生物化学毕业论文

目 录

摘要 1

ABSTRACT 2

1 引言 3

2 生物质能资源 3

2.1 沼气 3

2.2 林业生物质能资源 3

2.3 畜禽粪便 3

2.4 农业生物质能资源 3

2.5 城市固体废物 3

3 生物质发电技术 4

3.1 生物质直燃发电工艺 4

3.2 生物质混燃发电工艺 7

3.3 生物质气化发电工艺 8

4 技术比较 11

5 结论 12

6 发展前景 12

参考文献 14

致 谢 15

生物质发电技术的分析比较

摘 要

生物质发电主要包括直燃发电、混燃发电和气化发电三种工艺方法。生物质发电工艺因清洁环保，原料来源丰富等优点，在世界各国被广泛关注和应用。分析比较三种生物质发电技术的工艺流程，了解三种发电工艺流程及其优缺点、制约各自发展的因素和发电效率及应用前景，报告了我国目前缺乏高效的工艺设备条件以及工艺流程复杂和资源利用率低等问题现状。因此，急需要通过原料处理、改造燃烧锅炉、充分利用燃烧过程热量和大力发展生产技术及设备等途径优化工艺条件，来实现生物质发电的广泛应用。生物质发电技术工艺条件的优化对生物质发电效率的提高，资源利用率的提高和生物质发电厂适用范围的扩大具有重要意义。

关键词：生物质；发电工艺；分析；比较

Analysis and Comparison of Biomass Power Generation Technology

ABSTRACT

Biomass power generation mainly includes direct combustion power generation, mixed combustion power generation and gasification power generation.Biomass power generation technology is widely used in the world because of its advantages of clean environment and abundant raw materials.It analyzes the technological processes of the three biomass power generation technologies.We understand their advantages and disadvantages, the factors restricting their development, the power generation efficiency and its application prospect.It reports the current situation of ineffectively technological equipment conditions, complex technological processes and low resource utilization rate in China.Therefore, it is urgent to optimize the process conditions through raw material treatment, reforming combustion boiler, making full use of the heat of combustion process and vigorously developing production technology and equipment, so as to realize the wide application of biomass power generation.It is of great significance to the improvement of biomass power generation efficiency, resource utilization ratio and the scope of application of biomass power plants.Key words: Biomass;Power generation technology;Analysis;Comparison

1 引言

随着人均生活水平提高，人类对能源的需要不停的被扩大，能源焚烧对四周的环境产生了越来越大的影响。[1]生物质具备诸多优点，如焚烧发电能够减少污染物的排放，来源丰富，是一种可再生能源。[2]因此，生物质发电技术在世界范围内被普遍关注。[3]生物质发电工艺主要有三种：生物质直燃发电工艺、生物质混合燃烧发电工艺和生物质气化发电工艺。[4]通过分析比较的方法，了解它们的工艺流程、优缺点、制约各自发展的因素及发电效率，为生物质发电厂优化工艺条件提供参考。预期通过优化工艺条件，来实现生物质发电在我国的广泛应用。通过优化工艺条件，可以使我国的生物质发电朝着大规模、小投资、高效率等方向发展。

2 生物质能资源

生物质是所有能够生长的有机体，是一种再生能源。[5]生物质能资源可分为农业资源、林业资源、城市固体废物、畜禽粪便及沼气5大类。[4]

2.1 沼气

沼气是指畜禽粪便和生活污水经发酵、过滤及净化过程产生的一种甲烷气体，用途广泛。[6]

2.2 林业生物质能资源

林业生物质能资源是指丛林中生长的各种不同种类的树木等植物,容易受气候条件的影响。[7]

2.3 畜禽粪便

畜禽粪便是指圈养的羊、蛋鸡及肉鸡等畜禽的排泄物。[8]它是玉米秸秆、稻草、野草及花生秧等植物的另一种转换形式。

2.4 农业生物质能资源

农业生物质资源主要包括农业作物、农业生产和加工过程中产生的废料。[9]农业生产过程中产生的废料，例如农作物丰收的时候田地里遗留的秸秆等。[10]

2.5 城市固体废物

城市固体废物是指由居民生活和各种行业生产运营过程中产生的固体渣滓。[11]它的组成复杂。[12]城市固体废弃物受许多因素影响，主要包括当地城镇乡村建设以及当地居民的能源消耗结构、平均生活水平。

生物质能资源种类丰富，可以为生物质发电站提供足够的燃烧原料，解决生物质发电站燃烧原料供应问题。生物质作为燃料进行发电既有积极影响又有消极影响。在保护环境以及降低投资成本的同时还会产生运输费用增高、堵塞给料系统、腐蚀设备等一系列问题。3 生物质发电技术

生物质发电技术是一种将生物质作为燃料进行焚烧或者是将生物质气化再进行焚烧发电的技术，此发电技术主要包括直燃发电、生物质与煤混燃发电和气化发电三种工艺方法。[3]生物质发电的主要工艺方法如图1所示。[13]

图1 生物质发电的主要工艺方法

3.1 生物质直燃发电工艺

生物质直燃发电是指将生物质原料直接送至焚烧锅炉进行焚烧，焚烧产生的蒸气通入汽轮机，然后经发电系统及输电系统产生电。[14]生物质直燃发电工艺可分为两种发电模式：第一种是生物质燃料固定床燃烧；第二种是生物质燃料流化床燃烧，流化床焚烧效率要高于固定床。[15]

3.1.1 工艺流程

生物质直燃发电工艺流程可概括为如下：将燃烧原料运送到发电厂，经称重后送到储料场进行存料、上料。燃料通过给料机送入锅炉燃烧。燃料在燃烧的过程中会释放大量的热，在锅炉中形成蒸气通入汽轮机，推动发电机，产生电。锅炉燃烧过程中除了会产生蒸气以外，锅炉还会产生废气、灰渣以及冷却废水。废气进入除尘器，除尘器将废气进行分离，分为气体和灰尘。气体从除尘器的烟囱排入大气，灰尘经输送系统送至灰库暂时储存。灰渣经输送系统送至灰渣场临时贮存，最后一起被运出厂综合运用。中型生物质发电项目工艺流程图如图2所示。[16]

图2 中型生物质发电项目工艺流程图

3.1.2 工艺优势

（1）电站规模较大。电站规模跟发电成本成反比。

（2）具有成熟的技术。此工艺原理与传统火力发电类似，燃烧产生的灰渣是草木灰钾肥，可以用于田间农作物的生长。

（3）原料预处理简单。原料可进行简单预处理或不处理。

3.1.3 问题及优化方案

（1）原料的运输和贮存问题及优化方案。燃料资源存在地域分布不够集中、受季节性影响程度大以及运输效率低等问题。另外，密度小，因此，需要大面积的储料场。燃料容易吸水受潮，上料时还会出现缠结堵料问题，导致燃料不能充分燃烧。因此，要做好防雨和防潮的预防措施，结果就会导致发电成本增加。通过压缩生物质燃料形成所需的形状，增加生物质燃料的密度，缩小生物质燃料的体积，减小其运输过程中所占空间，来解决燃料的收集、运输和贮存问题。

（2）进料和上料问题及优化方案。生物质燃料密度小，所占空间较大，因此要求发电厂具备较大的上料系统。生物质燃料长时间堆放会吸收水分变潮，上料的时候就容易发生缠结堵料的问题。因此，优化燃料输送系统，简化给料环节，直接将生物质燃料输送至燃烧锅炉。严格要求工人，检测进入进料系统前的生物质燃料，严格控制生物质燃料的湿度。

（3）排渣堵渣问题及优化方案。固体杂质可能会掺混进生物质原料一起进入燃烧锅炉，以及生物质燃料燃烧会产生碱金属化合物容易结成较大物块，造成排渣管的堵塞。针对堵渣问题，可采取如下方案进行优化：调整排渣口的位置，使其尽量往向前移动，同时借助空气的冲击排除废渣；设计废渣收集系统，将废渣收集并排出；优化加料系统，稀释燃烧锅炉中的碱金属含量，防止合成碱金属化合物大物块。

（4）燃料种类单一。不同地区的生物质发电厂所使用的生物质燃料也不尽相同。在北方的生物质发电厂多以秸秆为主，在南方的生物质发电厂则多以稻草为主。针对燃料的种类再对发电设备进行设计，那发电投资成本可能也会随之升高。循环流化床锅炉具有生物质燃料燃烧充分、原料适应性广、污染物排放量低以及将生物质原料简单破碎就可入炉燃烧等优点。因此，燃烧锅炉可以采用循环流化床锅炉。

（5）污染物含量排放多。采用循环流化床锅炉。

（6）受热面结焦腐蚀的问题及优化方案。受热面结焦腐蚀是因为灰渣中含有生物质灰，生物质灰受热结焦腐蚀燃烧锅炉壁，影响锅炉寿命。另外，生物质灰受热时容易结焦。措施可通过优化受热面和吹灰系统，采用冷却器来减轻飞灰的沉积，优化换热面吹灰控制系统，调整吹灰时间，使其达到最佳。

（7）发电效率很低，只达到20%~40%。为提高发电效率，应充分利用发电过程产生的大量热。电站采取热电联产的方式，不但能够提高能源综合利用的效率，还可以提高供热质量，增加企业效率。优化焚烧系统和热力系统提高发电效率。优化焚烧系统，可通过优化给料系统和烟风系统。优化给料系统先对生物质燃料进行分类打包，然后将打包好的生物质燃料扯碎后送入燃烧锅炉，加大燃烧接触面积。优化烟风系统，可以通过优化通风系统，好的通风系统可以增加燃料焚烧是所需要的氧气，使燃料燃烧更充分。

3.2 生物质混燃发电工艺

生物质混燃发电工艺是指生物质燃料和煤先进行混合，然后由研磨机一起进行粉碎或者先分别计量粉碎生物质燃料和煤然后混合一起作为燃料在燃烧锅炉中燃烧发电。[17]生物质和煤直接混烧存在一系列问题，例如降低发电效率，燃料要求高。

3.2.1 工艺流程

生物质与煤混燃发电工艺流程概括起来是燃料经过收集及简单的处理运送到发电厂，在经过称重检验后才能进入发电厂，经过粗粉碎或细粉碎燃烧前处理后送到储料仓进行存料、上料，再通过风力将生物质燃料送入燃烧锅炉与煤粉一起焚烧，焚烧时会放出产生废气和足够的热。热量使锅炉中产生大量蒸气通过汽轮机，发电机进行发电。最后进行电力输出。废气经过环保除尘后排放。生物质与煤直接混烧工艺流程如图3所示。[18]

图3 生物质与煤直接混烧工艺流程图

3.2.2 工艺优势

（1）投资较低。生物质与煤混燃发电工艺的设备和系统可采用已有的设备和系统，减少了投资成本。

（2）生物质与煤炭配比灵活。生物质与煤的掺混比例可以根据生物质资源的贮存量灵活配比。生物质资源的储存量足够多的时候可以少掺混一些煤炭，当生物质资源的储存量不够多的时候可以多掺混一些煤炭。由于部分生物质资源受季节性影响程度较大，导致生物质资源供应不稳定。生物质与煤炭灵活配比解决了生物质发电站的燃料供应问题，使生物质发电站可以平稳运行。

（3）能有效保证发电厂平稳进行。生物质混合燃烧发电厂可以同时燃烧煤粉和生物质，降低了生物质燃料的需求量，供给风险将低。

（4）锅炉结焦腐蚀问题小。生物质与煤混燃可以降低燃料中生物质的含量，进而降低了燃料在锅炉中焚烧时生物质灰的产生，一定程度上减小了锅炉壁的结焦腐蚀程度。

3.2.3 问题及优化方案

（1）燃料运输和上料问题及优化方案。生物质粉末存在不易输送、流动性差、易缠结等问题，针对这些问题输送系统可采用气力输送。简化上料系统，直接使用专用抓手作为上料工具。

（2）掺混比例问题及优化方案。生物质中含有大量水分，在与煤炭混合燃烧时会释放大量的烟，会影响热交换器的运作。在混合燃烧时，只有经过改造的燃烧锅炉才能掺混太多生物质燃料。如果稍微革新一下生物质发电厂中原有的燃料供应系统、燃烧锅炉，就可提高生物质燃料的掺混比。

（3）结焦和腐蚀问题及优化方案。生物质燃料焚烧时会有生物质灰产生。生物质灰高温产生碱性化合物腐蚀锅炉内壁。另外，生物质灰的熔点比较低，受热时容易结焦。可以通过控制掺混比例（10%以下）来解决结焦和腐蚀问题。

（4）催化剂失活问题及优化方案。催化剂用于净化系统。生物质焚烧时会产生大量碱性化合物，使催化剂失活。因此，需要加强对影响催化剂失活因素的监控。

3.3 生物质气化发电工艺

生物质气化发电是指生物质原料进入气化炉后气化转化为可燃气，可燃气再进行燃烧发电。[19]气化发电工艺大体主要包含生物质的气化反应、燃气的净化和燃烧燃气发电三个过程。[20]根据燃烧方式不同可分为两种发电工艺模式：第一种发电工艺模式是生物质气化后再和煤粉一起焚烧；第二种发电工艺模式是生物质气化后直接燃烧。

3.3.1 工艺流程

3.3.1.1 生物质气化直燃发电工艺流程

生物质气化直接燃烧发电工艺流程是指生物质燃料送入气化炉发生气化反应产生可燃气，可燃气进入旋风除尘器除去灰渣等固体杂质，可燃气中还含有影响锅炉运行的污染成分，可燃气经过净化系统之后才可直接进入汽轮机带动发电机发电。[19]工艺流程如图4所示。

图4 生物质气化直燃发电工艺流程图

3.3.1.2 生物质气化混合燃烧发电工艺流程

生物质气化混合燃烧发电工艺流程概括起来就是先将生物质按照粒度要求进行处理，然后送至加压装置进行加压，加压后的生物质燃料通过输送系统送至气化炉，在气化炉中气化产生的可燃气从旋风除尘器顶部送至余热锅炉，气化炉和旋风除尘器中的灰渣送入贮存系统，可燃气进入余热锅炉进行降温，降温后的可燃气进入燃煤锅炉燃烧发电。此工艺就是在生物质燃料直接与煤混烧的设备的基础上加一个气化炉，将气化产生的燃气直接输送到燃烧锅炉燃烧，是一种间接与煤混烧的发电工艺方法。工艺流程图如图5所示。[21]

图5 生物质气化混合燃烧发电工艺流程图

3.3.2 工艺优势

（1）设备选择灵活。气化反应器和发电厂发电设备可以根据合成气品质和工艺的要求灵活选择。

（2）对环境污染小。一方面，排放污染物少；另一方面，高温汽化焦油进入燃烧锅炉后会在燃烧锅炉内充分燃烧，不需要专门设计制作焦油处理设备。因此，避免了焦油排放入大气造成环境污染。是一种清洁环保的生物质发电工艺。

（3）经济效益好，节省投资。从生物质气化到与煤粉一起混合燃烧的全过程的系统和设备都可以利用原发电厂的系统和设备，不需要再重新设计制作专门的系统和工艺设备。

（4）发电效率高。生物质原料预处理简单、范围广。气化反应器采用循环流化床气化耦合发电装置，气化效率高，投资成本低。发电锅炉可以充分利用气态焦油和可燃气的热量，其发电效率远高于生物质直接燃烧发电工艺。该工艺可以实现生物质大规模工业化应用。

（5）发电系统和装置启停灵活。一整套发电系统和装置在2~3 h就能够启动，在30 min内就能够停炉。不管启动还是停炉，都不影响发电装置的运行。

3.3.3 问题及优化方案

生物质气化发电工艺优势虽多，但是仍存在如下问题：

（1）原料收集、运输问题及优化方案。如秸秆供应来源不稳定，有些地区甚至没有，制约生物质气化发电的大规模发展。另外，生物质原料存在一些问题，如质地松软、密度小及易燃等，导致运输费用的增大。可将生物质原料输送到压缩器中压缩成需要的形状。压缩成型后的生物质原料更容易储存和运输。

（2）缺乏成熟的技术。目前，我国大多数的生物质发电厂缺乏先进的技术和设备。焦油的处理方法，例如热等离子体裂解目前也还处于起步阶段。为弥补技术和设备上的不足，我国应加快吸收国外的先进技术和设备并将其转化为适合我国国情的技术和设备。同时，加大资金和政策上的支持，努力培养致力于优化生物质发电工艺的优秀人才。

（3）焦油处理问题及优化方案。生物质燃料气化过程一定会产生焦油。焦油是一种混合物，组分复杂，黏度大。处理焦油有物理和热化学法，其中热化学法中的热等离子体裂解法与其他方法优点突出。用热等离子体来裂解焦油，为解决焦油处理问题开辟了一种新的道路。目前，热等离子体裂解焦油技术还在实验研究初步阶段。焦油处理问题还需科学技术人员继续开发研究新技术。

4 技术比较

生物质资源在进行燃烧发电之前都面临收集、运输、储存过程中维护费用高的问题。生物质资源丰富，但基本就分为五大类。对五类生物质资源经行比较如表1所示。

表1 五类生物质资源比较

生物质发电工艺的种类较多。对三种生物质发电工艺进行总体的比较，比较结果如表2所示。

表2 生物质发电工艺比较

5 结论

我国的工业、商业、服务业的发展以及人民的日常生活都离不开能源。化石能源的燃烧必然会产生污染物，因此，急需寻找一种新型能源来将其取代化。生物质能资源因来源丰富，对环境污染小等优点，在世界各国被广泛关注和应用。

生物质直燃发电工艺具有原料单一、污染大、发电效率低，但是规模大、投资小、技术成熟的特点。生物质混合燃烧发电具有生物质原料适应性一般，但是规模大、投资小、污染小的特点。生物质气化直接燃烧发电工艺具有规模小、投资大、缺乏成熟的技术，但是可用的生物质燃料种类范围广、污染物排放量小、效率高的特点。生物质气化混合燃烧发电工艺不仅原料适应性广，污染物排放量小，而且规模大，投资小。由此可以发现生物质气化混合燃烧发电优势显著，将成为我国生物质发电发展的方向。

6 发展前景

生物质发电技术在国外的一些国家已经过三十多年的发展，工艺技术上已经比较成熟，在发达国家受到普遍的关注和应用。但是，在我国由于缺乏对生物质能资源的认识和先进技术和设备的开发研究，导致生物质发电工艺还存在一系列问题，制约着生物质发电在我国的广泛应用。因此，我国要积极吸收和转化国外先进工艺技术。我国在签订减排协定后，也关停了大批的火力发电站，导致我国对新能源的需求不断扩大。生物质作为新型能源而被我国重视，生物质发电工艺条件的优化问题也成为了我国快速发展过程中问题解决的重中之重。

优化生物质发电技术的工艺条件对实现生物质发电的广泛应用具有重要意义。我国在优化生物质发电工艺条件方面在未来还有很长的路要走。一方面，大力开展设备的研发、设计、制作及检验工作；另一方面，加大优化生物质发电工艺条件的技术开发。因此，在将来很长一段时间，我国必需加快对国外先进技术的吸收并转化为适合我国国情的技术，加大资金扶持政策，培养人才，不断提高我国的科研开发能力，实现我国生物质发电的广泛应用。

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