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許彬，肖嘉鳴
（國家電投江西電力有限公司分宜發電廠，江西新余336600）
摘要：生物質發電是利用生物質所具有的生物質能進行發電，是可再生能源發電的一種，是優化我國能源消費結構的最好途徑之一。將農作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、工業有機廢棄物和城市固體有機垃圾等廢棄物作為生物質燃料，充分利用循環流化床鍋爐燃燒特性，克服生物質燃料揮發分偏低、熱值波動大、水分高的特質。簡述了循環流化床鍋爐燃燒技術方案在生物質燃料發電項目上的應用，整理對比出優于常規生物質鍋爐的技術特點，為同類型生物質發電鍋爐選型提供參考。
引言
隨著重工業在世界經濟發展上的占比逐步增加，不加節制的濫用資源導致不可再生的一次能源已經面臨在數十年內將被開采一空的嚴峻局面。在我國，基于龐大的人口基數，一次能源人均占比更低，其中煤的儲量為世界人均的1/10，石油儲量為世界人均的1/40，天然氣儲量僅為世界人均的1/100。世界各國都在尋找開發可再生能源，如太陽能、風能、生物質能等持續能源。
生物質能是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能。目前可供利用開發的資源主要為生物質廢棄物，包括農作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、工業有機廢棄物和城市固體有機垃圾等。在眾多生物質中，目前種植速生能源林是解決生物質燃料不足的一個較好的途徑。利用生物質能發電是我國迫切需要的，是解決能源出路的最好途徑之一。為此，我國于2005年2月28日第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議通過了《可再生能源法》，目的是為了可再生能源的開發利用，增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環境，實現經濟社會的可持續發展。利用生物質能發電是我國迫切需要的，是解決能源出路的最好途徑之一。發展木本生物質產業也是優化能源結構和保障源安全、實現能源資源與農林業協調發展的戰略舉措。
1農林生物質能在循環流化床中應用的技術特點
1.1循環流化床鍋爐基本原理
循環流化床鍋爐技術是一種清潔煤燃燒技術，具有可以穩定燃燒相對難以燃用的劣質煤的優勢，燃料范圍更為廣泛。一般大型循環流化床鍋爐主要有燃燒室、分離器、外置式換熱器、輸煤系統、排渣系統、輔助風機等部分組成。燃用煤種通過輸煤系統進入爐膛內，被一次熱風流化起來的高溫床料引燃，二次熱風通過爐膛整齊排列的上下二次風口進爐膛與燃料混合燃燒，燃料在爐膛內呈流態化沸騰燃燒。燃盡的物料顆粒被一次熱風吹起向上運動，部分大顆粒殘渣在重力的作用下作自由落體運動落在流化態床料上，另一部分物料進入分離器內通過外置式換熱器進行熱交換后重新被送入爐膛，小顆粒物料上升到爐膛出口隨著引風作用進入尾部煙道，進一步對受熱面、空氣預熱器放熱冷卻，經過脫硫脫硝除塵處理后進入煙囪排向大氣。
1.2循環流化床燃燒的技術特點
循環流化床燃燒物料處于非常強烈的擾動、混合狀態，固體物料內外部的再循環，物料高速循環且在爐膛停留時間較長，所有這些狀態會導致快速化學反應和熱交換；燃燒過程的靈活性，決定了燃料可選范圍較寬。根據農林生物質燃料揮發分偏低、熱值波動大、水分高的特質，首推循環流化床燃燒技術方案。
以分宜發電廠1×30MW生物質能擬建項目為例，本縣年產生物質燃料量，本生物質電廠初步擬定裝機方案為1×30MW高溫高壓汽輪發電機組+1×130t/h高溫高壓循環流化床鍋爐。
鍋爐采用循環流化床燃燒方式和高溫分離循環返料的燃燒系統，該系統由爐膛、物料分離收集器和返料器3部分組成。
爐膛由膜式水冷壁組成，下部是一個下小上大的倒錐形流化燃燒段，亦稱為密相區。底部為水冷布風板，布風板上布置有風帽，布風板下為一次風室。預熱后的一次風經風帽小孔進入密相區使燃料開始燃燒，并將物料吹離布風板。二次風由床層上方的二次風口送入爐膛，運行中可以通過調節一、二次風的比例來控制燃燒。這樣，既能達到完全燃燒的目的，又可以控制SO2和NOX的生成量。
另外，從二次風引出幾支風管從前墻作為播料風進入密相區，以便燃料均勻播散到床料中去，同時加強了密相區下部的擾動。
爐膛上部為稀相區，煙氣攜帶物料繼續燃燒，同時向爐膛四周放熱。由于斷面擴大，同時煙氣經懸浮段碰撞爐頂防磨層，部分粗物料返回密相區，煙氣攜帶較細物料離開爐膛進入高溫旋風分離器。經過返料器的物料返回到爐膛密相區繼續循環燃燒。
循環流化床鍋爐燃料適應范圍寬、適應性強，同時能保證低污染物排放。石灰石作為脫硫劑，被送入爐膛；爐內溫維持在815～925℃之間，有利于熱量被換熱面吸收。整個燃燒、循環過程具有以下優點：
1）燃料適用范圍廣。爐溫基本低于所有燃料的灰分軟化溫度。基于這一特征，爐膛的設計不受灰分特性的影響，鍋爐能適應燃料的多樣性。
2）低NOX排放。815～925℃的低爐溫，以及空氣的分層分階段送入，可以促成低NOX排放。
3）燃燒效率高。固體燃料在爐膛的停留時間長，通過旋風分離器的收集循環回收和再燃燒，加上由于流化擾動作用使空氣和燃料的充分接觸，促成燃燒效率高，即使是難燃的劣質燃燒仍然適用。通常碳未完全燃燒損失能控制在1%～2%范圍內。
1.3循環流化床鍋爐在實際應用中與其他類型鍋爐的比較
目前國內生物質電廠主要爐型以循環流化床鍋爐和水冷振動爐排鍋爐為主，通過對贛南區域在役生物質電廠初步篩選，特選取永新縣凱迪綠色能源開發有限公司及國能贛縣生物質發電有限公司進行實地調研。
永新縣凱迪綠色能源開發有限公司裝機容量為1×30MW，搭配凱迪公司自行設計，杭州鍋爐集團股份有限公司制造1×120t/h循環流化床鍋爐，鍋爐型號KG120-540/13.34-FSWZ1。國能贛縣生物發電有限公司裝機容量為1×30MW，鍋爐搭配濟南鍋爐制造有限公司制造130t/h振動水冷爐排高溫高壓蒸汽自然循環鍋爐，鍋爐型號YG-130-9.2-T2。
不同爐型綜合指標及燃料種類的比對見表1和表2，在生物質電廠實際應用中循環流化床爐型相較于水冷振動爐排鍋爐有以下優缺點。
1.3.1主要優點
1）燃料適應性強，爐膛密相區蓄熱量大，能夠短時間內加熱燃料，能夠大量燃燒高水分、低熱值燃料（熱值8.73kJ/kg以上，水分60%以下都能正常運行）。
2）爐膛溫度較低，NOX原始排放濃度僅為層燃爐的1/2左右，電廠的環保運行費用相對較低，能更好的滿足環保要求。
3）燃燒效率高，燃料在爐膛的停留時間長，通過旋風分離器循環回收和再燃燒，加上由于流化擾
動作用使空氣和燃料充分接觸，促成燃燒效率高，爐渣含碳量控制在1%左右。
4）爐膛上部的物料內循環起到一個自主清灰效果，避免管壁的高溫積灰和高溫腐蝕（水冷壁管無爆管現象，高溫過熱器腐蝕較層燃爐有明顯改善。
1.3.2主要缺點
1）循環流化床風機壓頭大，風機電耗率高，廠用電率高（10%）左右，水冷振動爐排鍋爐風機壓頭小，廠用電率較低（7.6%～8.5%）。
2）燃料中的鐵件、鋁件、鐵釘燃燒后容易融化堵塞爐膛風帽，影響爐膛流化，造成鍋爐排渣不暢，現已有技術方案且投入運行，但尚無工程實例。
通過現場調研以及從水冷振動爐排爐與循環流化床鍋爐的優缺點比較中，可以印證采用循環流化床鍋爐對解決南方大量摻燒高水分、低熱值的農林類生物質燃料，防止水冷壁與高溫過熱器管腐蝕爆管及鍋爐連續運行時間短等問題有一定的優勢，而且，生物質發電領域也開始越來越多的采用循環流化床鍋爐。
2生物質能發電的應用前景
為積極響應供給側結構性改革提高經濟效益的國家大政方針，落實中央“三去一降一補”政策，全國范圍內正大力整頓煤炭行業，嚴格限制煤炭產能，整合煤炭企業，關閉中小煤炭，壓縮礦產規模。
煤炭產能的下降，價格節節攀升，以燃煤為主的火力發電廠首先收到沖擊，多數電力企業進入寒冬期，難以扭虧為盈。在煤炭嚴重緊缺時，甚至出現一“煤”難求的局面，已有發電廠因燃煤供應不足發生非停的現象。
2.1原料供應
開辟新能源戰場成為電力企業的優先選擇，原料能否供應充足已成為電力企業考慮的首要因素，生物質農林發電項目的原料供應則顯得更為重要和突出。
分宜發電廠1×30MW農林生物質發電項目擬建于江西分宜縣，是利用當地豐富的稻殼、秸稈、農林廢棄物等“綠色能源”作為燃料發電的項目。該項目生物質燃料的來源是以分宜縣為中心70km直線距離內覆蓋的江西省新余市、上高縣、萬載縣、安福縣等地區。
本工程的主要燃料為林下雜灌剩余物、林業采伐剩余物、農林加工剩余物和秸稈等，年消耗量約32萬t。
項目所在地林業資源豐富，現階段預計生物質燃料（以分宜縣為中心100km直線距離內覆蓋的區域）的每年可收購量如表3所示。
故而在燃料的供應方面農林生物質能發電項目應有足夠的選擇空間和波動余量，燃料收購的環節通過實地調研后組織商討研究，可組建生物質燃料供應部，統一負責電廠所有燃料收購、運輸及儲存的運營管理；也可與木材加工運輸商進行合作。
2.2分宜縣電網現狀
分宜縣位于江西省西中部，袁河中游，縣境南北長65km，東西寬36km。東鄰新余市渝水區，南連吉安市安福縣，西接宜春市袁州區，北毗宜春市上高縣。分宜縣距省會南昌178km，距新余26km。
截至2017年底，分宜縣有統調電源2座，分別為分宜電廠（210MW+330MW）和分宜陸輝橫溪光伏（70MW）；非統調電源裝機總容量64.671MW。2017年分宜縣統調用電量6.8億kW·h，同比增長1%；全社會用電量7.77億kW·h，同比增長4.22%；最高統調負荷184MW，同比增長3.2%。
如圖1所示，分宜縣電力布局主要以燃煤火力發電為主，新能源所占比重小。為了促進能源轉型升級，提高清潔能源發電比重，推進經濟型、節能型、環保型電力企業綜合發展，農林生物質能發電項目顯得尤為必要。
2017年分宜縣統調用電量6.8億kW·h，同比增長1%；全社會用電量7.77億kW·h，同比增長4.22%；最高統調負荷184MW，同比增長3.2%。
分宜縣電網相對薄弱，缺少足夠的電源支撐，在經濟快速發展背景之下供電能力相對不足，分宜發電廠生物質發電項目接入對于滿足近期電力需求會起到重要作用。
2.3建廠的必要性
1）利用再生能源發電是解決能源短缺的途徑之一。目前，世界各國都在尋找開發可再生能源，如太陽能、風能、垃圾廢料、生物質能等。利用生物質能發電是我國解決能源短缺的途徑之一。發展木本生物質產業也是優化能源結構和保障能源安全、實現能源資源與農林業協調發展的戰略舉措。
2）生物質能發電是解決燃煤中SO2對大氣嚴重污染的需要。利用生物質燃料作為清潔能源，可大大減少當地對農業廢料處理產生的環境污染。生物質燃料含硫均較少，采用生物質燃料發電，可減少燃煤電廠帶來的二氧化硫對大氣的污染，同時減少了粉煤灰、粉塵的排放。電廠工業污水進行綜合處理后循環使用，基本達到零排放。該項目符合《國務院關于落實科學發展觀，加強環境保護的決定》（國發[2005]39號）的要求。
3）再生能源發電可增加農民收入，是我國可持續發展道路的需要。建設1座1×30MW生物質電廠，年燃燒農林廢棄物約31.28萬t，若燃料價格按310元/t計，農民可增加收入約9696.8萬元，提高了農民生活水平。發展木本生物質產業是解決“三農”問題。全面建設社會主義新農村的重要切入點。
2.4“十三五”規劃發展
國家能源局發布《電力發展“十三五”規劃（2016—2020年）》提出的“十三五”期間生物質能源發展目標：到2020年生物質發電裝機1500萬kW。
江西省“十三五”規劃綱要明確提出實施基礎設施提升戰略，增強經濟社會發展支撐能力，增強能源保障能力。堅持“適度超前、以電為主、多能互補”原則，建設穩定、安全、經濟、清潔的現代能源保障體系。完善電源點布局。統籌建設電源重大項目，大力實施清潔煤電工程，積極發展光伏發電、風電、水電和生物質能等新能源、可再生能源，爭取早日啟動彭澤核電站建設。生物質發電項目的開發建設有助于以上目標的實現。
按照《江西省電力發展“十三五”規劃》發展目標，到2020年，江西全社會電源裝機容量突破4300萬kW；電源結構進一步優化，非化石能源裝機比重達35%，非化石能源發電量比重達16%。
3結語
隨著近現代科學技術的突飛猛進，在人類生活方式大幅度改變的同時，人們對自然能源的需求不斷改變，對不可再生的化石能源的開發利用已經遠遠超過了自然界自然“生產”的速率，導致自第一次工業革命以來的百年間已經消耗了數萬年積累下來的化石能源，在不久的將來難能可貴的化石能源將開發殆盡。新型可再生能源的開發利用目前成為世界能源消耗大國爭相進入的新“戰場”，生物能源作為綠色環保、清潔安全的可再生資源，不僅能緩解不可再生能源嚴重緊缺的局面，相比于燃煤發電，還能改善周圍環境質量，在穩發展的同時還能留有綠水青山，建設環境友好型的發展模式。
分宜發電廠農林生物質能發電項目是電力企業綜合性發展的很好嘗試，在解決地方廢棄生物質原料的同時挖掘了廢舊利用的經濟效益，為難以處理廢舊生物質原料的地方政府和企業提供了新的思路和選擇。
參考文獻
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