燃煤耦合生物質氣化發電關鍵技術研究

劉川川，鞏李明，任燕麗，張強，許鈔俊

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

隨著國家能源結構的調整和“碳達峰、碳中和”的目標要求的提出，可再生能源將是未來我國能源的重要發展方向。生物質能作為國際公認的零碳可再生能源，具有多種能源化利用方式，其中采用生物質氣化技術與現有燃煤機組耦合的方式，既便于生物質能的電量檢測計量，又可以依托現有高效燃煤機組高效替代化石能源消耗，對原燃煤機組的影響小，同時可以副產生物質碳等高附加值產品，在碳中和的背景下具有廣闊的應用前景[1]。

東方鍋爐股份有限公司(以下稱“東方鍋爐”)基于在氣化爐及流化床領域積累的雄厚技術實力，針對目前國內外市場上存在的生物質氣化技術進行了廣泛的調查研究，開發出了更適合我國國情的燃煤耦合生物質正壓空氣流化床氣化爐技術，并結合燃煤機組已有的汽輪機及回熱系統，提出燃氣-蒸汽冷卻方案，不僅解決燃煤和生物質耦合問題，更進一步考慮到利用燃氣顯熱，降低燃煤機組熱耗進而降低煤耗的措施[2]。文章主要基于對生物質的氣化特性及燃煤耦合系統特點，提出了燃煤機組與生物質氣化耦合發電一體化技術方案。

1 生物質氣化技術發展現狀

生物質氣化是指生物質通過自身部分燃燒產生的熱量將其進行熱解反應，熱解后產生的生物質碳再與氧氣或水蒸氣發生反應進而產生部分可燃氣體的過程。生物質中揮發分的含量通常可以達到50%～70%，具有揮發分極高的燃料特性，采用生物質氣化方式將其轉化為生物質燃氣可以充分發揮生物質燃料高揮發分的特點。國內外的學者也一直在致力于生物質氣化技術的研究和應用，生物質氣化技術目前已經成為生物質能轉化利用領域最為實用、廣泛和具備發展潛力的一項技術。

生物質氣化技術根據氣化介質的不同分為空氣氣化、氧氣氣化、空氣-水蒸氣氣化；根據氣化路線采用的反應器型式又可分為固定床氣化工藝、氣流床氣化工藝、流化床氣化工藝(又可分為鼓泡床式和循環流化床式)。因流化床氣化具備強烈的傳熱和傳質特性，可以使反應中的氣固兩相介質充分接觸，氣化強度大，床層溫度分布更均勻，燃料適應性廣，同時具備容易放大的特性，在燃煤、生物質及化工等眾多領域獲得了廣泛應用。據文獻研究統計顯示，國內外大容量的生物質氣化工藝普遍采用流化床氣化爐技術特別是循環流化床技術[3]。

國外生物質氣化技術應用較早，實現商業應用項目也較多，特別是歐洲部分可再生能源推廣較好的國家如德國、英國、意大利、荷蘭、丹麥等，其在生物質氣化技術研究及應用領域均處于國際領先水平。其生物質氣化爐規模相對較大，主要采用林業生物質燃料為主，具有工藝流程自動化程度高，系統集成度好等特點，項目主要以燃氣發電、區域供熱以及生產高附加值的液體燃料和生物質碳為主[4]。我國生物質能源研究相對國外起步較晚，在生物質氣化發電及燃氣發電等方面我國各高校、科研院所及相關企業也開展了相應的技術工藝路線研究，其中，中國科學院廣州能源所在“十五”期間成功研究開發了一套4 MW生物質氣化聯合循環發電裝置。國內自主研發的生物質氣化發電技術已經解決了一些關鍵性問題，目前我國生物質氣化來源主要以農林生物質為主，已經開發出以稻殼、玉米秸稈、果樹枝等多種生物質為原料的固定床以及流化床氣化爐爐型，成功覆蓋了從1～10 MW等級規模的氣化發電系統。我國生物質氣化發電及耦合燃煤技術在碳中和的背景下正從小型分散化逐步向產業規模化方向發展[5]。

相對于已有技術路線，東方鍋爐開發的正壓空氣流化床氣化爐技術的主要特點在于：采用全系統正壓(20～30 kPa)設計，取消系統運行中的重要危險點—高溫燃氣引風機設備；尾部燃氣降溫采用更為簡單高效的燃氣-蒸汽換熱器系統，不產生燃氣洗滌廢水及其他二次污染物。同時結合燃煤機組鍋爐側改造，實現燃氣耦合摻燒，再燃降氮，燃燒優化等一體化耦合技術。

2 正壓空氣流化床氣化工藝技術方案

針對我國燃煤機組與生物質氣化耦合技術應用的背景及特點，東方鍋爐開發的正壓空氣流化床氣化技術方案采用的具體工藝技術路線為：將破碎或者造粒的生物質原料通過正壓給料系統送入循環流化床生物質氣化爐中完成氣化反應，產生的生物質氣化燃氣經一級及二級旋風分離器進行高效除塵，再經過燃氣-蒸汽冷卻器冷卻到一定溫度后，通過燃氣輸送系統送入現有煤粉爐系統進行燃燒，利用現有燃煤機組的高效發電系統實現生物質燃氣的最佳燃燒利用。如圖1所示。本氣化方案的工藝系統主要包含：(1)生物質物料的儲存、破碎與輸送系統；(2)生物質螺旋給料系統；(3)生物質正壓CFB氣化爐系統；(4)燃氣-蒸汽冷卻系統；(5)高溫燃氣凈化及輸送系統；(6)燃氣分級燃燒耦合系統；(7)灰渣處理系統；(8)電氣自動控制及其他相關輔機設備系統等。

圖1 燃煤耦合生物質氣化發電方案示意圖

2.1 氣化爐系統

氣化爐系統包括氣化爐反應器、旋風分離器、返料管、氣力返料閥構成的物料循環主回路，旋風除塵分離器進一步凈化燃氣，如圖2所示。

圖2 氣化爐整體布置圖

在流化床氣化爐內，生物質一般先經歷干燥、干餾、氣化和燃燒幾個過程，在這一過程中會使用到空氣和/或水蒸氣作為氣化劑參與氣化反應。綜合考慮氣化反應溫度、燃氣熱值和產氣率，本方案采用空氣+水蒸氣作為氣化劑。

循環流化床氣化爐爐內物料的循環以及后端燃氣的輸送是通過空氣從布風板流化后啟動和維持的。氣化爐配置兩臺送風機，運行方式為一運一備。啟動階段，返料風為空氣，正常運行后，返料風可在蒸汽與空氣間切換。氣化爐采用正壓運行，避免空氣漏入反應器，并保證燃氣出口壓力大于燃煤鍋爐爐膛壓力，且有足夠的裕量克服沿程阻力、保持火焰剛度等。

氣化爐系統整體采用四跨式布置，第一跨布置氣化爐反應器。第二跨布置有旋風分離器對燃氣及其攜帶的物料進行分離，分離下來的物料從旋風分離器底部的返料裝置送回氣化爐反應器，旋風分離器出來的燃氣從旋風分離器上部的中心筒及出口煙道進入旋風除塵分離器進行第二次分離。旋風除塵分離器布置在第三跨。在旋風除塵分離器中分離下來的細灰通過灰斗、鎖灰器、冷灰器冷卻后通過輸灰裝置送到灰庫，干凈的燃氣通過旋風除塵分離器中心筒及出口煙道進入第四跨布置的燃氣-蒸汽冷卻系統。

2.2 燃料儲運及上料系統

生物質燃料儲運及上料系統的功能包括原材料入廠卸料、貯料、上料、除鐵、粉碎、輸送、給料等。在裝置區新建道路主入口處設置燃料稱重(過磅)裝置，增設人員對運營的燃料進行稱重(過磅)工作。生物質被收集運送至廠區后，采用裝載機或卸料車將生物質燃料卸載并輸送到干料棚貯存，再采用裝載機等設備上料至鏈板輸送機，送料至生物質綜合破碎機進行粉碎。干料棚內卸料和上料處設置除塵裝置，減少卸料和上料過程中粉塵飛揚。在破碎前設置一級除鐵裝置，清除生物質中的鐵屑等雜質。破碎好的物料放到受料斗篩網后進入受料斗，通過分配螺旋進行均勻給料，物料由主皮帶輸送機送至轉運皮帶輸送機內，再經轉運皮帶輸送機送至氣化裝置的爐前料倉。

2.3 燃氣-蒸汽冷卻系統

氣化爐系統產生的燃氣溫度約800 ℃，若將其直接送入燃煤鍋爐燃燒，則對燃氣輸送系統管道材料、管徑的選擇及相關閥門的選型提出極高的要求，造成設備可靠性降低，投資成本增加。因此，技術路線通常是采用冷卻裝置將燃氣溫度冷卻到大于焦油析出的溫度再送入燃煤鍋爐摻燒。本方案采用系統更為簡單、可回收熱量、提高機組效率的燃氣-蒸汽冷卻系統對燃氣進行冷卻[6]。

燃氣蒸汽冷卻系統布置在氣化爐系統之后、燃氣輸送系統之前。燃氣-蒸汽冷卻系統的蒸汽來自原燃煤機組的汽輪機抽汽或者鍋爐側蒸汽，需根據項目具體情況來設計。相對于常規導熱油冷卻方式，采用蒸汽直接冷卻燃氣具有如下優點：(1)余熱回收利用系統及控制方式簡單，運行及維護工作量小，節約成本；(2)燃氣冷卻器的出口蒸汽可與電廠蒸汽耦合，如供熱蒸汽、工業用蒸汽等，便于熱量的再利用，提高經濟性；(3)蒸汽(水)具有較高的傳熱系數和良好的熱力學特性。同時相比導熱油冷卻方式能較多地降低燃煤機組的煤耗，更好地發揮節煤減碳效果。

2.4 燃氣輸送及燃燒系統

燃氣輸送系統是將氣化爐產生的生物質燃氣輸送至鍋爐爐前。燃氣輸送系統前端設置有除灰疏水等裝置，輸送介質是溫度為400～450 ℃、較為干凈的生物質燃氣。針對不同類型的鍋爐，燃氣燃燒系統有所不同。為滿足生物質氣化燃氣與燃煤鍋爐一體化耦合發電技術的要求，結合鍋爐NOx排放、鍋爐效率、汽溫、煙溫等鍋爐綜合因素，滿足鍋爐整體運行的安全性、靈活性、經濟性，針對常規燃煤鍋爐的燃氣燃燒系統，本研究提出“燃燒區域+還原區區域”的綜合摻燒系統改造方案，即實現燃燒區穩燃，還原區降氮的目的。

3 結語

文章采用的生物質正壓空氣流化床氣化爐耦合燃煤發電技術，充分利用現有燃煤發電機組的大型高效發電系統，生物質氣化耦合后的全廠發電效率可達到35%以上，遠高于現有生物質直燃機組的發電效率(22%～30%)。其特點和優勢還在于：(1)循環流化床氣化爐熱效率高于85%，燃氣的顯熱也被燃煤發電鍋爐完全利用，系統整體熱效率高；(2)采用正壓氣化，氣化爐爐壓在20～30 kPa，取消系統運行中重大危險點—高溫燃氣引風機，保證燃氣克服管道輸送阻力進入燃煤鍋爐中燃燒，提高系統可靠性；(3)采用燃氣-蒸汽冷卻方案，充分利用燃氣顯熱。氣化爐產生的燃氣溫度在700～900 ℃，采用燃氣-蒸汽冷卻系統將燃氣溫度降低到400 ℃以上，燃氣-蒸汽冷卻系統中的蒸汽來自原燃煤機組，吸收燃氣熱量后與燃煤機組蒸汽耦合回收利用，提高整個機組的運行經濟性；(4)還原性的可燃氣(成分主要為CO、H2、CH4)和燃煤混燃，可改善鍋爐燃燒環境，減少NOx的生成，降低鍋爐煙氣中的NOx排放量；(5)采用農林生物質(主要是秸稈、果樹枝等)作為燃料，低溫燃燒氣化后排出的灰渣可作為生物質碳或草木灰，是優良的活性炭來源和有機肥原料，可通過氣力輸灰和底渣輸送系統收集后綜合利用，具有環保效益好，附加產物經濟價值高等優點[7]。