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1、生物质气化发电技术阳永富，孙龙，樊俊杰（胜利油田胜利动力机械有限公司，山东 东营 257032）摘要：随着人们对能源需求的日益增长，作为人类目前主要能源来源的化石燃料却迅速减少，而生物质能是一种重要的可再生能源,它分布广泛,数量巨大。但由于它能量密度低，又分散，收集和运输困难，所以难以大规模集中处理。另一方面随着经济的发展，我国电力供应日益紧张，对电力需求很大，电价居高不下，在这种环境下，通过气化发电技术，把生物质转化为电力，既能大规模处理生物质废料，又能为生产提供电力，具有明显的社会和经济效益。本文主要讲述生物质的气化技术，生物质气净化处理技术及生物质气用于内燃机的发电技术。关键词：生物质；
2、气化；净化；内燃机；发电 Biomass Gasification and Generation TechnologyYang YongFu，Sun Long，Fan JunJie（Shengli Oil Field Shengli Power Machinery Co., Ltd, Dongying Shandong 257032）Abstract: Energy demand is increasing and the fossil fuel is decreasing, which is the important energy source. Biomass is an importa
3、nt regenerative energy. It distributes widely and with high amount. Because it features low concentration and distribute dispersedly, so it is difficult for transportation and treatment in scale. With rapid economic development, electricity is in great demand gradually, its price is high. Under this
4、 condition, biomass is converted into electricity by gasification technology. Supported with this technology, massive waste biomass is treated and electricity is produced to supply for production resulting in significantly social and economical benefits. The paper introduces biomass gasification, bi
5、ogas treatment and electricity generation by fueling biogas on internal combustion engine. Key Words: Biomass；Gasification；purification；Internal Combustion Engine； Electricity Generation 1 生物质气化技术简单地讲，气化是以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温的条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷等）的热化学反应。气化和燃烧是密不可分的，燃烧是气化
6、的基础，气化是部分燃烧或缺氧燃烧。气化可以将生物质转化为高品质的气态燃料，直接应用作为锅炉燃料或发电，产生所需的热量或电力。生物质气化后一部分转变为可燃气体，一部分转变为碳，另外还有少量的焦油。得到的生物质燃气经过水洗、净化后即可使用，可民用，也可直接用于发电。1.1 气化方法1.1.1 干馏气化法干馏气化属于热解的一种特例，是指在缺氧或少量供氧的条件下，生物质进行干馏的过程。主要产物为醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油、木炭和可燃气。可燃气的主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烯和氢气等，其产量和组成与热解温度和加热速率有关。燃气的热值为15MJ/m3，属中热值燃气。1.1.2 空气气化法以
7、空气作为气化剂的气化过程，空气中氧气与生物质中可燃组分发生氧化反应，提供气化过程中其它反应所需的热量，不需要额外提供热量。由于空气随处可得，不需要消耗额外能源进行生产，所以它是一种极普遍、经济、设备最简单且容易实现的气化形式。空气中含有21%的氧气和79%的氮气，氮气是一种惰性气体，不参与化学反应。但氮气在化学反应过程中会吸收部分反应热，降低反应温度，阻碍氧气的充分扩散，降低反应速度。而且不参与反应的氮气稀释了生物质燃气中可燃组分，降低了燃气热值。燃气热值一般为5MJ/m3，属低热值燃气。1.1.3 氧气气化法以纯氧作为气化剂的气化过程。在此反应过程中，需严格控制氧气的供给量，方可保证气化反应
8、所需的热量，避免生成二氧化碳。同空气气化相比，由于没有氮气参与，提高了反应温度和速度，缩小了反应空间，提高了热效率。生物质燃气热值可达到15MJ/m3，属中热值燃气，可与城市煤气相当。但是生产纯氧需要消耗大量的能源，故不适于小型的气化系统。1.1.4 水蒸气气化法以水蒸气作为气化剂的气化过程。气化过程中水蒸气与炭发生还原反应，生成一氧化碳和氢气，同时一氧化碳与水蒸气发生变化反应和各种甲烷化反应，故生物质燃气中氢气和甲烷的含量较高，热值可达到17MJ/m321MJ/m3，属中热值燃气。水蒸气气化的主要反应是吸热反应，需要额外的热源，但是反应温度又不能过高，且该项技术比较复杂，不易控制和操作。1.
9、1.5 水蒸气-空气气化法主要用来克服空气气化产物热值低的缺点。减少了空气的供给量，并生成了更多的氢气和碳氢化合物，提高了燃气的热值，生物质燃气热值可达到11.5MJ/m3。此外空气与生物质的氧化反应，可提供其他反应所需的热量，不需外加热系统。1.1.6 氢气气化法以氢气作为气化剂的气化过程。主要气化反应是氢气与固定碳及水蒸气生成甲烷的过程。生物质燃气热值可达到12.3MJ/m326MJ/m3，属高热值燃气。但氢气气化反应的条件极为苛刻，需要在高温高压下进行，一般不常使用。1.2 生物质气化设备气化炉气化炉是生物质气化的主要设备。在这里，生物质经燃烧、气化转化为可燃气。气化炉可分为固定床气化炉
10、、流化床气化炉及携带床气化炉。固定床适用于小型设备，流化床比较易于大型化。在反应过程中主要控制的是气化炉中的反应温度和物料的停留时间。1.2.1 固定床气化炉固定床气化炉的气化反应一般发生在相对静止的床层中进行，生物质依次完成干燥、热解、氧化和还原反应。根据气流运动方向的不同，固定床气化炉可分为下吸式、上吸式、横吸式及开心式等几种类型。 下吸式固定床气化炉的特征是气体和生物质物料混合向下流动。通过高温喉管区（只有下吸式设有喉管区）。生物质在喉管区发生气化反应，可燃气体从喉管下部吸出，而且焦油也可以通过炽热的木炭床时进行裂解，因此挥发分中的焦油可以得到充分分解，燃气中焦油含量较低，特别受到小型发
11、电系统的青睐。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。此种气化炉结构简单，运行比较可靠，适于较干的大块物料或低灰分大块同少量粗糙颗料的混合物料，其最大处理量是500kg/h。目前欧洲的一些国家已用于商业运行。上吸式固定床气化炉的特点是气体的流动方向与物料运动方向相反。向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解。在气休炉底部，固定碳与空气中的氧气进行不完全燃烧、气化，产生可燃气体。因为原料在干燥层和热解层可以充分利用还原反应气体的余热，可燃气体在出口处的温度可以降至300以下，所以上吸式固定床气化炉的热效率比其它固定床气化炉的高。且对原料要求不很严格，但是上吸
12、式气化炉燃气中焦油含量较高，需作进一步净化处理。上吸式气化炉目前没有较大的型号，但在原理上其容量不受限制。该种气化炉主要应用于欧洲及东南亚一些国家。横吸式固定床气化炉的特点是空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气体流横向通过燃烧气化区。它主要用于木炭气化。在南美洲应用广泛并投入商业运行。开心式固定床化炉同下吸式相似，气流同物料一起向下流动。但是由转动炉栅代替了喉管区。主要反应在炉栅上部的燃烧区进行。结构简单而且运行可靠。它是由我国研制的，主要用于稻壳气化，并已投入商业运行多年。1.2.2 流化床气化炉流化床气化炉具有气、固接触，混合均匀和反应速度快、气化效率高的优点，是唯一在恒温床上进行反应
13、的气化炉，反应温度为700850，原料要求相当小的颗粒。其气化反应在流化床内进行，产生的焦油也可在流化床内裂解。流化介质一般选用惰性材料（如砂子），由于灰渣的热性质易发生床结渣而丧失流化床功能，因此要控制好运行温度。流化床气化炉分单床气化炉、循环气化炉和双床气化炉。单床气化炉只有一个流化床，气化后生成的气化气直接进入净化系统中；循环流化床的流化速度较高，能使产出气体中带走大量固体，经旋风分离器后使这些固体返回流化床，与单床相比，提高了碳的转化率，适用于颗粒度较小物料的气化；双流化床与循环床相似，不同的是第1级反应器的流化介质被第2级反应器加热。在第1级反应器中进行裂解反应。第2级反应器中进行气
14、化反应，双流化床的碳转化率也很高。1.2.3 携带床气化炉携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，它不使用惰性材料，提供的气化剂直接吹动生物质原料，属于气流输送。该气化炉要求原料破碎成细小的颗粒，其运行温度高达成11001300，产出气体中焦油成分及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结，故选材较难。2 生物质燃气的净化技术 不同气化炉及不同气化方式产出的气体成分和热值也不相同，其热值一般在5MJ/m315MJ/m3。生物质气化产生的气体成分大致如下：CO：15%23%；H2：8%13%；CH4：1%3%；CO2：11%14%；O2：1.6%。其余基本为氮气。气化炉温度越高，
15、H2含量越高，焦油含量越少，气化炉温度达到1200时，H2含量可达到20%。目前的生物质气化技术中焦油含量普遍较高，使得后续的净化和使用都比较麻烦。针对这一特点，采取催化裂解法，将秸秆等生物质废料转化为焦油含量很低的燃气。2.1 水洗除焦 在喷淋塔中将水与生物质燃气相接触，将其中的焦油去除。此方法在技术上成熟可靠，且集除尘、除焦和冷却三项功能于一身，是中小气化系统采用较多的一项技术。主要缺点是会产生废水，造成能量的浪费和二次污染问题。2.2 过滤除焦将生物质燃气通过装有吸附性强的材料（如活性炭、滤纸和陶瓷芯）的过滤器将焦油过滤出来，具有除尘和除焦两项功能，且过滤效率较高。主要缺点是需要经常更换
16、过滤材料。为了防止产生废物，可以选择生物质作为过滤材料，如粉碎的玉米芯等。2.3 静电除焦在高压静电下将生物质气电离，使焦油小液滴带上电荷，小液滴聚合在一起形成大液滴，并在重力的作用下从燃气中分离出来。其效率较高，可达到90%以上。但生物质燃气中氧的含量不得超过1%，否则静电放电容易点着燃气，导致爆炸。故静电除焦操作起来比较困难。2.4 催化裂解除焦催化裂解法除焦是目前最先进的除焦技术。焦油在10001200时可热解为小分子气体，但实现这样高的温度比较困难。催化裂解是利用催化剂的作用，在800900时发生热解反应。其效率可达99%以上。热解的产物为可燃气，可以直接利用。催化剂多采用木炭、白云石
17、和镍基催化剂。另外，对大部分焦油成分来讲，水蒸气在裂解过程中有利于焦油的裂解和可燃气的产生，它和焦油的某些成分发生反应，生成CO和H2等可燃气体。3 生物质燃气用于内燃机发电技术不同的气化设备和不同的工艺流程以及同一气化炉，不同的原料都可导致生物质燃气的不同和应用场合的不同。生物质燃气主要用于提供热量、集中供气、气化发电和化工原料气。生物质气化发电系统项目是国家科技部“九五”期间在可再生能源技术领域的重大项目和研究课题。矿物能源的使用带来了环境污染、全球温室效应的恶果，生物质能是人类最早利用也是最大量使用的可再生能源，具有二氧化碳零排放、绿色环保能源的美誉。它利用木屑、玉米秸秆、谷壳等废弃物经
18、化合反应生成生物质气，可广泛用于燃气、取暖、照明、发电以及制造新型能源材料。现就山东省科学院能源研究所180GF-RFm型秸秆气发电机组现场试验情况对生物质燃气用于内燃机发电的技术做一介绍。内燃式发电机组采用胜利油田动力机械有限公司专门研制的180GF-RFm型秸秆气发电机组。180GF-RFm型燃气发电机组保留了原柴油机结构紧凑、可靠性高和动力性好的优点，机器通用化程度较高。该机型于2004年10月开始开发、设计。首台180GF-RFm型生物质气发电机组于2005年4月交付山东省科学院能源研究所，用于生物质气发电试验。目前该机组经前期现场调试与试验改进，功率190kW稳定运行，机组的各项参数
19、理想。180GF-RFm型燃气发电机组，其关键的创新内容为：采用电控技术，确保机组工作时对发动机进气进行精确控制；采用高H2燃气防爆技术，确保机组的防爆安全性。采用TEM电子管理控制系统，机组的自动化程度很高。发动机各主要部件配置情况如下：进气部分：采用空气过滤、空气和煤气混合后增压方式。燃气的进气控制为闭环控制，通过温度反馈调节燃气进气量来调节空燃比，从而达到控制燃烧的目的、实现各缸工作均匀。进气管的一端设有自动复位的防爆装置，当进气管发生回火时，防爆们自动打开，爆炸的高温气流从防爆门排出，起到卸压和灭火的作用，确保机组在发生回火时，仍可以在不停机的情况下正常运行。排气部分：排气管上设有6个
20、排温检测接口。增压系统：采用脉冲混流式增压器，满足发动机的要求。调速系统：调速系统采用GAC电子调速系统。配气系统：借鉴天然气机的成熟经验。针对生物质燃气H2含量高的特点，重新设计凸轮轴，减少气门重叠角。点火部分：采用美国ALTRONIC公司的磁电机点火系统，包括磁电机、高压线圈、火花塞等进口部件，运行安全可靠。冷却部分：采用原天然气机大流量高温水泵，作为循环动力，外部循环采用热交换器进行冷却换热，由冷却塔冷却或做余热利用。启动部分：采用DC24V、ST710电启动马达启动，启动扭矩大，易于冷启动。活塞连杆部分：根据其他燃气机的经验，结合点火提前角等因素，确定理想的活塞压缩比。机组配套方案如下
21、：发电机：选用按西门子许可证制造的1FC6系列无刷同步恒压三相交流发电机。控制屏：选用动力机械有限公司专门研制的PLT控制屏。具有多重自动保护功能。TEM控制系统：实现对机组全部参数的自动采集、显示等功能。同时实现发动机空燃比的自动精确调整。监控仪：对发动机进行适时监控，可实现声光报警、远传报警等功能。这些先进技术的应用，解决了秸秆气含H2高、压力低的问题，保证了180GF-RFm型燃气发电机组在秸秆气领域应用的技术先进性。同时有效解决了高H2气体在燃气发动机利用过程中所发生的回火和“放炮”现象。表1为发电机组运行参数。按160kW，日耗秸秆量为6070kg/d，全年8000h计算，年消耗秸秆
22、2023吨，气化炉产气量为600m3/h，气柜容积150m3。发电规模200kW，耗气600 m3/ h，秸秆气（低热值）平均按5200kJ/m3计算，1 m3 可发电0.43表1 发电机组运行参数日期时间频率Hz发电机功率kW排温1排温2排温3排温4排温5排温62005-12-1014:32:4149.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4249.81194.31535.5565.1539.2524.5531524.42005-12-1014:32:4349.81193.23535.5565.1539.2524.553152
23、4.42005-12-1014:32:4449.81193.23535.5565.1539.2524.5531525.52005-12-1014:32:4549.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4649.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4749.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:4849.81193.23536.5565.1539.2525.5531525.52005-12-1014
24、:32:4949.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5049.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5149.81193.23536.5566.1539.2525.5531525.52005-12-1014:32:5249.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5349.81193.23536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5449.81194.
25、4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5549.81194.4536.5566.1540.2525.5531525.52005-12-1014:32:5649.81194.4536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5749.81195.43536.5566.1540.2525.5531526.52005-12-1014:32:5849.81195.43536.5566.1540.2525.5532526.52005-12-1014:32:5949.81195.43536.5566.1540.25
26、25.5532526.52005-12-1014:33:0049.81195.43536.5566.1540.2525.5532526.5kW.h，1kg秸秆平均产秸秆气2.37m3，网电价格按0.5元/kWh计算（可再生能源政策规定），利用秸秆气发电机组发电平均运行费用0.12元/kWh，原料及人工成本为0.2元/kWh。加工1吨秸秆产生的焦炉煤气发电净收益：2.37 m310000.43kWhm3（0.5-0.12-0.2）元/kWh=183.438元。按200kW秸秆气机组日耗6吨秸秆计算，日发电净收益：6183.438=1100.628元。随着国家对能源利用的重视和对环保意识的加强，利
27、用生物质气进行发电，既节约了能源，又利用了废弃物，降低了污染，市场前景看好。但是生物质气成份复杂多样，其中的甲烷、氢气和一氧化碳等可燃成份含量不稳定，导致在内燃机应用领域进展相对缓慢。但是，生物质气作为可再生能源，在内燃机燃料市场有着深远的发展前景，再加上天然气价格的提升，用天然气作为燃料从经济性上将远远不及生物质气。这一切都加快了生物质气在内燃机领域内应用的步伐，相信会在很短的时间内推广开来。参 考 文 献1 崔心存.内燃机的代用燃料 .北京：机械工业出版社，19902 何学良.内燃机燃料的发展趋势.上海：上海交大出版社，19923 何学良，李疏松.内燃机燃料.北京：中国石化出版社，19994 毛健雄，赵树民. 煤的清洁燃烧.北京：科学出版社，20005 刘荣厚，牛卫生，张大雷.生物质热化学转换技术.北京：化学工业出版社，20056 姚向君，田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术. 北京：化学工业出版社，2004 作者简介：阳永富（1978-），男，湖南邵阳人，学士，工程师，主要从事内燃机的设计与开发工作。 E-mail: