生物质能规模化利用技术

生物质能规模化利用技术国家发展和改革委员会能源研究所秦世平2007年11月生物质能利用技术分类生物质资源热化学法燃烧气化热解直接液化生化法水解、发酵沼气技术化学法间接液化酯化物理化学法压缩成型热量或电力生物质燃气木炭或生物原油液化油乙醇沼气甲醇、醚生物柴油成型燃料生物质能规模化利用技术分类一、直接燃烧二、发电三、沼气和沼气发电四、液体燃料五、压缩成型燃料发电技术†农林剩余物直燃发电†农林剩余物混燃发电†农林剩余物气化发电†垃圾焚烧发电†垃圾填埋气发电†养殖场畜禽粪便沼气发电直燃发电工艺简述†秸秆在田间打成方捆，并分散储存在秸秆收集点，按发电厂的调度指令，定期送到发电厂†成捆的秸秆经粉碎后直接加入锅炉†燃烧产生的烟气经过除尘后达标排放†锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机，并带动发电机发电评价优点：†技术成熟，国外此类技术已有成功运行的范例†秸秆经粉碎直接入炉，不需成型。†适合大规模生产缺点：†该技术的原料预处理和锅炉等设备国内技术尚未成熟，需要由国外引进，价格昂贵。†该技术适合的规模在20MW-50MW，所需的秸秆资源量为25-45万吨/年，秸秆收集压力较大，收集成本较高†技术的单位投资较大，不适于小规模发电使用适用范围：†以2.5MW的秸秆直燃发电厂计每年需消耗秸秆25万吨左右†以农场为生产单位的地区†适用于复种指数小的地区†应接入10千伏以上变电站煤－生物质混燃发电现状目前煤－生物质混燃发电主要由企业自主进行，得到政府有关部门认可的仅山东十里泉电厂。山东十里泉电厂：总装机容量140MW，设计掺混生物质20％。执行生物质发电上网电价0.594元/kWh，燃煤发电上网电价0.354元/kWh。（山东省批准）协鑫集团公司：下属21个热电厂，有7个掺混生物质原料，原料有农作物秸秆、树皮、稻壳、芦苇、污水处理厂污泥等。但所有掺烧电厂均没有得到电价补贴。山东十里泉电厂秸秆料仓上图：秸秆料仓。右上：秸秆原料输送。右下：秸秆原料入锅炉（三根加料管中，中间的为秸秆，上下均为燃煤）秸秆气化发电†循环流化床气化†逆流固定床气化烟气蒸汽输出燃气储柜燃气输出燃烧与气化过程示意图空气空气气化与燃烧不同之处†设备为气化炉†产品为燃气†炉内发生化学反应时碳元素过剩†主要化学反应为2C+O2=2COC+H2O=CO+H2†废弃物为灰渣设备为锅炉产品为热量(蒸汽)炉内发生化学反应时氧元素过剩主要化学反应为C+O2=CO2废弃物为烟气和灰渣循环流化床秸秆气化原理循环流化床秸秆发电流程示意图∽灰尘废水空气燃气水灰生物质∽∽∽∽图1.生物质循环流化床气化发电工艺流程生物质IGCC工艺流程示意图循环流化床气化发电技术评价优点：†循环流化床气化发电是中国科学院广州能源研究所开发的技术，是目前唯一已经实施的较大规模发电的气化技术。†属于国有知识产权的技术，对秸秆发电产业发展非常有利。†规模适应能力强，电厂规模大小均可。†不需要成型即可气化存在的问题：†燃气中飞灰含量太高，导致焦油中含有大量灰渣，焦油只能废弃。†焦油污水处理量和处理难度增加。†灰渣中碳含量高，转换效率降低。†已建成的生物质循环流化床气化发电厂都是以稻壳或木粉为原料的，尚未真正解决大田秸秆利用的问题。逆流固定床秸秆制气原理C+CO2=2COC+O2=CO2氧化层干馏层还原层灰渣层干燥层气化剂(空气)燃气输出原料仓工艺流程示意图秸秆粉碎成型气化炉旋风分离器成型秸秆仓电捕焦油器脱硫塔增压站燃气储柜变电站发电机内燃机电力输配灰渣处理逆流固定床秸秆气化技术评价优点：†设备相对简单†动力消耗小†燃气净化为成熟技术，设备为标准设备。†煤的逆流固定床气化炉技术非常成熟，可以移植到秸秆气化。†焦油处理技术成熟，焦油可以回收。存在问题：†目前还没有建成的示范工程，存在一定的风险。†系统和关键设备（气化炉）需要重新设计。†现有设备和工艺需要进一步改进和完善。†秸秆需要先成型。内燃发电机†现有的内燃发电机技术已经可以使用热值为800-1000kcal/m3的高炉煤气，完全能够满足生物质燃气发电的要求。†现有商业化的内燃发电机最大功率为800kw，正在研制中的最大功率为2400kw。†国内最为成熟可靠的内燃发电机，最大功率为500kw，价格约为90-110万元/台（套）。垃圾焚烧发电†减量化†无害化†资源化国家环保总局对垃圾处理的要求：垃圾焚烧系统示意图上图：垃圾料仓和垃圾抓斗。右上：电厂主厂房。右下：电厂主控室显示面板。垃圾填埋气发电垃圾填埋场沼气制取及沼气发电大中型沼气工程的定义：规模复合下表要求，并具有原料预处理、沼气、沼渣、沼液综合利用配套系统的工程。规模单池容积（m3）总池容积（m3）日产气量（m3/d）大型50010001000中型50-50050-100050-1000小型505050目前我国已建成的大中型沼气工程约700处，仅占大中型养殖场总量的6.6%。其中配套发电的很少。沼气主要有效成份为甲烷，热值约为5500kcal/m3,一般采用内燃发电机发电。沼气制取基本工艺流程有机废物调节池预处理厌氧消化器后处理储存用户净化沼气剩余污泥(可用作肥料)排放生态型沼气工艺流程示意图净化装置贮气柜集中供气沼气发电畜禽舍人工清粪畜禽废水厌氧消化沉淀池固液分离调蓄塘鱼塘水生植物塘农田堆沤拌辅料烘干造粒包装、出售固体沼气液体环保型沼气工艺流程示意图净化装置贮气柜集中供气沼气发电畜禽舍畜禽废水固液分离厌氧消化沉淀池好氧处理达标水排放人工清粪液体固体堆沤拌辅料烘干造粒包装出售沼气发电形式养殖场沼气工程生物质液体燃料油料作物糖类(淀粉)生物柴油燃料乙醇以淀粉、糖类为原料制取燃料乙醇原理糖化发酵蒸馏无水乙醇燃料乙醇糖类原料淀粉类原料变性剂淀粉类原料制取燃料乙醇工艺流程示意图糖类原料制取燃料乙醇工艺流程示意图原料榨汁糖蜜配料发酵蒸馏乙醇精馏无水乙醇市场市场废水净化再利用饲料甜高粱制取燃料乙醇工艺流程示意图“早熟1号”甜高粱制取乙醇油料作物制取生物柴油†生物柴油指利用动植物油脂中的脂肪酸与醇类进行酯交换反应生成的脂肪酸烷基脂。†生物柴油的原料不应该包括食用油。†大规模制取生物柴油的前提是具有足够的原料，在生物油工厂建设前需要落实原料供应。†为了保证原料供应，一般规模化的生物油工程都将建设自己的原料基地。我国主要生物油原料种类†蓖麻：平均单产150公斤/亩左右，种籽含油率50%左右，种仁含油率65%左右。†麻疯树：5年生林平均果实产量可达每亩300-500公斤，果实平均含油率40%以上，种子的含油率高达60%，是国际上公认的主要能源开发树种。†黄连木：成年树每株可年产果实50-150公斤，最高达250公斤。黄连木种子的含油率为43%，是我国重要的木本油料树种。†油桐：10年生油桐亩产可高达45公斤。油桐种子含油率33%-71%，并且桐油不易腐烂变质，其运输和贮存条件没有任何限制。†乌桕（腊子树、木油树）：每公顷可产350公斤，种子出油率高达40%以上。麻风树果实麻风树油桐果实油桐树乌桕树生物柴油生产工艺原理示意图油料植物前处理榨油酯化生物柴油年产200吨生物柴油中试装置原料：麻风树果实规模：年产200吨生物柴油工艺：两步酯交换法和微乳化法研发：四川大学四川省长江造林局四川林科院产品：B-15混合柴油B-20混合柴油应用：B-20混合柴油在成都公共交通公司的柴油公交汽车上使用，柴油机工作平稳、运行可靠，主要零件磨损正常，达到0号柴油的标准。农林剩余物制取生物燃油†以农林剩余物为原料†采用干馏工艺将农林剩余物隔绝空气加热，使之产生焦油与燃气。†将生成物气液分离；†液体为生物燃油，气体用于干馏装置的加热。†燃油热值约为4500-5000kcal/kg。†燃油经过脱酸和重整，生产车用油，但成本较高。焦油储存罐焦油储存罐焦炭储存仓气化反应器气化原料储存仓一次分离器生物质流化床热解生物原油工艺流程示意图（不含原料处理系统）轻端分离器燃气压缩机激冷罐管式换热器燃气压缩机旋风分离器加热器焦炭冷却器循环泵静电分离器燃气烧嘴燃气余热加热器至烟囱过滤器焦油冷却器生物质压缩成型优点：†采用压缩成型技术可将生物质原料密度增加5-6倍，提高运输和使用效率。†压缩成型过程产生的热量可杀灭原料中的病虫害，可防止病虫害扩散，不易霉烂，易于储存。†过程简单，设备少，投资小，易于实施。问题：†需要消耗电力，不同的压缩机电力消耗为60-120kWh/kg。†加工成本约为200元/吨。†供农民炊事用将有成本过高的问题。†供锅炉等工业用户使用可能遇到供应的稳定性问题。前景：†在特定的条件下，（如燃煤锅炉改造、财税政策优惠等）有较好的市场前景。生物质压缩成型燃料生物质压缩成型机生物质压缩成型机技术简评†电力消耗：一般在60－120kWh/吨之间。其中螺旋压缩成型的电耗最高，冷成型和环模滚压较低。†投资：螺旋压缩成型投资最低，环模滚压成型投资最大。†产量：螺旋压缩成型产量最小，单机产量仅为100-120kg/h，环模滚压成型产量最大可达4000kg/h。†规模化生产存在问题：主要是产量较小和易损件寿命太短。谢谢各位！