國內生物質發電技術方案對比分析

鞏時尚， 張 博， 劉洪鵬， 陳 祿， 趙建明

(1. 中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司， 西安 710032；2. 東北電力大學 教育部油頁巖綜合利用工程研究中心， 吉林吉林 132012)

當前，我國煤炭、石油、天然氣等常規能源造成的燃燒環境污染嚴重，且煤電產能嚴重過剩，清潔可再生能源的開發和利用受到世界各國的高度重視。生物質是典型的分布式可再生清潔能源，其燃燒發電可降低NOx、SO2等污染物的排放量，實現CO2的零排放，是替代煤、石油、天然氣等常規化石能源的可再生清潔能源之一。從國際經驗來看，發展生物質與燃煤混合發電并逐步代替燃煤發電，是加快電力結構轉型升級、治理環境污染的有效手段。

我國生物質資源豐富，每年約4.6億t可供能源化利用，折合2.3億t標煤，但是受到運輸、儲存等因素影響，目前利用率不足10%，仍有很大的發展利用空間[1]。基于目前生物質研究現狀，筆者結合國內外生物質發電經驗總結不同發電技術的優缺點，并對3種生物質電廠爐前給料方案進行分析對比，為不同生物質發電方式以及給料方案的選擇提供參考。

1 燃煤機組耦合生物質氣化發電

在傳統燃煤鍋爐的基礎上，將生物質氣化后的合成氣輸送到燃煤鍋爐進行再燃燒，還原主燃區產生的NOx，降低選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝負荷，不僅節省了燃煤，還減少了SOx、NOx、粉塵和CO2等污染物的排放，有利于生態環境的可持續發展。

生物質氣化目前多采用循環流化床氣化技術，通過將生物質和氣化介質混合后進行熱化學反應生成H2、CO和CnHm等可燃氣體，然后將此合成氣作為燃料直接送入鍋爐與煤粉一起燃燒發電。與傳統的生物質直接燃燒發電相比，耦合氣化發電技術綜合發電效率高，節省生物質燃料可達25%～30%，其工藝流程簡單，無須專門再配置汽輪機、發電機以及煙氣凈化設備等，節省建設成本[2]。同時由于農作物、秸稈等生物質普遍含有大量的Na、K、Cl等元素，在直接燃燒時易存在堿金屬腐蝕、鍋爐結焦等問題，特別是過熱器和空氣預熱器的腐蝕較為嚴重。其中，空氣預熱器腐蝕主要是由于壁面溫度低于煙氣的酸露點，煙氣中的水蒸氣遇冷凝結，煙氣中的氯化物屬強電解質，就會形成氯化物水溶液，嚴重導致空氣預熱器壁面的電解腐蝕。生物質中堿金屬的存在還會導致NOx催化劑的失效，對于鍋爐的安全穩定運行極為不利。

目前國內外生物質氣化發電技術多采用加壓、富氧技術，相較于常壓、空氣耦合發電技術，其對生物質種類適應性強、氣化效率高、合成氣品質好，同時占地面積、燃氣管徑和設備均較小，節省了投資成本，減少了運行過程中的安全隱患，對鍋爐的安全運行提供了保障。

加壓、富氧生物質氣化發電技術的工藝流程見圖1。

圖1 加壓、富氧生物質氣化發電技術流程圖

加壓、富氧生物質氣化發電技術的主要工藝為：將收集的生物質燃料稱重取樣并放置于各倉庫中，在生產過程中通過抓斗機和裝載機等轉運裝置運送到振動篩，利用螺旋輸送機或皮帶裝置將振動篩篩選合格的燃料送入到常壓料倉，常壓料倉中的生物質通過進料閥裝滿鎖斗并用N2對鎖斗進行充壓至0.1～0.3 MPa，然后通過下料裝置進入到加壓給料倉，又通過加壓給料倉下部的螺旋輸送機將生物質料送入到氣化爐中，將氣化爐中生成的可燃氣體送入到余熱鍋爐降溫處理后，直接送入到燃煤鍋爐中燃燒，利用現有的發電系統實現高效清潔發電[3]。

2 生物質直燃發電

生物質燃料直接燃燒發電技術在國際上應用較多，但其研究思路基本一樣，不同點主要是針對不同生物質，爐前給料系統的形式不一樣。目前國內外生物質電廠的主要給料系統有：打包上料+爐前破碎、爐前料倉+二級給料、分料器+一級給料和活底料倉。

2.1 打包上料+爐前破碎

針對秸稈的不同性質，近幾年國內引進丹麥BWE公司技術燃燒黃色秸稈，其方案是將收集到的農作物秸稈打包成捆，再利用抓料機將其通過皮帶輸送裝置送入到高空布置的旋轉破碎機進行解包和破碎，破碎處理好的生物質經底部的螺旋給料機送入到爐膛，而一部分提前破碎好的生物質燃料不經破碎系統直接進入到螺旋給料機(見圖2)。這種上料系統直接在農場里將燃料打包成捆，使得運輸和儲存更加便利，很好地解決了黃色秸稈尺寸長、難于運輸和占地面積大等問題，在丹麥應用比較廣泛。

圖2 打包上料+爐前給料方案流程圖

該套進料系統需要通過傾斜皮帶裝置將成捆的生物質燃料送往破碎機，由于爐前破碎機布置較高、尺寸較大，不利于設備檢修維護；另一方面，皮帶較高的支撐結構增加了建設期間的投資。目前一些生物質電廠將垂直懸置高空的破碎機改成水平布置，節省了皮帶支撐結構的費用，也使得設備檢修維護更加方便安全。

由于該上料系統要求燃料種類單一穩定，不適用于種類復雜的生物質電廠，而我國生物質種類繁多，單一的黃色秸稈分布較廣、集中程度差，從建設投入和運行復雜性等多方面考慮，目前國內沒有大規模的應用這種上料方案。

2.2 爐前料倉+二級給料

爐前料倉+二級給料是目前生物質電廠給料系統采用最多的一種方案，其主要由料倉、底部取料螺旋、給料螺旋等設備組成。主要工作流程為：將一部分收集來的生物質燃料存放至料倉中，另一部分在爐膛燃燒時通過皮帶輸送裝置送到料倉，然后通過料倉底部取料螺旋的軸向轉動提取燃料，將提取的生物質燃料再通過給料螺旋進入到爐膛進行燃燒[4]。目前該方案中燃料的輸送量通過取料螺旋的旋轉速度控制，而給料螺旋僅作為輸送燃料用，一般全速運行。設置給料螺旋主要是解決下料管直接與取料螺旋連接導致的給料距離長、需要的設備強度大問題，增加給料螺旋后，雖然增加了前期投入，但從長遠運營的角度看，降低了堵料等現象，增加了運行安全性，整體回報率較高。

爐前料倉+二級給料方案由于共用位于料倉下方的承載和取料螺旋，該螺旋設備的負擔較大。目前國內對于裝機容量大、料倉尺寸較大的系統，往往在取料螺旋的上部再布置一套承重螺旋，緩解了單個螺旋的承重和取料壓力。目前粵電湛江電廠(2臺50 MW)的爐前上料系統就采用這種方案。

2.3 分料器+一級給料

目前，國內已投產運行的生物質電廠大部分設置有料倉，在實際運行中往往出現堵料現象，為了解決該問題，一些電廠開始嘗試取消料倉的給料方案，其主要流程為：生物質燃料經皮帶輸送至分料器，然后再通過分料器分配給2套懸臂螺旋給料機，進而將生物質燃料輸送至爐膛內燃燒。該進料系統相對于爐前料倉+二級給料方案，利用分料器替代取料螺旋裝置和料倉，使得系統更加簡潔、靈活，減少了燃料輸送過程中可能出現的堵料環節[5]。

料倉的作用主要是防止給料系統突然斷燃料，對爐膛燃燒有一定緩沖作用，使上料皮帶可以實現不間斷上料，也可以在短時間內停運檢修，其運行方式更加靈活。配有料倉的進料系統一般通過料倉底部的螺旋取料裝置控制給料量，而與皮帶的給料速度沒有直接關系，若取消螺旋取料裝置和料倉，則鍋爐給料量與上料皮帶有很大關系，對皮帶的均勻性和連續性也有較高要求。目前，一些國內的廠也開始采用這種方案，但尚無機組投運，須觀察運行效果。

2.4 活底料倉

活底料倉是國際上最初采用的給料方案，我國首臺生物質發電項目(山東十里泉生物質電廠)也采用該給料方案，其主要由料倉、給料管、螺旋收集機、螺旋輸送機、螺旋分配機等設備組成。該方案的主要流程為：料倉底部的螺旋收集機將料倉中的燃料收集后輸送到螺旋輸送機中，然后利用螺旋輸送機將生物質燃料通過分配機分配到多個給料機中，進而送入到爐膛進行燃燒。該進料系統的給料量由螺旋收集機控制，螺旋收集機通過自身軸向旋轉和圍繞料倉中心做圓周轉動這兩種運動，將分散在料倉底部的生物質運送到螺旋輸料機入口。

由于螺旋裝置對設備的耐磨性和強度要求高，需要特殊的材質，設備投資高，并且螺旋分配機一般為多個出料口，在燃料分配過程中均勻性較差，特別在生物質燃料復雜多樣的情況下，實際生產運行過程中對燃料的適應性差。該進料系統在國外應用較多，而由于我國生物質多為農作物秸稈類的生物質，其并不適用。目前國內應用該進料系統的均為早期技術不成熟時建設的幾個生物質電廠。

通過上述生物質電廠進料系統的分析比較可知，爐前料倉+二級給料方案具有技術成熟、不易堵料、燃料適應性強、適合國內生物質特性等優點，可優先考慮。

由于生物質燃料熱值低、水分含量高，在純生物質燃燒發電時，鍋爐爐膛內平均溫度低，蒸汽達不到額定參數，導致鍋爐效率降低；此外，由于生物質中含有大量灰分，在燃燒室容易附著在受熱面上，導致傳熱效果降低，生物質含有較多的Na、K、Cl等元素，會導致灰分的熔點降低，易造成結渣和腐蝕受熱面，所以生物質直燃發電一般用于小機組鍋爐[6]。

3 生物質與燃煤混燒發電

生物質與燃煤混燒發電是在燃煤的基礎上摻混生物質進行發電，利用了煤炭和生物質燃料的不同特性的協同效應。該技術在國外已得到廣泛應用，目前全球約有300多座混燃示范電站，其中英國有許多裝機容量接近1 000 MW的燃煤電站都實現了摻混生物質發電，混燒生物質燃料中生物質質量分數一般低于25%，國內生物質發電以與燃煤直接混燒發電為主，其基本思路以等量代替為原則，即按照生物質發電新增裝機容量和發電量，等量消減燃煤機組裝機容量和發電量，從而消減電站鍋爐燃煤量，實現清潔能源的最大化利用，加快能源結構低碳化綠色化轉型。

近年來，我國加大了生物質與燃煤混燒的研究，已有多個研究機構眾多學者通過實驗和模擬研究，除了對生物質儲存、運輸、破碎和輸送系統的可行性和安全性分析研究外，還重點對摻燒生物質生成的飛灰能否用于建筑行業進行了研究[7]。目前生物質和燃煤直接混合燃燒主要有3種技術路線，工藝流程見圖3。

1—同磨同燃燒器混燒；2—異磨同燃燒器混燒；3—異磨異燃燒器混燒

圖3 生物質與燃煤直接混燒發電技術流程圖

3.1 同磨同燃燒器混燒

同磨同燃燒器混燒方案預先將生物質燃料和燃煤在煤場混合，然后與燃煤共用輸送、破碎、磨制和燃燒設備。跟燃煤鍋爐相比，該方案沒有增加新設備，建設費用低，簡單可行，但是對生物質燃料要求高，并且受磨煤機性能和鍋爐出力等因素的限制，混燒時不能摻混太多的生物質(質量分數<5%)，目前芬蘭的Fortum電廠便是此技術方案的成功案例之一[8]。

3.2 異磨同燃燒器混燒

異磨同燃燒器混燒方案將生物質和燃煤分別經過獨立的儲存、輸送、破碎和磨制系統，在燃燒器前將兩者進行混合，再經燃燒器噴入爐膛燃燒。該方案需要安裝生物質燃料送粉系統及控制系統，也可借用原有的送粉和燃燒系統，具有生物質適用性廣、摻混比例大等優點，但系統比較復雜且初期建設投入高，目前該技術應用最成功的案例為西班牙的ENEL電廠[9]。

3.3 異磨異燃燒器混燒

異磨異燃燒器混燒方案中生物質和散煤分別經過獨立的破碎和輸送系統，該方案需要安裝特殊設計的生物質燃燒器，成本最高，但是對燃煤鍋爐的影響也最小，荷蘭EPON電廠按照此方式改造，發現摻燒不會影響鍋爐的正常運行。

針對純生物質燃燒發電僅適用于小容量機組、混合燃燒發電摻燒生物質比例不易過高以及混燒后飛灰能否用于建筑行業等問題，提出了并聯燃燒技術，即兩臺鍋爐設備，一臺鍋爐純燒生物質，另一臺鍋爐純燒煤粉，純燒生物質的鍋爐用于給主燃煤鍋爐加熱給水或生成的蒸汽直接與燃煤鍋爐的蒸汽混合進入汽輪機系統進行發電。由于該技術思路提出時間較短，并且投資高于混燒技術，目前在實際工程中應用很少，但是其整體效率高、對生物質適應性廣、生物質不受摻混比例的限制、對灰渣的處理簡潔容易，因此，該技術有很大的應用前景。

4 生物質沼氣發電技術

生物質沼氣發電技術是集節能與環保于一體的新型發電技術，主要是利用有機廢棄物以及城市生活垃圾經發酵處理產生沼氣，沼氣燃燒驅動發電機組發電。發酵生成的沼氣主要由CH4、CO、H2、H2S、NH3、CO2、N2、O2、CnHm(除CH4)等氣體組成，其中有機物CH4和CnHm(除CH4)占60%左右，CO2質量分數占35%左右，其余氣體質量分數占比不超過5%，其原料配比、條件和發酵階段不同產生的沼氣成分不同，目前研究得出適合厭氧發酵沼氣的條件為：pH為6.8～7.5，溫度為30～45 ℃，原料碳氧物質的量比為20～30[10]。

目前國內該技術應用較為成功的是沈陽市法庫縣沼氣發電項目，其利用牲畜糞便生成沼氣進行發電。該技術的主要流程為：將收集到的生物質原料和生活污水一起混合放置于水解池中若干天，經過沉降將生物質原料中的雜質除去，然后按照一定配比將原料輸送至反應罐中進行發酵，生成的沼氣流經脫硫塔時除掉H2S氣體，以達到燃氣發電的要求，進而在內燃機內燃燒發電；項目中一般通過余熱鍋爐等換熱裝置將沼氣燃燒過程中產生的熱量加以回收利用，一部分供發酵工藝使用，另一部分用于廠區供熱及生活用熱水，發酵后剩余的沼渣、沼液可用作農作物肥料，改善土壤結構(見圖4)。該技術可實現清潔能源的循環利用，對于改善局部區域環境、發展循環經濟具有重要意義。

圖4 生物質沼氣發電技術流程圖

沼氣是一種清潔能源，其燃燒后產生的SO2、NOx和粉塵排放量遠低于直燃和混燃生物質燃料，與其他技術相比，不僅能更大程度地改善生態環境，而且能夠形成綠色循環的能源綜合系統，實現社會的可持續化發展。但是由于生物質沼氣發電對生物質種類要求高，且能夠滿足發酵的原料少，所以對于規劃在大型農場附近總裝機容量較小的機組，建議優先考慮發展生物質沼氣發電。

5 結語

(1) 生物質是一種可再生的清潔能源，利用好生物質是加快我國電力結構轉型升級、治理環境污染的必要手段。通過對國內外生物質發電技術的分析和研究發現：生物質耦合氣化發電技術綜合效率高，對生物質種類適應性強，單位發電量生物質消耗少，節省燃料，能夠解決生物質直燃過程中堿金屬腐蝕、鍋爐易結焦等問題，但工程可擴展性差，不適用于大型化鍋爐；純生物質直燃發電技術鍋爐易結焦、堿金屬腐蝕嚴重、空氣預熱器易堵塞，一般用于小機組鍋爐；生物質直燃混燒技術成熟，可處理生物質燃料量大，投資少，適用于容量較大的機組；生物質沼氣發電技術對建廠選址要求高，生物質原料來源少，建議大型農場附近的小機組鍋爐優先選用該技術。

(2) 通過對國內外生物質電廠進料系統的分析比較可知：爐前料倉+二級給料技術成熟、不易堵料、燃料適應性強、適合國內生物質特性等優點，建議優先考慮。

(3) 通過對比混燒技術路線，結合運行經驗發現：異磨同燃燒器混燒技術對原有燃燒系統影響小，降低NOx排放量作用明顯，混燒時協同效應大于其他技術路線，建議優先采用該技術。

(4) 通過分析純生物質燃燒發電和混合燃燒發電的利弊，提出了并聯燃燒技術，該技術整體效率高、對生物質適應性廣、生物質不受摻混比例的限制、對灰渣的處理簡潔容易，具有很大的應用前景。