50kW生物质气化发电系统的设计.pdf

第 2 8卷第 2 期 2 0 0 7 年 4月 能 源技 术 ENERGY TECHNOL OGY Vo L 2 8 A p r No 2 20 07 5 O k W 生物质气化发 电系统的设计 宋 秋 ， 杨 光 崔 亨哲 ， 任 永志 ， 张大 雷 ( 1 辽 宁省 能源研 究所 ， 辽 宁 营 口 1 1 5 0 0 0 ； 2 本 溪县 农村 能 源办公 室 ， 辽 宁 本 溪 1 1 7 1 0 0 ) 摘 要 ： 气化炉是生物质气化发电系统的核心设备。根据 内燃式燃 气发 电机 的性能参数和对 燃 气质 量 的要 求 ， 对下吸 式 生物质 气化 炉进行 了设 计 。通过调 整 喉 管区结构及 配风喷嘴 位 置 ， 可以 提 高气化炉的产气效率， 提高产 出气的品质。对 系统的燃气净化部分和燃气发 电机的选型做 了简 要介 绍 。 关键 词 ： 下吸 式气化 炉 ； 燃 气发 电机 ； 生物 质 中图分类号 ： T K6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 5 - 7 4 3 9 ( 2 0 0 7 ) 0 2 0 0 8 5 0 3 De s ig n o f 5 0 kW Bio m a s s Ga s if ica t io n f o r Po we r S y s t e m S ON G Qi u ， Y ANG Gu a n g z ， CUI He n g - z h e ，REN Y o n g - z h i ，ZHANG Da - l e i ( 1 Li a o n in g I n s t it u t e o f En e r g y Re s o u r ce s -Yi n g k o u 1 1 5 0 0 0。Ch in a ； 2 R u r a l E n e r g y Of f i ce o f B e n x i C o u n t y 。 B e n x i 1 1 7 1 0 0 。C h in a ) Ab s t r a ct ：Ga s if ie r is t h e co r e co m p o n e n t in b io ma s s g a s if ica t io n f o r p o we r s y s t e mAcco r d in g t o t h e ch a r a ct e r o f I C e n g in e a n d it s r e q u ir e me n t o n g a s q u a l it y-d e s ig n e d t h e d o wn d r a f t b io ma s s g a s if ie r B y o p t imiz in g t h e s t r u ct u r e o f t h e t h r o a t o f g a s if ie r a nd t h e p o s it io n o f t h e t u y e r e s -t h e g a s if ica t io n e f f icie n cy h a s b e e n in cr e a s e d a n d t h e g a s q u a l it y h a s b e e n imp r o v e d M e a n wh il e -a s imp l e in t r o d u ct io n h a s b e e n g iv e n co n ce r n in g t h e g a s co n d it io n in g co mp o n e n t s a nd t h e I C e n g in e Ke y wo r d s ：d o wn d r a f t g a s if ie r ；g a s I C e n g in e；b i o ma s s 生物质气化发电技术利用热解反应将生物质转 化成可燃气、 再以可燃气为燃料推动发电设备进行 发 电， 是 目前是生物质能最有效和最清洁的利用方 式之一。生物质气化发电包括 3个过程 ： 生物质气 化 、 气体净化和燃气发电。生物质气化发 电具有 3 个显著的特点 ： 可以根据规模 的大小选用合适的 发电设备 ， 保证在较小规模下都能达到合理 的发电 效率， 这种灵活性恰好满足 了生物质资源分布 比较 分散的特点； 生物质气化燃气 的燃用对外界环境 的氧化硫的净排放量几乎为零 ， 有助于改善周边地 区的环境 ， 而且气化过程的反应 温度在 7 0 0 9 5 0 之内， 能有效地降低氮氧化合物 的排量； 小规模 生物质气化发电也可以有较好 的经济性， 发电成本 目前 已接 近燃煤发 电水 平 。 本文介 绍 的 5 0 k W 生 物 质气化 发 电系 统是 基金项 目： 国家“ 十五”科技攻关项 目。编号 ： 2 0 0 1 B A 4 0 3 B 0 3 0 5 国家“ 十五” 科技攻关项 目， 该系统已经在示范单位 稳 定运行 1年多 的时 间 。 1 气 化炉 的设计 生物质气化发电系统的设计要满足发电负荷稳 定并可连续控制和调整的基本要求 。从系统匹配的 角度考虑， 生物质气化炉应符合 以下要求 ： 气化 炉加料排渣系统的设计 ， 应根据气化原料的特性 ， 保 证气化反应过程的连续进行； 产气应尽可能降低 焦油含量 ， 以减少后续净 化处理系统 的复杂性 ； 产出气应具有较高的热值 ， 并保持在一定的稳定范 围之内， 以利于提高内燃机的输 出功率和整个发电 系统的效率。 1 1 气化 炉 的选型 生物质气化发电系统 的气化炉， 通 常采用固定 床气化炉和流化床气化炉。下吸式固定床气化炉比 较适合于小型、 间歇性运行的气化发电系统 ； 它的最 8 5 维普资讯 宋 秋等 ： 5 0 k W 生物 质气化发电系统的设计 大优点是对原料的适应性强、 设备结构简单紧凑、 产 气中的焦油含量较低以及气体净化可采用简单的喷 淋过滤方式； 而存在 的缺点是 由于需要定时加料及 排渣， 所以很难保证连续运行 ， 而且产气质量容易波 动导致发电负荷不稳定 。流化床气化炉的优点是可 连续稳定运行以及 能适应不同种类 的原料； 缺点是 燃气中飞灰含量较高不便于后续的燃气净化处理 ， 而且结构复杂、 造价及运行成本高 ， 只适合大 、 中型 生物质气化发 电。 由于 5 O k W 生物质气化发电系统是一种小型 的系统 ， 因此设计方案采用了结构简单、 造价低和操 作简便的下吸式固定床气化炉。 1 2 气化炉 的设计 下吸式固定床气化炉的结构如图 1 L 1 。 空气 一 投料 图 1 下吸式固定床气化炉结构简图 为了提高气化反应的稳定性， 设计方案适 当调 整了炉膛喉管区结构及配风喷嘴的位置， 以便在吸 空气过程中能够直接形成合理 的空气动力场 、 提高 反应区的温度 ， 使产出气中的焦油容易还原裂解 ， 从 而保证喉管区的气化反应在较高温度下 可以均匀、 稳定地进行。按照这样 的设计思路 ， 方案还取消了 以往设于气化炉炉体下段的冷却水套 ， 以便提高气 化炉炉膛温度 ， 使产 出气中的焦油在较高 的温度条 件下得到进一步裂解。 下吸式气化炉的理论进空气量、 气化强度以及 喉部的结构 ， 是决定气化炉产出气质量的关键 。根 据气化反应的热力学理论 ， 当采用空气作为气化剂 并且当量空气系数为 0 2 5 O 3 0时， 采用玉米秸杆 作燃料应该可以得到较高热值的燃气； 理论最佳 当 量空气系数为 0 2 8 ， 如图 2 。根据生物质物料 的元 86 o o o o _2 O o4 0 o 6 O o 8 O 1 o o 1 2 O 当量空气 系数 图 2 当量空气系数与产 出气成分关系 素分析结果 ， 可计算 出物料气 化时所需的理论空气 量 V o ； Vo一 0 0 8 8 9 ( W c + 0 3 7 5 W s )+ 0 2 65 W H一 0 0 3 33 W o 式中的 ， ， ， 。分别为碳、 氢、 硫 和氧元素 的质量百分含量。考虑到各种因素之后， 气化炉 当 量空气系数按 0 3选取 ， 根据气化炉的物料消耗量， 可以 确 定 气 化 炉 气 化 所 需 理 论 空 气 量 为 1 3 9 7 m h 。 下吸式气化炉的气化强度反映了单位时间内在 单位喉部面积上处理原料的能力， 应根据生物质 物 料的堆密度和颗粒度等合理选择和确定 ， 这也是气 化炉设计的第一 步， 并且非常关键 。要保证气化反 应层具备较高的的反应温度 ， 气化炉就应具有足够 的气化强度 ； 但过高的气化强度会使灰分熔化难于 清除 ， 并增加产出气流动的阻力， 还容易造成气化炉 喉部的烧损 。考虑到项 目建设点的原料以玉米秸秆 为主 ， 在满足气化炉所需的粒径( 2 0 5 0 mm) 的条 件下其堆密度较小( 仅为 2 0 0 k g m。 左右) ， 如果采 用过高的气化强度容易造成喉部 反应层烧 穿的故 障， 不利于气化炉内反应的控制 ， 为此气化炉设计方 案选择的气化强度为 5 3 0 k g ( h m ) 。 方案 的设计缩小了下吸式固定床气化炉的喉部 截面积 ， 目的是要在喉部反应 区形成均匀 的还原层 厚度和保证还原层温度 的一致性， 同时强化喉部反 应区的反应 。为了增强喉部的效果 ， 下吸式气化炉 的喉部布置 了 8个进气 喷嘴， 喷嘴直径为 2 0 mm， 各喷嘴轴线相切于一个 + 6 0 mm 的虚拟圆， 如图 3 。 这种配风方式可以增加气体的扰动效果， 在喉部形 成空气动力场， 保证空气与物料 的良好混合 。根据 气 化炉所需理论空气量 ( 1 3 9 7 m。 h ) ， 可计算 出每 维普资讯 宋 秋等 ： 5 O k w 生物质气化发电系统的设计 图 3喉 部 喷 嘴 布 置 个喷嘴内的空气流速为 1 5 4 5 m s 。 此外喉部喷嘴所在平面与炉箅的距离对于气化 炉的稳定运行也是至关重要的： 距离大虽然可增加 产气反应 的稳定性 ， 但产出气的流动阻力也会加大， 如果距离过大还可能产生炉门喷火现象； 距离小虽 然可以减少产出气的流动阻力 ， 但如果距离过小 ， 炉 内又不能形成足够的炽热炭层 ， 从而保证不了 良好 的还原效果 ， 堆密度较低 的秸秆物料也不能 自然下 落从而增加了人工拨火的频率 和劳动强度， 而且产 出气体 的成分和热值不稳定焦油含量增加 。根据以 往其他炉型的运行经验， 对于燃用玉米秸秆， 喷嘴所 在平面与炉箅的距离为 3 0 0 mm较合适 。 经过计算和经验推算 ， 方案采用的下吸式气化 炉主要设计参数如表 1 。 表 1 下吸式生物质气化炉的主要设计参数 气化强度 气化炉出口 主体尺寸 ( k gr n 一 h - )气体温度 m 5 3 0 2 8 0 3 5 0 垂1 5 2 6 5 2净化 系统的设计 生物质气化产出气中含有各种各样 的杂质 ( 表 2 ) ， 燃气净化 的目的是根据燃气的用途利用合理有 效的净化工艺， 保证所产燃气的洁净。 在设计方案中， 系统 的净化处理部分采用了传 统的旋风除尘和喷淋等净化处理装置， 并改进了传 统的清灰 口和密封压盖的结构 ， 使之更易 于操作 。 表 2 燃气 中的杂质种类 杂质种类 典型成分 可能引起的后果 净化办法 颗粒 灰 、 焦碳 磨 损、 堵塞 气固分离、 过滤、 水洗 碱金属 钠、 钾 等化合 物 高温腐蚀 冷凝、 吸附、 过滤 氮化物主要是氨和 HC N 形成 N O2 水洗 焦油 各种芳香烃 堵塞 、 难 以燃烧 裂解、 除焦、 水洗 硫 、 氯HC 1 ， H2 S 腐蚀 、 污染 水洗、 化学反应法 净化所产生的喷淋污水排入收集池进行浓缩 ， 浓缩 产物和煤混合以后可 以放在炉内烧掉， 不会对环境 产生二次污染 。系统采用湿式储气柜， 水槽容量大 约为 4 0 0 t ， 槽 内存贮的水可作为间接冷却循环用水 使用 。间接冷却法不会 污染水质 ， 冷却水将热量带 入储气柜还有助于解决储气柜冬季运行时的结冻问 题。燃气过滤设 备采用 了吸附性 强的生物质为填 料， 可 以进一步去除燃气 中的水分、 灰分以及残余焦 油； 填料需定期更换。实践证明， 该炉产出气 中的焦 油和灰分含量低于 l o mg m。 ，完全可 以满足内燃 式燃气发电机 的用气要求 。 3 燃气发 电机 的选 型 燃气 内燃机是 目前常用的燃气发 电设备之一 ， 其运行时要求强制点火， 因此在设计 中点火系统 的 相关参数必须根据燃气燃烧速度等进行调整 。有效 热效率 r o 和有效燃气消耗率 g 。 是衡量燃气 内燃机 经济性能的重要指标 。在内燃机中各性能参数之 间存在下面的关系 ： N 一 k l Mb Q刁 。 g 。一 Mb N。一 k 2 ( r o Q) Ni N。 + N 一 q mr i 式中N。 ， Ni 和 N 分别为有效功率、 指示功 率和机械损失功率； r o ， 伽 和 分别为有 效热效 率、 机械 效率、 指示效率； Mb 进 入 内 燃 机 的 可 燃 气 体 量 ； Q一可燃气体 的热值； g 。 有效燃气消耗率； k l ， k z 系 数 。 可以看到：提高燃气热值可以有效提高机组的 输 出功率 ， 并使有效输出功率在总功率 中所 占的份 ( 下转 第 9 1页) 87 维普资讯 张 志等 ： 生 物柴油及其生 产技 术的进展 因此解决原料价格问题是降低成本的关键 。虽然我 国人多地 少 ( 食 用 油 尚需 部分 进 口) ， 不 宜过 多 占用 耕地种植生物柴油的原料 ， 但是因地制宜 ， 利用 山区 或盐碱地种植的油料植物还是大有可为。解决原料 问题的一个很好 的方案是将废食用油脂 回收利用 ， 不仅解决了生物柴油的原料 问题 ， 降低 了生物成本 ， 还解决了环境问题 ； 这需要政府出台政策 ， 规范相关 行业的运营， 一方面引导废食用油合理流向， 保障食 用油的品质安全问题 ， 另一方面避免市场哄抬价格， 保证利用废食用油脂生产生物柴油的企业的原料供 应 。 参 考文献 ： 1 朱建 良， 张冠杰 国内外生物柴油研究生产现状及 发展 趋势 J 化工时刊， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 1 ) ： 2 3 2 7 2 忻耀 年 生物柴油 的发展现状 和应 用前景 J 中国油 脂 ， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 3 ) ： 4 9 5 4 3 Z i e j e ws k i MVe g e t a b l e o i l s a s d i e s e l f u e l R S e mi n a r I ，No r t h e r n Re g i o n a l Re s e a r ch Ce n t e r P e o r i a ， US A ： I l l in o is ， 1 9 8 3 4 3 M Z ie j e w s k i， K R Ka u f ma n ，G L P r a t t V e g e t a b l e o i l s a s d i e s e l f u e l R S e mi n a r， No r t h e r n R e g i o n a l Re 一 5 3 T Ne u ma N e w mi e r o e mu l s i o n s y s t e m u s i n g d ie s e l a n d e g e t a b l e o il s J F u e l ， 2 0 0 1 ， 8 0 ( 1 ) ： 7 5 8 3 6 3 P io e h B io f u e l s f r o m ca t a l y t ic cr a ck i n g o f t r o p ica l v e g e t a b l e o il s J O l e a g i n e u x ， 1 9 9 3 ， 4 8 ： 2 8 9 2 9 1 7 杨廷芝 非均相油 脂酯 交换法制 备生物 柴油工艺研 究 J 四川理 工学 院学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 3 ) ： 3 2 3 4 8 3 李 为民， 郑晓林 ， 徐春 明等 固体碱 法制备生物 柴油及 其性能 J 化工学报 ， 2 0 0 5 ， 5 6( 4 ) ： 7 1 1 7 1 6 9 3 王广欣 ， 颜姝丽 ， 周重文 等 用于生物 柴油 的钙镁催 化 剂 的制备及其 活性评 价 J 中国油脂 ， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 1 0 ) ： 66 6 9 1 O 袁 权 能 源化 学 进展 M 北 京 ： 化 学工 业 出版 社 ， 20 0 5， 2 26 - 2 27 1 1 盛 梅 ， 杨文 伟 ， 郭登峰 固定化脂肪 酶催化合成 生物 柴油 J 应用化学 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 7 ) ： 7 8 8 7 9 1 1 2 S a k a S ， Ku s d i a n a D B i o d ie s e l f u e l f r o m r a p e s e e d o i l a s p r e p a r e d i n s u p e r cr it i ca l me t h a n o l J F u e l ， 2 0 0 1 ， 8 O ( 2 )： 2 2 5 - 2 3 1 1 3 3 郭 璇 ， 贺华 阳， 王涛等 超 临界流体技 术制备生 物柴 油 J 现 代化工 ， 2 0 0 3 ， 2 3卷增 刊 ： 1 5 1 8 ( 上接 第 8 7页) 额增加， 因而也就提高了有效热效率。 在设计方案中系统选用 了 Te s s a r i 8 0 k W 燃气 发 电机组 ， 所 配 的 6缸 直列 式 I VE C O 8 2 1 0型 内燃 机( 火花塞点火) ， 汽缸直径和冲程分别为 0 1 3 7 mm 和1 5 6 n l n