燃煤耦合生物質發電技改試點項目研究

陳見和

摘 要：燃煤耦合生物質發電是采用氣化技術產生的生物質可燃氣取代部分電站鍋爐用煤，是“生物質可燃氣+煤”耦合發電方式。這種充分利用燃煤機組高發電效率，生物質綜合發電效率遠高于現有的生物質直燃發電效率。大唐桂冠合山發電有限公司擬在現有廠區內規劃建設一套生物質氣化系統，對當地農林廢棄物進行加工氣化，產生的生物質燃氣直接送入現有 670MW 鍋爐，與煤粉混燃發電。

關鍵詞：燃煤 耦合 生物質 發電

一、研究背景及意義

在生物質能的合理利用已經越來越受到重視背景下，大唐桂冠合山發電有限公司（以下簡稱合山發電公司）擬在現有廠區內規劃、設計建設一套生物質氣化系統，對當地農林廢棄物經過加工，然后再進行加壓氣化，產生的生物質燃氣直接送入現有670MW鍋爐，與煤粉混燃發電。

項目建設意義，一是國家能源可持續發展戰略的需要，我國生物質能可再生能源資源豐富，分布廣，可滿足發電、供氣、供熱、制取液體燃料等多種需要，是替代煤炭、彌補油氣供應不足、優化能源結構的一種重要選擇。二是可促進當地經濟發展、增加農民收入，項目每年可增加當地農民收入約3700萬元。三是燃煤耦合生物質發電提高了生物質氣化發電的綜合效率，同時減少溫室氣體、氮氧化物排放，符合循環經濟和環境保護的需要，建設生物質及燃煤鍋爐再燃發電項目可充分利用現有高效發電設備，將原來廢棄的農作物加以有效利用。在保證機組出力的前提下，減少了燃煤消耗的同時也能降低粉塵和SO2等污染物的排放，符合發展循環經濟的理念，有利于環境保護，也不會造成二次污染。同時利用再生能源發電，也可減少隨地焚燒秸稈的現象，避免由于焚燒秸稈造成的環境污染及因此造成的交通事故。

二、現狀分析

（一）項目公司現狀

合山發電公司現有燃煤機組裝機容量1330 MW（2×330MW+ 1×670MW），近幾年隨著煤電和核電裝機的快速發展，加上廣西水電資源豐富，廣西火電機組的利用小時數越來越低;另一方面是廣西的煤炭資源極少，近兩年隨著國家煤炭去產能和對進口煤的限制，廣西的煤炭價格猛漲。如何提高機組的利用小時數、減少發電燃煤成本，是當前合山發電公司最迫切急需解決的兩大問題。

（二）國家對生物質能的政策

生物質能發展十二五規劃指出生物質能具有資源來源廣泛、利用方式多樣化、能源產品多元化、綜合效益顯著的特點。2017年11月27日，國家能源局、環境保護部下發《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》（國能發電力〔2017〕75號），合山發電公司擬根據《通知》要求實施燃煤耦合生物質發電技術改造。

（三）項目周邊生物質資源分布情況

來賓市生物質資源豐富，除農作物秸稈外，近年來蓬勃發展的桉樹種植和加工業又產生了大量的樹皮、邊角料、鋸末等林業廢棄物。項目周邊30公里范圍內可利用的生物質資源量為5.91萬噸（總量11.82萬噸，可利用率50%）;50公里范圍內為25.75萬噸（總量64.38萬噸，減量系數可利用率40%）;100公里范圍內為32.83萬噸（總量93.81萬噸，可利用率35%）。合山市及周邊地區道路通暢、運力充足，完全能滿足擬建項目的燃料運輸需求。合山及周邊地區可收集利用的生物質資源總量遠大于擬建項目的需求量，未來的燃料供應在數量上沒有風險。

三、實踐成效

（一）項目取得的成效

合山發電公司燃煤耦合生物質發電項目已取得《桂冠合山發電有限公司開展燃煤耦合生物質發電技術改造項目可研階段前期工作的批復》（大唐集團規〔2017〕858號）和《國家能源局、生態環境部關于燃煤耦合生物質發電技改試點項目建設的通知》（國能發電力〔2018〕53號）等相關文件，可行性研究報告編制完成且在合山發電公司內審完成。合山發電公司還和武漢天和生態能源有限公司共同完成燃煤耦合生物質發電技術改造項目初步可研報告、和中南電力設計院有限公司共同完成燃煤耦合生物質發電技術改造項目生物質資源調查報告、和上海鍋爐廠有限公司共同完成15MW等級生物質氣化耦合發電項目氣化技術方案。

（二）燃煤耦合生物質發電技術

燃煤耦合生物質發電技術國外已經得到普遍運用，技術比較成熟。國內是近兩年才開始出現試點推廣。目前上海鍋爐廠、東方鍋爐廠、哈爾濱鍋爐廠和武漢天和生態能源有限公司都加大對燃煤耦合生物質發電技術的自主研發力度。其中上海鍋爐廠自主研發的SG-生物質氣化耦合燃煤發電系統技術方案通過國家電力規劃設計總院的評審，東方鍋爐廠的燃煤耦合生物質發電一體化方案通過中國電力企業聯合會、中國機械工業聯合會的評審。

上海鍋爐廠SG-循環流化床生物質氣化工藝是以空氣與水蒸汽的混合氣體為氣化劑，以生物質顆粒為原料，80～90%的生物質原料首先進入固態冷卻器用于燃氣降溫，固態冷卻器內產生的半焦經給料系統從氣化爐下段側面通過料腿送入循環流化床氣化爐，與剩余的10～20%生物質燃料同時進入循環流化床氣化爐氣化，在正壓非催化條件下進行部分氧化反應，氣化溫度為700～750℃，生產以CO、H2、CH4為有效成分的燃料氣，燃料氣從固態冷卻器底部進入，由下往上發生裂解、還原、熱解、脫水等過程，降溫至～400℃，燃料氣通過流量計計量后送入燃生物質鍋爐燃燒。

SG-循環流化床氣化壓力為～30kPa，溫度為～710℃。在此高溫下化學反應速率相對較快，同時在循環流化床內通過排渣量和循環倍率控制顆粒在爐內停留時間。為此，通過在氣化爐出口設置旋風分離器分離被反應氣帶出的顆粒物，旋風分離器分離的顆粒直接進行回爐再氣化，氣化產生的燃料氣經固態冷卻器降溫除塵后清潔度較好，并補充了部分可燃氣組分，如CH4、CO、Tar（g）、H2等，達到了良好的氣化效率，實現較好的工程效果：燃氣熱值高、碳轉化率高、環保效果好。

采用固態冷卻器降溫，系統操作簡單，運行維護成本大大降低。

氣化干法排渣主要采用螺旋冷渣器冷渣后排出氣化爐，間接冷渣具有零黑水產生效果。

在鍋爐燃燒部分，摻燒生物質氣需考慮其發熱量取值范圍、摻燒比例、摻燒的爐膛輸送位置，還包括對燃燒穩定性、燃料燃盡性以及低NOx排放有無影響等;并且需要考慮鍋爐不同負荷下摻燒比例，單臺鍋爐可以摻燒單臺氣化爐的生成量。

武漢天和生態能源有限公司加壓流化床氣化與常壓流化床氣化對比分析得出，加壓到0.1MPa流化床氣化電耗和設備投資略有提高，但從規模上來分析，常壓流化床氣化受設備體積的影響，生物質氣化產生的燃氣送入電站鍋爐實現裝機功率15MW較難實現;另外，常壓流化床氣化中應用了高溫燃氣引風機，對系統穩定運行有影響，而加壓流化床氣化可以避免這一點。從能耗方面，因為加壓流化床氣化提高了氣化效率，加壓流化床氣化后可燃氣為帶壓狀態，可以實現長距離輸送，對系統的設備布置非常有利。

綜合以上比較，只有加壓流化床氣化才能提升裝置處理規模，滿足合山生物質氣化發電項目裝機功率15MW生物質氣化發電項目的要求，且整個裝置投資和能耗變化不大。因而，擬設計的合山電廠生物質氣化項目15MW氣化裝置為加壓流化床氣化。

從目前國內外鍋爐摻燒可燃氣的情況看，該項目鍋爐摻燒生物質氣是可行的，可以使生物質氣達到燃燒充分與燃盡的效果。

合山發電公司1×15MW燃煤耦合生物質發電技術改造項目擬使用正壓空氣流化床氣化技術。使用正壓空氣流化床氣化技術原因之一是國家鼓勵燃煤耦合生物質發電，目的在于兜底消納農林廢棄殘余物，不需要很高的燃氣熱值，空氣氣化即可滿足燃燒需要;二是農林廢棄殘余物原料復雜多變，流化床能較好地適應生物質燃料;三是加壓氣化系統復雜，正壓滿足燃氣輸送有利于簡化系統，提高可靠性。目前上海鍋爐廠、東方鍋爐廠和武漢天和生態能源有限公司都使用正壓空氣流化床氣化技術。

燃氣冷卻方式可使用武漢天和生態能源有限公司推薦的蒸汽冷卻方式或上海鍋爐廠推薦的固定床冷卻方式，雙方各有優缺點。蒸汽冷卻方式的優點是控制方式、運行維護簡單，與汽機耦合經濟性高，傳熱系數高;缺點是需合理控制進口蒸汽溫度、需結合項目的實際情況，考慮蒸汽的取汽點和回汽點。固定床冷卻方式的優點是可提高燃氣品質、生物質氣化率更高;缺點是固定床容量受到技術限制、流化床和固定床之間的物料配合難度較大。另外固態冷卻固態冷卻器出口溫度為400？C，堿金屬已經冷凝為固態，附著在飛灰顆粒或焦炭顆粒的多孔結構中，隨焦炭及二級旋風分離器捕集的顆粒一起排出，再次返回流化床氣化爐。如此多次循環后，焦炭及二級旋風分離的顆粒便富集了堿金屬，但堿金屬的富集量達到一定程度后，連續將焦炭排出系統外，使系統內堿金屬含量達到動態平衡。排出的焦炭可作為高附加值的生物質炭外售。由于導熱油冷卻方式油品質需監控，系統安全性和可靠性低，系統復雜，設備運行及維護工作量較大，導熱油單價高，運行中需定期更換，初始成本及運行成本較高，所以本項目不推薦使用導熱油冷卻燃氣。

計量系統對于燃煤生物質氣化耦合發電系統是非常重要的，發電量的準確計量并得到國家相關部門的認可是取得生物質上網發電補貼的前提。生物質氣化產生的高溫燃氣通過設置在鍋爐前的流量計對體積流量測量和成份進行監測，最終實現對熱量的實時計量。燃煤生物質氣化耦合發電的熱量和電量等信號實現遠傳到電網公司，實時傳輸，便于監督、結算。

（三）項目財務收益

根據中南電力設計院有限公司所做的可行性研究報告，合山發電公司燃煤耦合生物質發電項目在保證企業成本、費用、稅金、盈余公積、企業用于還款的利潤、15 年內還清貸款的前提下，以含稅電價 750 元/MWh 為條件，計算出來的經濟指標均符合電力行業的收益要求。合山發電公司燃煤耦合生物質發電項目的建設投產，能夠提高機組的利用小時數，減少對燃煤的采購，對合山發電公司的效益增長將起到很大推動作用。項目還將促進當地經濟發展、每年可增加當地農民收入約3700萬元。生物質氣化項目，充分開發當地的可再生生物質資源，無疑會推動當地經濟發展，帶動相關產業（如機械制造業、建筑業、交通運輸業和服務業）的發展。

（四）結論

1、本項目建設單位為電力企業，利用生物質氣化燃氣再燃發電，屬于《產業結構調整指導目錄》鼓勵類，并且被列入29項國家重點推廣的低碳技術。項目符合《中華人民共和國節約能源法》、《中華人民共和國可再生能源法》、《可再生能源產業發展指導目錄》、《可再生能源配額制指導意見》和《可再生能源發電有關管理規定》的規定。

2、電廠周邊市縣目前每年各種農林廢棄物產生的生物質量遠超過了生物質氣化發電項目對原料的需求量，電廠建成后的秸稈、桉樹皮等燃料供應是有充分保證的。

3、本項目一方面解決了當地及周邊農林業廢物禁燒難的問題，也刺激生物質產業鏈的發展，增加了更多的就業崗位，并為當地農民增收，對實現綠色產業精準扶貧，保障扶貧工作的推進及可持續性，具有顯著的現實意義;另一方面可減少燃煤消耗、減少污染物的排放量，可見，本項目社會效益和環保效益顯著。

4、本項目使用秸稈、桉樹皮等農林廢棄物進行氣化產生的熱燃氣經除塵和冷卻后送入燃煤電站鍋爐發電，盤活了燃煤電站閑置的發電能力。與傳統的生物質直燃電廠相比，工藝流程短，無需再配備汽輪機、發電機、電網輸出以及煙氣凈化等系統，投資少，占地面積小，而且生物質氣化綜合發電效率達30%以上，生物質燃料可節省20～25%。

5、本項目采用先進加壓流化床氣化技術，將經加工后的生物質燃料轉化成燃氣，氣化效率高，燃氣經除塵后，為了便于管道輸送，對燃氣適當降溫，并且確保少量的焦油不會在管道中冷凝，無焦油污染問題，同時對熱燃氣的顯熱加以利用，提高了能量的利用效率，技術上是可行的。

6、本項目資本金內部收益率為17.8%，滿足公司對項目投資回報率的要求。