燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

王琳娜

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 北京 100098)

燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

王琳娜

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 北京 100098)

對(duì)目前國(guó)內(nèi)燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行介紹，分析不同技術(shù)的特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)、工藝系統(tǒng)、主要設(shè)備，分析和論述了當(dāng)前生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電現(xiàn)階段問(wèn)題，并對(duì)今后生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和主要方向進(jìn)行了展望。

生物質(zhì)；耦合發(fā)電； 氣化

生物質(zhì)是一種可持續(xù)獲得的綠色資源，利用好生物質(zhì)將對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護(hù)環(huán)境，增強(qiáng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入具有重要意義。但由于生物質(zhì)資源分散，堆密度較小，收集運(yùn)輸困難，大部分生物質(zhì)未得到妥善使用。目前在我國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨意焚燒秸稈，化肥過(guò)量、低效使用，均造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并耗費(fèi)了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規(guī)模推廣的生物質(zhì)高值化處理技術(shù)。生物質(zhì)耦合發(fā)電是目前最高效、最清潔的利用生物質(zhì)的技術(shù)路線，也是電力“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)推薦的技術(shù)路線。

1 主要技術(shù)路線

生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)目前主要有以下三種方式。

(1)生物質(zhì)直接與煤混合后投入鍋爐燃燒，該方式對(duì)于燃料處理和燃燒設(shè)備要求較高，存在低溫堿金屬腐蝕，需進(jìn)行鍋爐燃燒器改造等，不是所有燃煤發(fā)電廠都能采用。

(2)生物質(zhì)燃燒鍋爐直接產(chǎn)生蒸汽，此部分蒸汽可以送入煤粉爐再熱器內(nèi)或送到汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)的耦合方式，這種耦合方式因?yàn)榇嬖谙鄬?duì)獨(dú)立的生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)，對(duì)燃煤鍋爐燃燒不產(chǎn)生影響，但是系統(tǒng)復(fù)雜，投資造價(jià)要高；華電十里泉電廠140MW機(jī)組采用此方法。

(3)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)馀c煤混合燃燒，該技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)開展生物質(zhì)耦合發(fā)電的主要應(yīng)用技術(shù)，這種方式需要將生物質(zhì)燃?xì)饪偭靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，否則將會(huì)對(duì)燃煤鍋爐產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)多采用這種方法。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 直燃發(fā)電

直燃發(fā)電可以根據(jù)處理規(guī)模靈活調(diào)整，能夠處理規(guī)模較大的項(xiàng)目，生物質(zhì)適應(yīng)范圍較廣，可適用各種生物質(zhì)原料，加工也較為簡(jiǎn)單；因生物質(zhì)直燃電廠規(guī)模較小，不適宜配高功率參數(shù)發(fā)電機(jī)，綜合發(fā)電效率約為21%～25%。因綜合發(fā)電效率低，燃料消耗較大，發(fā)同樣的電比生物質(zhì)氣化發(fā)電多消耗生物質(zhì)約30%。

2.2 混燃耦合發(fā)電

混燃耦合發(fā)電處理規(guī)模較小，由于混燃后容易結(jié)焦，對(duì)鍋爐影響較大，因此國(guó)內(nèi)使用范圍很小，與大型燃煤鍋爐結(jié)合利用高參數(shù)鍋爐及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，綜合發(fā)電效率為30%左右。

2.3 生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電

生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電處理規(guī)模較大，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，與大型燃煤鍋爐結(jié)合利用高參數(shù)鍋爐及發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，綜合發(fā)電效率為32%～37%；燃料消耗相對(duì)于直燃發(fā)電消耗較少，采用流化床技術(shù)，理論上原料適應(yīng)性強(qiáng)，只須建立生物質(zhì)氣化爐及其輔助系統(tǒng)，可燃?xì)庵苯硬⑷朐姀S燃煤鍋爐，氣化爐采用絕熱結(jié)構(gòu)，采用耐磨耐火材料，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生新的二次污染，不產(chǎn)生廢氣和廢水的排放。

在國(guó)內(nèi)，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電，無(wú)論技術(shù)成熟度、投資性價(jià)比、處理規(guī)模以及操作運(yùn)行方面，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，將成為今后重點(diǎn)發(fā)展的方向。

3 生物質(zhì)氣化技術(shù)

3.1 生物質(zhì)氣化技術(shù)原理

生物質(zhì)是指自然界中所有微生物、動(dòng)植物以及這些生命體排泄、代謝所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)[1]。生物質(zhì)作為新能源原料的一種，在自然界中分布極廣。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源尤其豐富，各種生物質(zhì)資源總量在5. 0×109t 左右[2]。此外，相較于煤炭而言，生物質(zhì)加工產(chǎn)物中硫和灰分含量較低，是一種公認(rèn)的清潔燃料[3]。

生物質(zhì)氣化是指在一定條件下，將生物質(zhì)原料中的碳水化合物轉(zhuǎn)化為 H2、CO、CO2、低分子烴類和炭等混合產(chǎn)物的技術(shù)[4]。生物質(zhì)氣化工藝主要包括: 干燥、熱解、氧化和還原。當(dāng)反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)塔之后，在一定溫度下，含有若干水分的物料與熱源進(jìn)行熱交換，水受熱轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵舛鴵]發(fā);之后干燥的物料、水蒸氣進(jìn)入熱解區(qū)，在一定溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)。

CHXOy= n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2+n6CH4

(1)

生物質(zhì)氣化主要生成 C、H2、水蒸氣、CO、CO2和甲烷。隨著塔內(nèi)溫度升高，氣化產(chǎn)物與氣化劑相互作用，發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，CO、甲烷氧化為CO2，C 與高溫水蒸氣發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生成CO 和 H2[4]。

3.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)路線

生物質(zhì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單預(yù)處理后，在循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐中完成高效氣化，燃?xì)饨?jīng)過(guò)凈化除塵并使溫度降到400℃后，用高溫燃?xì)廨斔惋L(fēng)機(jī)加壓后送入大型燃煤鍋爐與煤進(jìn)行混燒。

(1)生物質(zhì)原料預(yù)處理系統(tǒng)

循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐以秸稈、稻殼、廢木材、果殼、木屑等為原料，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理后使用。

(2)生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)

在原料儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)，采用螺旋給料機(jī)將卸料裝置內(nèi)的物料給到帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)將物料輸送到氣化爐爐前料倉(cāng)，爐前料倉(cāng)下設(shè)螺旋給料機(jī)，把生物質(zhì)送入氣化爐。

(3)生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)

循環(huán)流化床氣化爐是采用高溫分離循環(huán)流化床、燃用生物質(zhì)秸桿的氣化爐。循環(huán)流化床氣化爐灰能夠?qū)崿F(xiàn)高溫分離，避免進(jìn)入燃煤鍋爐；由于反應(yīng)溫度在氣化爐內(nèi)分布均勻，因此產(chǎn)生的燃?xì)獬煞?、熱值和燃?xì)饬糠浅７€(wěn)定；灰循環(huán)安全易控；運(yùn)行可靠性高，啟動(dòng)迅速；氣化爐內(nèi)流態(tài)化的顆粒流動(dòng)平穩(wěn)，其操作可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)控制。

生物質(zhì)原料都含有一定的灰分，因此氣化過(guò)程中會(huì)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(guò)下游旋風(fēng)分離器從可燃?xì)庵蟹蛛x出來(lái)，灰渣從旋風(fēng)分離器底部排出，送到貯存系統(tǒng)。可燃?xì)鈩t從旋風(fēng)分離器的頂部出來(lái)，進(jìn)入下游的余熱鍋爐[5]。

(4)熱濕燃?xì)饨禍剌斔拖到y(tǒng)

經(jīng)過(guò)除塵后的高溫燃?xì)鉁囟容^高，為滿足燃?xì)饧訅猴L(fēng)機(jī)的要求，使用惰性換熱介質(zhì)把燃?xì)獾臒崃總鬟f給電廠的冷凝水，使燃?xì)獾臏囟冉档綕M足燃?xì)怙L(fēng)機(jī)的要求，燃?xì)獾臒崃坎粨p失，本換熱器置于生物質(zhì)氣化爐的尾部，用于吸收生物質(zhì)氣化爐排出的高溫燃?xì)庵械臒崃?。降溫后的燃?xì)饨?jīng)煤氣加壓風(fēng)機(jī)送入燃煤鍋爐燃燒，由于在以上全部過(guò)程中，燃?xì)馐冀K處于較高溫度，因此沒(méi)有焦油析出，不存在焦油凝結(jié)和管道堵塞問(wèn)題。

4 主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

以10MW機(jī)組為例，主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)見表1。

5 燃?xì)獬煞荼O(jiān)測(cè)及發(fā)電計(jì)量系統(tǒng)

計(jì)量系統(tǒng)對(duì)于生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的。

表1 主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

目前，在燃?xì)鉄崃恳褱?zhǔn)確測(cè)出的情況下有兩種方式進(jìn)行生物質(zhì)熱能轉(zhuǎn)電能的計(jì)算方式[6]：

第一種通過(guò)上一年度火電機(jī)組的煤耗和當(dāng)期綜合廠用電率來(lái)計(jì)算：

生物質(zhì)氣化再燃供電量依據(jù)生物質(zhì)氣化濕熱燃?xì)馓峁┑臒崃颗c該發(fā)電機(jī)組上一年度平均供電煤耗計(jì)算取得：

式中：

Wgk—統(tǒng)計(jì)期內(nèi)生物質(zhì)氣化再燃供電量，kWh；

∑Qd—統(tǒng)計(jì)期內(nèi)熱濕燃?xì)獾臀还崃坷鄯e值，GJ；

bg—由電廠、電網(wǎng)及政府相關(guān)部門確定的上一年度該發(fā)電機(jī)組年平均供電煤耗，g/(kW·h)；

29271—“國(guó)際蒸汽表卡”換算的標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，單位kJ/kg。

第二種通過(guò)鍋爐效率、管道效率、汽機(jī)熱耗進(jìn)行電能計(jì)算：

生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電功率可采用下列模型進(jìn)行計(jì)算：

Nfd=Q×ηb×ηgd/HR

Q=4.1868×Frq×Qnet.rq

式中：

Q—生物質(zhì)燃?xì)馊霠t總熱量，由氣化爐實(shí)際測(cè)量所得，kJ/h

Frq—燃?xì)庀牧?，Nm3/h

Qnet.rq—燃?xì)獍l(fā)熱量，kcal/Nm3

ηb—鍋爐效率，%

ηgd—管道效率，取 99%

HR—汽機(jī)熱耗，kJ/kWh

6 現(xiàn)階段存在的主要問(wèn)題

(1)以在煤粉爐內(nèi)燃燒的方式耦合的技術(shù)，當(dāng)耦合率大于5%以上時(shí)，就會(huì)存在對(duì)煤粉爐的影響，需要對(duì)煤粉鍋爐進(jìn)行調(diào)整改造。

(2)國(guó)內(nèi)生物質(zhì)(秸稈、谷殼、玉米芯等類)受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式影響，造成原材料來(lái)源極不穩(wěn)定，這與歐洲農(nóng)場(chǎng)主的方式有很大區(qū)別。電廠收購(gòu)生物質(zhì)燃料，需要支出的潛藏成本較大。如運(yùn)輸、搬運(yùn)、存儲(chǔ)、摻假等等因素。

(3)生物質(zhì)燃料如果不是加工的半成品，在火電廠的存儲(chǔ)也是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，電廠需要較大的防火等特殊要求的場(chǎng)地。

(4)為提高生物質(zhì)原料供給質(zhì)量，方便電廠存儲(chǔ)，國(guó)內(nèi)采用破碎造粒后的半成品方式解決出路，但是這就明顯加大了耦合發(fā)電的成本。

(5)按照國(guó)外的規(guī)劃，在生物質(zhì)燃料豐富地區(qū)，一般100平方公里的范圍內(nèi)，只能容納一個(gè)生物質(zhì)發(fā)電(包括耦合)項(xiàng)目。為此，前期布點(diǎn)與策劃，也是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

(6)生物質(zhì)發(fā)電計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、方法等這些國(guó)家配套的內(nèi)容，還處于逐漸完善階段。

7 結(jié)論

生物質(zhì)是一種可持續(xù)獲得的綠色資源，利用好生物質(zhì)將對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護(hù)環(huán)境，增強(qiáng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和利用當(dāng)?shù)刭Y源，增加農(nóng)民收入具有重要意義。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)資源分散，堆密度較小，收集運(yùn)輸困難，大部分生物質(zhì)未得到妥善使用。目前在我國(guó)，農(nóng)業(yè)隨意焚燒秸稈，化肥過(guò)量、低效使用，均造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并耗費(fèi)了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規(guī)模推廣的生物質(zhì)高值化處理技術(shù)。與現(xiàn)有的生物質(zhì)直燃電廠發(fā)電項(xiàng)目相比，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)具有電能轉(zhuǎn)換率高、污染物排放低、不新增建設(shè)用地、工藝流程簡(jiǎn)潔、設(shè)備投資費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

[1] 程備久．生物質(zhì)能學(xué)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2008: 1-10．

[2] 劉廣青，董仁杰，李秀金．生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2009: 7-12．

[3] 李延吉，李愛(ài)民，李潤(rùn)東，等．生物質(zhì)富氧氣化產(chǎn)氣特性的實(shí)驗(yàn)研究與灰色關(guān)聯(lián)分析[J]．可再生能源，2004( 6) : 14-17．

[4] 朱錫鋒．生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M]．合肥: 中國(guó)科技大學(xué)出版社，2006．

[5] 倪浩，吳國(guó)強(qiáng)．大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方案分析[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(19):27-38.

[6] 生物質(zhì)氣化再燃發(fā)電計(jì)量?jī)煞N方式介紹[Z].

Co-firingbiomasswithcoaltechnology

Wang Linna

(Datang Environment Industry Group Co., Ltd, Beijing 100098)

this paper briefly introduces the coal-fired biomass power generation technologies currently available domestically, and summarizes the characteristics of different technologies. Biomass gasification coupled power generation technology and its process system, major equipments are introduced in more details while its major problems during the phase of power generation are also briefly analyzed and discussed. An outlook for future biomass gasification technology development is then followed.

biomass; coupled power generation; gasification

X-1

A

2017-08-21; 2017-11-20修回

王琳娜(1988-)，女，碩士，工程師，研究方向：大氣治理脫硫脫硝。E-mail:385967898@qq.com