第6章 生物质能的发电与控制技术课件.ppt

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1、第6章 生物质能的发电与控制技术,第6章 生物质能的发电与控制技术,机械工业出版社,机械工业出版社,2,第6章 生物质能的发电与控制技术,机械工业出版社,3,本章主要内容,6.1生物质能的形式及其利用 6.2 生物质能的制取与发电技术6.3生物质能的并网发电及对电网的影响 6.4生物质能发电的经济技术性评价,第6章 生物质能的发电与控制技术,机械工业出版社,4,第6章 生物质能的发电与控制技术,6.1 生物质能的形式及其利用,6.1.1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贮存在生物质内部的能量。目前广泛使用的化石能源如煤、石油和天然气等，也

2、是由生物质能转变而来的。 生物质能的优点是燃烧容易、污染少、灰分较低；缺点是热值及热效率低，直接燃烧生物质的热效率仅为1030，体积大而且不易运输。,机械工业出版社,5,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质在生长过程中通过光合作用吸收CO2，在其作为能源利用过程中，排放的CO2 又有效地通过光合作用而被生物质吸收，因而，其产生和利用过程构成了一个CO2 的闭路循环。即,CO2+H2O+太阳能 叶绿素 ( CH2O) +H2 O （6-1）,( CH2O) 燃烧 CO2+热量 （6-2）,( CH2O) 是生物质生长过程中吸收的碳水化合物的总称。当上述两个反应的CO2 达到平衡时，将对缓解日

3、趋严重的温室气体效应产生重要的作用。,机械工业出版社,6,生物质转化技术有,直接燃烧方式 物化转换方式生化转化方式植物油利用方式,第6章 生物质能的发电与控制技术,各种生物质转化技术的分类和相关子技术如图6-1所示。,机械工业出版社,7,第6章 生物质能的发电与控制技术,图6-1 生物质转化技术,机械工业出版社,8,第6章 生物质能的发电与控制技术,6.1.2 生物质能存在的形式,森林能源及其废弃物 农作物及其副产物 禽畜粪便 生活垃圾,机械工业出版社,9,第6章 生物质能的发电与控制技术,6.1.3生物质能的开发利用,直接燃烧获取热能 沼气 乙醇 甲醇 生物质气化产生的可燃气体及裂解产品,1

4、生物质可以转化的能源形式,机械工业出版社,10,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质压缩成型和固体燃料制取技术 生物质气化技术 生物质热裂解液化制取生物油技术 干湿法厌氧消化制取沼气技术,2生物质能的实用转化技术,机械工业出版社,11,第6章 生物质能的发电与控制技术,高效直接燃烧技术和设备 薪材集约化综合开发利用 生物质能的液化、气化等新技术开发利用 城市生活垃圾的开发利用 能源植物的开发,3生物质能转化技术的应用前景,机械工业出版社,12,第6章 生物质能的发电与控制技术,拓宽农业服务领域、增加农民收入 缓解我国能源短缺、保证能源安全 治理有机废弃物污染、保护生态环境 广泛应用生物技术

5、、发展基因工程,4我国发展和利用生物质能源的意义,第6章 生物质能的发电与控制技术,13,机械工业出版社,生物质燃气炉,生物质水暖锅炉,第6章 生物质能的发电与控制技术,14,机械工业出版社,生物质洁燃锅炉,生物质洁燃气化锅炉,机械工业出版社,15,6.2 生物质能的制取与发电技术,由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性，只要提供电能，几乎所有的设备都可以满足各自的需要。因而生物质能除了直接转化成热能供消费外，最终消费形式还是以转化成电能为主。,第6章 生物质能的发电与控制技术,机械工业出版社,16,第6章 生物质能的发电与控制技术,农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电垃圾焚烧发电、

6、垃圾填埋气发电生物质直接液化制燃料油发电沼气发电,生物质能发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括,机械工业出版社,17,第6章 生物质能的发电与控制技术,6.2.1生物质能发电产业的发展状况,国外生物质能发电产业的发展状况 欧美发达国家从1990年以来开始大力发展生物质能发电。2002年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，许多国家将生物质能作为21世纪可再生能源发展领域的战略重点，生物质能的开发利用正在全球加快推进。截至2011年，全世界生物质能发电装机容量已达5000万 kW，年发电量约2500亿 kWh，可替代9000万t标准煤，是风电、光电、地热等可再生能

7、源发电量的总和。截止2010年西方工业国家生物质能发电只占整个电力生产的1，预计到2020年，其15的电力将来自生物质能发电。,机械工业出版社,18,第6章 生物质能的发电与控制技术,我国生物质能发电产业的发展状况 2005年我国可再生能源法明确指出“ 国家鼓励和支持可再生能源并网发电”，我国生物发电产业得以发展迅速。截至2007年底，国家和各省已核准项目87个，总装机规模 220万kW，已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。根据 可再生能源中长期发展规划和可再生能源发展“十二五”规划确定的主要发展目标，到2015年，国内生物质能发电装机规模不低于1300万kW（农林生物

8、质能发电800万kW，沼气发电200万kW，垃圾焚烧发电300万kW），到2020年，生物质能发电装机容量将达到2000万kW。,机械工业出版社,19,第6章 生物质能的发电与控制技术,6.2.2生物质能发电技术,生物质能发电主要是利用农业、林业和工业废料或垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的方式发电。,1生物质直接燃烧发电技术,生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电。,机械工业出版社,20,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质直接燃烧发电的关键技术包括,原料预处理生物质锅炉防腐提高生物质锅炉的多种原料适用性燃烧效率、蒸汽轮机

9、效率 生物质直接燃烧发电利用技术又可分为单燃生物直燃技术和生物质与煤混合直燃技术。,机械工业出版社,21,第6章 生物质能的发电与控制技术,（1）单燃生物直燃技术,秸秆等生物质与常规燃料的区别主要有以下几点,秸秆的含水量较大 秸秆的堆积密度较小 其燃烧机理与煤不同,机械工业出版社,22,第6章 生物质能的发电与控制技术,（2）生物质与煤混合直燃技术,生物质与煤有2种混合燃烧方式,生物质直接与煤混合燃烧，产生蒸汽以带动蒸汽轮机发电.将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电.,机械工业出版社,23,第6章 生物质能的发电与控制技术,混合燃烧的技术优势,煤与生物质共燃

10、，可以利用现役电厂提供一种快速而低成本的生物质能发电技术，具有廉价和低风险。煤粉燃烧发电效率高，可达35以上。生物质燃烧低硫低氮，在与煤粉共燃时可以降低电厂的SO2和NOx及CO2的排放。,机械工业出版社,24,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质直接燃烧发电技术中的生物质燃烧方式包括,固定床燃烧方式流化床燃烧等方式,机械工业出版社,25,第6章 生物质能的发电与控制技术,固定床燃烧。固定床燃烧对生物质原料的预处理要求较低，生物质经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧。固定床燃烧的燃料在固定或者移动的炉排上实现燃烧，空气从下方透过炉排供应上部的燃料，燃料处于相对静止的状态，燃料入炉后

11、的燃烧时间可由炉排的移动或者振动来控制，以灰渣落入炉排下或者炉排后端的灰坑为结束。流化床燃烧。要求将大块的生物质原料预先粉碎至易于流化的粒度，其燃烧效率和强度都比固定床高。,机械工业出版社,26,第6章 生物质能的发电与控制技术,2生物质气化发电技术,生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化成燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。生物质在气化炉中气化生成可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。,根据燃气发电设备的不同，生物质气化发电可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及煤气蒸汽联合循环发电系统，如图6-2所示。,机械工业出版社,27,第6章 生物质能的发电与控制技术,图6-

12、2 生物质气化发电方式,机械工业出版社,28,第6章 生物质能的发电与控制技术,内燃机发电系统以简单的燃气内燃机组为主，内燃机一般由柴油机或天然气机改造而成，可单独燃用低热值燃气，也可以燃气、油两用。燃气轮机发电系统采用低热值燃气轮机，燃气需增压，否则发电效率较低，由于燃气轮机对燃气质量要求高，并且需有较高的自动化控制水平和燃气轮机改造技术。燃气蒸汽联合循环发电系统是在内燃机、燃气轮机发电的基础上增加余热蒸汽的联合循环，这种系统可以有效地提高发电效率。,机械工业出版社,29,第6章 生物质能的发电与控制技术,从发电规模上分，生物质气化发电目前主要有小型气化发电、中型气化发电和大型气化发电3种模

13、式。,小型气化发电采用简单的气化内燃机发电工艺，规模一般小于200kW，发电效率一般在1420。 中型气化发电除了采用气化内燃机(或燃气轮机)发电工艺外，同时增加余热回收和发电系统，气化发电系统的总效率可达到25 35。 大规模的气化燃气轮机联合循环发电系统作为先进的生物质气化发电技术，能耗比常规系统低，总体效率高于40 。,机械工业出版社,30,第6章 生物质能的发电与控制技术,表6-1 各种生物质气化发系统的应用和特点,机械工业出版社,31,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质气化发电工艺包括3个过程：,生物质气化。把固体生物质转化为气体燃料。气体净化。气化出来的燃气都带有一定的杂质包

14、括灰分、焦炭和焦油等，要经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行。燃气发电。,机械工业出版社,32,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质气化发电系统如图6-3所示。,图6-3 生物质气化发电系统,机械工业出版社,33,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质气化发电装置主要由以下6部分组成。,进料机构燃气发生装置燃气净化装置燃气发电机组控制装置废水处理设备,机械工业出版社,34,第6章 生物质能的发电与控制技术,进料机构。进料机构采用螺旋加料器，动力设备是电磁调速电机。螺旋加料器不但可以连续均匀进料，还能有效地将气化炉同外部隔绝密封起来，使气化所需的空气只由进风机控制进人气化炉

15、，调节电磁调速电机的转速则可任意调节生物质进料量。,燃气发生装置。燃气发生装置可采用循环流化床气化炉或其他可连续运行的气化炉，主要由进风机、气化炉和排渣螺旋机构构成。生物质在气化炉中经高温热解气化生成可燃气体，气化后剩余的灰分则由排渣螺旋及时排出炉外。,机械工业出版社,35,第6章 生物质能的发电与控制技术,燃气净化装置。燃气净化包括除尘、除灰和除焦油等过程。为了保证净化效果，可采用多级除尘技术，例如惯性除尘器、旋风分离器、文氏管除尘器、电除尘等，经过多级防尘，燃气中的固体颗粒和微细粉尘基本被清洗干净，除尘效果较为彻底；燃气中的焦油采用吸附和水洗的办法进行清除，主要设备是两个串联起来的喷淋洗气

16、塔。,燃气发电装置。可采用燃气发电机组或燃气轮机。,机械工业出版社,36,第6章 生物质能的发电与控制技术,控制装置。由电控柜，热电偶及温度显示表，压力表及风量控制阀或电脑监控系统所构成。废水处理设备。采用过滤吸附、生物处理或化学、电凝聚等办法处理废水，处理的废水可以循环使用。,机械工业出版社,37,第6章 生物质能的发电与控制技术,3.生物质气化技术,生物质气化是在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给充足的氧气，使原料充分燃烧

17、，目的是直接获取热量，燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中。气化后的产物是含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。,机械工业出版社,38,第6章 生物质能的发电与控制技术,生物质气化是在气化炉中进行的，气化炉的类型分为固定床气化炉和流化床气化炉。,固定床气化炉。固定床气化炉可分为,下吸式上吸式横吸式开心式,其中下吸式气化炉应用最广。,机械工业出版社,39,第6章 生物质能的发电与控制技术,上吸式气化炉如图6-4 所示。,图6-4 上吸式气化炉,机械工业出版社,40,第6章 生物质能的发电与控制技术,

18、上吸式气化炉:原料从上部加入，然后依靠重力向下移动；空气从下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。原料移动方向与气流方向相反，又称逆流式气化器。刚进入气化器时，原料遇到下方上升的热气流，首先脱除水分，当温度提高到250以上时，发生热解反应，析出挥发分，余下的木炭再与空气发生氧化和还原反应。空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应，温度迅速升高到1000以上，然后通过还原层转变成含一氧化碳和氢等可燃气体后，进入热解层，与热解层析出的挥发分合成为粗燃气，也是气化炉的产品。,机械工业出版社,41,第6章 生物质能的发电与控制技术,下吸式气化炉如图6-5所示。,图6-5 下吸式气化炉,机械工业出版社

19、,42,第6章 生物质能的发电与控制技术,下吸式气化炉:在下吸式气化器中，生物质原料由上部加入，依靠重力逐渐由顶部移动到底部，灰渣内底部排除；空气在气化器中部的氧化区加入，燃气出反应层下部吸出。下吸式气化器中原料移动与气流的方向相同，所以也叫顺流式气化器。在气化器的最上层，原料首先被干燥。当温度达到250以后开始热解反应，大量挥发物质析出。600时大致完成热解反应，此时空气的加入引起了剧烈的燃烧，燃烧反应以炭层为基体，挥发分在参与燃烧的过程中进步降解。燃烧产物与下方的炭层进行还原，转变为可燃气体。,机械工业出版社,43,第6章 生物质能的发电与控制技术,流化床气化炉,图6-6和图6-7分别是单

20、流化床气化炉结构图和循环流化床气化炉原理图。,图6-6 单流化床气化炉结构图 图6-7 循环流化床气化炉原理图,机械工业出版社,44,第6章 生物质能的发电与控制技术,流化床气化炉:生物质流化床气化炉一般有一个热砂床，即在流化床气化炉中放入砂子作为流化介质，将砂床加热之后，进人流化床气化炉的物料使能在热砂床上进行气化反应，并通过反应热保持流化床的温度。在流化休气化炉中物料颗粒、砂子、气化剂(空气)充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速度快，产气率高，它的气化反应是在恒温床上进行的。,机械工业出版社,45,第6章 生物质能的发电与控制技术,流化床气化炉一般气化过程采用空气作气化剂，

21、所以流化床气化炉下部一般是燃烧的热空气，中上部为燃气混合气，两部分的气体体积变化较大，为了保证流化床运行在合理的流化速率范围，一般设计采用下部小( d 1 )、上部大( d 2 )的变截面结构，如图6-8所示。,机械工业出版社,46,第6章 生物质能的发电与控制技术,图6-8 流化床气化炉结构图,机械工业出版社,47,6.2.3 沼气发电技术与控制策略,1沼气的产生原理沼气是由多种厌氧微生物混合作用，通过发酵而产生的。在这些厌氧微生物中，按微生物的作用不同，可分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和果胶分解菌等。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。,第6章 生物质能的发电与控制

22、技术,机械工业出版社,48,第6章 生物质能的发电与控制技术,沼气发酵产生的物质主要有三种：,一是沼气，以甲烷和CO2为主，其中甲烷含量在5570，是一种清洁能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是优质肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物，是一种优良有机肥，具有土壤改良功效，沼气的生成物有很高的应用价值。,机械工业出版社,49,第6章 生物质能的发电与控制技术,沼气发酵过程如图6-9所示。,图6-9 沼气发酵过程,机械工业出版社,50,第6章 生物质能的发电与控制技术,传统的消化池示意图如图6-10所示。,图6-10 传统的消化池示意,第6章 生物质能的

23、发电与控制技术,51,机械工业出版社,沼气微生物自身耗能少沼气发酵能够处理高浓度的有机废物 沼气发酵能处理的废物种类多 沼气发酵受温度影响较大,沼气发酵有四个特点,第6章 生物质能的发电与控制技术,52,机械工业出版社,图6-11为我国农村推广使用的水压式沼气池的结构。正常情况下，这种家用沼气池在中国南方可年产沼气250300m3，提供一个农户810个月的生活燃料。 图6-11水压式沼气池结构 1进料口 20压水位 3输出阀门 4盖板 5溢流口 6贮留室 7水压箱 8渗井 9发酵室 10贮气室,第6章 生物质能的发电与控制技术,53,机械工业出版社,沼气以燃烧方式进行发电，是利用沼气燃烧产生的

24、热能直接或间接地转化为机械能并带动发电机而发电。沼气可以被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、锅炉等。图6-12 是采用沼气发动机（内燃机）、燃气轮机和锅炉（蒸汽轮机）发电的结构示意图，燃料燃烧释放的热量通过动力发电机组和热交换器转换再利用，相对于不进行余热利用的机组，其综合热效率要高。,沼气发电主要有沼气燃烧发电与沼气燃料电池发电两大形式。,2沼气燃烧发电,第6章 生物质能的发电与控制技术,54,机械工业出版社,图612 基于内燃机燃烧的沼气发电机组,第6章 生物质能的发电与控制技术,55,机械工业出版社,图613 基于锅炉燃烧的沼气发电机组,从图6-13可见，采用发动机方式的结构最简单，

25、而且还具有成本低、操作简便等优点。,第6章 生物质能的发电与控制技术,56,机械工业出版社,图614 是采用不同种类动力发电装置的效率比较。从中可见，在4000 kW 以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可行。,图614 不同动力设备的能量利用率,第6章 生物质能的发电与控制技术,57,机械工业出版社,沼气与几种典型燃气低位热值与燃空混合气低位热值的比较情况如表62 所示。沼气的主要成份是甲烷，从表62中可以知道，它的低位热值仅次于天然气，而在燃烧时，其

26、燃空混合气的低位热值也是比较高的，因而沼气是一种优质的燃气。表62 几种典型燃气及燃空混合气的低位热值比较,第6章 生物质能的发电与控制技术,58,机械工业出版社,典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程如图615所示。沼气发电系统主要由消化池、贮气罐、供气泵、沼气发动机、交流发电机、沼气锅炉、废热回收装置（冷却器、预热器、热交换器、汽水分离器、废热锅炉等）、脱硫化氢及二氧化碳塔、稳压箱、配电系统、并网输电控制系统等部分组成。,第6章 生物质能的发电与控制技术,59,机械工业出版社,图6-15 沼气内燃机发电系统的工艺流程图,第6章 生物质能的发电与控制技术,60,机械工业出版社,沼气发电机组 实例

27、照片,第6章 生物质能的发电与控制技术,61,机械工业出版社,沼气内燃机（发动机） 交流发电机 废热回收装置 气源处理,沼气内燃机发电系统主要由以下几部分组成,第6章 生物质能的发电与控制技术,62,机械工业出版社,沼气内燃机（发动机）：与通用的内燃机一样，沼气内燃机也具有进气、压缩、燃烧膨胀做功及排气4个基本过程。由于沼气的燃烧热值及特点与汽油、柴油不同，沼气内燃机必须适合于甲烷的燃烧特性而设计，一般具有较高的压缩比，点火期比汽、柴油机提前，必须采用耐腐蚀缸体和管道等。,交流发电机：与通用交流发电机是一样的，没有特殊之处，只需与沼气内燃发动机功率和其他要求匹配即可。,第6章 生物质能的发电与

28、控制技术,63,机械工业出版社,废热回收装置：采用水废气热交换器、冷却水空气热交换器及余热锅炉等废热回收装置回收由发动机排出的废热尾气，提高机组总能量利用率。回收的废热可用于消化池料液升温或采暖。,气源处理：由于沼气在发生过程中，也会产生一些有害气体，如硫化氢等，因而在进入内燃机之前必须经过一定的处理，即净化处理，通过疏水、脱硫化氢处理后，将硫化氢含量降到500mg/m3以下。,第6章 生物质能的发电与控制技术,64,机械工业出版社,图6-16 是垃圾综合处理产生沼气，用于发电的工艺流程图。,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

29、消化污泥阀 10沉淀池 11溢流管 12排渣阀 13贮留池 14排污管,图6-16 沼气发电工艺流程图,第6章 生物质能的发电与控制技术,65,机械工业出版社,沼气制备-内燃机-发电机机组发电流程,第6章 生物质能的发电与控制技术,66,机械工业出版社,图6-17是利用沼气与天然气双气源的锅炉，在沼气可以满足锅炉燃烧要求时，采用由沼气供气的方式；当沼气不能满足锅炉燃烧要求时，切换至天然气供气方式。这种方式是共用了一个燃烧器，即采用一拖二的方式使两种气源合用一个燃烧控制器。,图6-17 沼气与天然气双气源锅炉,第6章 生物质能的发电与控制技术,67,机械工业出版社,锅炉燃烧产生高温高压饱和蒸汽，

30、进入蒸汽轮机，并带动发电机高速旋转实现发电。其实现发电原理的控制框图如图6-17所示。,图6-18 沼气和天然气双气源锅炉发电系统的控制框图,第6章 生物质能的发电与控制技术,68,机械工业出版社,1) 沼气锅炉。利用沼气燃烧产生热源加热消化污泥。这种利用途径只能利用沼气热值的50。2) 沼气内燃机余热回收鼓风机组。利用沼气内燃机驱动鼓风机，并利用余热回收装置回收沼气内燃机的余热加热消化污泥。这种利用途径能充分利用沼气热值，一般可达沼气热值的8590%。3) 沼气内燃机余热回收发电机组。利用沼气内燃机驱动发电机发电并与厂内公共电网并网，并利用余热回收装置回收沼气内燃机的余热加热消化污泥。这种利

31、用途径能充分利用沼气热值，其利用率也可达85%90%。,采用沼气燃烧发电的3种形式沼气综合利用率对比,第6章 生物质能的发电与控制技术,69,机械工业出版社,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、熔融碳酸盐燃料电池、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。,第6章 生物质能的发电与控制技术,70,机械工业出版社,不受卡诺循环限制，直接把

32、燃料的化学能转变成电能，能量转化效率高，燃料电池的能量转换效率理论上可达100%，实际效率已高达60%80%，综合利用效率可达40%，为内燃机的23倍；污染性极低，燃料电池的燃料是氢和氧，燃料电池的反应生成物是清洁的水，几乎不排出CO2 和SO2；寿命长，燃料电池本身工作没有噪声，没有运动件，没有振动；模块结构，积木性强，比值功率高，既可以集中供电，也适合于分散供电。,燃料电池具有以下优点,第6章 生物质能的发电与控制技术,71,机械工业出版社,固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了具有高效、环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充

33、分利用，使其综合利用效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气 (甲烷) 、煤汽化气，碳氢化合物等作燃料，这类电池最适合于分散和集中发电分布式能源。,第6章 生物质能的发电与控制技术,72,机械工业出版社,现在的燃料电池以氢气为主要原料，燃料电池的发电容量可根据需要来组合，基本上是模块式的，小的燃料电池在15kW，可适合于一个家庭的应用；如质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池；也可以根据需要组合成数百万千瓦级甚至兆瓦级的燃料电池发电站，如磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。,第6章 生物质能的发电与控制技术,73,机械工业出版社,表63PC25

34、TMC燃料电池主要性能及技术指标,广州市番禺水门种猪场正在建设的由日本政府提供的 200 kW 的沼气燃料电池装置。该200 kW 燃料电池设备由东芝公司下属的 ONSI 公司提供，型号为 PC25TMC，主要技术指标,见表63。,燃料处理单元发电单元电流转换单元,第6章 生物质能的发电与控制技术,74,机械工业出版社,沼气燃料电池系统的组成,第6章 生物质能的发电与控制技术,75,机械工业出版社,1）燃料处理单元 该单元主要部件是改质器，它以镍为催化 剂，将甲烷转化为氢气，反应过程如式63 (参与反应的水蒸汽来自发电单元),为了降低CO的浓度，在铜和锌的催化作用下，混合气体在改质器后的变成器

35、中得到进一步的改良，反应式如式,(6-3),(6-4),第6章 生物质能的发电与控制技术,76,机械工业出版社,双塔式吸收法装置简图如图6-19所示。,图6-19双塔式吸收法提纯沼气,第6章 生物质能的发电与控制技术,77,机械工业出版社,2）发电单元 发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢气和氧化剂(O2)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620所示。电解质可采用磷酸，其发电效率虽然较低，但温度低(约200)。在磷酸电解质中，电池反应为：,阳极,阴极,(6-5),(6-6),机械工业出版社,第6章 生物质能的发电与控制技术,78,氢燃料电池的基本工作

36、原理氢燃料电池原理Flash.swf,第6章 生物质能的发电与控制技术,79,机械工业出版社,图6-21 沼气燃料电池（磷酸型燃料电池）工作原理,3）电流转换系统 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。,第6章 生物质能的发电与控制技术,80,机械工业出版社,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。双塔式吸收法是沼气提纯的一种简单而有效的方法，装置简图如图619所示。这种装置具有组成简单、成本低、操作简便的特点。第一吸收塔用处理水吸收大部分CO2和H2S，第二吸收塔用NaOH水溶液溶解吸收，这样可节省NaOH的用量。用此装置提纯沼气，CH4的

37、回收率高，系统运行稳定可靠。,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音和机械振动；维护管理容易。,第6章 生物质能的发电与控制技术,81,机械工业出版社,沼气燃料电池的主要缺点：,缺乏长期运行经验；排气中除H2S外，还可能含有微量磷废气，它们对环境的影响尚不清楚。,沼气燃料电池的主要优点,净化及提纯沼气 沼气燃料电池的发电控制,第6章 生物质能的发电与控制技术,82,机械工业出版社,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转化效率，沼气发电的控制主要从以下两个方面进行

38、考虑：,1）沼气的净化处理。2）沼气发电机组的防腐处理。3）电控混合器技术。,第6章 生物质能的发电与控制技术,83,机械工业出版社,（1）净化及提纯沼气,沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。,第6章 生物质能的发电与控制技术,84,机械工业出版社,1)沼气的净化处理。沼气的产生主要是通过厌氧消化，而厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用，使有机物经液化、气化而分解成沼气。生成的沼气中含有微量的水分和 H2S 等腐蚀性介质，这些有害成分会对输气管道和发动机部件产生腐蚀，影响发动机的正常运行和使用寿命。 为了除去沼气中的水分和H2S，可在进气管道上安装干式脱硫

39、塔，脱硫剂为铁屑；或者湿式脱硫塔，脱硫剂为浓度为30的NaOH碱液。另外，还要在进气管道上安装过滤除尘、除湿、除油装置。,第6章 生物质能的发电与控制技术,85,机械工业出版社,2）沼气发电机组的防腐处理。沼气中含有的H2S和水分形成弱酸液，对管道及发动机的金属部件产生腐蚀，特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重。因此，应对输气管道、中冷器、增压器、活塞等部件进行涂漆、渗瓷、渗氮等防护处理。另外，由于H2S燃烧后的产物SO2 具有更强的腐蚀性，燃烧室周围相关部件及排气管均应考虑采取防腐措施。,第6章 生物质能的发电与控制技术,86,机械工业出版社,3）电控混合器技术。普通燃气发动机使用等真空度混合

40、器，不能根据气源CH4浓度的变化自动调节空燃比，使用时容易导致发动机转速和输出功率波动较大，甚至因点火不连续而停机，难以推广使用。沼气发电机组采用电控混合器，计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧状况，并将燃烧信号反馈到ECU（电气控制单元），ECU发出指令，使电控混合器的执行器带动操纵机构，改变沼气与空气的进气流道面积，根据沼气中CH4浓度的变化合理匹配空气和沼气流量，达到实时调节空燃比的目的，实现稳定的稀薄燃烧，有效地控制了发动机的热负荷。,1、沼气脱硫及稳压、防爆装置。 2、进气系统。 3、发动机。 4、调速系统。,第6章 生物质能的发电与控制技术,87,机械工业出版社,根据沼气发动机的工

41、作特点，在组建沼气发动机发电机组系统时，需考虑以下4个方面：,第6章 生物质能的发电与控制技术,88,机械工业出版社,图622 沼气热、电、冷三联供系统,利用沼气热、电、冷三联供，提高沼气发电系统的总体利用率，系统如图622所示。,第6章 生物质能的发电与控制技术,89,机械工业出版社,一套完整的沼气燃料电池发电系统除了具备沼气燃料电池组、沼气供气系统、沼气净化及提纯系统、直流稳压器、逆变器以及冷却系统之外，最重要的是燃料电池控制器，这样才能对系统中的气、水、电、热等进行综合管理，形成能够自动运行的发电系统。其交流发电系统如图623所示。,(2)沼气燃料电池的发电控制,第6章 生物质能的发电与

42、控制技术,90,机械工业出版社,图623沼气燃料电池的交流发电系统框图,H2,机械工业出版社,质子交换膜燃料电池（ PEMFC， Proton Exchange Membrane Fuel Cell）,91,第6章 生物质能的发电与控制技术,第6章 生物质能的发电与控制技术,92,机械工业出版社,目前我国对垃圾的处理手段主要集中在填埋和焚烧两种方式。 填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓直接填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。 焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。

43、随着中国“十一五”规划对发展新能源，提倡环保型循环经济的进一步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。,6.2.4 垃圾焚烧发电、电能变换与控制策略,第6章 生物质能的发电与控制技术,93,机械工业出版社,（1）垃圾焚烧前无分检处理 图624为垃圾焚烧前无分检处理的工艺流程，美国洛杉矶市Long Beach垃圾发电就是采用这个工艺流程。,图624 无分检场垃圾发电工艺流程,1垃圾焚烧发电的工艺流程,第6章 生物质能的发电与控制技术,94,机械工业出版社,（2）垃圾焚烧前有分检处理 图625 为垃圾焚烧前有分检场垃圾发电工艺流程，美国夏威夷市垃圾发电就是采用这种流程。,图625 有分检场垃

44、圾发电工艺流程,（1）城市生活垃圾热值应较高。 （2）城市经济实力应较强。 （3）较完善的垃圾分类收集和转运系统。 （4）较完善的环保处理系统 。,第6章 生物质能的发电与控制技术,95,机械工业出版社,2建设垃圾发电的必备条件,第6章 生物质能的发电与控制技术,96,机械工业出版社,垃圾焚烧发电的控制包括电厂的自动控制，以及发电后的电能变换控制。根据垃圾焚烧电厂控制系统的规模以及要求达到的控制水平，目前技术水平先进的垃圾焚烧发电站（厂）普遍采用基于以太网、具有远程通讯和监控能力的现场总线构筑分布式控制系统，底层采用DCS（分布式控制系统）、SCP或PLC（可编程序控制器）、多种化学成份检测传

45、感器（气体、液体、固体等）及电力电子变换器（变频器）、并网配电箱，同时对垃圾焚烧锅炉的燃烧进行有效的控制、对尾气进行检测、处理、控制、对锅炉烟气在线监控以及对发电机组的发电状态、电能变换与无扰并网等进行实时控制。,3垃圾焚烧发电的电能变换及控制策略,第6章 生物质能的发电与控制技术,97,机械工业出版社,(1)垃圾焚烧的锅炉控制 该系统的垃圾焚烧锅炉采用日本三菱马丁炉排垃圾焚烧处理技术，属炉排炉中的反送式炉排垃圾焚烧炉。垃圾焚烧锅炉的控制包括炉温的控制、给料及炉排等的动作控制、风门压力控制、风室温度控制、风量控制及汽包水位控制等部分。,下面以杭州绿能环保发电有限公司城市垃圾焚烧电厂为例，简要说

46、明垃圾焚烧电厂的自动控制策略。,第6章 生物质能的发电与控制技术,98,机械工业出版社,（2）垃圾焚烧系统的汽机控制 1）电液调节系统。 2）调节回路。 3）开环控制系统。,（3）垃圾焚烧系统的安全保护控制,第6章 生物质能的发电与控制技术,99,机械工业出版社,垃圾焚烧发电一般是由焚烧炉加热锅炉，产生蒸汽并驱动蒸汽轮机，并由与之相连的发电机而直接发电，发出的电能除了可以直接并网供电之外，也可以利用电力电子技术对电能进行变换，然后再并入中高压并网。,图626是垃圾焚烧发电控制的系统框图。,(4)垃圾焚烧的电能变换控制策略,第6章 生物质能的发电与控制技术,100,机械工业出版社,图626 垃圾

47、焚烧发电的系统控制框图,第6章 生物质能的发电与控制技术,101,机械工业出版社,大型垃圾焚烧发电厂,第6章 生物质能的发电与控制技术,102,机械工业出版社,垃圾焚烧集散控制系统,第6章 生物质能的发电与控制技术,103,机械工业出版社,生物柴油是一种清洁的可再生能源，是以大豆、油菜籽等油料作物以及油棕、黄连木等油料林木果实为原料制成的液体燃料，具有原料来源广泛、可再生性强、污染性低等特点，是优质的石油、柴油代用品。,生物质直接液化生产的燃料油主要包括燃料乙醇和生物柴油，下面以生物柴油为主加以分析。,6.2.5 生物质直接液化制燃料油的发电技术,第6章 生物质能的发电与控制技术,104,机械

48、工业出版社,1生物柴油特性,（1）比普通柴油更优异的产品性能1）较好的低温流动性和燃烧性能2）具有无腐蚀性的特点3）较好的润滑性 （2）比普通柴油更多元的环保特质1）排放烟度低、保护大气环境2）不含对人体有害的重金属3）可再生的原料,第6章 生物质能的发电与控制技术,105,机械工业出版社,2生物柴油的制取,目前已开发出4种利用油脂制备生物柴油方法：直接混合法、微乳液法、高温裂解法和酯交换反应 法。 其中前两者属于物理方法，后两者属于化学方 法。使用物理法虽能降低油的粘度，但燃烧中积炭 及润滑油污染等问题仍难解决，而高温裂解主要产 品是生物汽油，相比之下，酯交换法是一种较好方 法。酯交换是指在

49、催化剂存在或超临界条件下，油 料主要成分甘油三酯和各种短链醇发生醇解反应过 程。,第6章 生物质能的发电与控制技术,106,机械工业出版社,生物燃料产业在发达国家发展迅速，美国、德国、日本、巴西，包括印度都推动这项产业的发展，生物燃料已实现规模化生产和应用。到2010年，全世界生物燃料累计总产量已超过7000万t，其中巴西和美国的产量分别约为2200万t和3900万t；生物柴油总产量约1650万t，其中德国约为250万t。 我国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。,3国际及国内生物柴油技术状况,第6章 生物质能的发电与控制技术,107,机械工业

50、出版社,4生物燃料油发电方式,生物质经过热裂解而产生的生物燃料油，可以直接应用或通过中间转换途径变成其他的二级产物。生物燃料油作发电的原料，可以直接作为燃料供锅炉燃烧转换成为热能后发电，也可以作为内燃机或涡轮机的燃料，经内燃机或涡轮机的燃烧后直接驱动发电机而发电。,图627 生物质燃料油发电方式,第6章 生物质能的发电与控制技术,108,机械工业出版社,图626为生物质燃料油发电的3种形式。,第6章 生物质能的发电与控制技术,109,机械工业出版社,生物质能发电系统一般容量较小，除满足自身需求外，多余电量还可以上网。小电源对电网的干扰问题一直作为电力部门考虑小电源并网的要素之一，需要解决一些重