輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)研究

王澤鵬

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

天然氣被公認(rèn)為是自然界中開采過程最環(huán)保、污染物排放量最低的化石能源，液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)更是以含硫量極低的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)主要指農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，包括秸稈、稻殼、菌袋、枝葉等有機(jī)體，其突出特點(diǎn)就是可再生和資源分布范圍廣泛。在電力行業(yè)中，天然氣的主要應(yīng)用方式是驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電；生物質(zhì)的利用技術(shù)路線較多，包括生物質(zhì)直燃、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)與化石能源摻燒、生物質(zhì)發(fā)酵制沼氣等，其中的生物質(zhì)直燃應(yīng)用成本最低，但發(fā)電效率仍低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組。

本文研究二者耦合發(fā)電的模式，以期兩種能源發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提升系統(tǒng)整體的發(fā)電效率，同時(shí)促進(jìn)生物質(zhì)能源的利用。

1 常規(guī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

輕型燃機(jī)的發(fā)電功率普遍在300～15 000 kW范圍內(nèi)，一般是在成熟的航空發(fā)動機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上研究發(fā)展的[1]，具有設(shè)備體積小、啟動迅速等優(yōu)點(diǎn)。但應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域時(shí)，其發(fā)電效率低、NOx排放高[2]的缺點(diǎn)不容忽視。近年來新建燃機(jī)的規(guī)模大都是E級、F級，甚至是H級重型燃機(jī)，而輕型燃機(jī)只在分布式能源及備用電源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

生物質(zhì)直燃鍋爐中，應(yīng)用最廣泛的是生物質(zhì)爐排型鍋爐(以下簡稱“生物質(zhì)爐排爐”)和循環(huán)流化床鍋爐。國外生物質(zhì)直燃應(yīng)用中，大都采用生物質(zhì)爐排爐的技術(shù)路線，以丹麥水冷震動爐排爐最為先進(jìn)。我國由于燃料特點(diǎn)和NOx排放等原因，新建電廠較多采用循環(huán)流化床鍋爐[3]。但循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)需要不斷添加循環(huán)床料，這將導(dǎo)致灰渣和飛灰中混入大量的床料，原本可以用于生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料或直接回填的生物質(zhì)灰將無法利用。另外，鍋爐對燃料粒徑和雜物的含量要求較高，電廠的燃料適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性較差[4]。

生物質(zhì)爐排爐的燃燒溫度過高、NOx生成量偏高，但燃燒后的生物質(zhì)灰雜質(zhì)含量極低，可作為肥料直接回填至農(nóng)田，符合我國秸稈資源化利用政策。因此，有必要對生物質(zhì)爐排爐的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)簡介

輕型燃機(jī)排煙溫度較高，通常可達(dá)到450～600 ℃，含氧量也較高，約為12%～15%。傳統(tǒng)燃機(jī)系統(tǒng)中僅利用了排煙中的高品位熱量，煙氣中的大量氧氣攜帶熱量重新回到大氣中，這也是輕型燃機(jī)系統(tǒng)效率較低的原因之一。

生物質(zhì)爐排爐的爐內(nèi)燃燒溫度較高，一般在900～1 200 ℃范圍內(nèi)，最高可達(dá)1 600 ℃。而生物質(zhì)灰熔點(diǎn)較低，一般在1 200～1 400 ℃，爐內(nèi)高溫區(qū)極易結(jié)渣[5]。同時(shí)由于燃燒溫度過高會導(dǎo)致NOx生成量大幅增加，對脫硝系統(tǒng)的效率要求較高。以往工程經(jīng)驗(yàn)中，控制爐內(nèi)燃燒溫度的最佳方案是煙氣再循環(huán)。對于生物質(zhì)爐排爐來說，未除塵的煙氣含塵量很高，對爐排通內(nèi)孔的磨損非常大，而除塵后的煙溫過低，且煙氣含氧量僅有6%左右，重新回到爐內(nèi)會造成鍋爐排煙溫度升高、爐膛容積加大，運(yùn)行中極易導(dǎo)致鍋爐熄火。

本文研究的輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)(以下簡稱“耦合系統(tǒng)”)主要是通過對輕型燃機(jī)的高溫排煙重新利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐的耦合：將輕型燃機(jī)的高溫排煙與生物質(zhì)爐排爐所需的一、二次內(nèi)混合，通過降低爐內(nèi)氧含量的方式控制爐內(nèi)燃燒溫度，從而徹底解決生物質(zhì)爐排爐的結(jié)渣問題，同時(shí)抑制NOx的生成量。燃機(jī)排煙攜帶的熱量和氧量在生物質(zhì)爐排爐內(nèi)得到充分利用，可有效降低排煙熱損失，提高系統(tǒng)效率。

3 耦合系統(tǒng)的主要工藝流程

耦合系統(tǒng)的核心目標(biāo)是解決生物質(zhì)爐排爐普遍存在的結(jié)渣、NOx排放超標(biāo)等問題，同時(shí)提高生物質(zhì)直燃發(fā)電廠的熱效率。主要的工藝流程如下：

1)燃機(jī)排煙再燃燒

天然氣與空氣在輕型燃機(jī)內(nèi)燃燒做功后，排出的高溫?zé)煔馀c熱一次內(nèi)混合后直接通入爐排下方的一次內(nèi)口?；旌虾蟮囊淮蝺?nèi)具有溫度高、含氧量低的特點(diǎn)，能夠快速預(yù)熱爐排上的生物質(zhì)燃料，同時(shí)析出大量揮發(fā)分。與以往的煙道內(nèi)補(bǔ)燃方式不同，燃機(jī)排煙作為主要工質(zhì)將在鍋爐內(nèi)重新參與燃燒，煙氣中的氧量和熱量能夠得到充分利用。

2)二次內(nèi)調(diào)節(jié)燃燒

通過調(diào)整二次內(nèi)與高溫?zé)煔饣旌系谋壤刂茽t內(nèi)燃燒溫度和過量空氣系數(shù)。二次內(nèi)具有溫度和含氧量均略低于傳統(tǒng)方案的特點(diǎn)，鍋爐主燃區(qū)將處于還原性氣氛，燃燒速率下降，溫度下降，在降低NOx生成的同時(shí)，可以大幅緩解爐內(nèi)生物質(zhì)灰結(jié)渣的情況[6]。

3)聯(lián)合脫硝

輕型燃機(jī)排煙中的NOx與生物質(zhì)爐排爐產(chǎn)生的NOx通過選擇性非催化還原(selective noncatalytic reduction，SNCR)脫硝系統(tǒng)一并脫除。輕型燃機(jī)的排煙和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣已完全融合在一起，在鍋爐出口附近的煙溫適宜區(qū)域(850～950 ℃)，通過成本較低的SNCR脫硝系統(tǒng)即可解決NOx超標(biāo)的問題。

4)煙氣余熱利用

由于空預(yù)器出口的一、二次熱內(nèi)需要與燃機(jī)的高溫?zé)煔饣旌希虼?，設(shè)計(jì)時(shí)空氣預(yù)熱器出口內(nèi)溫將大幅降低，從而導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高。通過設(shè)置低溫省煤器，由凝結(jié)水回收煙氣余熱，熱力系統(tǒng)中的汽輪機(jī)抽汽量相應(yīng)減少，機(jī)組的熱耗和汽耗隨之降低。

5)煙氣凈化及排放

低溫?zé)煔庖来谓?jīng)過脫硫塔、除塵器凈化，凈煙氣經(jīng)引內(nèi)機(jī)增壓后通過煙囪排入大氣。耦合系統(tǒng)的主要工藝流程如圖1所示。

圖1 輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)主要工藝流程圖

4 耦合系統(tǒng)運(yùn)行方式

輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合發(fā)電系統(tǒng)共設(shè)兩套發(fā)電機(jī)：一套由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，另一套由蒸汽輪機(jī)驅(qū)動。這樣不僅可以單獨(dú)計(jì)量天然氣發(fā)電量和生物質(zhì)發(fā)電量，便于分別計(jì)算相應(yīng)的上網(wǎng)電價(jià)，同時(shí)能夠避免燃機(jī)系統(tǒng)和生物質(zhì)系統(tǒng)互相干擾，也因此為耦合系統(tǒng)提供了多種運(yùn)行方式的可能，大幅提高電廠的運(yùn)行靈活性。耦合系統(tǒng)主要的運(yùn)行方式有正常運(yùn)行、生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運(yùn)和天然氣系統(tǒng)停運(yùn)三種。

4.1 正常運(yùn)行

耦合系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式即為天然氣和生物質(zhì)燃料同時(shí)消耗，此時(shí)熱力系統(tǒng)全部投運(yùn)，機(jī)組處于額定工況。主要的工藝流程如下：

前置模塊出口的天然氣和壓氣機(jī)出口的高壓空氣在輕型燃機(jī)內(nèi)燃燒并帶動燃機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，高溫?zé)煔饨?jīng)煙道直接進(jìn)入生物質(zhì)直燃爐排型鍋爐下方的一次內(nèi)口，與空預(yù)器出口的熱一次內(nèi)混合后為滾落至爐排的生物質(zhì)燃料進(jìn)行干燥及預(yù)熱，部分燃料在爐排上開始分解并燃燒?？疹A(yù)器出口的二次熱內(nèi)與高溫?zé)煔饣旌虾髧娙霠t膛，對燃燒區(qū)進(jìn)行擾動，同時(shí)補(bǔ)充足夠的氧氣，以保證生物質(zhì)未燃盡部分和中間產(chǎn)物能夠徹底分解并燃燒。在煙溫合適區(qū)域750～850 ℃通過SNCR系統(tǒng)脫除大部分NOx，高溫?zé)煔馀c鍋爐各級換熱器充分換熱后，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)，空氣預(yù)熱器出口的中溫?zé)煔馔ㄟ^低溫省煤器回收余熱，隨后經(jīng)脫硫塔和除塵器進(jìn)入煙囪排至大氣。

4.2 生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運(yùn)

當(dāng)生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運(yùn)、僅采用天然氣為燃料時(shí)，輕型燃機(jī)正常運(yùn)行，爐排爐可作為余熱鍋爐繼續(xù)投運(yùn)，開啟鍋爐的煙氣旁路，此時(shí)仍屬于燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。由于系統(tǒng)內(nèi)輸入熱量大幅減少，鍋爐的蒸汽量也隨之降低，同時(shí)為了克服爐排及煙道的阻力，引內(nèi)機(jī)不能退出運(yùn)行，因此，凈輸出功率將低于同等容量常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的凈出力。此工況系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 輕型燃機(jī)+余熱鍋爐系統(tǒng)流程圖

4.3 天然氣系統(tǒng)停運(yùn)

當(dāng)僅采用生物質(zhì)為燃料時(shí)，燃機(jī)相關(guān)系統(tǒng)退出運(yùn)行，生物質(zhì)爐排爐單獨(dú)運(yùn)行。一、二次內(nèi)的熱源全部來自于空氣預(yù)熱器，此時(shí)低溫省煤器停運(yùn)，形成完整的生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組。此工況系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 生物質(zhì)直燃系統(tǒng)流程圖

結(jié)合以上三種運(yùn)行方式可以做出初步判斷：系統(tǒng)的最大出力為正常運(yùn)行方式，最小出力為生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運(yùn)方式。當(dāng)電廠負(fù)荷率較高時(shí)，主要消耗生物質(zhì)燃料；當(dāng)電廠處于深度調(diào)峰時(shí)段，采用熱值高、來源穩(wěn)定地天然氣作為主燃料。這不僅可以最大程度地利用生物質(zhì)，同時(shí)能夠大幅增強(qiáng)生物質(zhì)電廠的運(yùn)行靈活性，進(jìn)而提高機(jī)組的調(diào)峰能力。

5 耦合系統(tǒng)主要性能參數(shù)及特點(diǎn)

5.1 主要性能參數(shù)

本文以國產(chǎn)某型號輕型燃機(jī)和額定功率為40 MW的生物質(zhì)直燃純凝發(fā)電機(jī)組的前期研究為例，計(jì)算額定工況下耦合系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。該輕型燃機(jī)可采用天然氣和柴油兩種燃料驅(qū)動，單循環(huán)發(fā)電效率29.5%(額定功率7 200 kW)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)40%(額定功率9 760 kW)。壓氣機(jī)的壓比為12.626，排煙溫度551 ℃，背壓2 500 Pa，煙氣含氧量14.27%。該輕型燃機(jī)是一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)備及材料國產(chǎn)化率接近100%的輕型燃?xì)廨啓C(jī)。

某生物質(zhì)直燃發(fā)電廠現(xiàn)有1臺40 MW高溫超高壓、一次中間再熱、濕冷純凝發(fā)電機(jī)組。鍋爐采用丹麥某水冷震動爐排爐，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用國產(chǎn)成熟設(shè)備。鍋爐的額定蒸發(fā)量130 t/h，主蒸汽及再熱器出口蒸汽參數(shù)為13.8/2.82 MPa(g)、540/538 ℃，一次內(nèi)與二次內(nèi)的內(nèi)量比為6：4，爐排入口一次內(nèi)壓為2 000 Pa，二次內(nèi)箱入口內(nèi)壓為5 000 Pa。采用生物質(zhì)散料直接入爐燃燒、人工火把點(diǎn)火的方式，鍋爐熱效率可達(dá)87%，機(jī)組的發(fā)電效率約為40.3%。

通過兩套系統(tǒng)的原始參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，該輕型燃機(jī)的排煙背壓剛好能夠滿足生物質(zhì)爐排爐的一次內(nèi)壓需求(考慮煙道阻力)，二次內(nèi)壓較高，通過煙氣增壓內(nèi)機(jī)可以解決。根據(jù)前文所述的正常運(yùn)行方式(即額定工況)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示。其中，為了便于比較，耦合系統(tǒng)的天然氣與生物質(zhì)燃料消耗量與原系統(tǒng)保持一致。

表1 輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)額定工況下主要性能參數(shù)表

5.2 主要特點(diǎn)

根據(jù)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行方式和主要性能參數(shù)，可以初步分析出耦合系統(tǒng)具有以下四個(gè)主要特點(diǎn)：

1)發(fā)電功率增加。原兩套系統(tǒng)總功率為49 760 kW(輕型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組+生物質(zhì)直燃機(jī)組)，耦合后的系統(tǒng)發(fā)電功率可提高至53 461 kW，增幅為7.44%。這主要是由于燃機(jī)排煙的余壓、余熱、余氧得到了充分利用；

2)發(fā)電效率提升。原兩套系統(tǒng)的發(fā)電效率均為40%左右，耦合后系統(tǒng)的效率可提高至43.22%；

3)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大。以文中提到的“正常運(yùn)行”方式作為機(jī)組額定工況計(jì)算，耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷范圍可擴(kuò)大至7.3%～100%(輕型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷按40%額定工況考慮)，機(jī)組的運(yùn)行靈活性大幅提高，尤其適用于有調(diào)峰需求的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組；

4)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)有所改進(jìn)。耦合系統(tǒng)中的低含氧量煙氣可以降低爐內(nèi)燃燒溫度，減少NOx生成，從而大幅緩解生物質(zhì)爐排爐內(nèi)結(jié)渣和排煙中NOx超標(biāo)的情況。

6 結(jié)語

本文對現(xiàn)有成熟工藝系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性耦合，耦合系統(tǒng)的發(fā)電效率可以提高約3%，同時(shí)機(jī)組的調(diào)峰能力大幅提升，生物質(zhì)爐排爐普遍存在的爐內(nèi)結(jié)渣和排煙中NOx超標(biāo)的問題有望從根本上解決。

燃機(jī)排煙溫度較高，在與內(nèi)壓較高的二次內(nèi)混合時(shí)，需要通過熱煙增壓內(nèi)機(jī)升壓，內(nèi)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境較為苛刻。輕型燃機(jī)與生物質(zhì)爐排爐的運(yùn)行負(fù)荷需要同步調(diào)節(jié)，這對聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的要求較高，需要進(jìn)一步探討耦合系統(tǒng)的控制邏輯。本文僅對耦合系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，下階段需要與設(shè)備制造廠進(jìn)一步配合，考慮負(fù)荷變化時(shí)對主、輔機(jī)的影響，同時(shí)對系統(tǒng)的造價(jià)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)合理性。