孫向文¹，王君峰²，姜孝國(guó)²

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，黑龍江哈爾濱150046)

　　摘要：隨著《巴黎協(xié)定》的生效，碳排放成為煤電發(fā)展的制約因素。特別是2020年大型發(fā)電集團(tuán)單位供電CO₂排放控制在550克/千瓦時(shí)以內(nèi)的目標(biāo)給發(fā)電企業(yè)帶來巨大的壓力。根據(jù)目前降低碳排放的技術(shù)發(fā)展情況，在燃煤機(jī)組采取耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)施路線。本文結(jié)合目前某容量最大、技術(shù)含量最高的燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目介紹燃煤耦合生物質(zhì)氣化技術(shù)工程應(yīng)用情況。

　　0引言

　　我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，電力工業(yè)煤炭消耗量占工業(yè)部門煤炭消耗總量的一半以上^[1]，燃煤發(fā)電量長(zhǎng)期占全國(guó)總發(fā)電量的60%以上，我國(guó)以燃煤發(fā)電為主的電力生產(chǎn)格局在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)難以發(fā)生根本改變。

　　隨著《巴黎協(xié)定》的生效，碳排放成為煤電發(fā)展的制約因素。特別是2020年大型發(fā)電集團(tuán)單位供電CO₂排放控制在550g/Kw·h以內(nèi)的目標(biāo)給發(fā)電企業(yè)帶來巨大的壓力。目前受到材料等因素的限制提高燃煤機(jī)組發(fā)電效率的難度越來越大，因此為應(yīng)對(duì)嚴(yán)格的碳排放壓力需要采取其他技術(shù)路線來降低燃煤碳排放。

　　CO₂捕集與封存技術(shù)是最直接、有效的降低碳排放的方式，但現(xiàn)階段該技術(shù)還存在投入高成本、運(yùn)行高能耗的問題，無法大規(guī)模應(yīng)用。另外一種技術(shù)路線是利用生物質(zhì)燃料具有閉式碳循環(huán)碳排放為零的特點(diǎn)，在燃煤機(jī)組中耦合生物燃料維持同等發(fā)電量的情況下降低燃煤消耗，進(jìn)而減少碳排放^[2]。因此在燃煤機(jī)組采取耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是目前最經(jīng)濟(jì)有效的降低碳排放的實(shí)施路線。

　　生物質(zhì)的種類很多，植物中最主要的有木材和農(nóng)作物秸稈等。植物生物質(zhì)中含硫很少，因此是一種清潔可再生能源。我國(guó)擁有巨大的農(nóng)林廢棄物產(chǎn)量，可以為生物質(zhì)發(fā)電提供有力的原料支持，保障電力的充足供應(yīng)[3]。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)還可有效破解秸稈在田間直接燃燒造成環(huán)境污染及資源浪費(fèi)難題，因此在我國(guó)發(fā)展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)具有雙重效益。

　　1燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)路線

　　燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)利用與燃煤機(jī)組相結(jié)合，借助于燃煤機(jī)組高參數(shù)、低排放的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電的高效利用。目前有生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電及生物質(zhì)直接混燃發(fā)電兩種技術(shù)路線。

　　生物質(zhì)直接與煤混合燃燒發(fā)電是指將生物質(zhì)燃料應(yīng)用于燃煤電廠中，和煤一起作為燃料發(fā)電[4]。生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。采用生物質(zhì)直接混燃發(fā)電時(shí)，生物質(zhì)直接參與鍋爐燃燒需要克服以下問題：

　　1)生物質(zhì)燃料引起的結(jié)渣和腐蝕問題。摻燒一定量的生物質(zhì)，由于生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)較低，燃燒過程中設(shè)備容易產(chǎn)生結(jié)渣問題。特別是燃用含氯較多的生物質(zhì)如秸稈和稻草等，當(dāng)熱交換器表面溫度超過400℃時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕[5]。

　　2)催化劑失活問題。用于控制NO_X排放的煙氣凈化系統(tǒng)，在燃燒生物質(zhì)時(shí)，生物質(zhì)中堿金屬的存在，容易引起NO_X催化劑老化或失效。

　　生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)是在燃煤電廠的基礎(chǔ)上增加一套生物質(zhì)氣化設(shè)備，將生物質(zhì)燃?xì)庵苯铀腿脲仩t中燃燒。采用生物氣化發(fā)電時(shí)，是生物質(zhì)氣化后的生物質(zhì)氣參與鍋爐燃燒，因此對(duì)鍋爐的運(yùn)行影響較小，從鍋爐運(yùn)行可靠性角度生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電技術(shù)更適合與燃煤鍋爐進(jìn)行耦合，特別是在改造現(xiàn)有機(jī)組上優(yōu)勢(shì)更加明顯。

　　2生物質(zhì)氣化及燃煤耦合實(shí)施方案

　　生物質(zhì)氣化混合燃燒發(fā)電技術(shù)需要改造現(xiàn)有燃煤鍋爐燃燒器，增加生物質(zhì)燃?xì)鈬娍凇⑸镔|(zhì)燃?xì)鈨艋笸ㄈ耄c煤進(jìn)行混燒，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入原有汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。本技術(shù)利用了大型燃煤發(fā)電廠的高效率，生物質(zhì)發(fā)電效率較高；同時(shí)通過進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)燃?xì)饬髁俊嶂怠⑷細(xì)鉁囟纫约半娬惧仩t的發(fā)電效率，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電部分的單獨(dú)核算。哈鍋以大唐長(zhǎng)山熱電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)改造國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目為依托，設(shè)計(jì)開發(fā)了出力為20MW的燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電設(shè)備。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)燃料為玉米秸稈。

　　本工程生物質(zhì)氣化爐選用循環(huán)流化床氣化爐，根據(jù)氣化爐運(yùn)行特點(diǎn)，氣化爐正常運(yùn)行時(shí)需要設(shè)置：給料系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、加沙系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、換熱降溫系統(tǒng)、燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)、燃?xì)馊紵到y(tǒng)、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)、蒸汽吹掃系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等系統(tǒng)。整體系統(tǒng)的核心設(shè)備為生物質(zhì)氣化爐和燃?xì)馊紵鳌?/p>

　　3實(shí)施方案的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1流化床氣化爐

　　本工程生物質(zhì)氣化爐選用循環(huán)流化床氣化爐，燃料選用玉米秸稈壓塊燃料，采用正壓氣化方式。壓型燃料被送入爐內(nèi)，在爐體底部以較大壓力通入氣化劑，使?fàn)t內(nèi)呈沸騰、鼓泡等不同狀態(tài)，物料和氣化劑充分接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)。氣化爐設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：氣化爐絕熱爐膛，鋼架支撐、內(nèi)設(shè)耐火澆注料耐磨保溫；空氣作為氣化劑；床下設(shè)油點(diǎn)火啟動(dòng)；設(shè)置床料加料系統(tǒng)；設(shè)一級(jí)旋風(fēng)分離、二級(jí)旋風(fēng)除塵、燃?xì)鈸Q熱降溫等裝置；布風(fēng)板中心一點(diǎn)排渣；氣化爐本體、尾部煙道采用分層支撐的固定方式，分離器采用整體支撐的固定方式。

　　3.2生物質(zhì)給料系統(tǒng)

　　給料系統(tǒng)分上料系統(tǒng)及正壓給料系統(tǒng)兩部分組成。上料系統(tǒng)流程：秸稈顆粒經(jīng)過上料斗→螺旋給料機(jī)→皮帶輸送機(jī)→除鐵器→在線計(jì)量系統(tǒng)→氣化爐爐前倉(cāng)。

　　從爐前料倉(cāng)到氣化爐為正壓給料系統(tǒng)，正壓給料系統(tǒng)采用兩級(jí)中間倉(cāng)進(jìn)行密封。該設(shè)備用來將制備好的燃料及時(shí)準(zhǔn)確地送入爐內(nèi)，且送入量與氣化爐運(yùn)行負(fù)荷的要求一致。因此，要求該系統(tǒng)輸送量應(yīng)連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)應(yīng)靈敏可靠，輸送過程中應(yīng)保證密封。為滿足以上要求，正壓給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮以下因素：系統(tǒng)在一定正壓環(huán)境下維持密封特性；給料系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行特性；原料密度小，形狀復(fù)雜、易碎、流動(dòng)性差、易搭橋的特性；原料倉(cāng)下料，中間倉(cāng)下料，爐前下料問題；如何避免氣化爐內(nèi)熱燃?xì)夥锤Z造成高溫或二次燃燒的問題；系統(tǒng)運(yùn)行安全檢測(cè)及保護(hù)措施等。

　　3.3燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)

　　為了實(shí)現(xiàn)燃?xì)庀到y(tǒng)的輸送，需要降低燃?xì)鉁囟龋瑫r(shí)為了防止燃?xì)庵械慕褂臀龀觯細(xì)饫鋮s溫度不能過低，通常在420℃以上。根據(jù)氣化爐的運(yùn)行特點(diǎn)及燃?xì)馓匦裕細(xì)饫鋮s系統(tǒng)需要具有較高的可靠性以及較好的調(diào)節(jié)性。

　　冷卻器采用導(dǎo)熱油－凝結(jié)水換熱器，采用該換熱器的原因是導(dǎo)熱油換熱器可在工質(zhì)在低壓條件下單相換熱可靠性高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。導(dǎo)熱油再與鍋爐給水進(jìn)行換熱，由鍋爐吸收高溫燃?xì)怙@熱。

　　油－氣換熱器設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：采用導(dǎo)熱油為換熱工質(zhì)；采用光管結(jié)構(gòu)；采用煙道內(nèi)吊掛方式固定；優(yōu)化受熱面布置導(dǎo)熱油入口處于中部區(qū)域；采用蒸汽吹灰器。

　　油－水換熱器設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：通過控制循環(huán)油量和給水流量，避免煙氣溫度低于420℃；油罐內(nèi)充滿氮?dú)猓苊饬烁邷貙?dǎo)熱油與空氣接觸發(fā)生危險(xiǎn)；水側(cè)工作壓力高于導(dǎo)熱油側(cè)壓力。

　　3.4燃?xì)馊紵到y(tǒng)

　　在設(shè)計(jì)燃?xì)馊紵鲿r(shí)充分考慮本項(xiàng)目鍋爐的自身特點(diǎn)，實(shí)施方案如下：后墻上層煤粉燃燒器以上新增一層燃?xì)馊紵鳎恍略龃箫L(fēng)箱配風(fēng)，調(diào)節(jié)風(fēng)箱兩側(cè)擋板控制二次風(fēng)量；單只燃?xì)馊紵髋溆酗L(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，達(dá)到均勻配風(fēng)；.燃?xì)夥种Ч芫O(shè)有閥門，氣源可全部或部分切斷，滿足運(yùn)行及檢修要求。為了達(dá)到最好的設(shè)計(jì)效果，采用數(shù)值模擬技術(shù)以校核設(shè)計(jì)方案。

　　數(shù)值模擬表明摻燒生物質(zhì)燃?xì)夂螅瑺t內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布均勻，爐膛充滿度良好，煤粉燃燒比較充分，爐內(nèi)無明顯的火焰尖峰區(qū)。總體來看，摻燒生物質(zhì)燃?xì)夂髮?duì)爐內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)影響不大，下爐膛出口溫度略有上升。為了準(zhǔn)確預(yù)估摻燒生物質(zhì)燃?xì)夂髮?duì)鍋爐汽水側(cè)參數(shù)和鍋爐效率的影響，哈鍋對(duì)100%BMCＲ和50%THA兩個(gè)工況進(jìn)行了熱力計(jì)算核算。本次生物耦合改造對(duì)原鍋爐影響較小。

　　4總結(jié)

　　隨著碳排放要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電設(shè)備面臨越來越大的壓力。生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)是目前較有競(jìng)爭(zhēng)力的減少碳排放的技術(shù)措施。本文介紹了生物質(zhì)耦合發(fā)電國(guó)家示范項(xiàng)目的實(shí)施方案及關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容。通過對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)與煤粉鍋爐耦合利用研究及工程應(yīng)用，哈鍋突破了大型煤粉鍋爐生物質(zhì)耦合發(fā)電的工程應(yīng)用技術(shù)，為國(guó)內(nèi)同類機(jī)組的改造提供了技術(shù)支持及參考經(jīng)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]張曉魯，楊仲明，王建錄.《超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)》[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

　　[2]嚴(yán)鑫，吳明峰.生物質(zhì)發(fā)電及能源綜合化利用[J].山西電力，2014.12：52－55.

　　[3]蔣大華，孫康泰，等.我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及建議[J].可再生能源，2014.04：542－546.

　　[4]劉炳池，陸王琳.大容量煤粉鍋爐生物質(zhì)混燃技術(shù)探討[J].新能源及工藝，2013.02：36－41.

　　[5]陳漢平，李斌，等.生物質(zhì)燃燒技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].工業(yè)鍋爐，2009.02：1－7.