燃煤生物質耦合發電技術簡介

王琳娜

(大唐環境產業集團股份有限公司， 北京 100098)

燃煤生物質耦合發電技術簡介

王琳娜

(大唐環境產業集團股份有限公司， 北京 100098)

對目前國內燃煤生物質耦合發電技術進行介紹，分析不同技術的特點。重點介紹生物質氣化耦合發電技術、工藝系統、主要設備，分析和論述了當前生物質氣化耦合發電現階段問題，并對今后生物質氣化技術的發展趨勢和主要方向進行了展望。

生物質；耦合發電； 氣化

生物質是一種可持續獲得的綠色資源，利用好生物質將對我國能源結構轉型，減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護環境，增強企業經濟效益，利用當地資源，增加農民收入具有重要意義。但由于生物質資源分散，堆密度較小，收集運輸困難，大部分生物質未得到妥善使用。目前在我國，農業生產中，隨意焚燒秸稈，化肥過量、低效使用，均造成了嚴重的環境污染，并耗費了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規模推廣的生物質高值化處理技術。生物質耦合發電是目前最高效、最清潔的利用生物質的技術路線，也是電力“十三五”規劃重點推薦的技術路線。

1 主要技術路線

生物質耦合發電技術目前主要有以下三種方式。

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

(2)生物質燃燒鍋爐直接產生蒸汽，此部分蒸汽可以送入煤粉爐再熱器內或送到汽輪機低壓缸內的耦合方式，這種耦合方式因為存在相對獨立的生物質鍋爐系統，對燃煤鍋爐燃燒不產生影響，但是系統復雜，投資造價要高；華電十里泉電廠140MW機組采用此方法。

(3)生物質氣化產生的燃氣與煤混合燃燒，該技術是目前國內開展生物質耦合發電的主要應用技術，這種方式需要將生物質燃氣總量控制在一定范圍內，否則將會對燃煤鍋爐產生影響。國內多采用這種方法。

2 技術特點

2.1 直燃發電

直燃發電可以根據處理規模靈活調整，能夠處理規模較大的項目，生物質適應范圍較廣，可適用各種生物質原料，加工也較為簡單；因生物質直燃電廠規模較小，不適宜配高功率參數發電機，綜合發電效率約為21%～25%。因綜合發電效率低，燃料消耗較大，發同樣的電比生物質氣化發電多消耗生物質約30%。

2.2 混燃耦合發電

混燃耦合發電處理規模較小，由于混燃后容易結焦，對鍋爐影響較大，因此國內使用范圍很小，與大型燃煤鍋爐結合利用高參數鍋爐及發電系統發電，綜合發電效率為30%左右。

2.3 生物質氣化耦合發電

生物質氣化耦合發電處理規模較大，在國內已經有成熟的運行經驗，與大型燃煤鍋爐結合利用高參數鍋爐及發電系統發電，綜合發電效率為32%～37%；燃料消耗相對于直燃發電消耗較少，采用流化床技術，理論上原料適應性強，只須建立生物質氣化爐及其輔助系統，可燃氣直接并入原電廠燃煤鍋爐，氣化爐采用絕熱結構，采用耐磨耐火材料，穩定可靠。系統沒有產生新的二次污染，不產生廢氣和廢水的排放。

在國內，生物質氣化耦合發電，無論技術成熟度、投資性價比、處理規模以及操作運行方面，具有顯著的優勢，將成為今后重點發展的方向。

3 生物質氣化技術

3.1 生物質氣化技術原理

生物質是指自然界中所有微生物、動植物以及這些生命體排泄、代謝所產生的有機物質[1]。生物質作為新能源原料的一種，在自然界中分布極廣。我國是農業大國，生物質資源尤其豐富，各種生物質資源總量在5. 0×109t 左右[2]。此外，相較于煤炭而言，生物質加工產物中硫和灰分含量較低，是一種公認的清潔燃料[3]。

生物質氣化是指在一定條件下，將生物質原料中的碳水化合物轉化為 H2、CO、CO2、低分子烴類和炭等混合產物的技術[4]。生物質氣化工藝主要包括: 干燥、熱解、氧化和還原。當反應物料進入反應塔之后，在一定溫度下，含有若干水分的物料與熱源進行熱交換，水受熱轉變為水蒸氣而揮發;之后干燥的物料、水蒸氣進入熱解區，在一定溫度下發生熱分解反應。

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

(1)

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

3.2 生物質氣化技術路線

生物質經過簡單預處理后，在循環流化床生物質氣化爐中完成高效氣化，燃氣經過凈化除塵并使溫度降到400℃后，用高溫燃氣輸送風機加壓后送入大型燃煤鍋爐與煤進行混燒。

(1)生物質原料預處理系統

循環流化床生物質氣化爐以秸稈、稻殼、廢木材、果殼、木屑等為原料，對其進行預處理后使用。

(2)生物質燃料輸送系統

在原料儲存倉庫，采用螺旋給料機將卸料裝置內的物料給到帶式輸送機，帶式輸送機將物料輸送到氣化爐爐前料倉，爐前料倉下設螺旋給料機，把生物質送入氣化爐。

(3)生物質循環流化床氣化系統

循環流化床氣化爐是采用高溫分離循環流化床、燃用生物質秸桿的氣化爐。循環流化床氣化爐灰能夠實現高溫分離，避免進入燃煤鍋爐；由于反應溫度在氣化爐內分布均勻，因此產生的燃氣成分、熱值和燃氣量非常穩定；灰循環安全易控；運行可靠性高，啟動迅速；氣化爐內流態化的顆粒流動平穩，其操作可以實現連續、自動控制。

生物質原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會產生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統；另一部分灰渣則可通過下游旋風分離器從可燃氣中分離出來，灰渣從旋風分離器底部排出，送到貯存系統?？扇細鈩t從旋風分離器的頂部出來，進入下游的余熱鍋爐[5]。

(4)熱濕燃氣降溫輸送系統

經過除塵后的高溫燃氣溫度較高，為滿足燃氣加壓風機的要求，使用惰性換熱介質把燃氣的熱量傳遞給電廠的冷凝水，使燃氣的溫度降到滿足燃氣風機的要求，燃氣的熱量不損失，本換熱器置于生物質氣化爐的尾部，用于吸收生物質氣化爐排出的高溫燃氣中的熱量。降溫后的燃氣經煤氣加壓風機送入燃煤鍋爐燃燒，由于在以上全部過程中，燃氣始終處于較高溫度，因此沒有焦油析出，不存在焦油凝結和管道堵塞問題。

4 主要設備及技術參數

以10MW機組為例，主要設備及技術參數見表1。

5 燃氣成份監測及發電計量系統

計量系統對于生物質循環流化床氣化耦合發電系統是非常重要的。

表1 主要設備及技術參數

目前，在燃氣熱量已準確測出的情況下有兩種方式進行生物質熱能轉電能的計算方式[6]：

第一種通過上一年度火電機組的煤耗和當期綜合廠用電率來計算：

生物質氣化再燃供電量依據生物質氣化濕熱燃氣提供的熱量與該發電機組上一年度平均供電煤耗計算取得：

式中：

Wgk—統計期內生物質氣化再燃供電量，kWh；

∑Qd—統計期內熱濕燃氣低位供熱量累積值，GJ；

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

29271—“國際蒸汽表卡”換算的標準煤低位發熱量，單位kJ/kg。

第二種通過鍋爐效率、管道效率、汽機熱耗進行電能計算：

生物質燃氣發電功率可采用下列模型進行計算：

Nfd=Q×ηb×ηgd/HR

Q=4.1868×Frq×Qnet.rq

式中：

Q—生物質燃氣入爐總熱量，由氣化爐實際測量所得，kJ/h

Frq—燃氣消耗量，Nm3/h

Qnet.rq—燃氣發熱量，kcal/Nm3

ηb—鍋爐效率，%

ηgd—管道效率，取 99%

HR—汽機熱耗，kJ/kWh

6 現階段存在的主要問題

(1)以在煤粉爐內燃燒的方式耦合的技術，當耦合率大于5%以上時，就會存在對煤粉爐的影響，需要對煤粉鍋爐進行調整改造。

(2)國內生物質(秸稈、谷殼、玉米芯等類)受到農業生產形式影響，造成原材料來源極不穩定，這與歐洲農場主的方式有很大區別。電廠收購生物質燃料，需要支出的潛藏成本較大。如運輸、搬運、存儲、摻假等等因素。

(3)生物質燃料如果不是加工的半成品，在火電廠的存儲也是一個不可忽視的問題，電廠需要較大的防火等特殊要求的場地。

(4)為提高生物質原料供給質量，方便電廠存儲，國內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電的成本。

(5)按照國外的規劃，在生物質燃料豐富地區，一般100平方公里的范圍內，只能容納一個生物質發電(包括耦合)項目。為此，前期布點與策劃，也是個不可忽視的問題。

(6)生物質發電計量的標準、技術、方法等這些國家配套的內容，還處于逐漸完善階段。

7 結論

生物質是一種可持續獲得的綠色資源，利用好生物質將對我國能源結構轉型、減少CO2、SO2和煙塵的排放量，保護環境，增強企業經濟效益和利用當地資源，增加農民收入具有重要意義。國內生物質資源分散，堆密度較小，收集運輸困難，大部分生物質未得到妥善使用。目前在我國，農業隨意焚燒秸稈，化肥過量、低效使用，均造成了嚴重的環境污染，并耗費了地方政府很大精力。要徹底解決上述難題，急需一種可大規模推廣的生物質高值化處理技術。與現有的生物質直燃電廠發電項目相比，生物質氣化耦合發電技術具有電能轉換率高、污染物排放低、不新增建設用地、工藝流程簡潔、設備投資費用低等優勢。

[1] 程備久．生物質能學[M]．北京: 化學工業出版社，2008: 1-10．

[2] 劉廣青，董仁杰，李秀金．生物質能源轉化技術[M]．北京: 化學工業出版社，2009: 7-12．

[3] 李延吉，李愛民，李潤東，等．生物質富氧氣化產氣特性的實驗研究與灰色關聯分析[J]．可再生能源，2004( 6) : 14-17．

[4] 朱錫鋒．生物質熱解原理與技術[M]．合肥: 中國科技大學出版社，2006．

[5] 倪浩，吳國強．大型火電耦合生物質氣化發電技術方案分析[J]．科技創新與應用，2017(19):27-38.

[6] 生物質氣化再燃發電計量兩種方式介紹[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