（1．华中科技大学煤燃烧国家重实验室，湖北 武汉，430074；
2．中国科学院广州能源研究所，广东 广州，510070）
摘 要：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，将会使生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：4MW级生物质气化；整体联合循环；示范工程设计
WUZheng－shun1，2，WUChuang－zhi2，ZHENGShun－peng2，MALong－long2
（1．National Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University ofScience and Technology，Wuhan 430074，China；
2．Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510070，China）
Abstract：This paperintroducesthe design characteristics of4MWpowergeneration systemby biomassintegration gasificationcombination cycle．Middletemperature static precipitatoroffly ash，tar cracking equipmentand systemofreclaiming sensibleheat are used in gasificationtechnology．Itis estimatedthatgasification efficiency and systemefficiencyincrease and tar con－tentinfuelgas decreases when the gasificationtechnologyis putinto operation．Itis significantfor biomassenergyto be devel－oped and used．
Key words：4MW powergeneration systemby biomass gasification；integrated combination cycle；demonstration project
0 引 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SO2、NOx，将加剧环境污染，所排出的CO2，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例。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，一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2×1011t，含能量达3×1021J，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。目前生物能仍是我国第四大能源，生物能具备下列优点：
●提供低硫、氮燃料；
●对大气CO2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年代初全球出现石油危机后，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21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。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”。国家发展计划委员会、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［1－2］。
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）的生物质能进行了回收利用。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显热未回收，造成整个系统效率低（18％左右）。燃料单耗高，如木粉和谷壳发电燃料单耗分别：1．3 kg／kWh和1．8 kg／k Wh。
针对上述问题，国外（如瑞典）主要是采用TPS［3］气化工艺，其流程如图1所示。该工艺的主要特点是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
目前国内外对生物质气化所存在的上述问题尚无更好的方法。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，燃气焦油含量小于50 mg／m3，气化效率大于75％，气化发电系统效率达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／kW左右，发电效率17％～18％，成本0．25元／kWh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1MW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。
1 4MW级示范工程工艺流程及设计参数
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。
2 4 MW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。
（1）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。
（2）在对待燃气中焦油的问题上，由于焦油成分复杂（如图3所示［4］），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，但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，再配入适量的空气，一方面通过炭与空气反应放热使燃气温度升高至900℃以上；另一方面利用碳的催化作用，达到高温催化裂解的双重功效。
（3）在对待显热损失问题上，采用燃气－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1、2和3。此外，由蒸发器排出的尾气经干燥燃料后再排入
3 燃气中焦油成分分析（780℃）
大气，使系统的显热得到了充分回收，据估算：仅显热回收一项就可节约占所输入总能量的50％左右。
（4）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未完全裂解的焦油，则通过水洗塔除掉，且达到降低气体温度的目的。
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3万多t生物质废物，作为最直接的效果之一，每年可减少CO2的排放约3万t。与燃煤相比较，生物质气化发电不会或很少产生诸如NOx和SO2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，价格低廉，所以生物质气化发电成本较低，其单价仅约0．26元／kWh，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／k W，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
通过理论分析与设备调研，4 MW生物质气化燃气－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
［1］ 吴创之，徐冰燕，罗曾凡，等．生物质中热值气化装置设计与运行［J］．太阳能学报，1997，18（1）．
［2］ 吴创之，阴秀丽，徐冰燕，等．生物质富氧气化特性的研究［J］．太阳能学报，1997，18（3）．
［3］ Gil J，Caballero MA，Martin JA，et al．Biomass Gasifica－tion With Air In A Fluidized Bed；Effect of The In－BedUse of Dolomite Under Different Operation Conditions［J］．
Industrial Engineering And Chemistry Research，1999，38：26－35．
［4］ Sjostrom K，Taralas G，Liinanki L．Dolomite－CatalyzedConversion of Tar From Biomass Pyrolysis［A］．In Bridg－water AV，KuesterJL，editors．Researchin Thermochem－ical Biomass Conversion［C］．London：Lsevier Science．
