新能源及分布式发电技术chapter5

1概述2太阳能发电3风能发电4地热能发电目录6海洋能发电5生物质能的利用7分布式发电与现行电网的关系本章的主要内容5.1节生物质资源分类及简述5.2.节直接燃烧发电技术生物质电气化5.3节垃圾发电现状垃圾发电方式生物质：源自动植物的、积累至一定量的有机类资源。广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物。生物能是指以生物为载体的能量。生物质能源是除煤炭、石油和天然气之外，人类消耗的能源资源的最大来源。第五章

生物能利用生物质农林水产资源工业废弃物城市垃圾主要的生物质生活垃圾厨房垃圾纸屑农作物木材海藻纸浆废物造纸黑液酿酒残渣主要包括：发电技术、气化技术、液化技术和成型技术等。在发达国家，生物质直接燃烧发电占非水电可再生能源发电量的70%。随着石油供应的日趋紧张，世界各国都在尝试利用生物质资源生产液体燃料。20世纪70年代末，巴西开始实施大规模的木薯和甘蔗制乙醇计划。欧洲近年来大力开发生物柴油技术，利用休闲耕地生产油料作物。生物质能商业化利用技术主要是农业废弃物、森林和林产品剩余物及城市生活垃圾等。农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，其中约三分之一可作为能源用途，农产品加工和畜牧业废弃物理论上可以生产沼气近800亿立方米。森林和林业剩余物的资源量也相当丰富。能源作物是具有商业开发前途的生物能源资源。适合我国种植的能源作物品种很多，主要有油菜树等油料作物和一些野生植物例如，漆树、黄连木和甜高粱等。我国的生物质能源资源2003年国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目，颁布了《可再生能源法》，并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅速发展。最近几年来，国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。由龙基电力公司提供先进技术、国能生物发电公司投资建设的中国第一家生物发电厂-山东省单县生物发电厂于2006年12月1日建成发电。仅2007年，由龙基电力公司参股投资的国能生物发电公司就先后建成了山东省高唐、垦利生物发电厂,河北省威县、成安生物发电厂，江苏省射阳生物发电厂，黑龙江省望奎生物发电厂，吉林省辽源生物发电厂，河南浚县、鹿邑生物发电厂。截至2007年底，国家和各省发改委已核准生物发电项目87个，总装机规模220万千瓦。根据国家“十一五”规划纲要提出的发展目标，未来将建设生物质发电550万千瓦装机容量，已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的发展目标。此外，国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。直接燃烧：获取能量；生物转换技术：通过微生物发酵方法制取液体燃料或气体燃料；热化学转换技术：通过热化学技术转化成优质的流体燃料。文献[4]对生物质转换方式进行了更详细的分类，见下图5.1。生物质能的转换利用技术图5.1生物质能利用技术分类1、森林能源森林能源主要是薪炭材，也包括森林工业的一些残留物等。薪材来源于树木生长过程中修剪的枝杈，木材加工的边角余料，以及专门提供薪材的薪炭林。现今对于能源林的定义为除了提供薪炭外,凡是能够提供能量的森林泛称能源林。能源林木质能源属生物质能的一种，在人类历史上起着巨大的作用。5.1生物质资源秸秆资源与农业主要是种植业生产关系十分密切。除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分作为农户炊事、取暖燃料。以传统方式利用的秸秆首先成为被替代的对象，致使被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大，许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的60%以上，既危害环境，又浪费资源。因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必行。除了农作物秸秆外，现亦栽培速生高产的能源植物如象草。2、农作物秸秆禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根据这些禽畜品种、体重、粪便排泄量等因素，可以估算出粪便资源量。在粪便资源中，大中型养殖场的粪便更便于集中开发、规模化利用。3、禽畜粪便

城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾、商业与服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。城镇垃圾具有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。

城市垃圾主要成分包括：纸屑(占40%)、纺织废料(占20%)和废弃食物(占20%)等。4、生活垃圾

1、燃料油作物

据研究，每一公顷的油菜田可生产1200L植物油和1060L的氧气，植物油不仅可供食用，同时只要经过简单的化学反应，就可变成生物柴油；氧气对净化空气很有益处。生物柴油不含硫化物，因此不会形成酸雨现象；另外它可以被微生物分解，避免对土壤、地下水的污染。

到目前为止，科学家们已发现了很多种产“石油”植物。专家们正在进行品种的选择和质量的优化，并准备尽快实行商业化生产。5、能源作物

(1)桉树油类型：从桉树的干、枝叶中获得。(2)黑皂油类型：一种热带野生植物产的油，该植物主要生长在我国西南山地。(3)产烃类物质类型：一年生的续随子和多年生的绿玉树含烃类物质为干重的6%-11.7%。(4)产醇类物质类型：部分植物汁液含有一定量的乙醇，可作为天然的含醇饮料，亦可以蒸馏为乙醇。燃料油植物分类(1)绿玉树绿玉树属大戟科大戟属植物，是直立无刺的灌木或小乔木，原产非洲的肯尼亚、莫桑比克等国的热带至暖温带。美国等国家还培育出乳汁含量高的栽培品种。绿玉树作为一种重要的燃料油树种，其茎干中的白色乳汁中含有丰富的烯、萜、醇、异大戟二烯醇（C30H50O）、天然橡胶、三十一烷和三十一烷醇等十二种烃类物质，其成分接近石油成分，不含硫，可以直接或与其它物质混合成原油，作为燃料油替代石油。2.研究得比较多的两种产石油植物

绿玉树还可作为沼气的原料，具有可再生、可生物降解、对环境无污染或低污染和能持续利用的特点，其沼气产量是一般嫩枝绿草产气量的5-10倍，榨汁后剩余的纤维还可用作造纸原料或生活燃料。续随子原产欧洲，是大戟科二年生草本植物喜温暖、喜光照、抗逆性较强，生长期需水量不大，宜于不适于种粮食的干旱山地种植。其植物用途很广，除了是有利用潜力的能源植物外，还可药用、工业油脂用和农药用，而且还是很好的观赏植物。(2)续随子

续随子是一种产烃类和糖类作物，其干物每万平方米(ha)产量达20-25t，其烃类的含量在5%-8%之间，可发酵糖含量为20%，其中大约含油2t/ha和糖5t/ha。在80℃干燥的茎和叶的庚烷提取物绝大部分为烃类，不灌溉的含量为干物质的6.62%，而栽培时灌溉的烃含量为5.96%。水溶提取物含有烃类,可发酵糖类的含量仅为干物的10%-21%。除此之外，其种子的产量为1.5-2.5t/ha，含油率为48%。

5.2.1直接燃烧发电技术生物质直接燃烧发电就是利用生物质代替煤炭直接燃烧产生热和水蒸气进行火力发电。生物质直接燃烧主要分为：炉灶燃烧：操作简便、投资较省,但燃烧效率普遍偏低,从而造成生物质资源的严重浪费；锅炉燃烧：采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。5.2生物质能发电技术生物质锅炉按燃料品种分木材炉薪柴炉秸秆炉垃圾焚烧炉按燃烧方式分流化床锅炉层燃炉生物质燃料锅炉的分类生物质燃料铺在炉排上形成层状，与一次配风相混合，逐步地进行干燥、热解、燃烧及还原过程,可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧，可分为：炉排式锅炉：形式包括固定床、移动炉排、旋转炉排和振动炉排等，可适于含水率较高，颗粒尺寸变化较大的生物质燃料。下饲式锅炉：作为一种简单廉价的技术，广泛的应用于中、小型系统。一、传统的锅炉技术固体燃料颗粒在炉床内经过气体硫化后然手的技术，在能源、化工、建材、制药和食品行业得到了广泛的推广应用。在能源领域，流化床燃烧技术以燃料种类适应性好、低温燃烧和污染排放低等独特的优点在近三十年中得到了广泛的重视和商业化应用，并且由早期的鼓泡硫化床发展为现在不同形式的循环流化床。流化床燃烧技术适合于燃烧含水率较高的生物质燃料。二、流化床燃烧技术当流化介质(空气)从风室通过布风板进人流化床时，随着风速的不断增加，流化床内的燃料先后出现:固定床；流化床；气流输送。1、流化床的硫化过程图5.3流化床的流化过程风速

空气的流速较低，燃料颗粒的重力大于气流的向上浮力，使燃料颗粒处于静止状态，燃料层在布风板上保持静止不动空气通过燃料层的阻力与速度的平方成正比风速

气流速度超过某一临界值时，气流产生的浮力等于燃料颗粒的重力。燃料颗粒由气流托起上下翻腾，呈现不规则运动。燃料颗粒开始膨胀临界硫化点临界硫化速度气流输送通过燃料层的实际风速趋于常数，气流通过燃料层的阻力也基本维持定值燃料颗粒间的空隙度增加，整个燃料层发生膨胀，体积增加，处于松散的沸腾状态，燃料层表现出流体特性。通过燃料层的实际风速趋于常数，气流通过燃料层的阻力也基本维持定值当达到气流输送，燃料层已不存在，气流阻力下降，携带燃料颗粒离开流化床床体的空截面速度称为携带速度，它在数值上等于燃料颗粒在气流中的沉降速度。因此，要保证燃料颗粒处于正常的流化状态，就要使流化床内的气流速度大于临界流化速度，小于携带速度。为了保证流化床内稳定地燃烧，流化床内常加入大量的石英砂(SiO2)作为床料的一部分来蓄存热量。炽热的床料具有很大的热容量，新鲜燃料进入流化床后，燃料颗粒与气流的强烈混合，充分燃烧。流化床燃烧过程中，燃料层的温度一般控制在800-900℃，可显著减少NOx的排放。流化床还便于在燃烧过程中直接加入石灰石白云石等脱硫剂。用烟气中SO2被石灰石吸收的百分比表示。影响脱硫率的主要因素是Ca/S摩尔比、脱硫剂特性、温度、流化速度和分级燃烧等。当农作物秸秆采用流化床燃烧时，秸秆灰中的Na2CO3或K2CO3可与床料中的石英砂发生反应，生成了熔点为874℃和764℃的低温共熔混合物，并与床料相互粘结，导致流化床温度和压力波动，影响了流化床的安全性和经济性，可用长石、白云石、氧化铝等取代石英砂作为床料，以缓解上述情况的发生。脱硫率鼓泡流化床技术(BFB)：燃烧效率较低，排放碳氧化物含量较高。循环流化床技术(CFB)：具有燃烧效率高、有害气体排放易控制、热容量大等一系列优点。流化床锅炉适合燃用各种水分大、热值低的生物质，具有较广的燃料适应性。流化床燃烧技术分类主循环回路是循环流化床锅炉的关键。其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。2、循环床技术的发展历程分离器是主循环回路的关键部件，其作用是完成含尘气流的气固分离，并把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。从某种意义上讲，CFB锅炉的性能取决于分离器的性能，所以循环床技术的分离器研制经历了三代发展，而分离器设计上的差异标志了CFB燃烧技术的发展历程。应用绝热旋风筒作为分离器的循环流化床锅炉称为第一代循环流化床锅炉，目前已经商业化。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。①采用绝热旋风筒分离器的第一代循环流化床锅炉这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒内衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高启动时间长、运行中易出现故障、密封和膨胀系统复杂。Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置较多数量的受热面，降低了旋风筒入口烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛较高，钢耗量大，锅炉造价提高。同时，它的CO2排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。应用水(汽)冷分离器(FW分离器)的循环流化床锅炉被称为第二代循环流化床锅炉)。FW分离器取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其内侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料，壳外侧覆以一定厚度的保温层。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器内物料温度不会上升，甚至略有下降，同时较好地解决了旋风筒内侧防磨问题。②采用水(汽)冷旋风筒分离器的第二代循环流化床锅炉FW式水（汽）冷旋风分离器的问题是制造工艺及生产成本，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制。同时该分离器的结构形式与高温绝热旋风筒并无本质差异，因此锅炉结构仍未恢复到传统锅炉完美的形式。因此调整分离器的形状，进一步提高紧凑性和可靠性问题成为循环流化床燃烧技术发展的关键。为克服汽冷旋风筒锅炉的结构及制造成本高的问题，芬兰的Ahlstrom公司研制出了采用其独特专利技术的方型分离器的第三代循环流化床锅炉。方型分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，但因其分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，与炉膛之间免除热膨胀环节，同时方型分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环床锅炉的体积大为减少。借鉴汽冷旋风筒成功的防磨耐火经验，方型分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，分离器成为受热面的一部分，为锅炉快速启停提供了条件。③采用方型水冷分离器的第三代循环流化床锅炉芬兰Ahlstrom公司的方型分离器紧凑型设计推出之后，经过多台锅炉5年的运行实践才为人们所接受。FosterWheeler公司和Ahlstrom公司合并后采用方型分离器的紧凑型布置循环床锅炉的市场份额逐年增加。

目前方型分离器在大型化方面具有很大的优势。1993年清华大学在实验室对国外方型分离器专利进行了验证实验，并改进了入口段设计，实验表明这个改进是完全正确的，这个改进最终取得了中国专利—“水冷异型分离器”。该设计低成本有效地克服了绝热旋风筒的后燃结焦问题和圆形汽(水)冷旋风筒的结构问题，被认为达到九十年代国际先进水平。

清华大学对几种不同当量尺寸的方型分离器进行了一些卓有成效的试验和较为深入的研究，得出方型分离器的放大性能要优于圆形旋风分离器的结论。清华大学在该方面的研究成果以及220t/h、410t/h采用方型分离器的循环流化床锅炉设计得到国际同行的充分肯定和高度评价，在15届FBC国际会议上被评为最佳论文。循环流化床燃烧技术具有气固混合很好、燃烧速率高、燃烧效率高(97.5%-99.5%)的特点。

根据统计资料，循环流化床燃烧效率受煤种影响较大。对较为年轻的褐煤、泥煤、燃烧效率可达到98%以上；而对于变质程度较高的无烟煤到烟煤，飞灰含碳量往往高达10%以上。3、循环流化床锅炉的效率

超临界循环流化床锅炉电厂的效率可达43%-44%。根据法国SteinIndustrie公司对超临界参数Lurgi循环流化床锅炉的研究，由于Lurgi型循环流化床锅炉有外置换热器，而外置换热器的工作温度在700°C左右，使用清洁空气流化，在外置换热器内布置高温换热器可防止高温腐蚀，因而采用超临界参数比煤粉炉更为有利。采用超临界参数可使发电效率提高约6%。3、循环流化床锅炉的效率

在悬浮燃烧系统中，首先要对生物质进行粉碎，颗粒尺寸要小于2mm，含水率要低于15%。经过粉碎的生物质与空气混合后喷入燃烧室，呈悬浮燃烧状态。通过精确控制燃烧温度，可使悬浮燃烧系统在较低的过量空气系数下进行充分燃烧，采用分段送风以及良好的燃料颗粒与空气的良好混合，可以降低CO2的排放。三、悬浮燃烧技术生物质中的水分，在燃烧过程中大量的热量以汽化潜热的形式被烟气带走排入大气，燃烧效率低，浪费了大量的能量。为了克服单燃生物质发电的缺点，当今使用较多的是利用大型电厂的设备，将生物质与煤混燃发电。大型电厂混燃发电能够克服生物质原料供应波动的影响，在原料供应充足时进行混燃，在原料供应不足时单燃煤。利用大型电厂混燃发电,无需或只需对设备进行很小的改造，能够利用大型电厂的规模，经济效率高。四、生物质与煤混烧技术

在生物质燃烧时易引起积灰结渣损坏燃烧床,还可能发生烧结现象。为防止积灰结渣、烧结腐蚀问题发生,可以考虑采用后者比例不小于30%与煤炭或泥炭混合燃烧技术，使用具有抗腐蚀功能的富铬钢材或者镀铬管道材料要；并尽可能使用较低的蒸汽温度；如有可能,使农作物收割后置于田间,经过雨淋和风干降低碱含量后再使用。

在煤炭紧缺且价格上涨的今天，我国发电企业走混燃发电道路，是企业可持续发展的需要。

一、生物质电气化发电的基本知识生物质气化发电是将生物质首先转化成生物质气，用生物质气供给内燃机或是燃气轮机带动发电装置对外提供动力。生物质气来自生物质的气化、裂解或生物厌氧发酵过程。生物质气化发电包括沼气发电和将生物质在气化炉内转换成可燃气体，将可燃气体供给内燃机或是燃气轮机，带动发电装置对外提供动力。5.2.2生物质气化发电

1、把固体生物质转化为气体燃料，供给充足的氧气，使原料充分燃烧。2、气体净化气化出来的燃气经过净化系统把杂质除去，以保燃气发电设备的正常运行。3、燃气发电，利用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。气化发电的过程固定床气化：包括上吸式气化、下吸式气化和开心层下式气化三种。流化床气化：包括鼓泡床气化、循环流化床气化及双流化床气化三种。国际上为了实现更大规模的气化发电方式,提高气化发电效率,正在积极开发高压流化床气化发电工艺。生物质气化过程分类1、生物质气化产生燃气作为燃料直接进入燃气锅炉生产蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电；2、将净化后的燃气送给燃气轮机燃烧发电；3、将净化后的燃气送入内燃机直接发电。在发电和投资规模上，它们分别对应于大规模、中等规模和小规模的发电。生物质气化发电方式实现途径图5.4生物质气化发电方式内燃机发电系统：设备紧凑、系统简单、技术较成熟、可靠。燃气轮机发电系统：采用低热值燃气轮机，燃气需增压，需有较高的自动化控制水平和燃气轮机改造技术。燃气-蒸汽联合循环发电系统：有效地提高发电效率，可以达40%以上,是目前发达国家重点研究的内容。从燃气发电过程上分类包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低，炉子出口气体温度较高，要使B/IGCC具有较高的效率,就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术，否则，如果采用一般的常压气化和燃气降温净化，由于气化效率和带压缩的燃气轮机效率都较低，整体效率一般都低于35%。传统的生物质整体气化联合循环系统（B/IGCC）芬兰是世界上利用林业废料、造纸废弃物等生物质发电最成功的国家之一，机组的热效率可达88%。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，生物质能在可再生能源总利用量中的比例由原来的3%增加到最近的25%。比利时，有100多年历史的布罗赛尔温克能源技术公司已生产出适应木材废弃物、建筑木质废弃物、造纸废弃物及城市垃圾等不同燃料的锅炉设备。该公司的产品采用的是倾斜式液压移动式炉排，其热效率可达85%，比较适用于20MW以下的生物质发电。生物质B/IGCC技术的研究规模气化过程发电过程主要用途小型系统功率<200kW固定床气化流化床气化内燃机组微型燃气轮机农村用电中小企业用电中型系统500kW<功率3000kW常压流化床气化内燃机大中企业自备电站、小型上网电站大型系统>5000kW常压流化床气化、高压流化床气化、双流化床气化内燃机＋蒸汽轮机燃气沦机＋蒸汽轮机上网电站、独立能源系统表5-1生物质气化发电分类小型气化发电系统简单灵活，主要功能为农村照明或作为中小企业的自备发电机组。中型生物质气化发电系统主要作为大中型企业的自备电站或小型上网电站，功率规模一般在500～3000kw之间。大型生物质气化发电系统主要功能是作为上网电站，它可以适用的生物质较为广泛，所需的生物质数量巨大，必须配套专门的生物质供应中心和预处理中心，发电系统功率一般在5000kw以上。生物质气化生成的燃气含有各种各样的杂质，其含量与原料特性、气化炉的形式关系很大。燃气净化的目标就是要根据气化工艺的特点，设计合理有效的杂质去除工艺，保证后续气化发电设备不会因杂质而产生磨损腐蚀和污染等问题。二、生物质燃气的净化技术杂质种类典型成分可能引起问题净化办法颗粒灰、焦炭、热质、颗粒磨损、堵塞气固分离、过滤水洗碱金属钠、钾等化合物高温磨损冷凝、吸附、过滤氮化物主要是氨和HCN形成NO2水洗SCR等焦油各种芳香烃等堵塞、难以燃烧裂解、除焦、水洗硫氯HCl、H2S腐蚀污染水洗化学反应法表5-2燃气中的各种杂质特性目前比较多的是采用烧结金属或燃结的陶瓷材料作为过滤器。但是由于焦油在300℃以下开始少量地凝结析出，凝结的焦油容易堵塞管道和过滤材料，所以过滤过程必须在较高温度下进行，难度较高的高温燃气过滤工艺。高温蜂窝陶瓷或燃结金属过滤材料在大部分实际应用中都会碰到阻力增加过快的问题，同时高温过滤材料的热力性能很差，加上除灰过程控制困难，成本也较高，这都是目前高温燃气高温过滤需要研究解决的问题。1、燃气高温过滤焦油裂解是除焦油技术的一种。但对不能采用焦油裂解技术的中小型气化发电系统来说，一般来说，中小型气化发电系统采用的除焦技术有水洗，低温过滤和静电除焦等方式。水洗除焦的优点是同时有除焦、除尘和降温三方面的效果，缺点是有污水产生。焦油低温过滤是在较低温度下采用过滤设备滤掉焦油的技术。通常同时采用两套过滤设备，进行切换操作。过滤材料的频繁更换，使得劳动强度太大，一般只应用于小型的气化发电系统。2、燃气除焦技术

静电除焦技术的优点是除尘、除焦效率高，一般达98%以上，但静电除焦对进口燃气焦油含量要求较高，一般要求低于5g/m3(标态)。由于焦油与炭混合后容易粘在电除尘设备上，所以电捕焦器对燃气中灰的含量要求也很高。目前在生物质气化发电系统中的应用仍很少，但该技术应用于连续运行的生物质气化发电系统是可能的，而且除焦效果也较好，是今后中小型气化发电系统除焦的有效途径之一，值得进一步深入研究。静电除焦技术水洗除焦法存在能量浪费和二次污染现象，净化效果只能勉强达到内燃机的要求；热裂解法在1100℃以上能得到较高的转换效率，但实际应用中实现较困难；催化裂解法可将焦油转化为可燃气，既提高系统能源利用率，又彻底减少二次污染，是目前较有发展前途的技术。除焦技术的比较主要集中于白云石和镍基催化剂。镍基催化剂的活性是白云石的10-20倍，但它对原始气的要求较严，焦油含量在2g/m3(标态)以上，就会由于焦碳形成积聚而失活，加之其价格较高，在商业应用中并没有优势。白云石资源丰富且便宜，但简单掺加白云石的催化效果并不理想，需针对不同的气化特点，配合相应的裂解工艺，控制严格的操作参数。国外对催化裂解的研究1、小型生物质气化发电系统小型生物质气化发电系统一般指采用固定床气化设备，发电规模在200kw以下的气化发电系统。小型生物质气化发电系统主要集中在发展中国家；美国、欧洲等发达国家虽然小型生物质气化发电技术非常成熟，但由于发达国家中生物质能源相对较贵，而能源供应系统完善，对劳动强度大，使用不方便的小型生物质气化发电技术应用等非常少。三、气化发电技术的应用

中国有着良好的生物质气化发电基础，研究了样机并做了初步推广，但由于当时经济环境的限制，谷壳气化发电很难在经济上取得较好收益，在很长一段时间上没有新的改进。近年来，中国的经济状况发生了明显的变化，因而利用谷壳气化发电的外部经济环境有了明显的改善。①小型生物质气化发电系统的技术性能

首先是中国能源供应持续紧张，电力价格居高不下，气化发电可以取得显著的效益；其次是粮食加工厂趋向于大型化，谷壳比较集中，便于大规模处理，气化发电的成本大大降低；最后是环境问题，丢弃或燃烧谷壳会产生环境污染，处理谷壳已成为一种环保要求。外部经济环境的改善

目前160kW和200kW的生物质气化发电设备在我国已得到小规模应用，显示出一定的经济效益。在原来谷壳气化发电技术的基础上，近年来中国对生物质气化发电技术作了进一步的研究，主要对发电容量大小和不同生物质原料进行了探索，先后完成了2.5kW到200kW的各种机组的研制。其主要特点见表5-3。功率/kW2.55.51260160200总效率(%)11.516141811.512.5气化炉层式下吸式下吸式净化水洗过滤发电机内燃机燃料生物质生物质和柴油谷壳表5-3中国生物质气化发电技术主要特点(2000之前)谷壳气化发电机组的建设费用主要有设备投资、基建项目。其中设备投资是主要的，单位功率的投资随容量的增大而降低。而且发电设备（内燃机）所占的份额越来越大，这也是小功率气化发电机组经济性差的主要原因。②小型气化发电系统的经济性

包括燃料和消耗材料及维修费用等。由于现在谷壳基本不作饲料，市场价已非常低，有的地方甚至当废料丢弃，所以燃料成本主要指谷壳的收集、运输与处理费等。消耗材料主要指发动机使用的润滑油和除焦用的冷却水。维修费主要指零配件的更换与修理。谷壳气化发电的运行成本图5.5小型气化发电系统的发电成本随机组容量的变化图5.6小型气化发电系统的发电成本随生物质价格的变化图5.7小型气化发电系统的发电成本随发电时间的变化在现有技术条件下，由于各地原料、电价不同，谷壳气化发电的经济效益将有较大的变化。单纯从经济上考虑，谷壳气化发电可行的标准是气化发电机组的年收益高于设备的折旧费，或加上设备折旧费用后发电成本低于0.5元/(kw·h)。1、

在现有技术条件下，原料价值不能高于150元/t(包括运输及预处理费用)；2、

在原料为100元/t，机组运行时间为6000h/年时，气化发电容量不能低于60kW；3、在发电容量为200kW，原料单价为100元/t时，设备年运行时问不能低于2500h。谷壳气化发电设备取得经济效益的条件一般指采用流化床气化工艺，发电规模在400-3000kW的气化发电系统。中型气化发电系统在发达国家应用较早，所以技术较成熟，但由于设备造价很高，发电成本居高不下，所以，在发达国家应用极少。近年我国开发出了循环流化床气化发电系统，由于该系统有较好的经济性，在我国推广很快，所以已经是国际上应用等最多的中型生物质气化发电系统。2、中型生物质气化发电系统

以l000kW的生物质气化发电系统为例，在正常运行下，生物质循环流化床气化发电系统气化效率大约在75％左右，系统发电效率在15％-18％之间，单位电量对原料的需求量为1.5-1．8kg／(kw·h)(谷壳)，或1．25-1．35kg／(kW·h)(木屑)。但由于气化工艺的影响，在不同的温度下进行气化，气化生成的燃气质量和气化效率有明显的变化，见表5.4-5.6。①中型气化发电系统的技术性能

表5-4温度对木粉汽化发电系统技术参数的影响单位质量的原料气化后所产生的气体燃料在标准状态下的体积。生物质气化后生成的气体总热量与气化原料的总热量之比单位体积气体燃烧所产生的热能生物质燃料中的碳转化为气体燃料中碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比表5-5谷壳汽化炉在不同操作温度下的气体质量表5-6温度对气体质量的影响当温度小于600℃时，适当减少进料量或稍微加大进风量，使温度回升至正常范围；当温度高于800℃时，加大进料量或减少进风量，使炉温下降至正常范围。气化炉的运行控制方法

谷壳的灰分含量高达12%以上，气化后仍残余大量灰份，这些灰份必须及时排出炉外，可以采用螺旋干式排灰机构，排灰连续而均匀，谷壳进料量和排灰量形成一种相对稳定的平衡状态，保证气化炉顺利运行，当排灰螺旋排灰出现不均现象或无灰排出时，应及时排除故障防止加料口堵塞而停机。由于排灰不均匀，炉内灰分时多时少，谷壳气化的稳定状态受到干扰，其结果是炉内温度不均，局部温度过高并出现结渣现象，气化炉无法正常运行。由于净化装置中文氏管除尘器及喷淋洗气塔都采用水封结构，因此气化炉点火启动前必须先启动水泵以确保水封结构有充足的水起密封作用，防止燃气通过水封口外窜引起意外事故；其次，应定期清除文氏管喇叭口处的灰垢，一般每星期清理一次较为合理。净化装置的运行管理1000kW循环流化床谷壳气化发电系统可根据生产负荷的需要对发电量进行调节，调节范围为200kW-1000kW。其方法是控制谷壳进料量及相应的进风量，先缓慢加大进料量，同时加大进风量，使炉内温度稳定在700℃-800℃之间，加料量的多少可由加料螺旋电磁调速电机的转速来确定。由于气化炉的温度直接决定于空气量与加料量的比例，所以根据负荷以及调节炉温的需要，空气量有一定变化。发电量大小的调节气化发电系统的投资成本和经济效益是影响用户应用积极性的关键因素，规模小于200kW的发电系统国内目前采用固定床气化装置，总的经济效益较差，循环流化床谷壳气化发电对于处理大规模生物质具有显著的经济效益，表5-7是600kW、800kW、1000kW谷壳气化发电的投资成本和运行费用估算表。②中型气化发电系统的经济性表5.7流化床谷壳气化发电投资成本及运行费用估算表表5.7流化床谷壳气化发电投资成本及运行费用估算表①毛利以电价0.80元/kw·h计算。②毛利以电价0.6元/kw·h计算。人工费用以人均月工资1500元计算。表5-7的结果表明，在开工率70%，电价0.8元/kW·h条件下，气化发电的投资回收期约一年，若开工率不变，而电价降为0.6元/kW·h，则600kW、800kW、1000kW三种规模的投资回收期分别是22.5、21和17.8个月，在实际应用过程中，由于各地的人工成本和电价差异很大，这两种因素将对投资回收期构成重大影响。需要指出的是，流化床谷壳气化发电设备的气化原料不仅局限于谷壳，它还可用于处理木屑。考虑到生物质资源分散的特点，一般把大于3000kw，而且采用了联合循环发电方式的气化发电系统归人“大型”的行列。特别对于发展国家3000kw以上的气化发电系统每天需生物质约100t，所以应用的客户已很少。在国际上，大型生物质气化发电系统的技术远未成熟，真正进入商业应用的例子还未见报道，主要的应用仍停留在示范和研究的阶段。下面以瑞典的Vamamo示范电站为例，分析国外大型生物质气化发电站的技术经济性。3、大型生物质气化发电技术的应用瑞典的Vamamo生物质示范电站是欧洲发达国家一个B/IGCC发电项目，它是由瑞典国家能源部、欧盟政府资助，由瑞典南方电力公司，福斯特.威勒公司等企业合作建设的一个示范项目。它的主要目的是建设一个完善的生物质B/IGCC示范系统，研究生物质B/IGCC的各部分关键过程，所以该生物质发电站更合适于生物质气化发电的R&D活动，而不是完全的商业化运行。瑞典的Vamamo生物质示范电站关键技术高压循环流化床气化技术高温过滤技术燃气轮机技术余热蒸气发电技术在55MWe发电规模条件下，生物质B/IGCC系统的投资大约在1500美元/kW左右，但对于15MWe左右发电项目，投资将达到2300美元/(kW·h)。对于70MWe出力的生物质B/IGCC发电系统，在生物质价格大约250元/t时，70MWeB/IGCC发电站的发电成本大约为0.35元/kW·h，几乎与小型的煤发电电站成本相当。有条件建设这种项目的国家或地区都很少，而小规模下的经济性将明显降低，所以这种项目近期要进入应用是相当困难的。Vamamo生物质气化发电项目经济评估垃圾发电是把各种垃圾收集后，进行分类处理：一是对燃烧值较高的进行高温焚烧，在高温焚烧中产生的热能转化为高温蒸气，推动涡轮机转动，使发电机产生电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生一种气体叫甲烷，也叫沼气。再经燃烧，把热能转化为蒸气，推动涡轮机转动，带动发电机产生电能。5.3垃圾发电从20世纪70年代起，一些发达国家便着手运用焚烧垃圾产生的热量进行发电。美国某垃圾发电站的发电能力达100兆瓦，每天处理垃圾60万吨。现在德国的垃圾发电厂每年要花费巨资，从国外进口垃圾。如果我国能将垃圾充分有效地用于发电，每年将节省煤炭5000～6000万吨，其“资源效益”极为可观。工业发达国家最常用的2种利用垃圾发电的模式：生化法：将垃圾卫生填埋，回收填埋场沼，以沼气为燃料燃烧发电；焚烧法：直接以垃圾为燃料,焚烧垃圾发电。5.3.1、国内外发展现状

萌芽阶段：1874年1885年英国诺丁汉和美国纽约先后建造了处理生活垃圾的焚烧炉。发展阶段：从20世纪初到60年代末，欧洲、北美及日本都陆续建起了一些生活垃圾焚烧厂。成熟阶段：从20世纪70年代初到90年代中期，几乎所有的发达国家、中等发达国家都建设了不同规模、不同数量的垃圾焚烧厂。焚烧法发展历程日本现有大小垃圾焚烧厂约1900座。2007年韩国全国43处大型生活废弃物焚烧设施。垃圾焚烧设施所回收热能的75.8%供给韩国地区供暖公司等企业，作为取暖和建筑设施、附属设施的热源等直接使用。其余热能的24.2%转换为电力后供给韩国电力公司，从这类废弃物回收再利用所产生的能源量，占韩国生产的可再生能源总量的76%。各国垃圾发电现状瑞士、比利时、丹麦、法国、卢森堡、瑞典、新加坡等国焚烧垃圾的比例都接近或超过填埋处理。垃圾焚烧技术得到迅速发展应用的原因，除了经济、技术、环境保护观念等因素外，首先是生活垃圾数量的快速增长，使垃圾填埋场日趋饱和；其次是生活垃圾中可燃物、易燃物的含量大幅度增长，为垃圾焚烧技术应用提供了先决条件。1988年我国第1座垃圾电厂在深圳建成，引进3台150t/h的三菱重工马丁式焚烧炉、3台蒸发量为13t/h的双锅筒自然循环锅炉,另配杭州汽轮机厂的4000kW汽轮发电机组。我国为建立垃圾电厂而从国外引进的垃圾锅炉基本上都是炉排炉，价格昂贵，而且在燃用低热值、高水分垃圾时，为了保证锅炉的正常燃烧，必须加入燃料油，运行成本较高，经济效益差。我国垃圾发电概况发展适合我国国情的焚烧炉，实现设备国产化，达到低污染和高效燃烧是目前许多科技人员正在研究开发的课题。1998年浙江大学热能研究所与杭州锦江集团联合开发将此项技术应用于余杭发电厂，把原有一35t/h链条炉改造成流化床焚烧炉，单炉日处理垃圾150~200t/d，取得了较好的经济效益和社会效益。目前中国已有28个省、市和自治区的大中小城市建成了垃圾发电厂。截止到2005年底，两省垃圾发电厂装机容量28.8万千瓦，占全国三分之二左右。浙江省投入商业运营的垃圾发电厂12家，总装机容量11.6万千瓦，其中，垃圾焚烧发电厂11座，总装机容量11.4万千瓦，垃圾填埋气发电厂1家，装机容量0.194万千瓦，垃圾发电占垃圾处理量的27%。浙江省垃圾发电广东省建成的垃圾发电厂16座，总装机容量约17.2万千瓦，其中，垃圾焚烧发电厂15座，总装机容量11.6万千瓦，垃圾填埋气发电厂1座，装机容量0.2596万千瓦。2009年，深圳市能源环保有限公司投资兴建的宝安二期垃圾发电厂，日处理能力可达4200吨，将成为国内最大的垃圾焚烧发电厂。目前深圳市垃圾日产量为12074吨，已建成垃圾焚烧发电厂7座，设计垃圾焚烧总处理能力为4875吨/日。广东省垃圾发电该厂与2009年5月正式启动发电，是湖北省首个垃圾发电厂。首期完成后，该项目装机容量将达3兆瓦，目前每天处理垃圾2800吨，预计年发电量为2160万度，可供近万户居民使用。陈家冲垃圾场不仅实现垃圾发电，更重要的是减少填埋气向大气中的排放，而填埋气通过搜集碳排放量，可实现碳汇转让的收益。首期完成后的陈家冲垃圾场年均减排碳排放量13万吨，每年可带来1000多万元的收益。陈家冲垃圾发电厂图5.8武汉陈家冲垃圾发电厂有关专家预计，到2020年我国将新增垃圾发电装机容量330万千瓦左右，按每千瓦4500元的设备造价计算，中国垃圾发电市场容量为149亿元人民币。许多民营企业也十分看好垃圾发电行业。一、焚烧法垃圾发电一般垃圾的燃烧过程可分为干燥阶段、焚烧阶段、燃烬阶段，如图5.9所示。当垃圾进行焚烧时,炉内温度一般为800-900℃，最高温度可达1100℃,经过焚烧使垃圾中的病原菌彻底被杀灭,从而达到无害化处理的目的。垃圾焚烧后,体积减少90%，重量减轻75%，明显地减容减量