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劉華
（貴州鴨溪發電有限公司，貴州遵義563000）
摘要：文章通過生物質氣化技術的發展，根據國家能源局和原國家環境保護部聯合下發《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》的內容，結合當地生物質資源的實際情況，分析了燃煤耦合生物質發電在鴨溪電廠的技術應用及方案。
生物質能是以生物質為載體的能量，是由綠色植物通過葉綠素的光合作用將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能量形式，是一種典型的可再生能源。利用生物質能替代石油、煤炭和天然氣等燃料生產電力，可減少對礦物能源的依賴，保護國家能源資源，減輕能源消費給環境造成的污染。
為了推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，持續實施大氣污染防治行動，加強固廢和垃圾處理，優化資源配置建設美麗中國，2017年12月份，國家能源局和原國家環境保護部聯合下發《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）文件，開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作。
一、我國生物質氣化技術發展與應用
生物質耦合發電又可分為三種方式：1、生物質直接與煤炭、燃油、天然氣等燃料在鍋爐內混合燃燒，這種方式對于火力發電機組來說，生物質利用熱效率低，對生物質燃料處理和燃燒設備要求較高，并不具有很好的適用性；2、生物質燃燒鍋爐直接產生蒸氣，這部分蒸氣可送入到鍋爐再熱器或送到汽輪機低壓缸，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，投資造價高；3、生物質氣化產生的燃氣在鍋爐內與其他燃料混合燃燒，這種方式對于火力發電機組來講，需將生物質燃氣總量控制在一定范圍內，否則就要調整燃煤鍋爐的燃燒器和燃燒區域。我國目前開展的燃煤耦合發電技術，主要趨向于第3種方式。
20世紀60年代我國已有小型固定床稻殼氣化案例，近年國內應用最多的也是這類小型氣化爐，小時原料處理量在幾百公斤至近1噸之間，大多采用下吸式氣化技術，主要應用于農戶集中供汽和冬季供暖，兼可通過自備的燃氣內燃機發電，這一應用模式北方多于南方；1991年上海進行了24t/d城市垃圾灰融聚流化床氣化裝置的試驗，因技術及市場等原因未能實施后繼的放大開發；1998年國內首套MW級稻殼循環流化氣化內燃發電在福建莆田建成，2005年放大的5MW裝置在江蘇興化建成；2011年江蘇高郵5MW秸稈固定床氣化發電并網運行；2012年湖北荊門10MW稻殼流化床氣化超臨界汽輪機發電建成；2014年Φ4m下吸式固廢氣化爐在江蘇南通通過技術鑒定并應用于智能暖棚供熱及少量農戶炊事供氣，兼可小負荷發電自用；近年在南方發展較快的是中型固定床木片氣化，熱燃氣無需凈化直接供有色金屬冶煉或配置燃氣鍋爐為造紙印染企業等供熱；國內準工業級等離子氣化處理毒害物已有示范，后繼合成燃料油處于開發中；近年，介于熱解與氣化工況之間的生物質燃氣、活性炭(或炭渣復合肥)及發電聯產已有多個示范項目，單氣化爐原料處理量可大至1.5t/h左右。
二、燃煤耦合生物質發電在鴨溪電廠的應用分析
?。ㄒ唬┮幠＝ㄔO分析及主要燃料
根據電廠周邊區縣可收集利用秸稈資源量分析，利用鴨溪電廠現有場地建設2×8.54噸/小時的生物質氣化爐，折算發電功率為2×10.8MW的生物質氣化爐，氣化爐產生的生物質燃氣采用母管制送至其中2×300MW燃煤機組鍋爐燃燒，產生的蒸汽送至汽輪發電機做功發電；年消耗最大秸稈量11.1萬噸。
?。ǘ┥镔|氣化燃氣發電量計量
由于生物質氣化燃氣是輸送至大型燃煤機組耦合后發電，利用大型燃煤機組的高效鍋爐、高效汽輪發電機組等設備。輸入燃煤鍋爐中的燃氣熱能轉化為電能，按其生產流程要考慮鍋爐效率、管道效率、汽輪發電機組效率。鍋爐效率、管道效率、汽輪發電機組效率可以通過燃煤機組的控制系統得到實時數據，進而得到氣化燃氣的實時發電功率。生物質燃氣耦合發電的相關參數等信號可通過網絡遠傳至電網公司，實時傳輸，便于監督、結算。
生物質發電量檢測計量裝置，采用經國家強制性產品認證的監測計量裝置，以確保生物質發電上網電量的準確監測計量。
?。ㄈ┘夹g方案分析
1.燃煤耦合生物質發電基本原理
生物質在氣化介質的參與下，通過一系列的熱化學反應過程，轉化為可燃氣體，再將可燃氣體輸送至現有的大型火力發電廠鍋爐中燃燒，利用鍋爐配套的汽輪發電機組發電的過程。工藝流程如下圖1：
生物質氣化一般經歷如下幾個階段：
（1）干燥過程
生物質原料加入反應器后，首先被加熱，析出生物質所含的水份。
?。?）熱解過程
當溫度上升到200～250℃，生物質組分開始發生熱分解，大分子的碳氫化合物的化合鏈被打破，析出生物質的揮發份。留下殘碳和灰份構成進一步反應的床層。熱解過程是一個非常復雜的物理化學過程，隨加熱速率、溫度和熱解氣氛的不同，熱解產物的差別很大。
?。?）燃燒過程
在有氧氣（空氣）參與的氣化過程中，氧氣與熱解生成的揮發份和殘碳發生燃燒反應，釋放出熱量來維持熱解過程和還原反應所需熱量。
（4）還原反應
還原反應主要發生在燃燒后的水蒸氣和二氧化碳與碳之間，通過還原反應，碳進一步轉化為一氧化碳和甲烷等可燃氣體。
該技術利用了大型燃煤發電廠的高效率，因此生物質發電效率較高；同時通過進行在線監測燃氣流量、熱值、燃氣溫度以及電站鍋爐的發電效率，實現生物質燃氣發電部分的單獨核算。
2.生物質氣化爐選型
氣化爐是生物質氣化工藝中最核心的設備，氣化反應器可分為：固定床氣化爐、流化床氣化爐（包括鼓泡流化床和循環流化床氣化爐）、氣流床氣化爐。流化床因其是一種氣固兩相接觸充分，有溫度均勻，傳熱傳質強烈，易于放大等特性，因此在燃燒、氣化、催化裂解等多種工業過程中得到了廣泛的應用。目前世界上比較大型的生物質氣化反應裝置基本都采用流化床或循環流化床作為反應爐。比較幾種氣化技術，因流化床氣化爐處理量大、運行穩定、燃料適應性強的特點，本工程選用生物質循環流化床氣化裝置。
3.采用的氣化技術
生物質循環流化床氣化技術是一種新型的氣化技術。生物質在床料的輔助流化作用下，在爐內經歷聚集、沉降、吹散、上升再聚集的物理衍變過程；循環床中氣體、生物質、床料發生劇烈的傳熱傳質和接觸反應，形成爐內循環。同時氣體對生物質和床料的微小顆粒實現快速夾帶，經過旋風分離器分離出未完全反應的生物質和床料，由回料裝置送回反應區，形成了爐外的物料循環。高溫的氣化氣通過旋風出口排出，得到生物質燃氣。氣化爐內外兩種循環平衡的建立，保證反應進程穩定，是本技術的核心。如圖2：采用生物質循環流化床氣化裝置技術，其路線如下：破碎好的生物質原料在循環流化床氣化裝置中完成高效氣化，產生燃氣經過除塵后以熱燃氣的方式直接送入大型電站鍋爐燃燒，利用燃煤發電廠發電系統實現高效發電。氣化工藝包括生物質儲存與上料系統、生物質循環流化床氣化爐系統、熱燃氣輸送系統、燃氣入爐再燃系統、氣力輸灰系統和自動控制系統等。
4.國內成功經驗
中國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，推廣很快，正在向產業規?；较虬l展。
在生物質大型氣化利用方面，國內典型的項目是國電長源生物質汽化項目，其主要以稻殼等生物質為原料，處理量約為8t/h，折合發電量10.8MW，2012年11月份投入商業運行，至今已經連續穩定運行近4年。
5.生物質耦合對燃煤鍋爐的影響
（1）氮氧化物
由于生物質燃氣進入鍋爐爐膛時的溫度約400℃，進入爐膛的位置在主燃燒器之上，位于燃盡風噴口標高附近，對爐膛內煤粉燃料的分級燃燒起到加強的作用，無論在高負荷還是低負荷狀態下，均有助于降低鍋爐NOX排放濃度。
?。?）二氧化硫
煙煤平均含硫量約1.6%，每公斤煙煤完全燃燒產生的二氧化硫量約0.032kg，同等熱量的生物質燃氣量約5Nm3，折合成生物質約2.5kg，生物質中硫含量約0.05%，2.5kg生物質轉化成燃氣進入鍋爐完全燃燒產生的二氧化硫量約0.0025kg，約為煙煤燃燒的1/10，生物質氣化耦合發電方式對后續脫硫裝置運行及最終二氧化硫排放均有利。
（3）粉塵
煙煤含灰量10～20%，每公斤煙煤燃燒產生的灰量0.1～0.2kg，同等熱量的生物質燃氣量約5Nm3，攜帶的粉塵量約30g（其中可燃成分約15%，在鍋爐爐膛內可以燃燼），燃燒后煙氣中的含塵遠小于煤燃燒，生物質氣化耦合發電方式對后續除塵裝置運行及最終顆粒物排放均有利。
?。?）堿金屬腐蝕
按8t/h的生物質消耗量估算，入爐生物質燃氣總量約17500Nm3/h，每小時生物質燃氣燃燒后產生的粉塵量約90kg，不到鍋爐灰渣總量的1%，1%左右的生物質灰不會對鍋爐受熱面產生腐蝕,。據了解，國電長源生物質汽化項目7號爐經過約四年的運行，未發生受熱面腐蝕問題。
總體來說，因生物質燃氣量摻燒較少，無論是對鍋爐燃燒的穩定性，還是鍋爐安全性來講，都沒有負面影響，且對低負荷燃燒還有積極作用；同時，對鍋爐污染物的排放和鍋爐的腐蝕更有利。
?。?）灰渣利用
生物質燃料燃燒后的灰俗稱草木灰，含有多種礦物質，其中鉀元素為植物所需大量元素之一。
?。ㄋ模┕澞軠p排分析
若按照2×10.8MW的規模建設，年可利用11.10萬t生物質燃料，有利于緩解當地秸稈散燒產生的大氣污染，通過將氣化爐產生的生物質燃氣送至2×300MW燃煤機組鍋爐燃燒，有利于減少大氣污染物排放。年供電量13197.6萬kWh，供電標煤耗390.93kg/kWh，則每年可節約5.1593萬噸標煤。
三、結論
從鴨溪電廠所在區域的資源量分析，滿足建設2×10.8MW燃煤耦生物質氣化發電的秸稈量需求，符合國家產業和環境保護政策，具有可借鑒的技術方案，具備燃煤耦合生物質發電技術運用的條件。通過該技術的運用，將大大降低了SO2排放對環境的污染，可有效地減少農民焚燒秸稈造成的“狼煙”現象，改善因秸稈散燒帶來的霧霾問題，環保效益十分顯著。 |
