大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方案分析

倪浩+吳國強

摘 要：文章針對大型火電耦合生物質(zhì)氣化系統(tǒng)，依靠數(shù)據(jù)說明生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)在技術(shù)和經(jīng)濟上是可行的，為生物質(zhì)氣化耦合燃煤鍋爐發(fā)電的推廣應(yīng)用提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：大型火電；生物質(zhì)氣化；耦合發(fā)電

中圖分類號：TM611 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0037-02

引言

生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存于生物質(zhì)內(nèi)部的能量，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)能幾乎不含硫、含氮很少，碳通過光合作用，近排放量幾乎為零，因此是一種清潔可再生能源?；厥丈镔|(zhì)能，不僅能夠提高農(nóng)村經(jīng)濟收入，同時減少二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和粉塵的排放，有利于保護生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)就是一種能源高效清潔利用的方法。

1 技術(shù)方案

本文以600MW燃煤鍋爐耦合1×30MW生物質(zhì)氣化發(fā)電為例進行分析，該電廠采用最新高效發(fā)電技術(shù)和高效靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、爐內(nèi)低氮燃燒+SCR煙氣脫硝等污染物脫除設(shè)備，并利用生物質(zhì)氣化后的合成氣送入燃煤鍋爐進行再燃，還原主燃區(qū)產(chǎn)生的NOx[1]，降低SCR煙氣脫硝負荷，將污染物的排放控制在的排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

生物質(zhì)氣化采用循環(huán)流化床氣化技術(shù)，氣化介質(zhì)和生物質(zhì)通過熱化學(xué)反應(yīng)生成CO、H2及少量碳氫化合物可燃氣。此生物質(zhì)氣化裝置將產(chǎn)生的可燃氣作為燃料送入燃煤鍋爐與煤粉一起燃燒發(fā)電。

相比傳統(tǒng)的生物質(zhì)直燃電廠[2，3]，工藝流程短，無需再配備汽輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)輸出以及煙氣凈化等系統(tǒng)，投資少，占地面積小，配置工作人員少，而且生物質(zhì)氣化綜合發(fā)電效率達30%以上，生物質(zhì)燃料可節(jié)省25～30%；同時生物質(zhì)直燃存在嚴(yán)重的堿金屬腐蝕及鍋爐結(jié)焦的問題，對于發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)運行是極為不利，生物質(zhì)中堿金屬的存在，還會引起NOX催化劑控制設(shè)備老化或失效；燃燒方式通用性較好，對原燃煤系統(tǒng)影響較小。

相比常壓、空氣氣化耦合發(fā)電方案，加壓、富氧耦合發(fā)電技術(shù)投資略高，但加壓富氧氣化可以更大規(guī)模、更靈活處理生物質(zhì)，對原料的適應(yīng)性也更加廣泛，氣化效率、燃氣品質(zhì)有較大提高[4]，對鍋爐的安全性更加有利，同時占地面積小；另外加壓富氧氣化省去了常壓氣化中的高溫燃氣引風(fēng)機，同時燃氣管徑較小，消除了生產(chǎn)運行中一個重大的安全隱患。

工藝路線主要為：經(jīng)過處理且滿足粒度要求的生物質(zhì)燃料，送入加壓裝置加壓后的生物質(zhì)，通過螺旋輸送機送入氣化爐，在一定溫度下，氣化爐內(nèi)生物質(zhì)在氣化介質(zhì)的作用下氣化生成可燃氣，再經(jīng)過旋風(fēng)除塵送入余熱鍋爐，可燃氣降溫計量后，熱可燃氣直接送入燃煤鍋爐上改造增加的生物質(zhì)燃氣噴口再燃，利用原有發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)高效發(fā)電。整個裝置主要分為生物質(zhì)貯存、進料、生物質(zhì)氣化、可燃氣除塵、熱回收及燃氣燃燒。工藝流程圖見圖1。

2 制氣系統(tǒng)

2.1 生物質(zhì)的貯存系統(tǒng)

生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫收到的生物質(zhì)原料，經(jīng)過稱重和取樣分析水分和熱值后存儲，生產(chǎn)過程中通過裝載機和抓斗等轉(zhuǎn)運裝置將生物質(zhì)送進振動篩，過濾掉不合格的生物質(zhì)料，再通過螺旋輸送機和輸送皮帶將合格的生物質(zhì)送到生物質(zhì)加壓進料系統(tǒng)的常壓料倉。

2.2 加壓進料

常壓料倉存放的生物質(zhì)料，通過進料裝置和閥門進入并裝滿鎖斗，然后控制系統(tǒng)用氮氣對鎖斗充壓到0.1～0.3MPa時，生物質(zhì)燃料再通過下料閥和下料裝置進入加壓給料倉，在加壓給料倉的底部裝有螺旋輸送機，生物質(zhì)料由螺旋輸送機不斷送入生物質(zhì)氣化爐。生物質(zhì)鎖斗在卸完料后，鎖斗將恢復(fù)到常壓狀態(tài)，重新進料和充壓，進行下一次循環(huán)物料的輸送。

2.3 生物質(zhì)氣化及氣體凈化

氣化爐是整個氣化系統(tǒng)的主要設(shè)備[2]，采用流化床作為氣化爐的爐型，加壓給料倉輸送過來的生物質(zhì)從氣化爐的中下部進入爐膛反應(yīng)區(qū)；在氣化爐的底部，空氣和氧作為氣化劑送入爐膛，在爐膛內(nèi)生物質(zhì)、空氣和氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態(tài)；同時，在氣化溫度為700～980℃，氣化壓力為0.1～0.3Mpa的條件下，以及在高溫床料有效的傳熱和傳質(zhì)的作用，加速氣化反應(yīng)速度，最終生成成分為CO、H2、CO2、CH4、H2O、N2及少量焦油的高溫可燃氣。

生物質(zhì)原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會產(chǎn)生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統(tǒng)；另一部分灰渣則可通過下游旋風(fēng)分離器從可燃氣中分離出來，灰渣從旋風(fēng)分離器底部排出，送到貯存系統(tǒng)?？扇細鈩t從旋風(fēng)分離器的頂部出來，進入下游的余熱鍋爐。

2.4 熱量回收

進入余熱鍋爐可燃氣的溫度約為900℃，因溫度高，燃氣單位體積密度小，為了減小燃氣輸送設(shè)備的體積和材質(zhì)等級，同時還要保證可燃氣中的焦油不冷凝，高溫可燃氣經(jīng)過余熱鍋爐釋放熱量降溫到400℃左右，同時也根據(jù)鍋爐運行參數(shù)，自行控制溫降，余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓水蒸汽并入電廠管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.5 可燃氣的輸送和燃燒

經(jīng)過除塵和余熱鍋爐的可燃氣，氣體流量約為5×104Nm3/h，溫度約為400℃，壓力約為0.2MPa。可燃氣經(jīng)過在線成分分析，根據(jù)輸入鍋爐的熱量計算可燃氣的流量，將特定量的可燃氣再送到燃煤鍋爐前獨立的燃氣燃燒器進入鍋爐再燃發(fā)電。在事故情況下，可燃氣有獨立的緊急排放和切斷系統(tǒng)，氣化爐的安全保護系統(tǒng)將啟動緊急停車，將氣化系統(tǒng)與燃煤鍋爐切斷隔離，可燃氣將引至安全區(qū)域處理，同時啟動氮氣置換的保護程序，煤氣放散裝置設(shè)有點火裝置及氮氣滅火設(shè)施。

2.6 經(jīng)濟效益和污染物排放

（1）按大型火電耦合生物質(zhì)氣后，年發(fā)電量不變的情況

下，每年可以節(jié)省約7.5萬噸標(biāo)煤；可分別削減SO2排放約29.48t/a、煙塵排放約14.18t/a及NOx排放約63.77t/a；從溫室氣體減排角度，可削減CO2排放約12.33萬t/a。

（2）按大型火電耦合生物質(zhì)氣后，年發(fā)電量不變的情況

下，生物質(zhì)氣發(fā)電量約為18萬MWh，按照電價0.75元/KWh，則生物質(zhì)氣發(fā)電每年收入約13500萬元。

（3）一臺生物質(zhì)氣化爐系統(tǒng)設(shè)備的總投資約為1.9億元，基本收益率按7.0%，年運行費用考慮廠用電和生物質(zhì)原料費用約6000萬元。

（4）年費用的計算如下，計算公式為[5]：

A-年費用；P-初投資；R-年運行維護費；I-基準(zhǔn)收益率取7.0%；n-經(jīng)濟生產(chǎn)年按20年計算

R=6000萬，P=19000萬，經(jīng)計算大約需要5年回收成本。可見在爭取到生物質(zhì)標(biāo)桿電價0.75元/KWh的條件下，采用大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟效益很好。

3 結(jié)束語

隨著環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，生物質(zhì)能的利用，不僅優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)，提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟收入，還可有效降低污染物的排放，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，通過分析大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電，無論在技術(shù)上、處理規(guī)模和投資性價比都具有顯著的優(yōu)勢，因此生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電是理想的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]吳國強.合成氣再燃控制技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[2]陰秀麗，周肇秋，馬隆龍，等.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代電力，2007，24（5）：48-52.

[3]宋艷蘋.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟分析[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[4]孫立.生物質(zhì)熱解氣化原理與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[5]全國注冊咨詢工程師執(zhí)業(yè)資格考試試題分析小組.項目決策分析與評價[M].機械工業(yè)出版社，2013.