四方仪器|在生物质气化发电项目中在线气体分析系统的运用

　　在生物质发电项目中，需要将物质气化成为可燃气，然后再利用可燃气进行燃烧进行发电。在这一过程中，严格监控生物质气化就显得十分重要，因为这直接与发电效率直接挂钩。本文就来谈谈如何有效使用在线气体分析系统进行气体监测，提高发电效率。

　　一、生物质气化发电技术

　　1.气化发电工作原理

　　生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。它既能解决生物质难于燃用而又分布分散的缺点，又可以充分发挥燃气发电技术设备紧凑而污染少的优点，所以是生物质能最有效最洁净的利用方法之一。

　　2.气化发电的工艺流程

　　气化发电过程包括三个方面，一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰份、焦炭和焦油等，需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；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机。

图1、气化发电系统流程图

　　3.工艺特点

　　生物质气化发电技术是生物质能利用中有别于其他可再生能源的独特方式，具有三个方面特点：

　　一是技术有充分的灵活性。由于生物质气化发电可以采用内燃机，也可以采用燃气轮机，甚至结合余热锅炉和蒸汽发电系统，所以生物质气化发电可以根据规模的大小选用合适的发电设备，保证在任何规模下都有合理的发电效率。同时，这一技术的灵活性能很好地满足生物质分散利用的特点。

　　二是具有较好的洁净性。生物质本身属可再生能源，可以有效地减少CO2、SO2等有害气体的排放。而气化过程一般温度较低（大约在700-900℃），NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放。

　　三是经济性。生物质气化发电技术的灵活性，可以保证该技术在小规模下有效好的经济性，同时燃气发电过程简单，设备紧凑，也使生物质气化发电技术比其他可再生能源发电技术投资更小，所以总的来说，生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技术，综合的发电成本已接近小型常规能源的发电水平。

　　4.生物质气化发电技术主要类别

　　从气化形式上看，生物质气化过程可以分为固定床气化和流化床气化两大类。固定床气化包括上吸式气化、下吸式气化和开心式气化三种，现在这三种形式的气化发电系统都有代表性的产品。流化床气化包括鼓泡床气化、循环流化床气化及双流化床气化三种。这三种气化发电工艺目前都有研究，其中研究和应用最多的是循环流化床气化发电系统。

　　从燃气发电过程上分，气化发电可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气-蒸汽联合循环发电系统，见图2。

图2、生物质气化发电方式

　　从发电规模上分，生物质气化发电系统可分为小型、中型、大型，如表1所示。

表1、各生物质气化发电技术特点

　　由表1可知，不管是多大规模的生物质气化发电项目，其发电过程一般都会涉及内燃机发电技术，下面就针对内燃机发电技术在保证生物质气化发电工艺高效运行时的关键要点进行阐述。

　　二、实现生物质气化发电工艺高效运行关键

　　生物质燃气的特点是热值低（4~6MJpnm3）、杂质含量高，所以生物质燃气发电技术虽然与天然气发电技术、煤气发电技术的原理一样，但它有更多的独特性，对发电设备的要求也与其他燃气发电设备有较大的差别。因此，对生物质燃气而言，要实现生物质燃气发电频率稳定，发电负荷连续可调，以保证生物质燃气发电的质量和经济性，实现以下目标是关键：

　　1.产气热值要尽可能高而且稳定，以提高内燃机的输出功率，提高整个发电系统的效率。生物质燃气热值低，内燃机出力会大大降低；且低热值燃气燃烧速度比其他燃料慢，低热值燃气内燃机的排烟温度比其他内燃机明显偏高，这就容易使设备材料老化、系统效率明显降低。而生物质燃气热值的高低与燃气混合气中H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6的含量密切相关，保证混合气各主要成分含量在合理范围对提高生物质燃气热值、保证生物质燃气发电系统效率意义重大。

　　2.降低H2含量高引发爆燃的可能性，避免生物质气化发电系统停机的风险。由于H2的着火速度比其他燃气快，在H2含量太高时，燃气内燃机容易引起点火时间不规则，从而引起爆燃。生物质燃气的氢含量差别很大，流化床一般在10%左右，而固定床将高于15%。通过大量的实验表明，当生物质燃气中H2含量高于18%时，爆燃的问题将较严重，所以安全起见一般生物质燃气内燃机要求燃气中H2含量低于15%。

　　3.产气尽可能干净，以减少后处理系统的复杂性，从而使焦油含量达到内燃机可接受的范围。焦油会引起点火系统失灵，燃烧后积炭会增加磨损，而含量太高也会增加设备磨损，严重时会引起拉缸。有研究表明，氧气含量对气化气及焦油成分有影响：氧气含量增加会导致气化炉中温度上升，从而使得气化中可燃气体组分增加，以及占主要比重的焦油组分相对含量减少。因此，合理控制参与气化炉内燃烧空气中的氧气含量，对调控生物质燃气热值及焦油产量大有裨益。

　　由此可见，生物质燃气作为生物质气化发电项目中重要的能源载体，对其燃气成分进行有效监测对生物质气化发电项目的工艺控制、安全利用、高效运行等方面具有重要意义。

　　三、生物质气内燃机发电项目气体监测案例

　　1.项目概述

　　安徽某新能源发电股份有限公司以其独有的稻壳等生物质气化多联产技术，打造了5兆瓦发电厂配套年产6万吨炭基复合肥厂的项目包，其生物质气化原料为该企业旗下某米业生产产生的稻壳，其工艺流程是将经过适当处理的稻壳送入气化炉内，在一定的温度和压力下，通过氧化剂(空气或氧气和蒸气)以一定的流动方式转化成气体，产生的生物质燃气送入发电机组发电并网。项目不消耗其他任何能源、对环境没有污染、可实现零排放。

图3、项目现场

　　2.气体监测

　　项目现场采用无锡湖光工业锅炉有限公司生产的湖光牌气化炉，同时由无锡湖光提供技术支持和安装建设，无锡湖光则采购四方仪器自控系统有限公司在线气体分析系统Gasboard-9021，对生物质燃气O2、H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6八组分气体浓度及热值进行实时连续监测，帮助企业远程监测气化炉运行情况，实现生物质气化发电项目的工艺控制、安全利用、高效运行。

图4、现场气体分析小屋

　　1）预处理单元

　　在线气体分析仪要求样气干净、干燥，不含油、水、粉尘及腐蚀性成分，有时候要求对气体的压力和流量进行控制。所以采用有效的样气预处理系统是在线气体分析仪器完成可靠检测、分析的关键。生物质气化的目标是得到尽可能多的可燃气体产物，但在气化过程中，焦炭和焦油都是不可避免的副产物。其中由于焦油在高温时呈气态，与可燃气体完全混合，而在低温时（一般低于200℃）凝结为液态，所以其分离和处理更为困难，特别对于生物质燃气需要降温利用的情况（如内燃机发电时），问题更加突出。此外，流化床气化产生燃气中飞灰含量较高，易导致采样装置过滤系统发生堵塞，因此需要预处理装置对生物质燃气进行净化。

　　在系统中，样气首先通过取样探头除去大量粉尘，再经采样管输送至多级煤油清洗过滤器，深度溶解焦油。经过多级煤油清洗过滤器后样气可能还存有少量焦油与粉尘，为了进一步净化样气，样气被输送至水洗器，由水洗器将剩余的焦油分离出来，同时也分离出样气中携带的粉尘。经过以上处理，样气得到了初步的净化，焦油粉尘含量明显减少，同时样气的待测成分得以完整保留。

图5、全自动水洗器，去除样气中的焦油

　　其中，水洗器采用了全自动工作方式，相关阀门均为进口电磁阀，由PLC控制工作时序，实现周期性自动换水，从而使水洗器中的洗涤水得到及时更换，保证了水洗器的洗涤效果，也减少了人工维护量。

　　在进一步的净化中，系统采用了一级过滤精度为5μm的气水分离器，过滤样气的同时分离样气中的液态水，采用了一级过滤精度为0.1μm的精密过滤器作为样气进入分析仪表前的最后一级过滤元件，保证样气达到分析仪表使用要求。

　　为去除样气中含有的气态水，系统采用了一台电子冷凝器，输出样气露点≤5℃。另外，系统采用一台抽气能力为6L/min的德国KNF采样泵提供系统样气的输送动力。为保证仪表的安全运行，系统配置了一套湿度报警模块，与精密过滤器配套使用，当系统除水功能意外失效时，信号反馈到PLC，PLC将切断系统运行，关闭阀门，并在现场及向远端控制中心发出报警信号。

　　2）控制单元

　　系统采用SIEMENSPLC作为核心控制元件，OMRON中间继电器作为输出元件，控制系统可自动完成采样、水洗器换水、故障处理等操作。采用MCGS触摸屏作为HMI人机交互界面，可以查看当前运行状态，阀门状态以及根据现场情况授权修改参数。

　　3）分析单元Gasboard-3100

　　系统气体分析仪表采用四方仪器自控系统有限公司拥有自主知识产权的煤气分析仪Gasboard-3100，能够同时测量生物质燃气中O2、H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6八组分气体浓度及热值，多组分测量气体间无交叉影响，且受外界影响小。传感器采用恒温设计，能够消除环境温度对其红外传感器的影响，保证仪器能够长期在线运行。制作材料均采用耐热、耐腐蚀的特种不锈钢、聚四氟乙烯等材料，保证了设备能够在高温，腐蚀环境中工作，使用寿命长。其核心气体传感器部件采用模块化设计，即插即用，拆卸安装方便，大大简化了设备维修工序、成本与产能效率。

　　Gasboard-3100于2016年获得中国仪器仪表学会“优秀产品奖”，2017年获湖北省发明专利金奖。

　　①一套仪器完成全组分检测

　　对于CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6含量的分析，Gasboard-3100采用了NDIR非分光红外双光束气体传感器技术，寿命长，仪器维护量少。该技术2004年通过了科技部的科技鉴定，达到国际先进水平，目前已经生产的传感器数量超过100000套，成熟可靠的技术，确保了产品的稳定性。

图6、红外双光束气体传感器原理图

　　对于O2含量的分析，Gasboard-3100采用了长寿命电化学O2传感器，它根据电化学原电池的原理工作，利用待测气体在原电池中阴极上的电化学还原和阳极的氧化过程，产生电流，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小确定待测气体的浓度。

图7、长寿命电化学传感器及原理图

　　对于H2含量的分析，Gasboard-3100采用了基于MEMS的TCD热导专利技术，稳定性比以往技术大大提高。仪器采用了先进的数字化技术和嵌入式软件，精度达到国际同类产品先进水平。

　　对于生物质燃气热值的计算，Gasboard-3100热值的计算方法为：Q=126[CO]+108[H2]+359[CH4]+652[CnHm]MJ/m3

　　注：[CO]、[H2]、[CH4]、[CnHm]分别代表该组分中在生物质燃气中的体积浓度，[CnHm]包含了C2H2、C2H4、C2H6等气体体积浓度。

　　在线气体分析系统Gasboard-9021实现了一套仪器完成生物质燃气中CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、H2浓度和热值的同时测量，其气体分析单元Gasboard-3100的核心功能部件依托母公司四方光电百万级传感器生产线、整机生产线，以及多年为全球知大型企业提名供完整配套的服务能力与经验，不仅降低了仪器的购买费用，同时对客户今后的维护和保养提供了优质的保障。

　　②确保H2测量的准确性

　　热导传感器主要用于测量二元气体，如A、B混合气中的A或B，并且以另外一种气体作为背景气。而如果用于测量多种混合气体时，必然要考虑到其他气体的影响因素。一般而言生物质燃气中含有CO、CO2、CH4、H2、O2、N2等多种气体成分，而且其热导系数各异，如表2所示：

表2、生物质燃气中各组分热导系数

　　从表2可以看出，生物质燃气主要成分中CO、O2与背景气N2的热导系数相当，对H2的测量结果影响不大，但是CO2、CH4对H2测量影响明显。通过理论分析及实验表明，如果气体成分中含有CO2，会使H2的测量读数偏低；如果气体成分中含有CH4，会使H2的测量读数偏高。因此，为了得到准确的H2含量，应对H2进行CO2、CH4的校正。

　　四方仪器通过对Gasboard-3100进行严格试验并将各种气体的相互影响进行了修正和补偿，消除生物质燃气中其他成分对H2的影响，保证了H2测量值的准确性。

　　③流量变化对H2测量无影响

　　由于热导传感器的基本原理是通过对气体流动带走的热量进行换算，如果采用直接流通式的热导检测池，很难控制气流，流量大小直接影响H2的读数。Gasboard-3100采用了旁流扩散式的热导检测池，流量在0.3~1.5L/min的范围内变化对热导的读数没有影响。

　　3.方案价值

　　在线气体分析系统Gasboard-9021是专门针对样品气中含尘、含湿、含焦油的特定工况而设计的，采用PLC程序控制，自动完成采样、排水、故障处理等操作，可实现24小时无人值守，保证系统长期稳定、准确、连续自动在线运行，大大减少了人工负荷。分析仪表Gasboard-3100用于在线测量生物质燃气中CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、H2的体积浓度和热值，提高了生物质燃气的热值，保证了产气的稳定性与洁净性，降低了H2含量高引发爆燃的可能性。此外，检测数据通过RS232或RS-485、4～20mA输出接口传输到上级集中控制系统，也为远程监测、工艺调整控制提供了实时依据。

　　在生物质项目中，正确的使用在线气体分析系统Gasboard-9021与煤气分析仪Gasboard-3100，能够有效的监测项目中的气体含量，及时进行细节的调整，从而有效的提高发电的效率。

　　（来源：工业过程气体监测技术）