在生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目中，需要將物質(zhì)氣化成為可燃?xì)?，然后再利用可燃?xì)膺M(jìn)行燃燒進(jìn)行發(fā)電。在這一過(guò)程中，嚴(yán)格監(jiān)控生物質(zhì)氣化就顯得十分重要，因?yàn)檫@直接與發(fā)電效率直接掛鉤。本文就來(lái)談?wù)勅绾斡行褂迷诰€氣體分析系統(tǒng)進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)，提高發(fā)電效率。

　　一、生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

　　1.氣化發(fā)電工作原理

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，再利用可燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。它既能解決生物質(zhì)難于燃用而又分布分散的缺點(diǎn)，又可以充分發(fā)揮燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)設(shè)備緊湊而污染少的優(yōu)點(diǎn)，所以是生物質(zhì)能Z有效Z潔凈的利用方法之一。

　　2.氣化發(fā)電的工藝流程

　　氣化發(fā)電過(guò)程包括三個(gè)方面，一是生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來(lái)的燃?xì)舛紟в幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰份、焦炭和焦油等，需經(jīng)過(guò)凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；三是燃?xì)獍l(fā)電，利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過(guò)程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)。

圖1、氣化發(fā)電系統(tǒng)流程圖

　　3.工藝特點(diǎn)

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)能利用中有別于其他可再生能源的獨(dú)特方式，具有三個(gè)方面特點(diǎn)：

　　一是技術(shù)有充分的靈活性。由于生物質(zhì)氣化發(fā)電可以采用內(nèi)燃機(jī)，也可以采用燃?xì)廨啓C(jī)，甚至結(jié)合余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，所以生物質(zhì)氣化發(fā)電可以根據(jù)規(guī)模的大小選用合適的發(fā)電設(shè)備，保證在任何規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率。同時(shí)，這一技術(shù)的靈活性能很好地滿足生物質(zhì)分散利用的特點(diǎn)。

　　二是具有較好的潔凈性。生物質(zhì)本身屬可再生能源，可以有效地減少CO2、SO2等有害氣體的排放。而氣化過(guò)程一般溫度較低（大約在700-900℃），NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放。

　　三是經(jīng)濟(jì)性。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的靈活性，可以保證該技術(shù)在小規(guī)模下有效好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)燃?xì)獍l(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)備緊湊，也使生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)比其他可再生能源發(fā)電技術(shù)投資更小，所以總的來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是所有可再生能源技術(shù)中Z經(jīng)濟(jì)的發(fā)電技術(shù)，綜合的發(fā)電成本已接近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平。

　　4.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)主要類別

　　從氣化形式上看，生物質(zhì)氣化過(guò)程可以分為固定床氣化和流化床氣化兩大類。固定床氣化包括上吸式氣化、下吸式氣化和開(kāi)心式氣化三種，現(xiàn)在這三種形式的氣化發(fā)電系統(tǒng)都有代表性的產(chǎn)品。流化床氣化包括鼓泡床氣化、循環(huán)流化床氣化及雙流化床氣化三種。這三種氣化發(fā)電工藝目前都有研究，其中研究和應(yīng)用Z多的是循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)。

　　從燃?xì)獍l(fā)電過(guò)程上分，氣化發(fā)電可分為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)及燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2、生物質(zhì)氣化發(fā)電方式

　　從發(fā)電規(guī)模上分，生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型、中型、大型，如表1所示。

表1、各生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

　　由表1可知，不管是多大規(guī)模的生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目，其發(fā)電過(guò)程一般都會(huì)涉及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，下面就針對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在保證生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝GX運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

　　二、實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝GX運(yùn)行關(guān)鍵

　　生物質(zhì)燃?xì)獾奶攸c(diǎn)是熱值低（4~6MJpnm3）、雜質(zhì)含量高，所以生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)雖然與天然氣發(fā)電技術(shù)、煤氣發(fā)電技術(shù)的原理一樣，但它有更多的獨(dú)特性，對(duì)發(fā)電設(shè)備的要求也與其他燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備有較大的差別。因此，對(duì)生物質(zhì)燃?xì)舛?，要?shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電頻率穩(wěn)定，發(fā)電負(fù)荷連續(xù)可調(diào)，以保證生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)是關(guān)鍵：

　　1.產(chǎn)氣熱值要盡可能高而且穩(wěn)定，以提高內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率。生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，?nèi)燃機(jī)出力會(huì)大大降低；且低熱值燃?xì)馊紵俣缺绕渌剂下?，低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排煙溫度比其他內(nèi)燃機(jī)明顯偏高，這就容易使設(shè)備材料老化、系統(tǒng)效率明顯降低。而生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档母叩团c燃?xì)饣旌蠚庵蠬2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6的含量密切相關(guān)，保證混合氣各主要成分含量在合理范圍對(duì)提高生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂怠⒈ＷC生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)效率意義重大。

　　2.降低H2含量高引發(fā)爆燃的可能性，避免生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。由于H2的著火速度比其他燃?xì)饪?，在H2含量太高時(shí)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)容易引起點(diǎn)火時(shí)間不規(guī)則，從而引起爆燃。生物質(zhì)燃?xì)獾臍浜坎顒e很大，流化床一般在10%左右，而固定床將高于15%。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)庵蠬2含量高于18%時(shí)，爆燃的問(wèn)題將較嚴(yán)重，所以安全起見(jiàn)一般生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)要求燃?xì)庵蠬2含量低于15%。

　　3.產(chǎn)氣盡可能干凈，以減少后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而使焦油含量達(dá)到內(nèi)燃機(jī)可接受的范圍。焦油會(huì)引起點(diǎn)火系統(tǒng)失靈，燃燒后積炭會(huì)增加磨損，而含量太高也會(huì)增加設(shè)備磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉缸。有研究表明，氧氣含量對(duì)氣化氣及焦油成分有影響：氧氣含量增加會(huì)導(dǎo)致氣化爐中溫度上升，從而使得氣化中可燃?xì)怏w組分增加，以及占主要比重的焦油組分相對(duì)含量減少。因此，合理控制參與氣化爐內(nèi)燃燒空氣中的氧氣含量，對(duì)調(diào)控生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂导敖褂彤a(chǎn)量大有裨益。

　　由此可見(jiàn)，生物質(zhì)燃?xì)庾鳛樯镔|(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目中重要的能源載體，對(duì)其燃?xì)獬煞诌M(jìn)行有效監(jiān)測(cè)對(duì)生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目的工藝控制、安全利用、GX運(yùn)行等方面具有重要意義。

　　三、生物質(zhì)氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電項(xiàng)目氣體監(jiān)測(cè)案例

　　1.項(xiàng)目概述

　　安徽某新能源發(fā)電股份有限公司以其獨(dú)有的稻殼等生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，打造了5兆瓦發(fā)電廠配套年產(chǎn)6萬(wàn)噸炭基復(fù)合肥廠的項(xiàng)目包，其生物質(zhì)氣化原料為該企業(yè)旗下某米業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的稻殼，其工藝流程是將經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的稻殼送入氣化爐內(nèi)，在一定的溫度和壓力下，通過(guò)氧化劑(空氣或氧氣和蒸氣)以一定的流動(dòng)方式轉(zhuǎn)化成氣體，產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)馑腿氚l(fā)電機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)。項(xiàng)目不消耗其他任何能源、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染、可實(shí)現(xiàn)零排放。

圖3、項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

　　2.氣體監(jiān)測(cè)

　　項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)錫湖光工業(yè)鍋爐有限公司生產(chǎn)的湖光牌氣化爐，同時(shí)由無(wú)錫湖光提供技術(shù)支持和安裝建設(shè)，無(wú)錫湖光則采購(gòu)四方儀器自控系統(tǒng)有限公司在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9021，對(duì)生物質(zhì)燃?xì)釵2、H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6八組分氣體濃度及熱值進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，幫助企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)氣化爐運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目的工藝控制、安全利用、GX運(yùn)行。

圖4、現(xiàn)場(chǎng)氣體分析小屋

　　1）預(yù)處理單元

　　在線氣體分析儀要求樣氣干凈、干燥，不含油、水、粉塵及腐蝕性成分，有時(shí)候要求對(duì)氣體的壓力和流量進(jìn)行控制。所以采用有效的樣氣預(yù)處理系統(tǒng)是在線氣體分析儀器完成可靠檢測(cè)、分析的關(guān)鍵。生物質(zhì)氣化的目標(biāo)是得到盡可能多的可燃?xì)怏w產(chǎn)物，但在氣化過(guò)程中，焦炭和焦油都是不可避免的副產(chǎn)物。其中由于焦油在高溫時(shí)呈氣態(tài)，與可燃?xì)怏w完全混合，而在低溫時(shí)（一般低于200℃）凝結(jié)為液態(tài)，所以其分離和處理更為困難，特別對(duì)于生物質(zhì)燃?xì)庑枰禍乩玫那闆r（如內(nèi)燃機(jī)發(fā)電時(shí)），問(wèn)題更加突出。此外，流化床氣化產(chǎn)生燃?xì)庵酗w灰含量較高，易導(dǎo)致采樣裝置過(guò)濾系統(tǒng)發(fā)生堵塞，因此需要預(yù)處理裝置對(duì)生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)行凈化。

　　在系統(tǒng)中，樣氣首先通過(guò)取樣探頭除去大量粉塵，再經(jīng)采樣管輸送至多級(jí)煤油清洗過(guò)濾器，深度溶解焦油。經(jīng)過(guò)多級(jí)煤油清洗過(guò)濾器后樣氣可能還存有少量焦油與粉塵，為了進(jìn)一步凈化樣氣，樣氣被輸送至水洗器，由水洗器將剩余的焦油分離出來(lái)，同時(shí)也分離出樣氣中攜帶的粉塵。經(jīng)過(guò)以上處理，樣氣得到了初步的凈化，焦油粉塵含量明顯減少，同時(shí)樣氣的待測(cè)成分得以完整保留。

圖5、全自動(dòng)水洗器，去除樣氣中的焦油

　　其中，水洗器采用了全自動(dòng)工作方式，相關(guān)閥門均為進(jìn)口電磁閥，由PLC控制工作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)周期性自動(dòng)換水，從而使水洗器中的洗滌水得到及時(shí)更換，保證了水洗器的洗滌效果，也減少了人工維護(hù)量。

　　在進(jìn)一步的凈化中，系統(tǒng)采用了一級(jí)過(guò)濾精度為5μm的氣水分離器，過(guò)濾樣氣的同時(shí)分離樣氣中的液態(tài)水，采用了一級(jí)過(guò)濾精度為0.1μm的精密過(guò)濾器作為樣氣進(jìn)入分析儀表前的Z后一級(jí)過(guò)濾元件，保證樣氣達(dá)到分析儀表使用要求。

　　為去除樣氣中含有的氣態(tài)水，系統(tǒng)采用了一臺(tái)電子冷凝器，輸出樣氣露點(diǎn)≤5℃。另外，系統(tǒng)采用一臺(tái)抽氣能力為6L/min的德國(guó)KNF采樣泵提供系統(tǒng)樣氣的輸送動(dòng)力。為保證儀表的安全運(yùn)行，系統(tǒng)配置了一套濕度報(bào)警模塊，與精密過(guò)濾器配套使用，當(dāng)系統(tǒng)除水功能意外失效時(shí)，信號(hào)反饋到PLC，PLC將切斷系統(tǒng)運(yùn)行，關(guān)閉閥門，并在現(xiàn)場(chǎng)及向遠(yuǎn)端控制ZX發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　2）控制單元

　　系統(tǒng)采用SIEMENSPLC作為核心控制元件，OMRON中間繼電器作為輸出元件，控制系統(tǒng)可自動(dòng)完成采樣、水洗器換水、故障處理等操作。采用MCGS觸摸屏作為HMI人機(jī)交互界面，可以查看當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，閥門狀態(tài)以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況授權(quán)修改參數(shù)。

　　3）分析單元Gasboard-3100

　　系統(tǒng)氣體分析儀表采用四方儀器自控系統(tǒng)有限公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣分析儀Gasboard-3100，能夠同時(shí)測(cè)量生物質(zhì)燃?xì)庵蠴2、H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6八組分氣體濃度及熱值，多組分測(cè)量氣體間無(wú)交叉影響，且受外界影響小。傳感器采用恒溫設(shè)計(jì)，能夠消除環(huán)境溫度對(duì)其紅外傳感器的影響，保證儀器能夠長(zhǎng)期在線運(yùn)行。制作材料均采用耐熱、耐腐蝕的特種不銹鋼、聚四氟乙烯等材料，保證了設(shè)備能夠在高溫，腐蝕環(huán)境中工作，使用壽命長(zhǎng)。其核心氣體傳感器部件采用模塊化設(shè)計(jì)，即插即用，拆卸安裝方便，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備維修工序、成本與產(chǎn)能效率。

　　Gasboard-3100于2016年獲得ZG儀器儀表學(xué)會(huì)“產(chǎn)品獎(jiǎng)”，2017年獲湖北省發(fā)明ZL金獎(jiǎng)。

　　①一套儀器完成全組分檢測(cè)

　　對(duì)于CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6含量的分析，Gasboard-3100采用了NDIR非分光紅外雙光束氣體傳感器技術(shù)，壽命長(zhǎng)，儀器維護(hù)量少。該技術(shù)2004年通過(guò)了科技部的科技鑒定，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，目前已經(jīng)生產(chǎn)的傳感器數(shù)量超過(guò)100000套，成熟可靠的技術(shù)，確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

圖6、紅外雙光束氣體傳感器原理圖

　　對(duì)于O2含量的分析，Gasboard-3100采用了長(zhǎng)壽命電化學(xué)O2傳感器，它根據(jù)電化學(xué)原電池的原理工作，利用待測(cè)氣體在原電池中陰極上的電化學(xué)還原和陽(yáng)極的氧化過(guò)程，產(chǎn)生電流，待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過(guò)測(cè)定電流的大小確定待測(cè)氣體的濃度。

圖7、長(zhǎng)壽命電化學(xué)傳感器及原理圖

　　對(duì)于H2含量的分析，Gasboard-3100采用了基于MEMS的TCD熱導(dǎo)ZL技術(shù)，穩(wěn)定性比以往技術(shù)大大提高。儀器采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)和嵌入式軟件，精度達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

　　對(duì)于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档挠?jì)算，Gasboard-3100熱值的計(jì)算方法為：Q=126[CO]+108[H2]+359[CH4]+652[CnHm]MJ/m3

　　注：[CO]、[H2]、[CH4]、[CnHm]分別代表該組分中在生物質(zhì)燃?xì)庵械捏w積濃度，[CnHm]包含了C2H2、C2H4、C2H6等氣體體積濃度。

　　在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9021實(shí)現(xiàn)了一套儀器完成生物質(zhì)燃?xì)庵蠧O、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、H2濃度和熱值的同時(shí)測(cè)量，其氣體分析單元Gasboard-3100的核心功能部件依托母公司四方光電傳感器生產(chǎn)線、整機(jī)生產(chǎn)線，以及多年為知大型企業(yè)提名供完整配套的服務(wù)能力與經(jīng)驗(yàn)，不僅降低了儀器的購(gòu)買費(fèi)用，同時(shí)對(duì)客戶今后的維護(hù)和保養(yǎng)提供了優(yōu)質(zhì)的保障。

　?、诖_保H2測(cè)量的準(zhǔn)確性

　　熱導(dǎo)傳感器主要用于測(cè)量二元?dú)怏w，如A、B混合氣中的A或B，并且以另外一種氣體作為背景氣。而如果用于測(cè)量多種混合氣體時(shí)，必然要考慮到其他氣體的影響因素。一般而言生物質(zhì)燃?xì)庵泻蠧O、CO2、CH4、H2、O2、N2等多種氣體成分，而且其熱導(dǎo)系數(shù)各異，如表2所示：

表2、生物質(zhì)燃?xì)庵懈鹘M分熱導(dǎo)系數(shù)

　　從表2可以看出，生物質(zhì)燃?xì)庵饕煞种蠧O、O2與背景氣N2的熱導(dǎo)系數(shù)相當(dāng)，對(duì)H2的測(cè)量結(jié)果影響不大，但是CO2、CH4對(duì)H2測(cè)量影響明顯。通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，如果氣體成分中含有CO2，會(huì)使H2的測(cè)量讀數(shù)偏低；如果氣體成分中含有CH4，會(huì)使H2的測(cè)量讀數(shù)偏高。因此，為了得到準(zhǔn)確的H2含量，應(yīng)對(duì)H2進(jìn)行CO2、CH4的校正。

　　四方儀器通過(guò)對(duì)Gasboard-3100進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)并將各種氣體的相互影響進(jìn)行了修正和補(bǔ)償，消除生物質(zhì)燃?xì)庵衅渌煞謱?duì)H2的影響，保證了H2測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

　?、哿髁孔兓瘜?duì)H2測(cè)量無(wú)影響

　　由于熱導(dǎo)傳感器的基本原理是通過(guò)對(duì)氣體流動(dòng)帶走的熱量進(jìn)行換算，如果采用直接流通式的熱導(dǎo)檢測(cè)池，很難控制氣流，流量大小直接影響H2的讀數(shù)。Gasboard-3100采用了旁流擴(kuò)散式的熱導(dǎo)檢測(cè)池，流量在0.3~1.5L/min的范圍內(nèi)變化對(duì)熱導(dǎo)的讀數(shù)沒(méi)有影響。

　　3.方案價(jià)值

　　在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9021是專門針對(duì)樣品氣中含塵、含濕、含焦油的特定工況而設(shè)計(jì)的，采用PLC程序控制，自動(dòng)完成采樣、排水、故障處理等操作，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)人值守，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確、連續(xù)自動(dòng)在線運(yùn)行，大大減少了人工負(fù)荷。分析儀表Gasboard-3100用于在線測(cè)量生物質(zhì)燃?xì)庵蠧O、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、H2的體積濃度和熱值，提高了生物質(zhì)燃?xì)獾臒嶂?，保證了產(chǎn)氣的穩(wěn)定性與潔凈性，降低了H2含量高引發(fā)爆燃的可能性。此外，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或RS-485、4～20mA輸出接口傳輸?shù)缴霞?jí)集中控制系統(tǒng)，也為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、工藝調(diào)整控制提供了實(shí)時(shí)依據(jù)。

　　在生物質(zhì)項(xiàng)目中，正確的使用在線氣體分析系統(tǒng)Gasboard-9021與煤氣分析儀Gasboard-3100，能夠有效的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的氣體含量，及時(shí)進(jìn)行細(xì)節(jié)的調(diào)整，從而有效的提高發(fā)電的效率。

　?。▉?lái)源：工業(yè)過(guò)程氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)）