燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究

劉川川，鞏李明，任燕麗，張強(qiáng)，許鈔俊

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)要求的提出，可再生能源將是未來我國能源的重要發(fā)展方向。生物質(zhì)能作為國際公認(rèn)的零碳可再生能源，具有多種能源化利用方式，其中采用生物質(zhì)氣化技術(shù)與現(xiàn)有燃煤機(jī)組耦合的方式，既便于生物質(zhì)能的電量檢測計(jì)量，又可以依托現(xiàn)有高效燃煤機(jī)組高效替代化石能源消耗，對原燃煤機(jī)組的影響小，同時可以副產(chǎn)生物質(zhì)碳等高附加值產(chǎn)品，在碳中和的背景下具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

東方鍋爐股份有限公司(以下稱“東方鍋爐”)基于在氣化爐及流化床領(lǐng)域積累的雄厚技術(shù)實(shí)力，針對目前國內(nèi)外市場上存在的生物質(zhì)氣化技術(shù)進(jìn)行了廣泛的調(diào)查研究，開發(fā)出了更適合我國國情的燃煤耦合生物質(zhì)正壓空氣流化床氣化爐技術(shù)，并結(jié)合燃煤機(jī)組已有的汽輪機(jī)及回?zé)嵯到y(tǒng)，提出燃?xì)?蒸汽冷卻方案，不僅解決燃煤和生物質(zhì)耦合問題，更進(jìn)一步考慮到利用燃?xì)怙@熱，降低燃煤機(jī)組熱耗進(jìn)而降低煤耗的措施[2]。文章主要基于對生物質(zhì)的氣化特性及燃煤耦合系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了燃煤機(jī)組與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電一體化技術(shù)方案。

1 生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

生物質(zhì)氣化是指生物質(zhì)通過自身部分燃燒產(chǎn)生的熱量將其進(jìn)行熱解反應(yīng)，熱解后產(chǎn)生的生物質(zhì)碳再與氧氣或水蒸氣發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生部分可燃?xì)怏w的過程。生物質(zhì)中揮發(fā)分的含量通?？梢赃_(dá)到50%～70%，具有揮發(fā)分極高的燃料特性，采用生物質(zhì)氣化方式將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃?xì)饪梢猿浞职l(fā)揮生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分的特點(diǎn)。國內(nèi)外的學(xué)者也一直在致力于生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和應(yīng)用，生物質(zhì)氣化技術(shù)目前已經(jīng)成為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用領(lǐng)域最為實(shí)用、廣泛和具備發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù)。

生物質(zhì)氣化技術(shù)根據(jù)氣化介質(zhì)的不同分為空氣氣化、氧氣氣化、空氣-水蒸氣氣化；根據(jù)氣化路線采用的反應(yīng)器型式又可分為固定床氣化工藝、氣流床氣化工藝、流化床氣化工藝(又可分為鼓泡床式和循環(huán)流化床式)。因流化床氣化具備強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)特性，可以使反應(yīng)中的氣固兩相介質(zhì)充分接觸，氣化強(qiáng)度大，床層溫度分布更均勻，燃料適應(yīng)性廣，同時具備容易放大的特性，在燃煤、生物質(zhì)及化工等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)研究統(tǒng)計(jì)顯示，國內(nèi)外大容量的生物質(zhì)氣化工藝普遍采用流化床氣化爐技術(shù)特別是循環(huán)流化床技術(shù)[3]。

國外生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用較早，實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目也較多，特別是歐洲部分可再生能源推廣較好的國家如德國、英國、意大利、荷蘭、丹麥等，其在生物質(zhì)氣化技術(shù)研究及應(yīng)用領(lǐng)域均處于國際領(lǐng)先水平。其生物質(zhì)氣化爐規(guī)模相對較大，主要采用林業(yè)生物質(zhì)燃料為主，具有工藝流程自動化程度高，系統(tǒng)集成度好等特點(diǎn)，項(xiàng)目主要以燃?xì)獍l(fā)電、區(qū)域供熱以及生產(chǎn)高附加值的液體燃料和生物質(zhì)碳為主[4]。我國生物質(zhì)能源研究相對國外起步較晚，在生物質(zhì)氣化發(fā)電及燃?xì)獍l(fā)電等方面我國各高校、科研院所及相關(guān)企業(yè)也開展了相應(yīng)的技術(shù)工藝路線研究，其中，中國科學(xué)院廣州能源所在“十五”期間成功研究開發(fā)了一套4 MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。國內(nèi)自主研發(fā)的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)已經(jīng)解決了一些關(guān)鍵性問題，目前我國生物質(zhì)氣化來源主要以農(nóng)林生物質(zhì)為主，已經(jīng)開發(fā)出以稻殼、玉米秸稈、果樹枝等多種生物質(zhì)為原料的固定床以及流化床氣化爐爐型，成功覆蓋了從1～10 MW等級規(guī)模的氣化發(fā)電系統(tǒng)。我國生物質(zhì)氣化發(fā)電及耦合燃煤技術(shù)在碳中和的背景下正從小型分散化逐步向產(chǎn)業(yè)規(guī)?；较虬l(fā)展[5]。

相對于已有技術(shù)路線，東方鍋爐開發(fā)的正壓空氣流化床氣化爐技術(shù)的主要特點(diǎn)在于：采用全系統(tǒng)正壓(20～30 kPa)設(shè)計(jì)，取消系統(tǒng)運(yùn)行中的重要危險點(diǎn)—高溫燃?xì)庖L(fēng)機(jī)設(shè)備；尾部燃?xì)饨禍夭捎酶鼮楹唵胃咝У娜細(xì)?蒸汽換熱器系統(tǒng)，不產(chǎn)生燃?xì)庀礈鞆U水及其他二次污染物。同時結(jié)合燃煤機(jī)組鍋爐側(cè)改造，實(shí)現(xiàn)燃?xì)怦詈蠐綗?，再燃降氮，燃燒?yōu)化等一體化耦合技術(shù)。

2 正壓空氣流化床氣化工藝技術(shù)方案

針對我國燃煤機(jī)組與生物質(zhì)氣化耦合技術(shù)應(yīng)用的背景及特點(diǎn)，東方鍋爐開發(fā)的正壓空氣流化床氣化技術(shù)方案采用的具體工藝技術(shù)路線為：將破碎或者造粒的生物質(zhì)原料通過正壓給料系統(tǒng)送入循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化爐中完成氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的生物質(zhì)氣化燃?xì)饨?jīng)一級及二級旋風(fēng)分離器進(jìn)行高效除塵，再經(jīng)過燃?xì)?蒸汽冷卻器冷卻到一定溫度后，通過燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)送入現(xiàn)有煤粉爐系統(tǒng)進(jìn)行燃燒，利用現(xiàn)有燃煤機(jī)組的高效發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獾淖罴讶紵谩Ｈ鐖D1所示。本氣化方案的工藝系統(tǒng)主要包含：(1)生物質(zhì)物料的儲存、破碎與輸送系統(tǒng)；(2)生物質(zhì)螺旋給料系統(tǒng)；(3)生物質(zhì)正壓CFB氣化爐系統(tǒng)；(4)燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)；(5)高溫燃?xì)鈨艋拜斔拖到y(tǒng)；(6)燃?xì)夥旨壢紵詈舷到y(tǒng)；(7)灰渣處理系統(tǒng)；(8)電氣自動控制及其他相關(guān)輔機(jī)設(shè)備系統(tǒng)等。

圖1 燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電方案示意圖

2.1 氣化爐系統(tǒng)

氣化爐系統(tǒng)包括氣化爐反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、返料管、氣力返料閥構(gòu)成的物料循環(huán)主回路，旋風(fēng)除塵分離器進(jìn)一步凈化燃?xì)?，如圖2所示。

圖2 氣化爐整體布置圖

在流化床氣化爐內(nèi)，生物質(zhì)一般先經(jīng)歷干燥、干餾、氣化和燃燒幾個過程，在這一過程中會使用到空氣和/或水蒸氣作為氣化劑參與氣化反應(yīng)。綜合考慮氣化反應(yīng)溫度、燃?xì)鉄嶂岛彤a(chǎn)氣率，本方案采用空氣+水蒸氣作為氣化劑。

循環(huán)流化床氣化爐爐內(nèi)物料的循環(huán)以及后端燃?xì)獾妮斔褪峭ㄟ^空氣從布風(fēng)板流化后啟動和維持的。氣化爐配置兩臺送風(fēng)機(jī)，運(yùn)行方式為一運(yùn)一備。啟動階段，返料風(fēng)為空氣，正常運(yùn)行后，返料風(fēng)可在蒸汽與空氣間切換。氣化爐采用正壓運(yùn)行，避免空氣漏入反應(yīng)器，并保證燃?xì)獬隹趬毫Υ笥谌济哄仩t爐膛壓力，且有足夠的裕量克服沿程阻力、保持火焰剛度等。

氣化爐系統(tǒng)整體采用四跨式布置，第一跨布置氣化爐反應(yīng)器。第二跨布置有旋風(fēng)分離器對燃?xì)饧捌鋽y帶的物料進(jìn)行分離，分離下來的物料從旋風(fēng)分離器底部的返料裝置送回氣化爐反應(yīng)器，旋風(fēng)分離器出來的燃?xì)鈴男L(fēng)分離器上部的中心筒及出口煙道進(jìn)入旋風(fēng)除塵分離器進(jìn)行第二次分離。旋風(fēng)除塵分離器布置在第三跨。在旋風(fēng)除塵分離器中分離下來的細(xì)灰通過灰斗、鎖灰器、冷灰器冷卻后通過輸灰裝置送到灰?guī)?，干凈的燃?xì)馔ㄟ^旋風(fēng)除塵分離器中心筒及出口煙道進(jìn)入第四跨布置的燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)。

2.2 燃料儲運(yùn)及上料系統(tǒng)

生物質(zhì)燃料儲運(yùn)及上料系統(tǒng)的功能包括原材料入廠卸料、貯料、上料、除鐵、粉碎、輸送、給料等。在裝置區(qū)新建道路主入口處設(shè)置燃料稱重(過磅)裝置，增設(shè)人員對運(yùn)營的燃料進(jìn)行稱重(過磅)工作。生物質(zhì)被收集運(yùn)送至廠區(qū)后，采用裝載機(jī)或卸料車將生物質(zhì)燃料卸載并輸送到干料棚貯存，再采用裝載機(jī)等設(shè)備上料至鏈板輸送機(jī)，送料至生物質(zhì)綜合破碎機(jī)進(jìn)行粉碎。干料棚內(nèi)卸料和上料處設(shè)置除塵裝置，減少卸料和上料過程中粉塵飛揚(yáng)。在破碎前設(shè)置一級除鐵裝置，清除生物質(zhì)中的鐵屑等雜質(zhì)。破碎好的物料放到受料斗篩網(wǎng)后進(jìn)入受料斗，通過分配螺旋進(jìn)行均勻給料，物料由主皮帶輸送機(jī)送至轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶輸送機(jī)內(nèi)，再經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶輸送機(jī)送至氣化裝置的爐前料倉。

2.3 燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)

氣化爐系統(tǒng)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟燃s800 ℃，若將其直接送入燃煤鍋爐燃燒，則對燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)管道材料、管徑的選擇及相關(guān)閥門的選型提出極高的要求，造成設(shè)備可靠性降低，投資成本增加。因此，技術(shù)路線通常是采用冷卻裝置將燃?xì)鉁囟壤鋮s到大于焦油析出的溫度再送入燃煤鍋爐摻燒。本方案采用系統(tǒng)更為簡單、可回收熱量、提高機(jī)組效率的燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)對燃?xì)膺M(jìn)行冷卻[6]。

燃?xì)庹羝鋮s系統(tǒng)布置在氣化爐系統(tǒng)之后、燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)之前。燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)的蒸汽來自原燃煤機(jī)組的汽輪機(jī)抽汽或者鍋爐側(cè)蒸汽，需根據(jù)項(xiàng)目具體情況來設(shè)計(jì)。相對于常規(guī)導(dǎo)熱油冷卻方式，采用蒸汽直接冷卻燃?xì)饩哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：(1)余熱回收利用系統(tǒng)及控制方式簡單，運(yùn)行及維護(hù)工作量小，節(jié)約成本；(2)燃?xì)饫鋮s器的出口蒸汽可與電廠蒸汽耦合，如供熱蒸汽、工業(yè)用蒸汽等，便于熱量的再利用，提高經(jīng)濟(jì)性；(3)蒸汽(水)具有較高的傳熱系數(shù)和良好的熱力學(xué)特性。同時相比導(dǎo)熱油冷卻方式能較多地降低燃煤機(jī)組的煤耗，更好地發(fā)揮節(jié)煤減碳效果。

2.4 燃?xì)廨斔图叭紵到y(tǒng)

燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)是將氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)廨斔椭铃仩t爐前。燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)前端設(shè)置有除灰疏水等裝置，輸送介質(zhì)是溫度為400～450 ℃、較為干凈的生物質(zhì)燃?xì)?。針對不同類型的鍋爐，燃?xì)馊紵到y(tǒng)有所不同。為滿足生物質(zhì)氣化燃?xì)馀c燃煤鍋爐一體化耦合發(fā)電技術(shù)的要求，結(jié)合鍋爐NOx排放、鍋爐效率、汽溫、煙溫等鍋爐綜合因素，滿足鍋爐整體運(yùn)行的安全性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性，針對常規(guī)燃煤鍋爐的燃?xì)馊紵到y(tǒng)，本研究提出“燃燒區(qū)域+還原區(qū)區(qū)域”的綜合摻燒系統(tǒng)改造方案，即實(shí)現(xiàn)燃燒區(qū)穩(wěn)燃，還原區(qū)降氮的目的。

3 結(jié)語

文章采用的生物質(zhì)正壓空氣流化床氣化爐耦合燃煤發(fā)電技術(shù)，充分利用現(xiàn)有燃煤發(fā)電機(jī)組的大型高效發(fā)電系統(tǒng)，生物質(zhì)氣化耦合后的全廠發(fā)電效率可達(dá)到35%以上，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃機(jī)組的發(fā)電效率(22%～30%)。其特點(diǎn)和優(yōu)勢還在于：(1)循環(huán)流化床氣化爐熱效率高于85%，燃?xì)獾娘@熱也被燃煤發(fā)電鍋爐完全利用，系統(tǒng)整體熱效率高；(2)采用正壓氣化，氣化爐爐壓在20～30 kPa，取消系統(tǒng)運(yùn)行中重大危險點(diǎn)—高溫燃?xì)庖L(fēng)機(jī)，保證燃?xì)饪朔艿垒斔妥枇M(jìn)入燃煤鍋爐中燃燒，提高系統(tǒng)可靠性；(3)采用燃?xì)?蒸汽冷卻方案，充分利用燃?xì)怙@熱。氣化爐產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?00～900 ℃，采用燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)將燃?xì)鉁囟冉档偷?00 ℃以上，燃?xì)?蒸汽冷卻系統(tǒng)中的蒸汽來自原燃煤機(jī)組，吸收燃?xì)鉄崃亢笈c燃煤機(jī)組蒸汽耦合回收利用，提高整個機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；(4)還原性的可燃?xì)?成分主要為CO、H2、CH4)和燃煤混燃，可改善鍋爐燃燒環(huán)境，減少NOx的生成，降低鍋爐煙氣中的NOx排放量；(5)采用農(nóng)林生物質(zhì)(主要是秸稈、果樹枝等)作為燃料，低溫燃燒氣化后排出的灰渣可作為生物質(zhì)碳或草木灰，是優(yōu)良的活性炭來源和有機(jī)肥原料，可通過氣力輸灰和底渣輸送系統(tǒng)收集后綜合利用，具有環(huán)保效益好，附加產(chǎn)物經(jīng)濟(jì)價值高等優(yōu)點(diǎn)[7]。