新能源转换与控制技术-生物质能本科 樊

1、第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论1机械工业出版社第第6章章 生物质能发电与控制技术生物质能发电与控制技术第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论2机械工业出版社第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论3机械工业出版社6.1 生物质能的形式及其利用生物质能的形式及其利用6.2 生物质能发电技术生物质能发电技术6.3 生物质能的并网发电及对电网的影响生物质能的并网发电及对电网的影响6.4 生物质能发电的经济技术性评价生物质能发电的经济技术性评价第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论4机械工业出版社6.1 生物

2、质和生物质能生物质和生物质能6.1.16.1.1 生物质的概念生物质的概念 生物质生物质：指有机物中除化石燃料外的所有来源于动：指有机物中除化石燃料外的所有来源于动物、植物和微生物的物质，包括动物、植物、微生物以物、植物和微生物的物质，包括动物、植物、微生物以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物。及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物。 生物质是地球上存在最广泛的物质，而且可以随着生物质是地球上存在最广泛的物质，而且可以随着生物的繁衍生长而不断再生。生物的繁衍生长而不断再生。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论5机械工业出版社6.1.2 6.1.2 生物质的来源生物质的来

3、源 1 1农林作业和加工的废弃物（秸秆、谷壳等）农林作业和加工的废弃物（秸秆、谷壳等） 2 2专门培养的农林作物专门培养的农林作物 3 3动物粪便动物粪便 4 4城市垃圾城市垃圾 5. 5. 有机废水有机废水第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论6机械工业出版社6.1.3 6.1.3 生物质能及其特点生物质能及其特点 生物质能生物质能：蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通：蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而固定和贮存在生物质过叶绿素将太阳能转化为化学能而固定和贮存在生物质内部的能量。内部的能量。生物质能产生和利用过程构成了一个生物质能产生和利用

4、过程构成了一个COCO2 2的闭路循环。即的闭路循环。即OHOCHOHCO2222 叶绿素太阳能热量燃烧22COOCHOCH2是生物质生长过程中吸收的碳水化合物的总称。是生物质生长过程中吸收的碳水化合物的总称。 当上述两个反应的当上述两个反应的COCO2 2达到平衡时，将对缓解日趋严重达到平衡时，将对缓解日趋严重的温室气体效应产生重要。的温室气体效应产生重要。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论7机械工业出版社（1 1）可循环再生）可循环再生（2 2）可存储和运输）可存储和运输（3 3）资源分散）资源分散（4 4）大多来自废物）大多来自废物作为一种能源资源，生物质能具有

5、如下特点：作为一种能源资源，生物质能具有如下特点：第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论8机械工业出版社6.1.3 6.1.3 生物质能的利用形式生物质能的利用形式（1 1）燃烧）燃烧（2 2）热化学法）热化学法（3 3）生化法）生化法（4 4）化学法）化学法（5 5）物理化学法）物理化学法第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论9机械工业出版社6.1.4 6.1.4 生物质燃料生物质燃料 生物质直接燃烧过程包括预热、干燥、析出挥发分和生物质直接燃烧过程包括预热、干燥、析出挥发分和焦炭燃烧等阶段。焦炭燃烧等阶段。生物质表面的可燃物被引燃之后，温度逐渐升

6、生物质表面的可燃物被引燃之后，温度逐渐升高，生物质中的水分逐渐被蒸发。干燥的生物质继续吸热增温，发生高，生物质中的水分逐渐被蒸发。干燥的生物质继续吸热增温，发生分解，析出的挥发分和空气混合，形成具有一定浓度的挥发分与氧气分解，析出的挥发分和空气混合，形成具有一定浓度的挥发分与氧气的混合物。若温度和浓度都满足特定条件，挥发分也起火燃烧。表面的混合物。若温度和浓度都满足特定条件，挥发分也起火燃烧。表面燃烧所放出的热能逐渐积聚，通过传导和辐射向生物质内层扩散，从燃烧所放出的热能逐渐积聚，通过传导和辐射向生物质内层扩散，从而使内层挥发分析出，继续与氧气混合燃烧，并放出大量的热量。此而使内层挥发分析出，

7、继续与氧气混合燃烧，并放出大量的热量。此时，生物质中剩下的焦炭被挥发分包围，其表面不易与氧气接触，难时，生物质中剩下的焦炭被挥发分包围，其表面不易与氧气接触，难以燃烧，因而不断产生灰分，把剩余的焦炭包裹，妨碍它继续燃烧。以燃烧，因而不断产生灰分，把剩余的焦炭包裹，妨碍它继续燃烧。可适当加以搅动或加强通风，促进剩余焦炭的燃烧，减少灰渣中残留可适当加以搅动或加强通风，促进剩余焦炭的燃烧，减少灰渣中残留的炭。的炭。1.1.固体生物质燃料固体生物质燃料（1 1）生物质直接燃烧）生物质直接燃烧第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论10机械工业出版社（1 1）含碳量少，能量密度低，燃

8、烧时间短；）含碳量少，能量密度低，燃烧时间短；（2 2）多为碳氢化合物，受热分解后挥发分多，需充分利用；）多为碳氢化合物，受热分解后挥发分多，需充分利用；（3 3）含氧量多，易点燃，不需太多氧气供应；）含氧量多，易点燃，不需太多氧气供应；（4 4）密度小，容易充分燃尽，灰渣中残留的碳量小；）密度小，容易充分燃尽，灰渣中残留的碳量小；（5 5）松散、体积大、不便运输。）松散、体积大、不便运输。与煤炭相比，生物质燃料的特点：与煤炭相比，生物质燃料的特点：第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论11机械工业出版社 将木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等将木质素充当粘合剂，

9、将松散的秸秆、树枝和木屑等农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料，可提高其能源密农林废弃物挤压成特定形状的固体燃料，可提高其能源密度，改善燃烧性能。度，改善燃烧性能。 固体成形燃料能源密度相当于中等烟煤，热值显著提固体成形燃料能源密度相当于中等烟煤，热值显著提高，便于储存和运输，并保持了生物质挥发性高、易着火高，便于储存和运输，并保持了生物质挥发性高、易着火燃烧、灰分及含硫量低、燃烧产生污染物较少等优点，是燃烧、灰分及含硫量低、燃烧产生污染物较少等优点，是一种不可多得的清洁商业燃料。一种不可多得的清洁商业燃料。（2 2）固体成形燃料）固体成形燃料第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制

10、技术导论12机械工业出版社 可燃烧的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、可燃烧的生物质在高温条件下经过干燥、干馏热解、氧化还原等过程后，能产生可燃性混合气体，称为氧化还原等过程后，能产生可燃性混合气体，称为生物质生物质燃气燃气。由生物质生成可燃混合气体的过程，称为。由生物质生成可燃混合气体的过程，称为生物质气生物质气化化。 生物质燃气主要成分有生物质燃气主要成分有COCO、H H2 2、CHCH4 4等可燃气体，与等可燃气体，与“煤气煤气”大致相同，俗称大致相同，俗称“木煤气木煤气”。 目前世界上常用的生物质燃气发生器，通常分为热裂目前世界上常用的生物质燃气发生器，通常分为热裂解装置和气化炉

11、两类。生物质气化的能量转换效率，简单解装置和气化炉两类。生物质气化的能量转换效率，简单装置约为装置约为40%40%，设计良好的复杂气化系统可达，设计良好的复杂气化系统可达70%70%以上。以上。2.2.气体生物质燃料气体生物质燃料（1 1）木煤气）木煤气第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论13机械工业出版社 人和动物的粪便、农作物秸秆、谷壳等农林废弃人和动物的粪便、农作物秸秆、谷壳等农林废弃物、有机废水等有机物质，在密封装置中利用特定的物、有机废水等有机物质，在密封装置中利用特定的微生物分解代谢，能够产生可燃的混合气体沼气。微生物分解代谢，能够产生可燃的混合气体沼气。

12、沼气的主要成分是沼气的主要成分是CHCH4 4、COCO2 2等。甲烷的热值很高，等。甲烷的热值很高，完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，是一种清洁燃料。完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，是一种清洁燃料。沼液、沼渣是优质的有机绿色肥料。沼液、沼渣是优质的有机绿色肥料。（2 2）沼气）沼气第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论14机械工业出版社（1 1）沼气池要密封（隔绝空气、不透气、不渗水）；）沼气池要密封（隔绝空气、不透气、不渗水）；（2 2）要维持）要维持20-4020-40；（3 3）要有充足的养分，供给微生物用于生存和繁殖；）要有充足的养分，供给微生物用于生存和繁殖；（4

13、4）发酵原料要含适量水，一般要求含水）发酵原料要含适量水，一般要求含水80%80%左右；左右；（5 5）沼气池的）沼气池的PHPH值一般控制在值一般控制在7-8.57-8.5。沼气池必须符合多种条件：沼气池必须符合多种条件：第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论15机械工业出版社 农村户用小型沼气技农村户用小型沼气技术已比较成熟。正常情术已比较成熟。正常情况下，这种家用沼气池况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气在中国南方可年产沼气250300m3，提供一个，提供一个农户农户810个月的生活燃个月的生活燃料。料。 图图6-11 6-11 水压式沼气池结构水压式沼气池结构

14、 1进料口进料口 20压水位压水位 3输出阀门输出阀门 4盖板盖板 5溢流口溢流口 6贮留室贮留室 7水压箱水压箱 8渗井渗井 9发酵室发酵室 10贮气室贮气室第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论16机械工业出版社 乙醇通常由淀粉质原料、糖质原料、纤维素原料等经乙醇通常由淀粉质原料、糖质原料、纤维素原料等经发酵、蒸馏后制成。乙醇进一步脱水（使乙醇含量达发酵、蒸馏后制成。乙醇进一步脱水（使乙醇含量达99.6%99.6%以上）再加上适量的变性剂即可制成燃料乙醇。以上）再加上适量的变性剂即可制成燃料乙醇。 乙醇燃烧热值高，是一种优质的液体燃料。其生产成乙醇燃烧热值高，是一种优

15、质的液体燃料。其生产成本与汽油、柴油大致相当，产生的环境污染却很少。生物本与汽油、柴油大致相当，产生的环境污染却很少。生物燃料乙醇在燃烧过程中排放的二氧化碳和含硫气体均低于燃料乙醇在燃烧过程中排放的二氧化碳和含硫气体均低于汽油燃料。汽油燃料。 3. 3. 液体生物质燃料液体生物质燃料（1 1）燃料乙醇）燃料乙醇第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论17机械工业出版社 植物油是指利用野生或人工种植的含油植物的果植物油是指利用野生或人工种植的含油植物的果实、叶、茎，经过压榨、提取、萃取和精炼等处理得实、叶、茎，经过压榨、提取、萃取和精炼等处理得到的油料。到的油料。 植物油的热

16、值只比柴油的稍小。无论单独使用还植物油的热值只比柴油的稍小。无论单独使用还是和柴油混合，植物油都可以在柴油机里面直接燃烧。是和柴油混合，植物油都可以在柴油机里面直接燃烧。（2 2）植物油）植物油第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论18机械工业出版社 生物柴油是指来自生物质的原料油经过一系列加工生物柴油是指来自生物质的原料油经过一系列加工处理过程制成的液体燃料。处理过程制成的液体燃料。 制取生物柴油的原料，包括植物油脂、动物油脂、制取生物柴油的原料，包括植物油脂、动物油脂、废弃食用油等。生物柴油生产技术以化学法为主，即原废弃食用油等。生物柴油生产技术以化学法为主，即原料油

17、与甲醇或乙醇在酸、碱或生物酶等催化剂作用下进料油与甲醇或乙醇在酸、碱或生物酶等催化剂作用下进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。行酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯燃料油。 生物柴油是汽油、柴油的优质代用燃料，可替代柴生物柴油是汽油、柴油的优质代用燃料，可替代柴油单独使用，又可以一定比例与柴油混合使用。生物柴油单独使用，又可以一定比例与柴油混合使用。生物柴油的燃点是柴油的两倍，使用、处理、运输和储藏都更油的燃点是柴油的两倍，使用、处理、运输和储藏都更为安全。为安全。（3 3）生物柴油）生物柴油第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论19机械工业出版社6.2

18、6.2 生物质能发电技术生物质能发电技术 由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性，由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性，只要提供电能，几乎所有的设备都可以满足各自的需只要提供电能，几乎所有的设备都可以满足各自的需要。因而生物质能除了直接转化成热能供消费外，最要。因而生物质能除了直接转化成热能供消费外，最终消费形式还是以转化成电能为主。生物质能的发电终消费形式还是以转化成电能为主。生物质能的发电包括包括生物质直接燃烧发电、生物质汽化发电、沼气发生物质直接燃烧发电、生物质汽化发电、沼气发电、垃圾焚烧发电电、垃圾焚烧发电等。等。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论2

19、0机械工业出版社6.2.1 6.2.1 生物质能发电产业的发展概况生物质能发电产业的发展概况 1991 1991年，在瑞典瓦那茂兴建了世界上第一座生物年，在瑞典瓦那茂兴建了世界上第一座生物质汽化燃气轮机质汽化燃气轮机/ /发电机发电机汽轮机汽轮机/ /发电机联合发电厂，发电机联合发电厂，净发电量达净发电量达6MW6MW. .h h，净供热量达，净供热量达9MW9MW，系统总效率达到，系统总效率达到80%80%以上。以上。 截至截至20112011年，全世界生物质能发电装机容量已年，全世界生物质能发电装机容量已达达50005000万万kWkW，年发电量约为，年发电量约为25002500亿亿kWk

20、W. .h h，可替代，可替代90009000万万t t标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。量的总和。 芬兰是欧盟国家中利用生物质能发电最成功的芬兰是欧盟国家中利用生物质能发电最成功的国家之一，目前生物质能发电量占本国发电量的国家之一，目前生物质能发电量占本国发电量的11%11%。1 1、国外生物质能发电产业的发展状况、国外生物质能发电产业的发展状况第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论21机械工业出版社 截至截至20072007年底，国家和各省发改委已核准项目年底，国家和各省发改委已核准项目8787个，总装机规模

21、达个，总装机规模达220220万万kWkW，全国已建成投产的生，全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过物质直燃发电项目超过1515个，在建项目个，在建项目3030多个。多个。 根据我国根据我国可再生能源中长期发展规划可再生能源中长期发展规划和和可再生能源发展可再生能源发展“十二五十二五”规划规划确定的主要发确定的主要发展目标，到展目标，到20152015年国内生物质能发电装机规模不低年国内生物质能发电装机规模不低于于13001300万万kWkW，到，到20202020年，生物质能发电装机容量将年，生物质能发电装机容量将达到达到20002000万万kWkW。2 2、我国生物质能发电产业的发展状况

22、、我国生物质能发电产业的发展状况第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论22机械工业出版社6.2.2 6.2.2 生物质直接燃烧发电技术生物质直接燃烧发电技术 生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电。机及发电机发电。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论23机械工业出版社 生物质直接燃烧发电的关键技术包括生物质直接燃烧发电的关键技术包括原料预处理，生原料预处理，生物质锅炉防腐，提高生物质锅炉的多

23、种原料适用性及燃烧物质锅炉防腐，提高生物质锅炉的多种原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率等技术。效率、蒸汽轮机效率等技术。（1 1）单燃生物直燃技术）单燃生物直燃技术 秸秆等生物质与常规燃料的区别：秸秆等生物质与常规燃料的区别：秸秆的含水量秸秆的含水量较大，约为较大，约为20%20%，是常规燃料的，是常规燃料的8 8 1010倍；倍；秸秆的堆积密秸秆的堆积密度小；度小；燃尽时间较长。燃尽时间较长。（2 2）生物质与煤混合直燃技术）生物质与煤混合直燃技术 两种混合燃烧方式。技术优势：两种混合燃烧方式。技术优势：廉价、低风险；廉价、低风险；煤粉发电效率高，可达煤粉发电效率高，可达35%35%以上；以

24、上；可降低电厂的可降低电厂的SOSO2 2和和NONO2 2及及COCO2 2的排放。的排放。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论24机械工业出版社6.2.3 6.2.3 生物质汽化发电技术生物质汽化发电技术 生物质在汽化炉中气化生成含氢、一氧化碳和低分生物质在汽化炉中气化生成含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气子烃类的可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。轮机发电。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论25机械工业出版社 根据燃气发电设备的不同，生物质汽化发电有以下根据燃气发电设备的不同，生物质汽化发电

25、有以下几种发电方式。几种发电方式。 图图6-2 6-2 生物质汽化发电方式生物质汽化发电方式第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论26机械工业出版社 图图6-3 6-3 内燃机工作原理内燃机工作原理第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论27机械工业出版社 图图6-4 6-4 燃气轮机工作原理燃气轮机工作原理第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论28机械工业出版社生物质发电生物质发电- -规模与发电机选择规模与发电机选择生物质生物质 Direct Combustion内燃机内燃机电能电能生物质生物质IGCC燃气轮机电能电能生物质生

26、物质电能电能IGCC=10-15=25-35=35-45规模规模200KW200KW200KW200KW规模规模1MW1MW1MW1MW规模规模第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论29机械工业出版社6.2.4 6.2.4 沼气发电技术与控制策略沼气发电技术与控制策略1 1、沼气燃烧发电、沼气燃烧发电图图6-12 沼气燃烧发电类型沼气燃烧发电类型第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论30机械工业出版社图图6-12 沼气燃烧发电类型沼气燃烧发电类型第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论31机械工业出版社 从图中可见，在从图中可见，

27、在40004000 kW kW 以下的功率范围内，采用内燃机以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上普的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可行。遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可行。图图6-13 不同动力设备的能量利用率不同动力设备的能量利用率第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论32机械工业出版社 在沼气可以满足在沼气可以满足锅炉燃烧要求时，采锅炉燃烧要求

28、时，采用由沼气供气的方式；用由沼气供气的方式；当沼气不能满足锅炉当沼气不能满足锅炉燃烧要求时，切换至燃烧要求时，切换至天然气供气方式。这天然气供气方式。这种方式是共用了一个种方式是共用了一个燃烧器，即采用一拖燃烧器，即采用一拖二的方式使两种气源二的方式使两种气源合用一个燃烧控制器。合用一个燃烧控制器。 图图6-16 沼气与天然气双气源锅炉沼气与天然气双气源锅炉 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论33机械工业出版社2 2、沼气燃料电池发电、沼气燃料电池发电 燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置，当源源不

29、断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化能的装置，当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它就可以连续发电。剂时，它就可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分依据电解质的不同，燃料电池分为为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。沼气燃料电沼气燃料电池池是将沼气化学能转换为电能的一种装置，它所用的是将沼气化学能转换为电能的一种装置，它所用的“燃料燃料”并不燃烧，而是直接产生电能。并不燃烧，而是直接产生电能。 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能

30、源转换与控制技术导论34机械工业出版社燃料处理单元燃料处理单元发电单元发电单元电流转换单元电流转换单元沼气燃料电池系统的组成沼气燃料电池系统的组成: :第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论35机械工业出版社 （1）燃料处理单元。）燃料处理单元。该单元主要部件是改质器，它以镍为该单元主要部件是改质器，它以镍为催化剂，将甲烷转化为氢气，反应过程如下催化剂，将甲烷转化为氢气，反应过程如下 （参与反应的水（参与反应的水蒸汽来自发电单元）蒸汽来自发电单元） 422223( )7NiCHH O gHCOCO 为了降低为了降低CO的浓度，在铜和锌的催化作用下，混合气体的浓度，在铜和锌

31、的催化作用下，混合气体在改质器后的变成器中得到进一步的改良，反应式如式在改质器后的变成器中得到进一步的改良，反应式如式 ,222227( )82Cu ZnHCOCOH O gHCO 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论36机械工业出版社 （2）发电单元。发电单元基本部件由两个电极和电解质）发电单元。发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢气和氧化剂组成，氢气和氧化剂(O2)在两个电极上进行电化学反应，电解在两个电极上进行电化学反应，电解质则构成电池的内回路。电解质可采用磷酸，其发电效率虽质则构成电池的内回路。电解质可采用磷酸，其发电效率虽然较低，但温度低然较低，但温度

32、低(约约200)。在磷酸电解质中，电池反应为。在磷酸电解质中，电池反应为 +2(g)2+2eHH +221(g)+2+2e22OHH O 阳极阳极阴极阴极图图6-18 沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）工作原理沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）工作原理 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论37机械工业出版社 （3 3）电流转换系统。）电流转换系统。主要任务是把直流电转换为交流电，主要任务是把直流电转换为交流电，供交流负载使用还可以实现并网供电。供交流负载使用还可以实现并网供电。 沼气燃料电池所用的沼气，其纯度要求较高，要求甲烷沼气燃料电池所用的沼气，其纯度要求较高，要求甲烷的浓

33、度（体积分数）在的浓度（体积分数）在90%90%以上，其他成分如以上，其他成分如COCO2 2、H H2 2S S等对燃等对燃料电池有不利影响，必须对沼气进行提纯。双塔式吸收法是料电池有不利影响，必须对沼气进行提纯。双塔式吸收法是沼气提纯的一种简单而有效的方法，装置如下图所示。沼气提纯的一种简单而有效的方法，装置如下图所示。 这种装置具有组成简单、成本低、操作简便的特点。这种装置具有组成简单、成本低、操作简便的特点。第第一吸收塔一吸收塔用处理水吸收大部分用处理水吸收大部分COCO2 2和和H H2 2S S，第二吸收塔第二吸收塔用用NaOHNaOH水溶液溶解吸收，这样可节省水溶液溶解吸收，这样

34、可节省NaOHNaOH的用量。用此装置提纯沼的用量。用此装置提纯沼气，气，CHCH4 4的回收率高，系统运行稳定可靠。的回收率高，系统运行稳定可靠。 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论38机械工业出版社图图6-19双塔式吸收法提纯沼气双塔式吸收法提纯沼气 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论39机械工业出版社 围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的转化效率，围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的转化效率， 沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。 1 1）沼气的净化处理）沼气的净化处理

35、 沼气中含有微量水分和沼气中含有微量水分和H H2 2S S等腐蚀性介质，这些有害成分等腐蚀性介质，这些有害成分对输气管道和发动机部件产生腐蚀，影响发动机的正常运行对输气管道和发动机部件产生腐蚀，影响发动机的正常运行和使用寿命，可在进气管道上安装脱硫塔、过滤除尘、除湿和使用寿命，可在进气管道上安装脱硫塔、过滤除尘、除湿、除油装置。、除油装置。 3 3、沼气发电的控制策略、沼气发电的控制策略第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论40机械工业出版社 2 2）沼气发电机组的防腐处理）沼气发电机组的防腐处理 对输气管道、中冷器、增压器、活塞等部件进行涂漆、渗对输气管道、中冷器、增

36、压器、活塞等部件进行涂漆、渗瓷、渗氮等防护处理。在燃烧室周围相关部件及排气管均应考瓷、渗氮等防护处理。在燃烧室周围相关部件及排气管均应考虑采取防腐措施。虑采取防腐措施。 3 3）电控混合器技术）电控混合器技术 计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧情况，并将燃烧计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧情况，并将燃烧信号反馈到电气控制单元（信号反馈到电气控制单元（ECUECU），），ECUECU发出指令，使电控混合发出指令，使电控混合器的执行器带动操纵机构，改变沼气和空气的进气流道面积，器的执行器带动操纵机构，改变沼气和空气的进气流道面积，根据沼气中根据沼气中CHCH4 4浓度的变化合理匹配空气和沼气

37、流量，达到实浓度的变化合理匹配空气和沼气流量，达到实时调节空燃比的目的，使发动机转速和输出功率平稳。时调节空燃比的目的，使发动机转速和输出功率平稳。 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论41机械工业出版社 目前我国对垃圾的处理手段主要集中在目前我国对垃圾的处理手段主要集中在填埋填埋和和焚烧焚烧两两种方式。种方式。 填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓直接直接填埋法填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害生物、物理、化学变

38、化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。化的目的。 焚烧法焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国“十一五十一五”规划对发展新能源，提倡环保型循环经济的进规划对发展新能源，提倡环保型循环经济的进一步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。一步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。 6.2.4 6.2.4 垃圾焚烧发电技术与控制策略垃圾焚烧发电技术与控制策略第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论42机械工业出版社（

39、1 1）垃圾焚烧前无分检处理）垃圾焚烧前无分检处理图图6-22 6-22 无分检场垃圾发电工艺流程无分检场垃圾发电工艺流程 1 1、垃圾焚烧发电的工艺流程、垃圾焚烧发电的工艺流程第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论43机械工业出版社 （2 2）垃圾焚烧前有分检处理）垃圾焚烧前有分检处理图图6-23 有分检场垃圾发电工艺流程有分检场垃圾发电工艺流程 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论44机械工业出版社（1 1）城市生活垃圾热值应较高）城市生活垃圾热值应较高 垃圾焚烧一般要求燃料达到大于等于垃圾焚烧一般要求燃料达到大于等于4187kJ/kg4187

40、kJ/kg的低的低位热值，才能不加辅助燃料进行焚烧发电。位热值，才能不加辅助燃料进行焚烧发电。（2 2）城市经济实力应较强）城市经济实力应较强 垃圾焚烧发电投资大、运行费用高，每吨垃圾政府垃圾焚烧发电投资大、运行费用高，每吨垃圾政府需补贴需补贴100-200100-200元才能有经济效益。元才能有经济效益。 2 2、建设垃圾发电的必备条件、建设垃圾发电的必备条件第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论45机械工业出版社（3 3）较完善的垃圾分类收集和转运系统）较完善的垃圾分类收集和转运系统 收运系统的建设需投入大量资金，改变分类收集和投收运系统的建设需投入大量资金，改变分类

41、收集和投放的习惯需要更多时间，这些都是制约垃圾发电效益的重放的习惯需要更多时间，这些都是制约垃圾发电效益的重要因素。要因素。（4 4）较完善的环保处理系统）较完善的环保处理系统 焚烧产生的烟气、垃圾储仓中产生的发酵臭气、尾气焚烧产生的烟气、垃圾储仓中产生的发酵臭气、尾气处理的废水、残渣、粉尘都应严格按规定处理，避免对空处理的废水、残渣、粉尘都应严格按规定处理，避免对空气、水和土地资源造成二次污染。气、水和土地资源造成二次污染。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论46机械工业出版社大型垃圾焚烧发电厂大型垃圾焚烧发电厂第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术

42、导论47机械工业出版社6.2.5 6.2.5 生物质直接液化制燃料油的发电技术生物质直接液化制燃料油的发电技术图图6-25 6-25 生物质燃料油发电方式生物质燃料油发电方式第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论48机械工业出版社6.3 6.3 生物质能的并网发电及对电网的影响生物质能的并网发电及对电网的影响 生物质能发电系统一般容量较小。小容量生物质能发生物质能发电系统一般容量较小。小容量生物质能发电厂独立运行时普遍存在运行稳定性差、供电可靠性低的电厂独立运行时普遍存在运行稳定性差、供电可靠性低的问题。与大电网并网运行后，由大电网调频调压，使有功问题。与大电网并网运行后

43、，由大电网调频调压，使有功功率、无功功率随时得到平衡，机组运行稳定，供电可靠功率、无功功率随时得到平衡，机组运行稳定，供电可靠性好，电能质量得到保证，并可随时保证用户正常用电，性好，电能质量得到保证，并可随时保证用户正常用电，同时降低了网损。同时降低了网损。1 1、生物质能并网发电的技术要求、生物质能并网发电的技术要求 电压、频率、相位相同。电压、频率、相位相同。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论49机械工业出版社2 2、并网后对公共电网的影响、并网后对公共电网的影响 生物质能发电系统容量有限，一般接入电力系统的配生物质能发电系统容量有限，一般接入电力系统的配电网络中

44、。当生物质能发电机组与配电网并网运行时，会电网络中。当生物质能发电机组与配电网并网运行时，会对配电网的运行产生一定的影响。对配电网的运行产生一定的影响。（1 1）对电能质量的影响）对电能质量的影响（2 2）继电保护问题）继电保护问题（3 3）短路电流问题）短路电流问题（4 4）铁磁谐振问题）铁磁谐振问题（5 5）可靠性问题）可靠性问题第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论50机械工业出版社3 3、并网应注意的问题、并网应注意的问题（1 1）接入容量）接入容量（2 2）接入电压等级）接入电压等级 机组容量越大，接入电压等级越大。机组容量越大，接入电压等级越大。200kW20

45、0kW以下机以下机组通常接入组通常接入400V400V电网，电网，200-6000kW200-6000kW及以下机组接入及以下机组接入10kV10kV电压等级电网。电压等级电网。（3 3）接入方式）接入方式（4 4）接入距离）接入距离 距离每增加一公里则线路网损增大约距离每增加一公里则线路网损增大约1%1%。一般要。一般要结合电厂选址来综合考虑。结合电厂选址来综合考虑。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论51机械工业出版社6.4 6.4 生物质能发电的经济技术性评价生物质能发电的经济技术性评价1 1、生物质直接燃烧发电与汽化发电的经济技术性评价、生物质直接燃烧发电与汽化

46、发电的经济技术性评价（1 1）生物质直接燃烧发电与汽化发电的技术指标）生物质直接燃烧发电与汽化发电的技术指标 生物质直接燃烧发电，简化了环节和设备，减少投生物质直接燃烧发电，简化了环节和设备，减少投资，但利用率还比较低。资，但利用率还比较低。 生物质汽化技术能够一定程度上缓解我国对气体燃生物质汽化技术能够一定程度上缓解我国对气体燃料的需求，生物质被汽化后利用的途径也得到相应的扩料的需求，生物质被汽化后利用的途径也得到相应的扩展，提高了利用率。展，提高了利用率。 生物质汽化与煤混烧发电的经济性较好。生物质汽化与煤混烧发电的经济性较好。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论5

47、2机械工业出版社 （2 2）生物质能发电项目的技术投资分析）生物质能发电项目的技术投资分析 生物质汽化混烧发电的单位投资成本是最经济的，而生物质汽化混烧发电的单位投资成本是最经济的，而且系统简单，但它需要附属于己有的燃煤电厂，其发电经济且系统简单，但它需要附属于己有的燃煤电厂，其发电经济性决定于原电厂的效率，而且会对原电厂有一定的影响；性决定于原电厂的效率，而且会对原电厂有一定的影响； 同一发电技术的单位投资成本一般随着发电规模的增同一发电技术的单位投资成本一般随着发电规模的增大而减小；大而减小； 生物质汽化发电技术的发电规模比较灵活，投资较少，生物质汽化发电技术的发电规模比较灵活，投资较少，

48、适于我国生物质的特点，但是技术还不成熟，需要进一步发适于我国生物质的特点，但是技术还不成熟，需要进一步发展和完善；展和完善； 直接燃烧发电技术成熟，但只有大规模利用才具有较直接燃烧发电技术成熟，但只有大规模利用才具有较好的经济性。好的经济性。第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论53机械工业出版社 沼气燃料电池发电与沼气发电机发电相比不仅发电效沼气燃料电池发电与沼气发电机发电相比不仅发电效率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的废气氮氧率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的废气氮氧化物和硫化物浓度低，因此是很有发展前途的沼气利用工化物和硫化物浓度低，因此是很有发展前

49、途的沼气利用工艺。表艺。表6-10是日本某座处理水量为是日本某座处理水量为20万万m3/d的污水处理厂的污水处理厂沼气燃料电池与沼气发电的经济分析比较。沼气燃料电池与沼气发电的经济分析比较。 2 2、沼气发电机发电与沼气燃料电池发电的比较、沼气发电机发电与沼气燃料电池发电的比较第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论54机械工业出版社沼气用量（沼气用量（m m3 3/d/d）68046804发电方式发电方式沼气燃料电池（沼气燃料电池（200kW200kW4 4） 沼气发电（沼气发电（600 kW600 kW）年发电量（年发电量（kW/akW/a）56.156.110105

50、544.244.210105 5发电设备耗电量（发电设备耗电量（kWh/akWh/a）3.33.310105 53.63.610105 5年供电量（年供电量（kWh/akWh/a）52.852.810105 540.640.610105 5年节省电费（年节省电费（A A）/ /万日元万日元7392739256845684建设费建设费/ /万日元万日元72000720007100071000年运行费用（年运行费用（B B）/ /万日元万日元6248624850565056年盈利（年盈利（C=A-BC=A-B）/ /万日元万日元11441144628628表表6-106-10沼气燃料电池与沼气发电机发电的经济比较沼气燃料电池与沼气发电机发电的经济比较 第第1章章 新能源转换与控制技术导论新能源转换与控制技术导论55机械工业出版社 （1 1）资源化）资源化 垃圾焚烧后热量用于发电，做到废物综合利用。据有关垃圾焚烧后