簡介
近年來, 我國中等規模生物質氣化發電技術取得了較大的進展, 中國科學院廣州能源研究所研究開發的400 —5 000 kW 系列生物質氣化發電裝置, 已在國內和東南亞國家推廣套用, 取得了顯著的經濟和社會效益。但由於採用生物質氣化-內燃機發電的技術路線, 系統發電效率受內燃機熱效率的限制, 最高只能達到28 %。生物質氣化高溫燃料電池一體化發電技術為高效利用生物質發電提供了一種可能途徑:利用高溫燃料電池技術(MCFC 、SOFC), 直接將生物質氣的化學能轉化為電能, 不受卡諾循環限制, 而且具有潔淨、噪聲低、可靠性高等特點。該技術自上世紀70 年代末提出後, 隨著氣化和燃料電池技術的發展, 逐漸成為國內外學者關注的熱點, 如美國、瑞典、英國的公司和科研機構, 從不同角度對一體化系統進行了研究。在分析一體化發電系統的特點和關鍵技術基礎上, 對我國發展該技術的可行性進行了探討 。
一體化發電系統的組成及特點
目前, 高溫燃料電池常用燃料是天然氣, 其經脫硫重整轉化為富含H2 和CO 的燃氣;生物質氣化氣中含有焦油、固體顆粒、鹼金屬、硫等和CH4 等碳氫化合物, 不能直接作電池燃料, 需經過淨化、重整等環節, 構成生物質氣化燃料電池一體化發電系統, 簡稱BIGFC 發電系統。與以天然氣為燃料的電池發電系統相比,BIGFC 系統具有以下特點:
1)天然氣主要成份是CH4 , 其高溫下易分解形成積碳, 需經重整處理;氣化氣中CH4 等碳氫化合物的含量少, 減輕了重整的負荷。
2)與天然氣不同, 氣化氣中除含有少量H2S 外,還有灰份、焦油、固體顆粒等, 故脫硫前要多級淨化處理, 即淨化環節相對複雜。3)儘管BIGFC 中的燃料處理部分相對複雜, 除淨化和重整外, 還增加了氣化環節;但可結合氣化氣溫度與電池運行溫度相匹配這一特點, 合理利用熱量。
一體化發電系統的關鍵技術分析
BIGFC 系統主要由氣化、淨化、重整、燃料電池本體和餘熱回收系統組成, 各子系統對整體發電性能和運行經濟性均有重要影響, 下面對各子系統的關鍵技術進行分析。
1 氣化系統
原料氣的質量對系統的技術和經濟指標都有影響, 而且決定了後續設備的選用。影響氣化效果的因素很多, 主要有:氣化爐的類型、氣化溫度、氣化壓力、氣化介質等。
氣化爐是氣化系統的核心部件。固定床操作溫度較低, 氣化氣中焦油含量偏高;攜帶床氣化氣中焦油含量低, 但多用於小顆粒原料如煤粉的氣化;流化床爐內溫度高且恆定, 反應速率快, 且高溫下焦油裂解成輕質氣體。目前套用較多的是流化床和循環流化床, 其技術也相對成熟。溫度是影響氣體質量和產量的關鍵因素。高溫操作有利於提高單位生物質的產H2 量:
1)高溫下可促進焦油的熱裂解反應, 提高了H2 的含量;
2)提高溫度可增大產氣率。
壓力的選擇取決於系統的匹配和經濟性。加壓氣化產生的高壓燃氣能減小電池電極上的能量損失, 但高壓氣化易生成碳氫化合物, 不利於H2 的產生。有2 種選擇:
1)常壓操作, 在後續處理中壓縮至電池的操作壓力;
2)加壓氣化, 滿足電池的操作壓力。
國外有學者建議採用加壓氣化, 但加壓操作目前尚存在加料難、設備複雜成本高等問題。
以選用空氣為氣化介質具有投資省, 操作可行性強的優點, 在工業中套用廣泛, 但H2 的含量只有8 %—14 %。為提高H2 的含量, 建議採用水蒸氣/氧氣氣化, 氣化需要的一部分氧可由水蒸氣提供, 減小了氧氣的消耗量, 並生成更多的H2 , 降低了後續重整的負荷。
2 淨化系統
燃料電池對燃料的要求較高。氣化氣中的固體顆粒可通過旋風分離器和其他過濾裝置(如:過濾器/布袋除塵)除去, 除塵率達99 .8 %[ 5] ;鹼金屬蒸氣在低於500 ℃時凝結, 可在過濾除顆粒的過程中一併除去。
焦油易在電池陽極積碳, 造成催化劑失活,且對除硫設備造成不良影響, 必須除去。有2種除焦油技術:1)高溫催化裂解, 這是目前最有效的除焦方法;2)水洗除焦, 此法簡單成熟, 且能有效除去S 等, 但易造成水污染, 須有配套的廢水處理系統。
硫嚴重危害鎳基催化劑的性能壽命, 有2 種除硫技術:
1)有機硫化物高溫下發生氫解反應轉化為H2S , 可用金屬氧化物將其吸收除去;ZnO 固定吸收床能有效地將H2S 的含量降至ppm 級, 但其操作溫度應低於600 ℃;
2)常溫常壓下通過Claus 反應將H2S 轉化為S , 由固定碳床將S 吸收 。
3 重整系統
氣體淨化後除含H2和CO外, 也有一定量的CH4 等碳氫化合物, CH4 等易在陽極形成積碳, 如反應(1)、反應(2)。因此在反應前, 需通過重整反應轉化為H2 和CO2 , 如反應(3)、反應(4)所示。
CH4 C +2H2 (1)
2CO C +CO2 (2)
CH4 +H2O CO +3H2 (3)
CO +H2O CO2 +H2 (4)
為了凸現燃料電池發電啟動快、對負載反應快速等優點, 重整器須小巧靈便;國內外學者在其工作條件及改進方面進行了探索:有專家提出了流化床膜重整反應的方法, Peters R 在SOFC系統中採用內重整和預重整相結合的方法。
4 燃料電池本體系統
燃料電池是發電系統中的核心部件, 燃料和空氣在此發生電化學反應, 產生大部分的電能並排出高溫尾氣。在電池本體系統中, 燃料利用率是一個重要參數, 恆電流密度下, 隨著利用率的增大, 電池工作電壓下降;但過低的利用率會增加電池的內耗, 也易造成燃料不能充分利用, 降低總的能量轉化率。因此, 利用率存在一個最佳值, 對於獨立運行的電池系統, 其值控制在75 %—85 % 。此外, 由於其排氣溫度高, 可在維持較小的利用率下, 與蒸氣或燃氣輪機聯合發電, 系統發電效率提高約10 % 。
5 餘熱回收系統
根據電池的操作壓力和容量, 餘熱回收系統有以下選擇方案:
1)常壓運行的燃料電池, 多採用餘熱鍋爐產生蒸氣。小容量的發電系統, 蒸氣一般作供熱用;容量較大時, 可配備餘熱鍋爐、蒸氣輪機和發電機組構成底部蒸氣循環發電系統。
2)加壓運行的燃料電池, 可直接以燃氣輪機回收動力。小容量時, 可採用燃氣輪機壓縮機將排氣的能量用來壓縮電池的入口氣體, 甚至還能產生一部分電力;容量較大的發電系統, 可組成燃氣-蒸氣聯合循環發電系統來回收排氣能量。
由以上分析可知, 各子系統均有多種運行方案, 但在其組成的BIGFC 系統中,各自運行參數的選擇不是孤立的, 應充分考慮子系統間的匹配問題。例如, 與傳統燃氣輪機相比, 燃料電池對燃料提出了不同要求， 應根據電池的特點, 選擇合適經濟的淨化路線;另外也要積極開展各子系統關鍵技術的研究, 進一步提高系統的運行性能。
我國開展BIGFC 發電系統研究的可行性分析
BIGFC 發電系統的研究與氣化技術, 淨化/重整工藝和高溫燃料電池等的發展是息息相關的, 下面以BIGFC系統的相關技術發展為背景, 分析我國開展此項研究的可行性。
為最佳化氣化氣, 氣化系統應選擇水蒸氣/氧氣為氣化介質, 目前我國商業化運行的氣化爐多是空氣氣化,故需進行相應攻關和匹配技術的研究;加壓氣化能緊湊系統結構, 且高壓燃料能減小電極上能量損失, 但目前我國加壓氣化技術還不成熟, 相應的高壓熱氣淨化技術也不夠完善;因此, 我國要發展BIGFC技術, 現階段只能選以水蒸氣/氧氣為氣化介質的常壓氣化爐, 可在後續處理中將燃料壓縮加壓。淨化環節可參考BIGCC發電系統中的除顆粒和焦油技術, 也可借鑑煤氣化發電的除硫工藝。國內有研究人員已對專門套用於燃料電池的蒸氣重整工藝和反應條件作了研究, 另外要積極開展內重整技術的研究, 進一步提高電池效率，簡化系統。
我國對燃料電池的研究起步晚, 具有自主產權的發電示範工程目前還沒建立, 但政府和研究單位都意識到其巨大的發展潛力和良好的套用前景, 加大了投資和研究力度, 已在相關材料和關鍵技術方面取得突破。上海交通大學進行了1 kW MCFC 組的發電試驗, 中科院大連化學物理研究所研製了約530W管型SOFC堆, 這為我國開展BIGFC系統的研究提供了必要條件。另外, 結合電池排氣溫度高的特點, 可借鑑內燃機/蒸氣輪機的發電經驗聯合發電, 當然, 這需要輔以調整工藝參數, 進行匹配技術方面的研究。廣州能源研究所用模擬生物質氣對MCFC單電池進行了性能測試, 旨在探索最佳氣體組分, 為改進現有的生物質氣化和MCFC加工技術提供依據, 也為我國將來建立kW級BIGFC發電系統的示範工程提供參考。
總結
我國已基本具備開展BIGFC發電系統研究的空間, 但需解決以下關鍵問題:以水蒸氣/氧氣為氣化介質的氣化工藝和高溫淨化工藝的研究, 以燃料電池套用為背景的重整器的研製, 高溫燃料電池的研製和系統集成技術的突破;另外, 結合蒸氣輪機/內燃機的發電經驗, 形成適合我國國情的生物質氣化燃料電池發電系統。只要各部分的關鍵問題得以解決, 結合新材料新技術的研究和發電成本的降低BIGFC發電系統就具有廣闊的發展前景, 將為解決能源和環境的問題作出突出貢獻, 是未來生物質發電的首選發電模式 。
