|
王剛，曲紅建，呂群
（大唐環(huán)境產業(yè)集團股份有限公司，北京100097）
摘要：文章在劃分現階段生物質發(fā)電技術類別的基礎上，結合國家“十三五”期間煤電發(fā)展的產業(yè)政策，重點論述了生物質燃氣耦合發(fā)電的工藝流程和主要設備，闡述了目前我國生物質燃氣耦合發(fā)電項目推廣應用的優(yōu)勢與不足，提出生物質原料預處理的方案，解決存在的不足。
1概述
2016年我國進入第十三個五年規(guī)劃，“十三五”規(guī)劃的主導思想就是緊緊圍繞黨和國家2020年的奮斗目標——“全面建成小康社會”。針對這個奮斗目標，“十三五”規(guī)劃從科技創(chuàng)新、結構升級、基礎設施建設、生態(tài)環(huán)保、民生改善五個方面進行戰(zhàn)略布局，重點要解決農村貧困人口脫貧、生態(tài)環(huán)境保護、社會事業(yè)發(fā)展、民生保障等領域的發(fā)展短板。從五大戰(zhàn)略布局看，直接影響火力發(fā)電行業(yè)的就有科技創(chuàng)新、結構升級（能源結構升級）、生態(tài)環(huán)保三個布局，再結合當前國內電力供應矛盾趨緩甚至煤電過剩，及長久以來煤炭比例過重的能源結構不合理的現狀[1]，我國傳統(tǒng)火力發(fā)電行業(yè)在“十三五”期間將面臨巨大壓力，但同時也蘊藏巨大機遇。
針對以上形勢，2016年11月7日，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局率先公布了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016～2020年）》，根據電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，我國將開展燃煤耦合發(fā)電試點示范，并明確指出重點任務是“在東北等糧食主產區(qū)布局一批燃煤與農林廢殘余物耦合發(fā)電示范項目，在京津冀、長三角、珠三角布局一批燃煤與污泥耦合發(fā)電示范項目”。隨后，2016年11月29日國務院公布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》；2016年12月20日國務院下發(fā)了《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》；2016年12月30日國家能源局公布了《能源技術創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》，這些規(guī)劃與工作方案都將燃煤耦合發(fā)電列為重要的支持性發(fā)展產業(yè)。由此，一批燃煤生物質耦合發(fā)電試點項目建設已開始啟動，繼吉林大唐長山熱電廠啟動燃煤與農作物秸稈耦合發(fā)電技術改造試點工作后，廣東、寧夏、湖北、安徽等省已啟動了一批燃煤與農林生物質、污泥耦合發(fā)電的試點項目。
在國家政策的推動下，我國燃煤耦合發(fā)電的巨大市場需求已顯現。2017年6月7日，第7屆燃煤生物質耦合發(fā)電國際研討會在北京召開，國家能源局電力司的有關領導表示：“燃煤生物質耦合發(fā)電有利于促進化石能源替代，增加清潔能源供應；有利于促進電力行業(yè)特別是煤電的低碳清潔發(fā)展；有利于破解秸稈田間直焚、污泥垃圾圍城等社會治理難題”，這三個“有利于”的評價，基本就是當前我國燃煤生物質耦合發(fā)電發(fā)展的首要任務。
2生物質發(fā)電和生物質耦合發(fā)電技術簡述
傳統(tǒng)的生物質發(fā)電技術，實際并不是火力發(fā)電技術領域的新技術。世界上最早的生物質發(fā)電起源于20世紀70年代，當時因為世界性的石油危機爆發(fā)，丹麥為緩解危機帶來的能源壓力，率先大力推行秸稈等生物質發(fā)電技術，1990年以后，生物質發(fā)電在歐美許多國家也得到大力發(fā)展[2]。在傳統(tǒng)生物質發(fā)電技術發(fā)展中，實際也包含了生物質與煤炭、燃油、天然氣的耦合發(fā)電技術，只是以西方國家為代表的技術中，通常是在中小機組方面的應用，這也與西方國家電力產業(yè)發(fā)展國情有直接關系，在歐洲300MW機組以上的生物質耦合發(fā)電技術實際并不多見。從生物質耦合角度來看，我國300MW和600MW機組將是主要的適用機組，這樣來看，我國采用燃煤耦合發(fā)電技術的定義是符合國內未來發(fā)展道路的，這不僅僅是簡單的生物質和燃煤誰多誰少的問題，還包含了燃煤與其他能源耦合技術的范疇。
生物質發(fā)電方式主要可分為直接燃燒發(fā)電、氣化發(fā)電和與耦合發(fā)電三種方式。直接燃燒發(fā)電分為農林廢棄物直接燃燒發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電等；氣化發(fā)電可分為農林廢棄物氣化發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電、沼氣發(fā)電等；耦合發(fā)電是生物質與其他燃料結合的發(fā)電技術。
生物質耦合發(fā)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，我國早期開展的生物質耦合發(fā)電以該方式為主，這種方式對于火電發(fā)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(tǒng)，對燃煤鍋爐燃燒不產生影響，但是系統(tǒng)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(fā)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(qū)域。
我國目前開展的燃煤耦合發(fā)電技術，主要趨向于第三種的燃氣耦合方式。這是因為我國農業(yè)生產方式的特征、電站鍋爐現狀等因素，決定了燃氣耦合方式具有對電站鍋爐現有裝備影響小、投資少、生物質利用熱效率高、對社會環(huán)境適應性強的優(yōu)點。圖1是生物質發(fā)電技術的劃分和分類情況。
生物質耦合發(fā)電的原料，實際上與生物質發(fā)電一樣不僅局限于秸稈，也包括農業(yè)、林業(yè)、食品加工業(yè)的所有廢棄可燃物質，都可以成為生物質耦合發(fā)電的燃料，更廣義地講，甚至包括工業(yè)廢棄物、城市垃圾、污水處理污泥等有害廢物。生物質耦合發(fā)電在火力發(fā)電領域起到降低煤耗、減少碳排放、促進鍋爐低負荷經濟運行作用的同時，也是固廢無害化處理環(huán)保技術新的發(fā)展與應用。
3生物質燃氣耦合發(fā)電技術的主要工藝流程
生物質原料經過多道工序處理后，達到氣化爐的入料要求，生物質原料被輸送至氣化爐內，在氣化爐內在高溫、高壓的作用下，產生含有CO、CH4、H2等低熱值的混合可燃氣體。從氣化爐內出來的生物質燃氣溫度約為730℃，為了實現熱能的綜合利用和便于生物質燃氣的可靠計量，燃氣需降溫冷卻到400℃～420℃，降溫后的生物質燃氣通過輸送管道及加壓系統(tǒng)送入煤粉鍋爐燃燒室與煤混合燃燒。圖2是生物質燃氣與煤混合燃燒耦合發(fā)電的工藝流程圖。
按照工藝流程進行劃分，生物質燃氣耦合系統(tǒng)主要分為生物質原料處理系統(tǒng)、循環(huán)流化床（CFB）氣化爐、燃氣降溫系統(tǒng)、燃氣加壓輸送系統(tǒng)、燃氣成份監(jiān)測及計量系統(tǒng)、生物質燃氣耦合燃燒系統(tǒng)，及相應的電氣、電控、熱工保護及吹掃系統(tǒng)等。在上述構成系統(tǒng)中，循環(huán)流化床（CFB）氣化爐、燃氣降溫系統(tǒng)、燃氣加壓輸送系統(tǒng)、生物質燃氣耦合燃燒系統(tǒng)是關鍵的技術環(huán)節(jié)。生物質燃氣與煤混合燃燒耦合發(fā)電系統(tǒng)原理見圖3[3]。
當不需換熱器為外部提供生物質燃氣降溫產生的熱量情況下，生物質循環(huán)流化床（CFB）氣化爐可設計為雙塔結構，即氣化爐+冷卻爐的雙塔工藝，冷卻爐有固定床式和流化床式兩種應用方式。雙塔工藝可利用生物質燃氣降溫產生的熱量加熱入爐生物質燃料，在消耗這部分熱能的同時，提高生物質氣化爐的熱效率。圖4是雙塔氣化爐工藝系統(tǒng)原理[3]。
4生物質燃氣耦合發(fā)電技術的主要工藝設備
4.1循環(huán)流化床（CFB）氣化爐
循環(huán)流化床（CFB）氣化爐由下部、上部及尾部三個部分組成，內部設有耐熱防磨內襯。氣化爐結構與原理見圖5。
氣化爐下部主要是爐膛區(qū)域，爐膛自下而上依次為風室、布風板、風帽、密相區(qū)、一次CFB懸浮段。密相區(qū)和一次CFB懸浮段是發(fā)生燃燒與氣化反應的主要區(qū)域。
氣化爐上部主要是二次CFB懸浮段和循環(huán)流化床（CFB）氣化爐爐頂。二次CFB懸浮段是保證氣化反應充分的關鍵區(qū)域。
氣化爐尾部主要是氣化爐旋風分離器，結構與傳統(tǒng)旋風分離器相同，氣化爐旋風分離器下部回料返回至氣化爐下部密相區(qū)。分離器內部同樣設有耐溫防磨內襯。旋風分離器結構見圖6。
循環(huán)流化床（CFB）氣化爐是生物質燃氣耦合發(fā)電技術的核心設備，氣化爐一般采用床下油點火或天然氣點火。在進風室的風道內布置了0#輕柴油點火燃燒器，正常運行時，氣化爐爐膛溫度始終控制在700℃～730℃，并且控制氣化風量，使爐膛區(qū)域內呈現高溫少氧環(huán)境，生物質燃料在此通過干餾熱解及化學氧化反應后產生含有一氧化碳、氫氣、甲烷等氣體成分的生物質燃氣。燃氣能在爐膛內停留5～6秒，保證高氣化效率，然后高溫燃氣夾帶固體粒子進入氣化爐旋風分離器進行氣固分離[4]。
氣化爐排渣采用干式排渣，有兩個排放點。一個是氣化爐下部密相區(qū)排渣管排放，這是正常運行中的主要排渣點。另一個是通過分離器下部設置的旁路排放裝置排放，該排放點屬于備用和輔助排放點。
4.2燃氣降溫系統(tǒng)
燃氣降溫系統(tǒng)的主要設備是高壓換熱器，其工藝目的是將氣化爐產生的700℃～730℃燃氣溫度降至400℃～420℃。高壓換熱器換熱介質通常選用燃點450℃以上的導熱油，由于目前國家對導熱油產品標準的不確定性，生物質燃氣降溫系統(tǒng)導熱油具體可與導熱油生產廠家定制。
高壓導熱油換熱器置于生物質氣化爐之后，加熱后的高溫導熱油靠循環(huán)油泵的壓頭在液相狀態(tài)下，強制輸送至吸熱設備，當高溫導熱油在換熱設備釋放熱能后，沿回路經循環(huán)泵繼續(xù)進入高壓導熱油換熱器加熱，這樣連續(xù)循環(huán)。換熱設備可以是加熱鍋爐給水或冷凝水的換熱設備，也可以是加熱熱風的換熱設備。
4.3燃氣加壓輸送系統(tǒng)
由于生物質氣化爐生產的燃氣經降溫后，溫度通常在400℃～420℃，因此，燃氣加壓輸送系統(tǒng)的關鍵設備是能夠滿足500℃或更高溫度條件下的加壓風機，為保證安全的冗余度，可選擇滿足輸送介質溫度550℃或750℃的加壓風機。另外，由于燃氣進入爐膛的噴入點數量、位置的差異，為避免各點燃氣量的不均衡波動，燃氣進入爐膛前，會選擇有均壓、穩(wěn)壓的措施，同時要考慮阻擋回流的止回流措施。當采用母管均壓、穩(wěn)壓時，燃氣經加壓風機壓后送入母管，母管將燃氣輸送到爐前設置的支管，最后燃氣通過支管被送入爐膛內進行燃燒，在這樣的管線輸送設計中，進出母管的支管都應安裝專門設計的止回閥。
4.4耦合燃燒器
由于生物質燃氣幾乎不含灰分，所以耦合燃燒器采用爐膛前墻布置或前后墻對沖布置的旋流結構，助燃空氣采用鍋爐二次風。耦合燃燒器在鍋爐布置位置的選擇上，需根據耦合生物質燃氣的氣量、爐膛燃燒區(qū)的變化等因素進行合理設計。對于300MW及以上機組，當生物質燃氣耦合率小于煤粉鍋爐的5%時，一般不用對鍋爐水冷壁進行改動。在我國目前開展的生物質燃氣耦合發(fā)電示范性建設項目中，生物質燃氣耦合率基本都沒有超過5%。
5我國生物質燃氣耦合發(fā)電的優(yōu)勢與不足
我國農業(yè)生產方式和電站鍋爐現狀與歐洲國家差別很大，歐洲農業(yè)生產方式以大面積耕種的農場主為主，火力發(fā)電廠機組也多為200～500MW的機組，而我國農業(yè)生產以“包產到戶”的小農生產方式為主，火力發(fā)電機組主要是300～1000MW機組。機組的特點決定了我國開展的生物質燃氣耦合發(fā)電技術的生物質燃氣耦合率通常都小于5%，這就意味著幾乎不用對燃煤鍋爐進行大的改造，以較少的投資就可迅速推廣生物質燃氣耦合發(fā)電技術。但是農業(yè)生產方式對我國開展生物質燃氣耦合發(fā)電將產生眾多不利影響，從國內已開展的生物質發(fā)電企業(yè)運營情況看，原材料來源和質量的不穩(wěn)定，是造成企業(yè)經濟效益不好，甚至于經營虧損的主要原因。
另外，火力發(fā)電廠入場的生物質原料如何優(yōu)化，也需發(fā)展與完善。以現在火力發(fā)電廠的規(guī)劃布局，大量進場原生態(tài)生物質燃料并不是好的選擇，這其中還存在收購、中轉、運輸、搬運、存儲等問題，并需要相對配套的運輸通道、儲存場地、預處理場地以及防風、防雨、防火等管理措施，這些都對現有火力發(fā)電廠的安全管理、環(huán)境建設造成很大壓力。因此，對生物質原料進行預處理的下游企業(yè)建設，火力發(fā)電廠可選擇入場前經過破碎、造粒、壓縮的生物質燃料，這不僅可部分解決小農生產方式、地域性生物質產能帶來的收購復雜及無序競爭問題，同時也可緩解火力發(fā)電廠安全生產的管理壓力。
在生物質燃氣耦合發(fā)電計量核算方面，完善標準、規(guī)范、技術、方法，也是促進生物質燃氣耦合發(fā)電發(fā)展的重要保障。
6結論與展望
我國火力發(fā)電行業(yè)發(fā)展的大趨勢，一直以來是受益于經濟高速發(fā)展的巨大需求，這也促成目前我國電力能源依然以火電為主的局面。在當前深化改革和國民經濟調整的時代背景下，火力發(fā)電由規(guī)模型向節(jié)能、環(huán)保型轉變是必然趨勢。利用現有分布廣泛的火力發(fā)電機組，開展燃煤耦合發(fā)電技術改造，具有綜合利用、綜合治理的最大優(yōu)勢。生物質燃氣耦合發(fā)電技術，以其投資少、效益高，相對生物質直燃耦合效率高，對現有發(fā)電鍋爐影響小的眾多優(yōu)勢，必然會得到快速發(fā)展與應用。
參考文獻：
[1]毛健雄，毛健全.當前我國燃煤火電機組降低CO2排放的途徑[J].電力建設，2011，32（11）：5-10.
[2]林敏怡，李鴻濤，陳釗俊.廣東省生物質能行業(yè)發(fā)展現狀分析[J].中國環(huán)保產業(yè)，2015（8）：61-64.
[3]上海鍋爐廠有限公司.生物質氣化耦合燃煤發(fā)電技術[R].第七屆燃煤生物質耦合發(fā)電國際會議，北京，2017-6-8.
[4]周高強.燃煤與生物質氣化耦合發(fā)電技術方案分析[J].內燃機與配件，2016（12）：133-135. |
