政策保证了可再生能源发电项目的投资者有合理的投资回报。 在可再生能源项目融资方面，德国联邦政府在1999年设立了市场激励计划，为可 再生能源项目提供投资补贴和第三方融资。在税收方面，尽管可再生能源不直接享受生态税的优惠，但部分生态税收益用于补充政府的市场激励计划，可再生能源实

26、际上间接享受生态税优惠。同时，德国联邦政府还长期为生物质技术的研究 开发提供资金支持。3.1.2 丹麦丹麦通过立法，要求电力市场向可再生能源电力开放，规定当地电网公司有 义务为可再生能源项目提供电网连接。 在金融财税方面，可再生能源项目在丹麦 最高可以得到30%的初始投资补贴，生物质电力还可以享受二氧化碳税收返还的 优惠。3.1.3 意大利1991年意大利通过了9/91法，为可再生能源的发展提供了激励政策框架。 1992年意大利确立了可再生能源保护性固定电价制度。意大利可再生能源上网电价包括两部分：避免成本和奖金。199孙，通过立法意大利决定实施可再生能源 配额与绿色证书交易制度。新法规定电力

27、生产商和进口商有义务为电网提供一定 比例的可再生能源电力，进行绿色证书交易。3.2 特点总结国外鼓励生物质发电的政策，大体分为总量目标制度、高价收购制度、 配额制度、投资补贴制度和减免税费制度。3.2.1 总量目标制度欧盟的目标：2001年，欧盟发布了促进可再生能源电力生产指导政策， 要求到2010年欧盟电力总消费的22%来自可再生能源，并规定出了各成员国要达 至IJ的目标，如德国为12.5%,丹麦为29%,瑞士为60%,意大利为25%。 3.2.2高价收购制度瑞士1997年开始实行固定电价制度，对生物质发电采取市场价格加0.9欧分/ 度的补贴；丹麦生物质发电的上网电价为 4.1欧分/度，并给

28、予10年保证期；德国 实行固定电价机制，生物质发电的上网电价根据电站装机规模不同而设置不同的 电价，小于5.0X 102kW的为10.1欧分/度，5.0X 102 kW5.0X 103 kW为8.9欧分/ 度，5.0X 103kw以上的为8.4欧分/度；意大利生物质电厂的上网电价为17.25欧分/ 度。3.2.3 配额制度瑞士、丹麦和意大利都在推行可再生能源配额制度，如意大利2003规定发 电企业或电力进口企业，必须至少有2%的电力来自可再生能源发电，这种配额 要求逐年增加，到2007年将达到3.1%。国内政策及特点3.3 国内政策我国具有丰富的新能源和可再生能源资源，近几年在生物质能开发利用

29、方面 取得了一些成绩。200研2月28日通过了可再生能源法，其中明确指出“国 家鼓励和支持可再生能源并网发电”，它的颁布和实施为我国可再生能源的发展 提供了法律保证和发展根基。随后，与之配套的一系列法律、法规、政策等陆续 出台，如可再生能源发电有关管理规定（发改能源200613号）、可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法（发改价格20067号）、可再生能源电价 附加收入调配暂行办法（发改价格200744号）、关于2006年度可再生能源电 价补贴和配额交易方案的通知（发改价格20072446号）、关于2007年19月 可再生能源电价附加补贴和配额交易方案的通知（发改价格2008640号）等的发

30、 布。与此同时，国务院有关部门也相继发布了涉及生物质能的中长期发展规划， 生物质能的政策框架和目标体系基本形成。 这些政策的出台为生物质发电技术在 我国的推广利用提供了有力的保障。近几年，我国生物质发电技术取得了一些成绩。 比如研究成功了中等规模的 循环流化床气化发电站，使用谷壳、秸秆或木粉为原料，单个电站发电能力达到 了 103 kW级规模，已经建设了多个示范电站。3.4 特点总结我国鼓励生物质发电的政策大概分为总量目标制度、分类电价制度、优先上网制度、费用分摊制度、专项资金制度等。3.4.1 总量目标制度中国可再生能源开发战略规划具体目标：2010年小水电5.0X 107kw,风力发电4.

31、0X106kW,生物质 发电5.5X106kw,太阳能发电4.5X 104kw; 202孙小水电8.0X 107kw,风力发电 2.0X 107kW,生物质发电2.0X 107kW,太阳能发电1.0X l06kW。3.4.2 分类电价制度国家发改委颁布可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法规定，各地生物质发电价格标准由各省（自治区、直辖市）2005年脱硫燃煤机组标杆上网电 价加补贴电价组成，补贴电价标准为每千瓦时0.25元。补贴时限为15年（自投产之 日计算）。发电消耗热量中常规能源超过20%的混燃发电项目，视为常规能源发 电项目，不享受补贴电价。3.4.3 优先上网制度我国中华人民共和国可再生能源法 规定，电网企业应当与依法取得行政 许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并网协议， 全额收购其电网覆盖范 围内可再生能源并网发电项目的上网电量，并为可再生能源发电提供上网服务。3.5 建议对比国内外鼓励生物质发电的政策制度，大体上都由总量目标、电价补贴、 税收优惠政策等相关制度组成基本框架，但由于我国生物质发电技术尚处于产业 化发展初期，在政策的制定和实施方面还存在着不足之处，需要借鉴国外的成功 经验。为了进一步促进生物质发电健康持续发展，建议加强以