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1、第5章 生物质能发电,5.1 生物质能,5.2 生物质燃烧发电,5.3 生物质气化发电,5.4 沼气发电,5.5 垃圾发电,5.1 生物质能,5.1.1 生物质能的概念,5.1.2 生物质能存在的形式,5.1.3 生物质能的开发利用,5.1.1 生物质能的概念,生物质能是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储存在生物质内部的能量。目前广泛使用的化石能源如煤、石油等也是由生物质能转变而来的。 生物质能是可再生能源，其原料通常包括6个方面：木材及森林工业废弃物；农作物及其废弃物；水生植物；油料植物；城市和工业有机废弃物；动物粪便。 在世界能源消耗中，生物质能约占10%，
2、而在不发达地区却占60%以上。 生物质能属于清洁能源，其优点是燃烧容易、污染少、灰分较低，燃烧后二氧化碳排放属于自然界的碳循环，不形成污染，并且生物质能含硫量极低，不到煤炭含硫量的1/4，可显著减少二氧化碳和二氧化硫的排放；缺点是热值及热效率低，直接燃烧生物质的热效率仅为10%30%，体积大而且不易运输。,生物质能转化技术可分为直接燃烧方式、物化转换方式、生化转化方式和植物油利用方式四大类，各类技术又包含了不同的子技术，各种生物质转化技术的分类和子技术如图5-1所示。,5.1.2 生物质能存在的形式,1.森林能源及其废弃物,2.农作物及其副产物,3.禽畜粪便,4.生活垃圾,5.1.3 生物质能
3、的开发利用,生物质能的开发和利用，也就是生物质能的转化技术，将生物质能转化为人们所需要的热能或进一步转化为清洁二次能源，如电能。,1.生物质可以转化的能源形式,（1）直接燃烧获取热能。,（2）沼气。,（3）乙醇。,（4）甲醇。,（5）生物质汽化产生的可燃气体及裂解产品。,2.生物质能的实用转化技术,利用物理、化学以及生物技术，把生物质转化为液体、气体或固体形式的各种燃料，属于生物质能的转化技术。目前研究开发的转换技术主要有物理干馏、热裂解法、生物发酵，包括利用干馏技术制取木炭、秸秆汽化制取燃气、生物发酵制取乙醇、生物质直接液化制取燃料油、干湿法厌氧消化制取沼气等。,1）生物质压缩成形和固体燃料
4、制取技术,2）生物质汽化技术,3）生物质热裂解液化制取生物油技术。,4）干湿法厌氧消化制取沼气技术,3.生物质能转化技术的应用前景,1）高效直接燃烧技术和设备,2）薪材集约化综合开发利用,3）生物质能的液化、汽化等新技术开发利用。,4）城市生活垃圾的开发利用,5）能源植物的开发,4.我国发展和利用生物质能源的意义,（1）拓宽农业服务领域、增加农民收入。,（2）缓解我国能源短缺、保证能源安全。,（3）治理有机废弃物污染、保护生态环境。,5.2 生物质燃烧发电,5.2.1 生物质燃烧技术,5.2.2 固体燃料成型技术,5.2.3 生物质燃烧热发电,5.2.4 生物质燃烧的污染排放与控制,生物质燃烧
5、的过程可以分为以下四个阶段：预热和干燥阶段，挥发分析出及木炭形成阶段，挥发分燃烧阶段，固定碳燃烧阶段。 （1）预热和干燥阶段：在该阶段，生物质被加热，温度逐渐升高。,（2）挥发分析出及木炭形成阶段：生物质继续被加热，温度继续升高，到达一定温度时便开始析出挥发分，并形成焦炭。 （3）挥发分燃烧阶段：生物质高温热解析出的挥发分在高温下开始燃烧，同时释放大量热量，一般可提供占总热量70%份额的热量。 （4）固定碳燃烧阶段：生物质中剩下的固定碳被燃烧着的挥发分包围着，减少了扩散到碳表面的氧的含量，抑制了固定碳的燃烧；随着挥发分的燃尽，炽热的固定碳开始和氧气发生激烈的氧化反应，且逐渐燃尽，形成灰分。,5
6、.2.1 生物质燃烧技术,生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧投资小、操作简便，但燃烧效率较低，造成生物质资源的浪费。当生物质燃烧系统的功率大于100KW时，一般采用现代化的锅炉燃烧技术，适合生物质大规模利用。 生物质现代燃烧技术主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式。,1.层燃技术,图5-2 层燃过程,2.流化床技术,流化床是基于气固流态化的一项技术，即当气流流过一个固体颗粒的床层时，若其流速达到使气流流阻压降等于固体颗粒层的重力时，固体床料被流态化。其适应范围广，能够使用一般燃烧方式无法燃烧的石煤等劣质燃料、含水率较高的生物质及混合燃料等。此外，流化床燃烧技术还可以降低尾气
7、中氮与硫的氧化物等有害气体含量，保护环境，是一种清洁燃烧技术。,流化床的下部装有布风板，空气从风室通过布风板向上进入流化床，当气流速度发生变化时，流化床上的固体燃料层将先后出现固定床、流化床和气流输送三种不同的状态。,当气流速度较低时，燃料颗粒的重力大于气流的向上浮力，燃料颗粒处于静止状态，称为固定床。当气流速度逐渐增加到某一临界值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高气流速度，燃料颗粒由气流托起上下翻腾，呈现不规则运动，燃料层表现出流体特性，称为流化床。当气流速度进一步增加，超过携带速度时，燃料颗粒将被气流携带离开燃烧室，燃料颗粒的流化状态遭到破坏，称为气流输送
8、。对于流化床可以分为鼓泡流化床和循环流化床。,为了保证流化床内稳定的燃烧，流化床内常加入大量的惰性床料来储存热量，占总床料的90%98%，惰性床料有石英砂、石灰石和高铝矾土等。,鼓泡流化床燃烧存在一些问题，如飞灰可燃物大、埋管受热面磨损严重、大型化困难、石灰石脱硫时钙的利用率低等，制约了其进一步发展。为了解决上述问题，20世纪80年代循环流化床锅炉应运而生。循环流化床主要优点之一是燃料适应性广，几乎可以燃用所有的固体燃料，燃烧效率也更高，能达到95%99%。它的这一优点对于充分利用劣质燃料，开发和节约能源具有重要的意义。,3.悬浮燃烧技术,5.2.2 固体燃料成型技术,生物质固体燃料成型技术，
9、就是将各类生物质废弃物，如秸秆、稻壳、锯末、木屑等，经干燥并粉碎到一定粒度，在一定温度、湿度和压力条件下，挤压成规则的、较大密度的固体成型燃料，生物质固体燃料成型技术是生物质能源转化利用的一种重要方式。,1.生物质燃料成型机理,2.生物质燃料成型工艺及设备,图5-3 锥形螺旋挤压成型机,图5-4 活塞冲压成型机 1-液压或机械驱动 2-活塞 3-喉管 4-成型快,5.2.3 生物质燃烧热发电,生物质发电技术主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市废弃物作为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。生物质燃烧发电的技术路线主要有生物质直燃发电、生物质与煤混燃发电、城市废弃物焚烧发电。,1.
10、生物质直燃发电,图5-6 生物质直燃发电系统原理,2.生物质与煤混燃发电,表5-1 生物质混燃发电方式的比较,3.城市废弃物焚烧发电,图5-7 城市废弃物焚烧发电的典型工艺流程,5.2.4 生物质燃烧的污染排放与控制,5.3 生物质气化发电,5.3.1 生物质的气化技术,5.3.2 生物质气化发电,5.3.3 城市固体废弃物气化熔融技术,5.3.1 生物质的气化技术,1.生物质气化的基本原理,生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气或者富氧、纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。,生物质气化的过程随反应器类型、反应条件和原料性质而变
11、化，对于单个生物质颗粒而言，其主要经历如下反应过程：,（1）干燥,（2）热解,（3）焦油二次裂解,（4）木炭、气态产物的氧化反应,(5)木炭、气态产物的还原反应,2.生物质气化的工艺,根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热解气化。,3.生物质气化反应设备,气化炉是气化反应的主要设备。针对气化炉运行方式的不同，可将气化炉分为固定床气化炉和流化床气化炉两种，而固定床气化炉和流化床气化炉又分别具有多种不同的形式。,图5-8 下吸式固定床气化炉的工作原理,图5-9 上吸式固定床气化炉的工作原理,图5-10 鼓泡流化床气化炉的工作原理,图5-11 循环流化床气化炉的工作原
12、理,图5-12 双循环流化床气化炉的工作原理,5.3.2 生物质气化发电,生物质气化发电的基本原理是把生物质原料在气化炉气化生成可燃气体并净化，再利用可燃气体推动燃气发电设备进行发电。这是一种最有效和最洁净的现代化生物质能利用方式。设备紧凑，污染少，可以克服生物质燃料的能量密度低和资源分散的缺点。,生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气-蒸汽联合循环发电系统。,图5-13 生物质燃气-蒸汽联合循环发电工艺流程,5.3.3 城市固体废弃物气化熔融技术,欧洲在世界上最早开发了城市固体废弃物焚烧技术，并将固体废弃物焚烧余热用于发电和区域性集中供热。但是，焚烧过程
13、对大气环境造成的二次污染一直是人们关注的热点。城市固体废弃物气化熔融技术正是在此背景下，结合生物质热解气化技术和高温熔融技术，提出并发展起来的。它实现了彻底的无害化、显著的减容性、广泛的物料适应性和高效的能源与物资回收，因此气化熔融技术被称为新一代的废物处理技术，发展潜力巨大。,图5-14 城市固体废弃物气化熔融系统,5.4 沼气发电,5.4.1 沼气的产生原理,5.4.2 沼气燃烧发电,5.4.3 沼气燃料电池发电,5.4.4 沼气发电的控制策略,5.4.1 沼气的产生原理,沼气是由多种厌氧微生物混合作用后发酵而产生的。在发酵过程中，这些微生物相互协调、分工合作，完成沼气发酵过程。,图5-1
14、5 沼气发酵过程,图5-16 传统的消化池示意图,图5-17 水压式沼气池的结构 1-进料口 2-零压水位 3-输出阀门 4-盖板 5-溢流口 6-储留室 7-水压箱 8-渗井 9-发酵室 10-储气室,5.4.2 沼气燃烧发电,a)沼气发动机发电结构,b）燃气轮机发电结构,c）蒸汽轮机发电结构,图5-19 不同种类动力发电装置的效率比较,图5-20 典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程,图5-21 垃圾处理场沼气发电站的工艺流程 1-污泥进料口 2-发酵池 3-循环管道 4-循环泵 5-溢流管 6-沼气储气罐 7-沼气发动机 8-三相交流发电机 9-消化污泥阀 10-沉淀池 11-溢流管 12
15、-排渣阀 13-储留池 14-排污管,图5-22 沼气与天然气双气源的锅炉,图5-23 沼气和天然气双气源锅炉发电系统的控制框图,5.4.3 沼气燃料电池发电,燃料电池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。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融硅酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。沼气燃料电池是将沼气化学能转换为电能的一种装置，它所用的“燃料”并不燃烧，而是直接产生电能。,沼气燃料电池是一种清洁、高效、噪声低的发电装置，近年来在日本和欧美国家研究较多，国内研究也在不断增多
16、。,沼气燃料电池系统一般由三个单元组成：燃料处理单元、发电单元和电流转换单元。 1）燃料处理单元的主要部件是改质器，它以镍为催化剂，将甲烷转化为氢气。,2)发电单元的基本部件由两个电极和电解质组成，氢气和氧化剂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，其工作原理简图如图5-24所示。,图5-24 沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）的工作原理简图,3）电流转换单元的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。,沼气燃料电池所用的沼气，其纯度要求较高，因而需要对沼气进行提纯,图5-25 双塔式吸收法提纯沼气工艺流程,沼气燃料电池的主要优点：电池的工作效率高，能量转换的效率可达90%左右，而一般内燃机受卡诺循环的限制，效率仅达40%；电池在工作时没有或极少有污染物排放；电池在工作时不产生噪声和机械振动；维护管理容易。 沼气燃料电池的主要缺点：缺乏长期运行经验；排气中可能含有微量磷废气，它们对环境的影响尚不清楚。,5.4.4 沼气发电的控制策略,围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的
