4MW生物质气化燃气—蒸汽整体联合循环发电示范工程设计研究

4MW生物质气化燃气一蒸汽整体联合循环发 电示范工程设计研究 吴正舜吴创之郑舜鹏马隆龙李清 (广州能源研究所。广州先烈中路81号大院，广东，广州，510070 Tel：020一B7787136，Fax：020—87608586，E-mail：坠坚§麴§：gi墼：堑：￡Ⅱ) 摘要：本文介绍了我国4MW级的生物质气化整体联合循环发电示范工程的设计特点。该工艺中使用了中 温静电除尘、焦油裂解装置和显热回收系统，预计投运后，将会噻拿物质的气化效率提高、可燃气中焦油 含量减少以及系统效率得以提高，为我国生物质能的开发与运用开辟了广阔的前景· 关键词：4’2哑跫生物质气化’整体联合循环，《辛正程设计· 1．前言 鉴于矿物、石油燃料资源的有限性以及它们燃烧时所排出的s02、NOx，将加剧环境染污， 所排出的c0。，将加剧全球的温室效应。人们不得不重新考虑使用那些在自然界不会枯竭的 可再生能源的可能性，生物质能的利用就是其中的一种。生物质能是太阳能以化学能形式贮 存在生物中的一种能量形式，～种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光 合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生 的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳 达2xt0“t，含能量达3xlO“J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能， 相当于全世界每年耗能量的10倍。目前生物能仍是第四大能源，生物能具备下列优点： ·提供低硫、氮燃料： +对大气C02净排放量为零，对减少温室效应气体排放有明显的作用； ·提供廉价能源(於某些条件下)： ·将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)； +与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。 70年代初世界出现的石油危机后，许多国家就开始把新能源和可再生能源发展作为未 来的重要能源组成部分而加以重视。80年代后，严重的环境和生态问题使各国政府更面临 着能源与环保的双重压力。1992年在联合国环境与发展会议上，各国政府签订了《里约宣 言》，通过了{21世纪议程》，提出了人类需要走持续发展的道路。我国政府也相应制订 和批准《中国2l世纪议程》，其中有关章节专门论述了开发利用新能源和可再生能源，改 善能源结构，保护环境，走持续发展之路，同时提出了“积极发展新能源，改善能源结构”。 1998年起实施的《中华人民共和国节能法》也明确提出“国家鼓励开发利用新能源和可再 生能源”。国家发展委员会、科学技术部、国家经济贸易委员会《1996--2010年新能 源和可再生能源发展纲要》进一步提出加强新能源和可再生能源发展，并制订了具体的目标、 措施和相应的政策建议。 我国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生 活垃圾等四个方面。目前，我国还只是对其中农业废弃物(如生物质秸杆、谷壳的很少部分) 及农林产品加工业废弃物(木板加工厂产生的木粉)的生物质能迸行了回收利用，除资金短 缺这方面原因外，有关生物质气化主要存在以下问题： (1)生物质灰熔点低、碱金属元素含量高，直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素腐蚀。 (2)生物质气化时，渣与飞灰的含碳高，气化效率低．此外燃气中焦油含量高，导致：一方 面产生大量含焦废水：另一方面影响燃气利用设备的连续正常运行。 (3)燃气和经发电机组产生的尾气的显热未回收，造成整个系统的效率低(18％左右)。 燃料单耗高，如木粉和谷壳发电燃料单耗分别：1．3Kg／Kwh和】．8／(g／KWh． 针对上述问题，国外(如瑞典)主要是采用TPS气化工艺，其流程如图i所示。该工艺 的主要特点：飞灰采用旋风分离器进行分离：燃气中的焦油采用石灰石进行了催化裂解，显 热进行了回收。 图1瑞典的TPS气化工艺流程图 目前国内外针对生物质气化所存在的上述问题尚无更好的。为此，我国把生物质能 的利用作为“十五”国家科技攻关计划，要开发出大型生物质气化发电站产业化关键技术， 燃气焦油含量<50mg／m3，气化效率>75％，气化发电系统效率15—18％；开发出经济可行的 污水处理装置，实现达标排放：推广建成MW级电站10座以上，单位投资3500元／千瓦左 右，发电效率17--18％，成本0．25元／度左右。 中国科学院广州能源研究所从80年代就开始从事生物质能的开发与利用研究，在IMW 生物质气化发电系统研制的基础上，又承担了国家高新技术863项目：大型生物质气化发电 产业化关键技术的研究，4MW级生物质气化整体联合循环发电示范工程设计就是在这一背 景下产生的。该示范工程位于江苏省镇江市丹徒经济技术开发区。 2．4MW级示范工程工艺流程及设计 针对目前生物质气化中出现的问题，该示范工程中使用了旋风分离与中温静电除尘、焦 油裂解装置和显热回收系统，用以降低燃气中的粉尘含量、焦油含量以及提高系统气化的效 率。其工艺流程图如图2所示。 图2 4MW级生物质气化发电示范工程工艺流程图 1．流化床气化发生炉2．旋风分离器3．蒸发器14．中温静电除尘器5．汽包6．焦油裂解炉7．蒸发器2 8．空预器9．文丘量除尘器10．水洗除尘11、36．引风机12．储气罐13．水封14．加压风机1j．加压储气 罐16．燃气发电机组17、23、27、30、39、40冷却水或加压水泵18、20、22燃料运输设备19．燃料切割 机21．燃料干燥设备24．省煤器25．蒸发器326．除氧器28．冷疑器29．蒸汽发电机组31．粉尘旋风分离 器32．袋式除尘器33．燃料仓34．加料器35、38．鼓风机37．烟囱 2．1主要的工艺设计参数 设计燃料：4．5t／h稻草桔杆(其工业与元素分析见袁1)。 运行空燃比：1．2m3(Iarm，25℃)／kg。 设计发电能力：燃气发电机组(3MW)，蒸汽发电机组(1Mw)。 气化炉效率：78％。 内燃机效率：30％。 汽轮发电机效率：24％。 系统总效率：28％。 表l稻草秸杆工业分析与元素分析 工业分析 成份 固定碳 挥发份 水份 灰份 赢魄值∞，k曲 分析值(％) 17．8 64．01 7．8 7．17 14499．17 ’ 元素分析 成份 C H O N S 分析值(％) 38．33 6．17 40．24 0．72 0．34 冈㈠㈠ 2．2 4MW级示范工程工艺流程设计特点 该工艺采用流化床气化炉，该气化炉具有良好的燃料适应性；且结构紧凑，具有良好的 操作特性(如炉内上下部温度均一)以及低负荷运行能力，且碳的转化率高等优点。该工艺 在对待目前生物质气化普遍存在的问题上主要采用了以下措施。 对于燃气夹带的飞灰，除采用常规的旋风分离器外，其后增加了中温静电除尘以及水洗 除尘，以满足燃气发电机组的要求。 在对待燃气中焦油的问题上，由于焦油成份复杂(如图3所示)，与许多因素有关，其 机理仍处在研究阶段。尽管目前降低气化过程中所产生的焦油的方法除了提高运行温度外， 再就是添加催化剂。目前常见的催化剂有镍基、木炭和白云石催化剂。镍基催化剂活性高， 僵由于易被气化过程中所生成焦炭覆盖其活性表面而很快失活，且价格昂贵，不易工业应用。 目前较常用的为白云石和木炭焦油裂解催化剂，本工艺中采用了木炭焦油裂解催化剂进行焦 油裂解。即在裂解炉中加入适量的碳，在配入适量的空气，一方面通过炭与空气反应放热使 燃气湍席升高军900"C以r：另一方面利用碳的催化作用，达到高漏催化裂解的双重功效。 1 ' 2 M l ： 1 1‘ j ： 2 ，j 23 龇厶10 L¨城以 夕 呐成‰‰kl太l s ’O 15 20 25 30 35 40 1-2·Mcthyl-2-propenal 2-Benzeno 3．Cyclohex．cne 4-Tolucne 5-Cyclopent址one 6·2-Cyclopenten-1-onc 7·Furfural 8-1。3,5．7-cyclooctatetracne 9-Unknown 10-BCnZOfn眦 19-Naph也alene 11-Phenol 20．2-Mcthylnaphthalene 12·1-Propynylbenzene2l-1．Mcthylnaphthslene 13il-Phenylethanone22-1．1LBiphenyl 14·o-Cresol 23．Accnaphthene 15-m／p-Cresol 24-Bbhenylcne 16-1-Methyl·lH·Indent25．Phcnantbxcne 17·I-Methylene·2一Propenylbenzene 18·1．2—Dihydronaphthalenc 图3燃气中焦油成份分析(780"C)(引自Bangalacta1．1997) 在对待显热损问题上，采用燃气一蒸汽整体循环以回收系统的显热损失。即在气化炉出 口、焦油裂解炉出口以及燃气发电机组排出的尾气出口处，均布置了显热回收蒸发器t、2、 3。此外，由蒸发器排出的尾气经干燥燃料后再排入大气。使系统的显热得到了充分回收， 据诂算：仅显热回收一项就可节能占所输入总能量的50％左右。 对于燃气中的少量的氮化合物(如氨)、硫化物以及碱金属化合物和少量的来完全裂解 的焦油，则通过水洗塔除掉，且达到降低气体温度的目的。 87 3．环境效益与市场前景 示范电厂在设计条件下运行时，每年可处理约30000多吨生物质废物，作为最直接的效 果之一，每年可减少C02的捧放约30000吨。与燃煤相比较，生物质气化发电不会或很少 产生诸如NOx和S02等大气污染物。从长运的观点来说，应用生物质气化发电技术所带来 的环保效果将会非常明显。 中国生物质废料资源丰富，图4为我国秸杆分布图，价格低廉，所以生物质气化发电成 本较低，其单价仅约为0．26元fkwh，接近或优于常规发电成本，就地使用可以减少输电损 失，比电网电价格低得多：其单位投资仅约6000—6500元／KW，与煤电相当，气化发电设备 易于实现国产化，所以具有良好的市场前景。 4．结论 图4我国秸杆产量分布图 通过理论分析与设备调研，4MW生物质气化燃气一蒸汽整体联合循环发电示范工程的 工艺设计在技术是先进的、可行的，该工艺在传统工艺的基础上新增了中温静电除尘、焦油 裂解装置和显热回收系统，投运后将克服了以往生物质气化过程普遍存在的一些问题，使燃 气质量、气化效率、碳转化率以及系统效率将得到明显的提高。为我国生物质能的运用开辟 了广阔的应用前景。 参考文献 I． 生物质中热值气化皴置设计与运行，吴创之，徐冰燕，罗曾凡，阴秀丽，刘平，太m能学报，VolI8． NO．1-1997．1 2· 生物质富氧气化特性的研究，吴创之．朋秀丽，徐冰燕，罗曾凡，刘平，太阿]能学报，Vol18．No． 88 3．1997，7 ， 3． 生物质焦油裂解的关键，吴创之，阴秀丽，刘平，罗曾凡，陈勇，1997中国太阳能学会年会论 文，1997。苏州 4 循环流化床生物质气化技术应用分析。都舜鹏，吴创之，罗曾凡，徐冰燕，陈勇，1997中国太阳 能学会年会，1997，苏州 5 7 Thescale-upofbiomasscirculatingfluidizedbedgasifier,WuChuangzhi．LiuPing,LuoZengfan,Xu BingyanandChcnYang,the6thChina-JapanSymposiumonFluidization,Oct．9-11，1997．Beijing，RR． China TheCurrentStateofRiceHullsGasificationandPowerGenerationinChina,WuChuangzhi，LiuPing,Luo Zengfan，XuBingyanandChenYong,China-EuropeanUnionRenewableEnergyTechnologyConference， Sop．18-19，1997，BeijingChina Semi-wetFlueGasDesulfurizationwithaMulti·SolidFluidizedBed--TheDryingMechanismsofthe AbsorbentSlurry,ZhendongLei，ChuangzhiWu,Bin璺,anXu,YongChen，BaiqianLiu，14thInternational PittsburghCoalconference＆Workshop．ShanxiChina,1997 ADesignStudyOfDemonstrationProjectOf4MWPowerGeneration SystemByBiomassIntegratedGasificationCombinedCycle Zheng—shunWU，Chuang-zhiWU，Shun—pengZHENG，Long—longMA，QingLI GuangzhouInstituteofEnergyConversion，No．81XianlieZhongRoad Guangdong，Guangzhou，510070 Tel：020—87787136，Fax：020—87608586，E-mail：竖!!§l麴§：gi￡￡：§￡：￡Ⅱ kbstract：thiSpaperintroducesthedesigncharacteristicsof4娜PowerGeneration SystemByBiomassIntegrationGasificationConabinationCycle．Middletemperature staticprecipitatorofflyash，tarcrackingequipmentandsystemofreclaiming sensibleheatareusedingasificationtechnology．ItiSestimatedthatgasification effiCiencyandsystemeffiCiencyincreaseandtarcontentinfuelgasdecreaseswhen thegasificationtechnologyiSputintooperation．Itissignificantforbiomass energytobedevelopedandused． Keywords：biomassintegratedgasificationcombinationcycle，4MWpowergeneration， anddemonstrationproject． 4MW生物质气化燃气—蒸汽整体联合循环发电示范工程设计研 究 作者： 吴正舜， 吴创之， 郑舜鹏， 马隆龙， 李清 作者单位： 广州能源研究所,广州先烈中路81号大院(广东广州) 本文读者也读过(10条) 1. 吴正舜.吴创之.郑舜鹏.马隆隆 4MW级生物质气化发电示范工程的设计研究[期刊论文]-能源工程2003(3) 2. 吴正舜.申莉.刘德昌 循环流化床锅炉操作特性的研究[期刊论文]-热力发电2002,31(5) 3. 吴正舜.陈汉平.张世红.黄琳.刘德昌.WU Zheng-shun.CHEN Han-ping.Zhang Shi-hong.HUANG Lin.LIU De- chang 利用循环流化床燃烧技术对旧锅炉的改造[期刊论文]-工业锅炉2000(2) 4. 李学慧.吴正舜.陈义峰.伍强贤 非师范专业实习基地长效机制建设的研究[期刊论文]-中国科技纵横2010(22) 5. 马隆龙.吴正舜.Pietro Marzetti.Emanuele Scoditti.Giacop Braccio 隔板式内循环气化炉的设计和运行[期 刊论文]-化学工程2004,32(3) 6. 吴正舜.刘德昌.陈汉平.赖育华 35 t/h煤粉锅炉改循环流化床锅炉的研究[期刊论文]-华中理工大学学报(自然 科学版)2000,28(11) 7. 马隆龙.吴正舜.吴创之.Pietro Marzetti.Emanuele Scoditti.Giacop Braccio 隔板式内循环气化炉的设计和 运行[会议论文]-2003 8. 吴正舜.刘欣.吴创之.张春林.陈汉平.刘德昌.常杰.马隆隆 煤在燃烧过程中的破碎[期刊论文]-电站系统工程 2003,19(2) 9. 吴正舜.刘德昌.陈汉平.任鲁军.余永江.宋金煌.杨再嵩.朱昭德.赵晓辉.戴泽民 25t/h双循环流化床锅炉的设计 与调试[期刊论文]-发电设备2001(3) 10. 吴正舜.丁一刚.吴元欣.李定或.WU Zheng-shun.DING Yi-gang.WU 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