李海英1，郭民臣1，鲁芳臣2
摘要：简述了生物质的特点和对环境的影响及STIG循环的特点，重点从BIG/STIG循环系统匹配的角度，阐述了生物质气化发电系统中气化炉、净化系统及燃气轮机三部分的特点及要求，最后指出我国应该大力发展生物质气化发电技术，并提出一些建议。
关键词：生物质；气化；BIG/STIG循环
中图分类号：TQ511+6文献标识码：A文章编号：1004一7948(2005)10一0023一03
1引言
生物质气化发电是利用废弃生物质气化产生的燃气进行发电，它将低品质的生物质能源转化为电力而受到国际上的关注。生物质是一种分布非常广泛的能源，由于单位质量生物质的热值低、体积大、密度低等特点，生物质发电厂的规模一般小于50MW，所以燃用生物质发电厂的规模较火电厂小很多。对于输出功率低于10MW的发电厂，注蒸汽联合循环比简单循环和蒸汽燃气联合循环具有更高的性能。
在燃气轮机的基础上，利用固体燃料（生物质和煤）发电的好处越来越多。注蒸汽燃气轮机循环(SteamInjectedGasTurbineCycle，简称STIG)是上世纪80年代以来发展起来的一种新颖的动力循环，它是利用燃气轮机排出的高温燃气，通过余热锅炉产生蒸汽并回注到燃气轮机的燃烧室，与燃气混合后进入透平膨胀作功，从而增大了透平中的工质流量而提高机组的发电功率，提高热效率的一种双工质循环。美国国际动力技术公司（InternationalPowerTechnologyInc.，即IPT）的美籍华人程大酋先生于1976、1978、1981年三次申请专利，故又称该循环为“程氏循环”或称双工质循环。
2生物质能的环境影响
使用生物质提供了减少NOx、CO2、SO2排放的可能性。如果合理种植和管理，生物质不会导致气候变暖，其原因是生物质生长过程中吸收的碳的量是与它作为燃料燃烧放出的量相同。为生物质创造巨大机会的两个主要间题是：全球气候改变、环境政策的实施。
世界上主要的环境科学家和能源环境协会的会员们有一个共识：人类活动对环境有影响，而且CO2浓度与全球的气温升高有关系。生物质和化石燃料的共燃、先进生物质发电系统是发电行业减少温室气体排放的有效策略。第二个问题可能使一些政府加强可再生能源的政策，这样会使投资于利用生物质发电的企业获得更多的利益，而且促使消费者愿意购买利用生物质产生的电能。对化石燃料和生物质的新规定和税收政策也会产生较大的影响。《中华人民共和国可再生能源法》将于2006年1月1日起施行，该法将通过鼓励利用可再生能源改善中国目前的能源结构，保障能源持续稳定供应，防止快速增长的能源利用带来的环境污染和生态破坏。该法的实施，必会为生物质的利用提供更广阔的空间。
3STIG循环的特点
在燃烧室中空气、燃气与注入的蒸汽一起混合，加热到燃气轮机入口温度后，通过涡轮膨胀作功。余热锅炉利用燃气轮机的排气来加热处理过的水，使之变为过热蒸汽，注入燃烧室。STIG循环基本上可以看成由Brayton循环和Rankine循环并联而成，因此有独特的特点：
(1)比功大、热效率高。
由于STIG循环以水作为介质，回收余热锅炉产生的蒸汽回注，使工质膨胀作功的质量和比功都增大，因而功率大幅度增长，效率也相应提高。计算表明，利用现有的燃气轮机成熟技术，STIG循环的热效率可达48%～53%，比功可达400～700kJ/kg。
(2)变工况性能好、热电并供时尤为突出。
由于燃气轮机注蒸汽量允许在一定范围变动，所以可以将回注蒸汽量用作控制变量，根据电力负荷和热负荷变动作适当调节。特别是在热电联产时，通过控制回注蒸汽量，在功率输出和热输出之间可以灵活的匹配调整，热能利用率可达80％～85％。
(3)降低了排放物中的NOx的含量。
由于有一部分蒸汽被喷到然烧室的然烧区牛去，因此可以适当地降低火焰的温度，从而有效地担制了NOx的生成，其浓度可降低90％以上。
(4)投资费用相对较低。
注蒸汽燃气轮机循环与燃气一蒸汽联合循环都是通过利用燃气轮机排出的余热而提高整个系统的热效率，但不同的是注蒸汽循环是把余热锅炉出来的过热蒸汽回注到燃烧室中，在那里与燃气混合加热到透平入口温度后，再经过透平膨胀作功，而联合循环是用余热锅炉产生的过热蒸汽推动蒸汽轮机作功。所以，注蒸汽燃气轮机循环不需要汽轮机发电装置，使整个系统变得简单，在相同发电能力下可减少投资10％～20％，具有较好的经济性。
(5)冷却和换热效果好。
由于燃气中含有水蒸气，就会增大混合气体的换热系数，有利于燃气透平的导叶和动叶的冷却，其效果要比从压气机中抽取冷空气冷却更好。由于同样的原因，可以改善余热锅炉中混合气体的换热效果。在相同的条件下，可以从透平排气中回收更多的热量，有利于提高余热锅炉的效率。
(6)对水质的要求高，并且在开始循环中没有回收。
STIG循环中，余热锅炉和透平对水质要求都很高，要求用经过处理的软水，不允许有悬浮固粒，盐分含量不得超过几个mg/L。而开始循环中没有水回收装置，第二工质水／蒸汽被排入大气，造成软化水的浪费。
4BIG/STIG循环
在BIG/STIG循环系统中，生物质在气化器中气化，气化器中产生的燃料气通过净化系统变为干净的燃气。干净的燃气被送到燃气轮机的燃烧室中和压缩空气燃烧，并与湿蒸汽充分混合，生成高温高压的气体驱动燃气轮机发电。从燃气轮机排出的气体经过余热锅炉产生高温高压的蒸汽，蒸汽回注到燃烧室。
BIG/STIG循环发电系统主要由加料系统、气化炉、净化系统、发电系统、控制系统及其他辅助设备组成。其中气化器、净化系统和发电系统及其他设备之间的匹配是整个系统的关键。
4.1气化器
生物质燃料来源十分广泛，各种生物质性质差别很大，所以设计一种能处理各种不同燃料的通用气化器是不可能的，这就在客观上要求气化技术的多样性。各种气化器的不同之处在于：使用气化剂的种类、工作压力、工作温度、气体和固体相互接触的方式、传热方法、矿物质是否被作为灰渣除去等等。而且各种气化器都有各自的优缺点和一定的适用范围。表1从四个方面对流化床和固定床气化炉的性能进行比较。
4.2净化系统
燃料气中的污染物和净化方法见表2。污染程度取决于气化过程和原料。气体净化必须能够防止在下游设备中出现磨损、腐蚀、环境间题。所以，净化系统的选用，应从现有技术的成熟性、系统的复杂性及投资成本的现实性考虑。
4.3燃气轮机
燃气轮机对气体的要求是很严格的，因为它只能承受含量特别低的固体、液体和气体污染物，但是对气体净化系统没有可用的技术规范。对污染物的承受程度的一般标准是：或者为零，或者与天然气一样。现在问题是一个经济性优化，越严格的气体净化系统花费越多，但是可以增加燃气轮机的寿命和减少维护费用。相反，相对差一点的气体净化系统便宜，但是会减少燃气轮机的寿命和增加维护费用。
在1995年，Bridgwate：给出典型的燃气轮机燃料气的技术要求，如表3所示。
Paisley和Anson在1998年给出生物质发电系统中嫩气轮机对燃料的要求：
(1)燃料气中的灰粒浓度必须很低（燃气轮机进口的灰粒浓度小于1mg/L；
(2)灰粒中不能含有大量的碱金属（燃气轮机进口的碱金属浓度小于10－8；
(3)燃料气的燃烧特性（火焰速度、热值）与标准燃气轮机使用的天然气或石油液体燃料差别不能太大；
(4)燃料气的热值应该满足达到燃气轮机进口温度；
(5)燃料气中的氮化物应该足够的低，避免燃烧中产生NOx。
在1996年，DeCorso等讨论了在燃气轮机中利用煤和生物质的关键设计和发展间题。在燃气轮机中利用这样的固体燃料需要解决一些技术问题。关键的燃气轮机问题包括：
(1)燃烧器的设计：燃烧器的种类、使燃烧器的种类和燃料种类相符合；
(2)热部件上的沉积物的问题；
(3)对燃气轮机进口温度（TIT）的影响；
(4)燃气轮机的质量流量；
(5)腐蚀和磨损。
为了进一步提高BIG/STIG循环整体化的经济和技术性能在生物质气化中需要解决的技术问题也很重要，如净化技术、燃气轮机部件的改造。生物质气化发电的商业化在很大程度上是依赖于技术的进一步提高和能源、环境政策。
5结论
BIG/STIG循环发电系统的商业化，应尽可能在有条件的地方建设示范项目，针对不同废料特点进行商业示范，充分证明该技术的可靠性和经济性，为全面推广生物质气化技术创造条件。化石燃料的日益枯竭、环境污染问题的突出、全球气候的异常变化将成为生物质能开发和利用的主要推动力。同时应加强系统匹配相关技术的研究，包括生物质预处理、气化、气体净化、发电、废物处理在内的全套生物质气化发电系统的最佳匹配，逐步提高市场竞争力。
参考文献
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