大型火電耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)方案

楊春琳

（江蘇省節(jié)能工程設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 211100）

目前，傳統(tǒng)的生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)多采取直燃方式，其缺陷在于發(fā)電效率不高，設(shè)備維護費用高。如充分利用生物質(zhì)氣化技術(shù)，通過改造現(xiàn)有的大型火電廠，耦合運行，將具有操作簡便、成本低等優(yōu)勢，并且占地面積較小，有效提高綜合發(fā)電效率，本文就對此問題進行了具體分析。

1 主要工藝設(shè)備

在生物質(zhì)氣化過程中所采用的工藝設(shè)備主要包括以下幾個模塊。

（1）CFB循環(huán)流化床氣化爐。作為氣化劑的空氣被鼓風(fēng)機推動，由氣化爐底部的布風(fēng)板進入氣化爐，吹動爐內(nèi)炙熱的床料（合適粒徑的河砂或爐渣）以沸騰狀態(tài)運動。燃料由氣化爐下部加入，在高溫狀態(tài)的床料加熱的作用下，與空氣完成氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的燃氣（燃氣）與循環(huán)灰一起在氣化爐頂部進入旋風(fēng)分離器，經(jīng)過氣固分離后，燃氣離開氣化爐，循環(huán)灰和一部份未反應(yīng)的碳由料腿落下，通過返料器進入爐膛繼續(xù)反應(yīng)。由于采用了循環(huán)流化的方式，燃料在爐內(nèi)的停留時間長約為6s左右，可以在較低的溫度下實現(xiàn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。采用先進的循環(huán)流化床技術(shù)，通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)換過程，將品種繁多、理化特性各異的燃料轉(zhuǎn)化為可燃氣體。

（2）合成氣降溫與凈化系統(tǒng)。核心設(shè)備為換熱器，始終處于高壓狀態(tài)，能夠快速降低合成氣的溫度，換熱介質(zhì)選擇導(dǎo)熱油，回收的熱量可用于加熱入口空氣和合成氣二次加熱。減溫后的合成氣依次經(jīng)過除塵、脫酸和其它必要的有害物質(zhì)吸收、吸附工藝。

（3）加壓輸送系統(tǒng)。溫度約處于400℃左右，能夠滿足加壓風(fēng)機的運行要求。燃氣進入爐膛前，必須進行穩(wěn)壓處理，并采取止回流措施，最后借助歧管促使燃氣順利在爐膛內(nèi)燃燒，歧管應(yīng)安裝止回閥。

（4）耦合燃燒器，可采用旋流結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時需要將主要工況下的燃氣量作為依據(jù)。

2 技術(shù)方案

本文以600MW燃煤鍋爐改造耦合1×30MW的生物質(zhì)氣化發(fā)電為例進行分析，并采用靜電除塵、脫酸等一系列的設(shè)備脫除污染物，并將生物質(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)生的氮氧化物，降低SCR煙氣脫硝負荷，有效控制污染物的排放量。

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及少量碳氫化合物合成氣。生物質(zhì)氣化裝置將產(chǎn)生的合成氣作為燃料送入燃煤鍋爐與煤粉一起燃燒發(fā)電。

生物質(zhì)氣化發(fā)電工藝流程短，無需再配備汽輪機、發(fā)電機、電網(wǎng)輸出及煙氣凈化系統(tǒng)等設(shè)備，改造投資成本低、人員配置數(shù)量少、占地面積小。

相比常壓、空氣生物質(zhì)氣化方案，加壓、富氧技術(shù)盡管投資略高，但加壓、富氧氣化對生物質(zhì)的適應(yīng)性更加靈活多變，能夠擴大原料的應(yīng)用范圍，并且可以應(yīng)用于較大規(guī)模，使得氣化效率在原有基礎(chǔ)上明顯有所提高，同時也能夠有效保障鍋爐運行的安全性，并且加壓、富氧氣化無需配置引風(fēng)機，且管徑較小，及時處理了安全隱患。

3 制氣系統(tǒng)

（1）生物質(zhì)的儲存系統(tǒng)。稱取倉庫中原料的重量并進行取樣分析，在明確水分含量及熱值后加以記錄，并進行存儲。在具體生產(chǎn)的過程中，需要用到裝載機、抓斗等多種裝置。通過這些裝置實現(xiàn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，使其能夠順利進入振動篩中。在此過程中，還需要過濾生物質(zhì)料，確保用于生產(chǎn)的均是合格材料，最后需要將合格材料送入加壓進料系統(tǒng)中，最終的儲存位置是常壓料倉，在此過程中所利用的設(shè)備是輸送機和皮帶。

（2）加壓進料。料倉中的生物質(zhì)料需要經(jīng)過閥門，最終儲存于鎖斗中，并確保鎖斗被裝滿，之后對鎖斗進行充壓處理，充壓氣體為氮氣，加壓后必須確保鎖斗內(nèi)的壓強能夠達到0.3MPa，之后再將生物質(zhì)料通過加壓的方式送入料倉中。在此過程中，需要利用下料裝置加以處理，并通過螺旋輸送機將燃料轉(zhuǎn)移至氣化爐內(nèi)，直到鎖斗將所有的原料全部卸完，并回歸常壓狀態(tài)，之后再次進料并沖壓，采取同樣的方式輸送物料，并持續(xù)進行循環(huán)處理，直至所有的物料均已完成輸送。

（3）生物質(zhì)氣化。在整個氣化系統(tǒng)中，氣化爐的作用十分關(guān)鍵，其所選擇的爐型為循環(huán)流化床，能夠?qū)⑸镔|(zhì)燃料順利輸送至爐膛反應(yīng)區(qū)，在此過程中是通過加壓實現(xiàn)物料的輸送。同時，裝置底部的空氣和氧氣同樣能夠進入爐膛內(nèi)，兩者所發(fā)揮的是氣化劑的作用，之后就可在爐膛內(nèi)混合并反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰癄顟B(tài)。此外，通常情況下氣化溫度高于700℃且低于980℃，壓力則介于0.1~0.3MPa之間，并且高溫床的傳熱及傳質(zhì)效果十分顯著，能夠進一步加快反應(yīng)速率，最終所生成的物質(zhì)包括一氧化碳、氫氣、二氧化碳、甲烷、水、氮氣及含有焦油且溫度較高的合成氣。

生物質(zhì)原料中通常會含有一定量的灰分，這就使得氣化時不可避免地會產(chǎn)生灰渣。灰渣有兩個排出途徑，一是從爐底排出并冷卻，最終儲存于貯存系統(tǒng)中。二是從燃氣中分離，所利用的設(shè)備是分離器，之后又會從分離器底部排出，最終的存儲位置同樣是貯存系統(tǒng)。合成氣與灰渣相反，其排出位置是分離器的頂部，最終會進入耦合的煤粉鍋爐中。

（4）熱量回收。氣化爐產(chǎn)生的合成氣溫度較高，通常情況下均高達900℃。為了能夠有效進行除塵、脫除有害物質(zhì)和增壓，同時降低輸送設(shè)備材質(zhì)的等級要求，減小設(shè)備體積，降低投資成本，需要預(yù)先降低合成氣溫度。此外，合成氣必須在換熱器中快速釋放熱量，最終的溫度要求為400℃，確保焦油不會凝析?；厥盏臒崃靠捎糜诩訜崛肟诳諝夂秃铣蓺舛渭訜?。

（5）合成氣輸送、燃燒。處理后，合成氣的氣體流量、溫度及壓力分別是5×104Nm3/h、400℃和0.2MPa。流量的計算可以用鍋爐熱量作為依據(jù)，之后在燃燒器中燃燒定量的合成氣，并通過再燃順利進行發(fā)電。需設(shè)置必要的合成氣緩沖、貯存系統(tǒng)，如在發(fā)電過程中出現(xiàn)突發(fā)事故，要切斷與氣化系統(tǒng)之間的聯(lián)系，順利實現(xiàn)合成氣的轉(zhuǎn)移和安全保護。此后根據(jù)保護程序，啟動氮氣置換和吹掃程序。

（6）經(jīng)濟效益。如果年發(fā)電量維持不變，在耦合后每年所節(jié)省的煤總量為7.5萬t，二氧化硫、煙塵、氮化物及二氧化碳的排放量分別可在原有基礎(chǔ)上減少29.48t /a、14.18 t/a、63.77 t/a、12.33 萬 t/a。生物質(zhì)氣發(fā)電量約為15萬MW，如果每千瓦時的電量為0.75元，采用此種發(fā)電方式每年可幫助火電廠獲取11250萬元的收入。

在配置氣化爐系統(tǒng)的過程中，需要投資1.9億元，收益為7%，用電及原料費用約為6000萬元，由此就可計算出年費用，計算時可直接采用公式（1）。

其中A、P、R、I分別指的是年費用、系統(tǒng)投資金額、維護費用、收益率，n取20年即可。R、P分別為6000萬和19000萬，成本回收需要花費5年的時間，之后就可長期穩(wěn)定獲利，因此采用此種發(fā)電技術(shù)能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益，幫助火電廠積累更多的資金，對于擴大火電廠的規(guī)模及實現(xiàn)火電廠的長遠發(fā)展具有重要作用。

4 存在的問題及改進方法

氣化耦合發(fā)電對鍋爐改造的程度較小，可節(jié)約投資成本。主要存在的問題在于原材料來源不穩(wěn)定，并且材料質(zhì)量難以達標(biāo)，因此當(dāng)前需要在此方面進行優(yōu)化，可建設(shè)下游企業(yè)，并在材料入場前進行檢測與壓縮處理。此外，還應(yīng)完善此方面的規(guī)范標(biāo)準，提出明確的生產(chǎn)技術(shù)與方法，并且應(yīng)對材料中轉(zhuǎn)、運輸、搬運、存儲等多個環(huán)節(jié)加強管理，制定好防雨與防火措施，有效提高火力發(fā)電廠的管理效率，只有這樣才能促使耦合發(fā)電技術(shù)充分發(fā)揮其作用。

5 結(jié)語

總之，目前各地區(qū)的環(huán)境污染較為嚴重，已經(jīng)成為國家重點關(guān)注的問題，這就使得環(huán)保要求逐步提高，在這種狀況下必須優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有效控制污染物的排放量，要想達到此目的，就必須高效利用生物質(zhì)能，實現(xiàn)氣化耦合發(fā)電。這種發(fā)電機方式能夠有效提高火電廠的經(jīng)濟效益，并且投資性價比更加合理，因此可加以推廣。本文就對此問題進行了深入探究。