沼氣與燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式

李建鋒，冷 杰，趙 明，柴曉軍，黃海濤

(1．中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京市100761;2．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽市110006;3．云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明市650217)

0 引 言

根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計資料，截止2013年底，我國單機容量6 MW 以上的燃煤火力發(fā)電機組裝機總容量為78 621 萬kW，占全國總裝機容量的63.03%;2013年全年6 MW 以上的燃煤火力發(fā)電機組發(fā)電量為39 474 億kW·h，占全國總發(fā)電量的73.82%。按照我國2013年平均供電煤耗321 g/(kW·h)估算，我國單機容量6 MW 以上火電機組消耗標煤總量高達12.67 億t，給我國的能源供應與環(huán)境保護帶來了極大的壓力。因此，降低燃煤消耗是目前發(fā)電行業(yè)所面臨的重要問題。

目前人們不斷采取各種技術措施來降低發(fā)電燃煤消耗，比如大力發(fā)展高參數(shù)大容量的火電燃煤機組［1-3］、研究開發(fā)新的降低廠用電技術［4-5］、充分利用發(fā)電機組的余熱等［6-7］。而大力發(fā)展新能源與可再生能源也是降低燃煤消耗的一個有效手段。在新能源與可再生能源中，因為我國擁有豐富的生物質資源，所以，高效開發(fā)利用生物質資源成為替代燃煤發(fā)電的一個重要方式。

生物質是指由植物、動物或微生物等生命體所合成，并可再生的或可循環(huán)的有機物質(不包括多年生的用材林)的總稱。通常把用作能量轉化的生物質分為三大類:農(nóng)業(yè)廢棄物，所有與種植業(yè)和莊稼處理過程有關的廢棄物，如稻谷殼、秸稈和動物糞便等;木材殘余物，涵蓋所有來源于木材和木材產(chǎn)品的物質，材、木炭、廢棄木材和森林的殘余物等;城市垃圾，包括紙屑、紡織廢物、廢棄食物、城市污水等。我國的生物質資源以農(nóng)林廢棄物為主。據(jù)統(tǒng)計，中國農(nóng)作物秸稈資源總量6 億多t，每年的林業(yè)生物質總產(chǎn)量為8 億～10 億t，其中可作為能源利用的林業(yè)生物量為3 億t 以上，折合標準煤約2 億t［8］。

由于生物質資源本身的特性，給生物質的收集、運輸與儲存帶來了很大的困難。根據(jù)不同地區(qū)的運價水平，一般生物質運輸超過50 km 以上，其經(jīng)濟競爭力將大幅下降，即使已經(jīng)采用了壓縮成型技術。所以，各地在利用生物質進行發(fā)電的時候，要根據(jù)當?shù)氐馁Y源以及電力需求的特點，因地制宜，采取合理的發(fā)電方式。

1 生物質主要發(fā)電方式

1.1 生物質直燃發(fā)電

生物質直燃發(fā)電是指生物質在鍋爐內通過直接燃燒的方式來產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，蒸汽驅動汽輪發(fā)電機進行發(fā)電的方式。根據(jù)燃燒過程中是否混有燃煤，又可以細分為純燃生物質發(fā)電和混燃生物質發(fā)電。

1.1.1 純燃生物質發(fā)電

作為純燃生物質發(fā)電的電廠，首先，由于生物質的密度較小，考慮到生物質的收集、儲存以及運輸?shù)纫蛩?，裝機容量不可能太大，導致純燃生物質的機組效率較低;其次，對于純燃生物質的鍋爐而言，其對生物質的種類有一定的限制，而生物質資源中，秸稈資源是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點所決定的，所以建成的純燒秸稈發(fā)電廠，不僅受限于秸稈的季節(jié)性，還受制于當?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品市場的變化;第三，生物質純燃對生物質的含水量有較大的要求，所以濕度較大的生物質在電站運行中會受到較大限制;第四，生物質在燃燒過程中，除了鉀元素等部分營養(yǎng)物質之外，氮元素等有效物質基本上隨著煙氣排放而浪費;第五，由于建成的生物質電廠對生物質需求量較大，所以往往面臨原材料漲價的問題，給電廠經(jīng)營帶來困難;最后，純燃生物質的鍋爐因為面臨較嚴重的堿金屬腐蝕，所以受熱面更換頻繁，給電廠帶來較大的額外維護費用。

但是因為有國家較大力度的電價補貼，所以我國目前純燃生物質項目較多。截止2011年底，我國生物質發(fā)電的裝機總容量已經(jīng)高達559 萬kW，總發(fā)電量為233 億kW·h。

1.1.2 混燃生物質發(fā)電

生物質混燃發(fā)電一定程度上可以解決純燃生物質發(fā)電所面臨的問題:(1)生物質通過在大機組中燃燒發(fā)電可以獲得更高的發(fā)電效率;(2)對生物質資源量限制不大，摻燒量可以根據(jù)當?shù)厣镔|資源的豐富程度以及價格靈活掌握;(3)生物質粉碎以后，對其種類選擇性不強;(4)由于燃煤煙氣中含有SOx、NOx等酸性物質，鍋爐受熱面所面臨的堿金屬腐蝕問題大大減輕，同時由于生物質中含硫量較低，所以可以降低煙氣中的SOx濃度［9］;(5)如果采用循環(huán)流化床鍋爐機組進行摻燒，鍋爐設備幾乎無須任何改造。在國外，尤其是歐洲，生物質混燃發(fā)電方式是較為普遍的一種利用方式［10］。但是，與純燃生物質方式相比，唯一的問題就是生物質燃燒后的灰分因為和燃煤灰分混在一起，無法作為肥料進行利用。

在我國，由于目前沒有明確的政策支持，所以除了個別電廠或作為科研項目之外［9，11-12］，很少有長期運行的生物質混燃發(fā)電機組。

1.2 生物質氣化發(fā)電

生物質氣化發(fā)電是指通過熱化學的方法或生物分解的方式將生物質轉化為氣態(tài)燃料，然后利用氣態(tài)燃料進行發(fā)電。

1.2.1 熱化學氣化發(fā)電

熱化學氣化的工藝方案一般由原料處理裝置、燃氣發(fā)生裝置、燃氣凈化裝置、電控系統(tǒng)及廢水處理設備等6 部分組成。為提高能源利用率，還可增加余熱鍋爐，實現(xiàn)燃氣－蒸汽(熱水)聯(lián)合工藝。氣化后的灰渣仍然可以作為農(nóng)作物肥料使用。

理論上，氣化氣經(jīng)過凈化以后，可以采用聯(lián)合動力循環(huán)的方式發(fā)電，這樣發(fā)電效率較高，但是在實際生產(chǎn)過程中，為節(jié)省成本，氣化過程一般用空氣作為氣化介質，所以氣化氣的熱值不高，往往只能作為電站鍋爐燃料進行發(fā)電，大大限制了該種方式的應用。

1.2.2 沼氣化發(fā)電

將生物質沼氣化進行發(fā)電是目前最適合生物質能開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展的一種方式［13］。該種發(fā)電方式由于主要采用內燃機或燃氣輪機進行發(fā)電，裝機規(guī)模幾乎與發(fā)電效率沒有關聯(lián)性，完全可以根據(jù)當?shù)厣镔|資源量的大小靈活選擇。此外，生物質發(fā)酵后的沼渣是一種很好的有機肥料，在化肥大行其道的今天，大力提倡使用有機肥對于提高農(nóng)作物的品質，保障人們身體健康有著重要的現(xiàn)實意義［14］。

同時，在生物質發(fā)酵工藝中，除了林業(yè)廢棄物以外，對絕大多數(shù)的農(nóng)業(yè)廢棄物都是適用的，而且對于發(fā)酵原材料的含水量沒有要求，蔬菜殘余物等均可以得到較好的利用，不僅有效緩解了生物質資源的季節(jié)性限制，更是大大改善了蔬菜生產(chǎn)區(qū)的環(huán)境衛(wèi)生，同時也解決了農(nóng)村的生活垃圾問題。

采用沼氣發(fā)電在垃圾、糞便處理上已經(jīng)有大量成功的案例。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國大型沼氣池技術已經(jīng)成熟，并已經(jīng)得到了迅速的推廣［14］。但到目前為止，我國大型沼氣池基本都用于養(yǎng)殖場或者工業(yè)生產(chǎn)廢棄物的處理，由于原材料含水量的限制，多采用中溫發(fā)酵方式，產(chǎn)氣速度與發(fā)酵效率不是很高。

利用已經(jīng)成熟的大型沼氣池技術，采用高溫發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，然后通過內燃機組、余熱鍋爐以及汽輪機組等設備聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，同時沼渣生產(chǎn)有機肥的生物質利用技術路線，盡管相比單純的內燃機發(fā)電效率有所提高，但還有進一步提升的空間，而且該種方式所面臨的最大問題是系統(tǒng)較為復雜，所以投資較高［13］。

2 沼氣與燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

為了進一步提高沼氣發(fā)電的效率，降低其投資造價，采用沼氣與現(xiàn)有燃煤電站聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式可能是更好的選擇，該種發(fā)電方式系統(tǒng)見圖1。

圖1 沼氣與燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示意圖Fig.1 Schematic plan of methane and coal-fired combined cycle power generation

在該系統(tǒng)中，生物質經(jīng)過簡單粉碎以及預處理后進入沼氣池進行高溫發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣采用聯(lián)合循環(huán)的方式進行發(fā)電。首先利用沼氣發(fā)動機去發(fā)電，然后將沼氣發(fā)動機排出的高溫煙氣送入鍋爐的爐膛，作為鍋爐的二次風。如果鍋爐為循環(huán)流化床鍋爐，還可以作為鍋爐的流化風使用，以降低鍋爐本身風機的電耗。汽輪機的排汽余熱可以加熱沼氣池，以維持沼氣的高溫狀態(tài)。沼氣池發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的大量沼渣經(jīng)過簡單處理后作為有機肥就地銷售給當?shù)氐霓r(nóng)民，促進當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。

對于該系統(tǒng)，因為沼氣發(fā)動機的煙氣直接排入鍋爐爐膛，所以會導致鍋爐空預器煙氣流量增加，此時，如果不對空預器進行改造，一定程度上會改變鍋爐的排煙溫度。圖2 給出了鍋爐空預器的熱平衡圖，圖2(a)為鍋爐原來空預器的熱平衡圖，圖2(b)為增加了煙氣流量后的空預器熱平衡圖。

圖2 空預器熱平衡示意圖Fig.2 Schematic plan of heat balance of air pre-heater

在圖2(a)中，不考慮空預器的散熱與漏風，根據(jù)熱平衡有:

式中:m·a為鍋爐空氣質量流量;ca為空氣比熱;t 為鍋爐原來的熱風溫度;t0為環(huán)境空氣溫度;m·g為鍋爐煙氣質量流量;cg為煙氣比熱;tgi為空預器進口煙氣溫度;tgo為鍋爐原排煙溫度;k 為空預器總換熱系數(shù);A為空預器總換熱面積;Δt 為空預器原來的對數(shù)換熱溫差。

在圖2(b)中，如果不改造鍋爐空預器，并假設空預器的換熱系數(shù)不變，根據(jù)熱平衡有:

式中:t'為煙氣流量增加后的熱風溫度;m·f為沼氣發(fā)動機的煙氣流量;Δt'為煙氣流量增加后的換熱溫差;tb為煙氣流量增加后的排煙溫度。

因此，可以根據(jù)式(1)和式(3)計算出在不改造空氣預熱器的情況下，煙氣流量增加后空預器的熱風溫度和排煙溫度。

如果不改造空氣預熱器，增加煙氣流量后勢必會增加排煙溫度，這會造成一部分熱量沒有得到有效利用。因此假定沼氣發(fā)動機的效率為ηf，發(fā)動機的排氣溫度為tf，鍋爐機組的發(fā)電效率為ηb，那么沼氣的發(fā)電總效率為

式中:Q 為沼氣的低位發(fā)熱量;m·為沼氣質量流量。

如果沼氣發(fā)動機煙氣流量較大，為了保持鍋爐的排煙溫度不變，對空氣預熱器進行改造后的沼氣發(fā)電總效率為

因為沼氣發(fā)動機的過量空氣系數(shù)一般較大，所以排氣中還含有較多的氧氣，可以作為鍋爐的一次風或二次風，從而減少風機的部分電耗。但是因為排氣背壓對沼氣發(fā)動機的功率還有一定的影響，所以準確的計算比較復雜，因此為了計算過程的簡單，在本文中并不計算這部分節(jié)省的電量。

3 系統(tǒng)性能計算

3.1 系統(tǒng)參數(shù)選擇

目前我國火力發(fā)電機組的主流單機容量逐漸從300 MW 向600 MW 過渡，所以在本文中，以某600 MW機組為例，對沼氣發(fā)動機與燃煤機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率進行計算。

表1 給出了某600 MW 機組的部分性能指標參數(shù)［15］。一般火電機組的管道效率取99%，所以根據(jù)表1 中的參數(shù)可以計算出火電機組的發(fā)電效率為42.94%。

表1 某600 MW 火電機組部分性能參數(shù)Tab.1 Part performance parameters of a 600 MW thermal power unit

對于沼氣發(fā)動機而言，目前有2 種類型可供選擇，即燃氣輪機和內燃機。表2 給出了國產(chǎn)某型內燃機與進口某型燃氣輪機的部分性能指標。

由表2 可知，內燃機價格較便宜，維護方便，而且單機容量小，因此可以根據(jù)當?shù)氐纳镔|資源總量靈活選擇沼氣發(fā)電機的總裝機容量。但是因為活塞缸需要冷卻，所以冷卻水所帶走的熱量幾乎可以占到總輸入熱量的1/3，而這部分熱量因為溫度較低，幾乎沒有利用價值，所以其排氣中所含的熱量較少，對系統(tǒng)效率會有一定的影響，所以后面的討論以燃氣輪機為主。

表2 內燃機與燃氣輪機發(fā)電機組參數(shù)比較Tab.2 Parameters comparison between internal combustion engine and gas turbine

燃氣輪機的小時耗氣量為3 238 Nm3/h，在中高溫發(fā)酵條件下，根據(jù)歐洲大型沼氣站的運行經(jīng)驗，大型工業(yè)化沼氣池的產(chǎn)氣速度最高可以達到2.5 Nm3/(m3·d)，年平均可以達到1.5 Nm3/(m3·d)左右。如果以產(chǎn)氣速度為1.5 Nm3/(m3·d)來計算，需要沼氣池總容積為51 808 m3，為保險起見，沼氣池總容積取60 000 m3。

以小麥秸稈為例，在充分發(fā)酵條件下，即保證足夠長的發(fā)酵停留時間，那么每t 小麥秸稈(干)可生產(chǎn)60%甲烷含量的沼氣432 Nm3［16］，所以每天需要的干秸稈量為179.89 t;按照實際工程中80%的發(fā)酵效率來估算，每天需要秸稈量為224.86 t，年消耗秸稈量為8.2 萬t。

3.2 沼氣發(fā)電效率計算

以表2 中單臺燃氣輪機對表1 中單臺火電機組為例，計算結果見表3。

表3 沼氣發(fā)電效率Tab.3 Methane power generation efficiency

從表3 中可以看出，如果不改造空預器，鍋爐排煙溫度將增加6.02 ℃，這樣盡管不會影響燃煤機組的發(fā)電效率，但是會對燃氣輪機的余熱利用產(chǎn)生較大的影響。而如果對空預器進行適當?shù)母脑?，即增加空預器13.37%的換熱面積，可以使得沼氣總發(fā)電效率提高至51.37%，大大提高了沼氣的利用效率，提高幅度接近10%。因為生物質在發(fā)酵的過程中，并不能完全轉化為沼氣，一般而言，發(fā)酵過程的能量轉換效率為50% ～60%。

4 幾種生物質發(fā)電方式的比較

表4 給出了幾種生物質發(fā)電方式的綜合比較。表4 給出的單位投資成本中，混燃發(fā)電與化學氣化發(fā)電的投資成本均按照輸入鍋爐的熱負荷計算的，而其他投資成本則按照發(fā)電功率來計算。

從表4 中可以看出，除了純燃發(fā)電，其余發(fā)電方式對裝機容量大小都沒有要求，完全可以根據(jù)當?shù)氐纳镔|資源來靈活選擇。

表4 幾種生物質發(fā)電方式比較Tab.4 Comparison of several biomass power generation methods

就能量利用效率來看，采用在大型火力發(fā)電機組中混燃生物質的方式是最高的，投資成本也相對較低。對煤粉鍋爐而言，主要的投資為制粉系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、燃燒器的改造以及燃料儲存?zhèn)}庫改造等。但如果采用循環(huán)流化床鍋爐機組混燃方式，那么鍋爐本身幾乎無須作任何改造，投資成本可以忽略不計［1，3］。

采用化學氣化的方式產(chǎn)生氣化氣，然后利用氣化氣作為鍋爐機組的燃料，發(fā)電效率也比較高，而且鍋爐本身改動方式也較小，不過因為受氣化爐效率影響，其能量利用效率低于直接混燃發(fā)電方式。采用沼氣與燃煤電站聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式盡管總體能量利用效率比混燃方式和化學氣化發(fā)電方式的低，但因為在發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的沼渣可以用來生產(chǎn)有機肥，所以，就生態(tài)環(huán)境保護而言，與沼氣化發(fā)電相同，二者都是比較好的方式。

在電價補貼方面，沼氣與燃煤電站中燃氣輪機所產(chǎn)生的電量無疑可以享受國家的補貼電價，大大增加了電廠的經(jīng)濟效益?；烊及l(fā)電因為無法提供準確的生物質摻燒量而無法得到國家的補貼電價，這也是混燃發(fā)電盡管高效卻無法得到大力推廣的最主要的原因。對于化學氣化發(fā)電，理論上可以計量氣化氣的流量，分析氣化氣的熱值，從而推算出鍋爐機組的發(fā)電量中生物質電量的比例，從而享受補貼電價。但是，燃煤同樣可以氣化，所以仍需要證明燃氣完全是由生物質氣化所產(chǎn)生的。

對于沼氣與燃煤電廠聯(lián)合循環(huán)發(fā)電以及化學氣化發(fā)電這2 種發(fā)電方式而言，還有一個優(yōu)勢就是在一些電廠中，因為點火和助燃需要消耗大量的燃油，而如果燃煤電廠配套了沼氣池或者氣化爐，那么完全可以使用沼氣或秸稈的氣化氣進行點火或助燃，為電廠節(jié)省大量的燃油成本。表5 為中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計的部分耗油較多的電廠。

表5 2012年部分600 MW 電廠油耗指標Tab.5 Oil consumption of some 600 MW power plants in 2012 t

由表5 可知，這些電廠如果能夠采用生物質氣化氣或者沼氣進行點火和助燃，每年節(jié)省的燃油成本或超千萬元。

5 結 語

大力發(fā)展生物質發(fā)電對緩解我國電力供應安全與環(huán)境保護的雙重壓力具有重要的作用。同時生物質資源的開發(fā)利用可以帶動秸稈收集、加工、運輸?shù)认嚓P產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為當?shù)剞r(nóng)民提供較多的就業(yè)機會，增加當?shù)剞r(nóng)民收入，改善當?shù)剞r(nóng)村生活條件和大氣環(huán)境，有力促進當?shù)匦罗r(nóng)村的建設步伐。

沼氣與燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的方式與純燃發(fā)電相比較，其發(fā)電效率較高，同時能夠生產(chǎn)優(yōu)質有機肥;與混燃發(fā)電相比，其能夠享受國家的高額電價補貼;而且還可以利用沼氣替代火電機組的點火以及助燃用油，所以綜合優(yōu)勢明顯。

［1］毛健雄．大容量循環(huán)流化床技術的發(fā)展方向及最新進展［J］．電力建設，2009，30(11):1-7．

［2］張殿軍，尹向梅.1 000 MW 超超臨界褐煤鍋爐的研究與初步設計［J］．動力工程學報，2010，30(8):559-566．

［3］李續(xù)軍．超(超)臨界火力發(fā)電技術的發(fā)展及國產(chǎn)化建設［J］． 電力建設，2007，28(4):60-66，81．

［4］李建鋒，李斌，堯國富，等．燃氣輪機與鍋爐耦合系統(tǒng)提高電廠供電效率的研究［J］．中國電機工程學報，2012，32(14):7-13．

［5］于國強，鄭占國，李斌.300 MW 機組電站鍋爐煙風系統(tǒng)能耗分析與對策［J］．鍋爐技術，2008，39(2):63-67，74．

［6］李建鋒，呂俊復．熱力塔系統(tǒng)用于濕冷火電廠余熱利用及水回收研究［J］．中國電機工程學報，2010，30(23):24-33．

［7］張世鋼，付林，李世一，等．赤峰市基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱示范工程［J］．暖通空調，2010，40(11):71-75．

［8］李建鋒，郝繼紅，呂俊復，等． 循環(huán)流化床鍋爐摻燒生物質前景研究［J］．電站系統(tǒng)工程，2007，23(6):37-39，42．

［9］李斌，李建鋒，高志宏，等.260 t/h 循環(huán)流化床鍋爐秸稈混燒試驗［J］．中國電力，2012，45(6):35-38．

［10］李定凱．對芬蘭和英國生物質—煤混燃發(fā)電情況的考察［J］． 電力技術，2010，19(2):2-8．

［11］寧新宇，李詩媛，呂清剛，等．秸稈類生物質與石煤在流化床中的混燒與黏結機理［J］． 中國電機工程學報，2008，28(29):105-110．

［12］肖軍，段菁春，王華，等． 低溫熱解生物質與煤共燃的結渣、積灰和磨損特性分析［J］． 能源工程，2003(3):9-13．

［13］李建鋒，郝繼紅，呂俊復，等． 秸稈發(fā)酵電廠建設可行性研究［J］，現(xiàn)代化工，2009，29(4):63-67，69．

［14］張玲玲，李兆華，魯敏，等．沼液利用途徑分析［J］． 資源開發(fā)與市場，2011，27(3):260-262．

［15］李建鋒，李斌，呂俊復．渦扇發(fā)動機技術用于降低火電機組廠用電分析［J］．機械工程學報，2012，48(18):137-143．

［16］袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍，等． 生物質能利用原理與技術［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2005．