生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)探究

路俊杰，亓懷剛

山東省能源建筑設(shè)計院，山東濟(jì)南 250014

在經(jīng)濟(jì)全球化的現(xiàn)代社會，人們對地球能源資源的依賴越發(fā)增強(qiáng)，開發(fā)利用新的能源資源越來越重要，世界各國在這一方面都有著不同程度發(fā)展。像傳統(tǒng)的石油資源，雖然現(xiàn)在其儲量相對比較大，但是人們早就計算出了它們的使用年數(shù)，隨著時代的不斷前進(jìn)，它們真正不斷的消失。而世界有些國家對其的依賴已經(jīng)非常強(qiáng)烈，經(jīng)常為了爭奪石油資源而發(fā)動戰(zhàn)爭，像美國發(fā)動的海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等等。盡管如此，在新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動下，人們主要還是把目標(biāo)放在不斷的研究開發(fā)各種資源的利用技術(shù)上。生物質(zhì)作為太陽能的一種表現(xiàn)形式，它的開發(fā)利用將會給人們帶來重要的影響，而且生物質(zhì)是一種再生資源，在當(dāng)今社會提倡可持續(xù)發(fā)展的前提條件下，開發(fā)利用生物質(zhì)能源無疑成為社會發(fā)展的主流方向。在利用生物質(zhì)能源的過程中，人們研究出的各種技術(shù)，其主要原理都是將固態(tài)的生物質(zhì)進(jìn)行一個轉(zhuǎn)化過程，從而得到人們想要的結(jié)果或者狀態(tài)，再進(jìn)行深一步的利用。下面就談?wù)勆镔|(zhì)氣化的相關(guān)內(nèi)容。

1 生物質(zhì)氣化

1.1 生物質(zhì)氣化發(fā)展介紹

生物質(zhì)氣化的發(fā)展要追溯到上個世紀(jì)70年代，國外首先對生物質(zhì)采取氣化技術(shù)，這一技術(shù)的采用使得其廣泛的傳播開來。而根據(jù)生物質(zhì)的特性所知，生物質(zhì)原料非常容易揮發(fā)，尤其是在受熱情況下，其揮發(fā)的程度相當(dāng)之大，所以，利用氣化技術(shù)可以很好的將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可利用的能源。

在中國，生物質(zhì)原料非常多，而生物質(zhì)氣化技術(shù)的利用，這正好可以解決國內(nèi)相對短缺的能源資源問題。尤其是在農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)多但是又經(jīng)常得不到很好的利用，農(nóng)民常常直接將將麥稈、稻秸稈等物質(zhì)進(jìn)行燃燒，而在運(yùn)用沼氣供熱供電上，其作為一個相對比較封閉的系統(tǒng)，所需要的生物質(zhì)相對較少。因此，當(dāng)生物質(zhì)大量存在而又不斷的出現(xiàn)時，我們正好可以采用生物質(zhì)氣化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)含有的固態(tài)能量向氣態(tài)能量的轉(zhuǎn)化。

在生物質(zhì)氣化發(fā)電來說，有以下幾種方式：首先，生物質(zhì)的氣化產(chǎn)生可燃性氣體，我們可以把這些氣體直接運(yùn)送入燃?xì)鉅t來產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電；其次可以利用凈化系統(tǒng)得到的燃?xì)庵苯铀腿雰?nèi)燃機(jī)，這種內(nèi)燃機(jī)規(guī)模都相對比較小，像汽車、摩托車內(nèi)采用的汽油機(jī)一樣，它可以直接將燃?xì)庥糜诎l(fā)電；當(dāng)然，與內(nèi)燃機(jī)相似，我們可以講燃?xì)馑腿肴細(xì)廨啓C(jī)來發(fā)電，這個發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模相對內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)來說要大一些。但無論采用何種方式，其基本原理都是采用能量的轉(zhuǎn)換。

而在生物質(zhì)氣化發(fā)電之外，國外還能將生物質(zhì)氣化技術(shù)運(yùn)用到合成有用有機(jī)物上，像甲醇、氨氣等，他們現(xiàn)階段的研究工作已經(jīng)取得了很大的成功，而且他們已經(jīng)將其用到了實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，可見，生物質(zhì)氣化技術(shù)在未來仍然有著巨大的發(fā)展前景，尤其是像在我們中國這樣的發(fā)展中國家。

1.2 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

在生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的分類上，由于其燃?xì)猱a(chǎn)生的機(jī)理不同而將其分為反應(yīng)性氣化與熱解氣化。在反應(yīng)性氣化上，大多又分為水蒸氣氣化、等離子氣化等方式。在實(shí)際的運(yùn)用當(dāng)中，我們又通常根據(jù)發(fā)電需求的不同而分為大型的流化床氣化和相對較小的固定床氣化兩種。下面將分別對流化床氣化和固定床氣化以及水蒸氣氣化和等離子氣化作出說明。

1.2.1 流化床氣化發(fā)電

大型的發(fā)電裝置一般采用流化床氣化系統(tǒng)，因?yàn)榱骰矚饣谑褂玫倪^程中氣化的能力大，而且其轉(zhuǎn)化效率非常高，在需求電量比較大的情況下，采取并聯(lián)方式將發(fā)電機(jī)連接起來，其實(shí)際工作將能很好的滿足。同時，在發(fā)電過程中，我們也需建立相對應(yīng)的凈化系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等。

1.2.2 固定床氣化發(fā)電

作為傳統(tǒng)的氣化方式，固定床氣化通常有兩種模式：上吸式固定床氣化和下吸式固定床氣化。它們兩種方式的運(yùn)行流程基本相同，只是在氣化介質(zhì)的流動方向以及加料的位置上有所不同。

1.2.3 水蒸氣氣化

水蒸汽氣化就是首先將生物質(zhì)粉碎后投入到氣化室，然后將蒸汽也注入其中，在高溫的條件下，多種混合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最后產(chǎn)生可燃性的混合氣體，再送入內(nèi)燃機(jī)等發(fā)電設(shè)備中。這中氣化方式在反應(yīng)容器上有著特別的要求，尤其是在氣化爐中，其控制的溫度、壓力等因素都非常重要。

1.2.4 等離子氣化

等離子氣化即采用等離子技術(shù)，把生物質(zhì)原料加入到等離子氣化室中，使得他們在超高的溫度下氣化，在這種環(huán)境下，碳的轉(zhuǎn)化率非常之高，氣化得到的氣體經(jīng)過一定的凈化設(shè)備和過濾設(shè)備，就能通入到相應(yīng)的發(fā)電設(shè)備之中，從而得到我們需要的電能。

1.3 存在的相關(guān)問題

生物質(zhì)的氣化發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)步入了一定的軌道，但在國內(nèi)的綜合情況來看，其存在問題還是不叫突出的。先就是原料方面，雖然中國地區(qū)的生物質(zhì)資源相對較多，但是具體而言，像麥稈、稻稈這些原料都呈現(xiàn)季節(jié)性，而在有些地區(qū)，如內(nèi)蒙古、西藏等就幾乎沒有，所以，生物質(zhì)原料又存在區(qū)域性。當(dāng)在特定的地區(qū)建立生物質(zhì)氣化應(yīng)用時，其原料的搜集與運(yùn)輸將會給規(guī)模化的生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響。其次，在環(huán)境的污染方面，雖然生物質(zhì)氣化發(fā)電是一種相對環(huán)保性的技術(shù)，但是仍然不可避免的出現(xiàn)了焦油等問題，尤其在發(fā)電系統(tǒng)上同時采用的凈化系統(tǒng)，其很容易帶來二次污染。最后在客觀上，國家的政策與扶住也會起到重要的影響，而資金的投入在工程建設(shè)的初期將會很大，而其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比較緩慢，因此這些也將制約著生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的順利進(jìn)行。

1.4 氣化技術(shù)的改革創(chuàng)新

就現(xiàn)今比較先進(jìn)的氣化技術(shù)有等離子體氣化技術(shù)、低溫新型固定床氣化技術(shù)、空氣氣化技術(shù)等等，這些技術(shù)雖然還未達(dá)到非常成熟的運(yùn)用階段，但是相信在不久的未來，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用價值將完美的呈現(xiàn)出來，克服相關(guān)的困難指日可待。

2 生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)

2.1 氣化發(fā)電系統(tǒng)

在進(jìn)行上述的簡單介紹過后，現(xiàn)在對氣化發(fā)電系統(tǒng)作一個分開化的描述。為了方便起見，我們主要就固定化床氣化和流化床氣化裝置來說明，其包括氣化發(fā)電的工藝、凈化系統(tǒng)與安全系統(tǒng)。

2.1.1 固定化床氣化發(fā)電工藝

固定化床氣化方面，我們采用下圖裝置：

從圖中可以得到，生物質(zhì)從高位料倉進(jìn)去，然后進(jìn)入氣化爐，轉(zhuǎn)化為氣體后，分別流入凈化系統(tǒng)，最后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)，將氣體燃燒并轉(zhuǎn)化為電能。

2.1.2 流化床氣化發(fā)電工藝

在流化床氣化發(fā)電方面，采用的裝置要較固定化床氣化技術(shù)復(fù)雜，其工藝圖如下。

首先生物質(zhì)進(jìn)入到流化床氣化爐，然后經(jīng)過冷卻器、凈化設(shè)備的處理，最后同樣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)。

在凈化系統(tǒng)方面，我們應(yīng)該對燃料系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃料的出口（即燃?xì)鈬娮欤┑冗M(jìn)行合理化的設(shè)計改造，使得生物質(zhì)的利用能夠最大化，而且能盡量產(chǎn)生焦油等污染物質(zhì)。在安全系統(tǒng)方面，由于燃?xì)廨啓C(jī)或者內(nèi)燃機(jī)都是用的天然氣燃料，所以在轉(zhuǎn)化過程中，尤其要注意它們的泄漏情況，所以在檢測方面應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)，做到防患于未然，這時我們可以考慮多安裝氣體探頭等。

2.3 分析與討論

就原料方面，固定化床氣化技術(shù)要求比較高，而流化床氣化則無特別要求，但在能量的利用率方面，流化床氣化較固定化床氣化要低，雖然固定化床氣化爐中溫度不均勻，但是固體顆粒能在爐中存在的時間長，所以對碳的轉(zhuǎn)化率較高；在環(huán)境影響方面，流化床氣化爐沒有固定床氣化爐好，這是由于二者的床內(nèi)溫度不同導(dǎo)致；在設(shè)計方面，由于流化床氣化采取的設(shè)備較復(fù)雜，所以設(shè)計的成本較高，而且其規(guī)模也比固定化床氣化要大，因此，其投資要大得多。雖然二者在性能、使用原料、能量利用率及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益方面都有不同之處，總體來說，流化床氣化技術(shù)現(xiàn)今階段運(yùn)用的難度比較大，但是其較高的穩(wěn)定性和帶來的經(jīng)濟(jì)效益來說，其將成為未來的主流發(fā)展方向。

3 結(jié)論

總之，我們在生物質(zhì)氣化技術(shù)方面仍然有巨大的發(fā)展空間，而且在未來的道路上，我們更加應(yīng)該多與發(fā)達(dá)國家進(jìn)行技術(shù)上的交流研究，并結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，因地制宜，從而制定出適合于自身的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。

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