大型火電耦合生物質氣化發電技術方案

楊春琳

（江蘇省節能工程設計研究院有限公司，江蘇 南京 211100）

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

1 主要工藝設備

在生物質氣化過程中所采用的工藝設備主要包括以下幾個模塊。

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

（2）合成氣降溫與凈化系統。核心設備為換熱器，始終處于高壓狀態，能夠快速降低合成氣的溫度，換熱介質選擇導熱油，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過除塵、脫酸和其它必要的有害物質吸收、吸附工藝。

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

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

2 技術方案

本文以600MW燃煤鍋爐改造耦合1×30MW的生物質氣化發電為例進行分析，并采用靜電除塵、脫酸等一系列的設備脫除污染物，并將生物質氣化后的合成氣送入燃煤鍋爐進行再燃，還原主燃區產生的氮氧化物，降低SCR煙氣脫硝負荷，有效控制污染物的排放量。

生物質氣化采用循環流化床氣化技術，氣化介質和生物質通過熱化學反應生成CO、H2及少量碳氫化合物合成氣。生物質氣化裝置將產生的合成氣作為燃料送入燃煤鍋爐與煤粉一起燃燒發電。

生物質氣化發電工藝流程短，無需再配備汽輪機、發電機、電網輸出及煙氣凈化系統等設備，改造投資成本低、人員配置數量少、占地面積小。

相比常壓、空氣生物質氣化方案，加壓、富氧技術盡管投資略高，但加壓、富氧氣化對生物質的適應性更加靈活多變，能夠擴大原料的應用范圍，并且可以應用于較大規模，使得氣化效率在原有基礎上明顯有所提高，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機，且管徑較小，及時處理了安全隱患。

3 制氣系統

（1）生物質的儲存系統。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。通過這些裝置實現生物質的轉移，使其能夠順利進入振動篩中。在此過程中，還需要過濾生物質料，確保用于生產的均是合格材料，最后需要將合格材料送入加壓進料系統中，最終的儲存位置是常壓料倉，在此過程中所利用的設備是輸送機和皮帶。

（2）加壓進料。料倉中的生物質料需要經過閥門，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的壓強能夠達到0.3MPa，之后再將生物質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移至氣化爐內，直到鎖斗將所有的原料全部卸完，并回歸常壓狀態，之后再次進料并沖壓，采取同樣的方式輸送物料，并持續進行循環處理，直至所有的物料均已完成輸送。

（3）生物質氣化。在整個氣化系統中，氣化爐的作用十分關鍵，其所選擇的爐型為循環流化床，能夠將生物質燃料順利輸送至爐膛反應區，在此過程中是通過加壓實現物料的輸送。同時，裝置底部的空氣和氧氣同樣能夠進入爐膛內，兩者所發揮的是氣化劑的作用，之后就可在爐膛內混合并反應，轉變為流化狀態。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效果十分顯著，能夠進一步加快反應速率，最終所生成的物質包括一氧化碳、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中。二是從燃氣中分離，所利用的設備是分離器，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。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、脫除有害物質和增壓，同時降低輸送設備材質的等級要求，減小設備體積，降低投資成本，需要預先降低合成氣溫度。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。回收的熱量可用于加熱入口空氣和合成氣二次加熱。

（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，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電。需設置必要的合成氣緩沖、貯存系統，如在發電過程中出現突發事故，要切斷與氣化系統之間的聯系，順利實現合成氣的轉移和安全保護。此后根據保護程序，啟動氮氣置換和吹掃程序。

（6）經濟效益。如果年發電量維持不變，在耦合后每年所節省的煤總量為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上減少29.48t /a、14.18 t/a、63.77 t/a、12.33 萬 t/a。生物質氣發電量約為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，之后就可長期穩定獲利，因此采用此種發電技術能夠產生良好的經濟效益，幫助火電廠積累更多的資金，對于擴大火電廠的規模及實現火電廠的長遠發展具有重要作用。

4 存在的問題及改進方法

氣化耦合發電對鍋爐改造的程度較小，可節約投資成本。主要存在的問題在于原材料來源不穩定，并且材料質量難以達標，因此當前需要在此方面進行優化，可建設下游企業，并在材料入場前進行檢測與壓縮處理。此外，還應完善此方面的規范標準，提出明確的生產技術與方法，并且應對材料中轉、運輸、搬運、存儲等多個環節加強管理，制定好防雨與防火措施，有效提高火力發電廠的管理效率，只有這樣才能促使耦合發電技術充分發揮其作用。

5 結語

總之，目前各地區的環境污染較為嚴重，已經成為國家重點關注的問題，這就使得環保要求逐步提高，在這種狀況下必須優化能源結構，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能，實現氣化耦合發電。這種發電機方式能夠有效提高火電廠的經濟效益，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。