摘要：生物质能应用的过程中，温室气体的排量相对较低，且能源供给较为稳定，因而可以有效解决能源消耗和环境保护之间的矛盾问题，因而有着重要的应用意义。
关键字：生物质；热电联产；项目管理
1、前言
文章结合生物质的原料特点和生物质能转化路线，针对其中的优点缺点分析了热电联产工作开展的气化技术和直接燃烧技术设备、特点等，以及其中存在的问题，并进而给出建设管理策略。
2、生物质热电联产
全球变暖引起世界各国对温室气体排放量的关注,《京都议定书》规定了缔约国温室气体排放量的限额。为了实现《京都议定书》的减排目标,可再生能源的开发利用和能效的提高已成为各国减排的主要途径。提高热电部门的供应效率为近期温室气体减排提供了一个机会。传统化石燃料发电系统的平均综合效率数十年以来一直保持在35%~37%,而一般的热电联产系统的综合效率达60%~80%,最先进的热电联产系统的综合效率可达到90%以上。热电联产具有可减少温室气体排放量、降低热电网输送系统的投资、增强能源供给的稳定性等优点,理论上几乎适合于任何燃料,如天然气、煤、柴油、城市固体废弃物(MSW)和生物质等,其中生物质的应用日益受到重视。生物质原料包括农业废弃物、动物废弃物、林业木材废弃物、专用能源种植物、城市固体垃圾和掩埋气、污水处理生物质气、城市木材废弃物以及食品残渣。目前有机废弃物和残渣一直是主要的生物质资源,但专用能源种植物正逐渐受到重视。用生物质代替化石燃料有许多潜在的优点,具体取决于生物质的来源和用途,通常包括:降低温室气体和其它污染物排放;节省成本;加快地方经济发展;减少废弃物的数量;增强国内燃料供给的稳定性;同时生物质更加灵活可靠。生物质能与其它可再生能源,如太阳能、风能、水能相比,不受气候条件、季节或昼夜变化的影响,且可以储存。另外,其碳中性的特性符合减排、可持续发展的局势。但是,生物质作为燃料,其能源密度较低,这也正是其只能小规模应用或混合燃烧的原因。
3、直接燃烧技术
直接燃烧技术可追溯至19世纪,当今依然广泛应用。常用于生物质燃烧的锅炉为炉排锅炉和流化床锅炉,这2种锅炉完全依靠生物质来维持燃烧或者将煤与生物质混合燃烧。炉排锅炉根据燃料供给位置的不同分为下送炉排(underfeed)和上送炉排(overfeed)锅炉,前者从炉排下向上供给燃料和空气,而后者的燃料从炉排上供给,空气则由炉排下向上送。上送炉排进一步分为集中式供给(massfeed)和撒布式供给(spreader),在集中式供给炉排里,燃料被连续地送至炉排的一端,当燃烧的时候,燃料沿着炉排运动,在炉排的另一端清除灰渣;撒布式供给炉排是最普通的炉排锅炉,燃料被均匀地散在炉排面上,空气从炉排下供给。炉排锅炉的效率约为65%。流化床锅炉分为常压流化床锅炉和带压流化床锅炉。根据流化速度的不同,常压流化床锅炉又分为沸腾(或称为泡沫)流化床锅炉和循环流化床锅炉。与炉排锅炉相比,流化床锅炉燃烧效率高,可有效燃烧生物质和低级燃料,SO2和NOx的排放量低。流化床锅炉的效率约为85%。影响生物质燃烧效率的主要因素是生物质的含水量、引入锅炉的过量空气和未燃烧或部分燃烧的生物质的百分比。高热值、低含水量的生物质比低热值、高含水量的生物质效率高。直接燃烧生物质热电联产系统与燃煤热电联产系统相比,增加了生物质准备工场、生物质处理设备(干燥器、筛选机和研磨机等)、捕集大颗粒粉尘的旋风分离器、处理细微粒的囊式集尘室、干式筛分系统、氮氧化物排放量控制装置以及其它控制设备。直接燃烧包括混合燃烧(cofiring)和专用生物质燃烧。混合燃烧指的是将少量的生物质原料与化石燃料混合作为锅炉的燃料。生物质燃料的热值占锅炉总热值的5%~15%时,锅炉以及配套设备几乎不用做大的改动就可以运行。混合燃烧具有降低原料成本、改善空气污染物排放量、多样化原料供应以及适于节能改造的优点。但是碱含量高的生物质燃料在燃烧过程中会在换热器等设备表面出现结渣、结垢问题;氯含量高的生物质燃料在燃烧过程中,尤其在高温时,会加速对设备的腐蚀。这些问题可以通过以下途径解决:筛选掉氯、碱含量高的生物质原料,如青草、干草;用燃料添加剂。
大多数木制材料与废纸不会出现结渣、结垢和腐蚀问题。将既有锅炉改造成适合混合燃烧的锅炉,附加成本大约占到生物质系统的15%~30%。
4、气化技术
气化技术是指将生物质通过高温分解或厌氧发酵产生中、低热值的合成气。合成气的热值在3726~18630kJΠm3之间,具体数值取决于生物质的含碳量、含氢量以及气化器的特性。气化器包括固定床气化器与流化床气化器。按照空气气流方向不同,固定床气化器可分为向下送风式、向上送风式与交叉流。向下送风式是指空气通过固定床由上向下流动,合成气在炉排下侧流出;向上送风式是指空气通过炉排由下向上流动,在固定床上侧收集合成气;交叉流是指空气流向与固定床交叉,空气从一侧进入,合成气从另一侧流出。按照空气气流流速由小到大的顺序,流化床气化器可分为沸腾式、再循环式与夹带式。与固定床气化器相比,流化床气化器结构复杂,造价高。然而,流化床气化器具有较好的灵活性,可处理大范围的生物质原料,甚至包括含水率达到30%的生物质。影响气化器运行性能的主要因素包括生物质含水率、气体净化及工作压力。生物质原料中水分的含量会影响到合成气的热值。水分含量越高,合成气热值越低,可利用程度越小。如果水分含量过高且没有外部热源时,气化器不能正常工作。固定床气化器的生物质原料含水率通常要小于20%,流化床气化器的生物质原料含水率通常要小于30%。气化器制成的合成气中含有多种类型的污染物,在用作下游设备的燃料之前,需要进行净化。如燃料电池、蒸汽轮机、发动机都需要清洁的气体。合成气中的主要污染物及相应的净化方法如表2所示。气体净化过程中损失了显热,目前针对此问题的高温气体净化技术正在研究中。气化器可在常压或高压下运行,高压下产生的合成气无需压缩可直接引入燃气轮机燃烧。厌氧发酵制成富甲烷的沼气技术不在此赘述。气化技术与直接燃烧技术相比,具有气体燃料用途广泛、适于处理不同类型的生物质原料以及低排放量的特点,是一项很有潜力的技术。一些研究甚至表明气化热电联产与传统的燃煤热电联产厂经济性相同。
5、技术应用的商业化
固定炉排锅炉直接燃烧技术已有100多年的历史,流化床锅炉直接燃烧技术近年已在欧洲、美国广泛推广,混合燃烧适合于多种类型的锅炉。固定床气化器是正在出现的技术,目前全世界在运行的生物质气化系统的实际数量估计低于25个。流化床气化器的商业化程度比固定床气化器要好。
6、结束语
生物质作为热电联产燃料，实际应用的过程中相比较燃气热电联产可能会出现结构结渣之类的问题，不同的生物质原料应用过程中也会存在不同的问题，但是同时其碳中性和良好稳定的运行特性，决定了其能源应用的有效性。
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