|
任少輝1，胡曉煒2，胡燦2，趙淵2，李躍峰1
（1.武漢凱迪綠色能源開發運營有限公司，湖北省武漢市430074；2.武漢凱迪電力工程有限公司，湖北省武漢市430074）
摘要：生物質直燃電廠能夠清潔集中利用生物質能。降低電廠排煙溫度，充分利用電廠余熱將有效提高生物質能的利用效率或為電廠開辟新的經濟增長點。結合生物質直燃電廠在農村區域的特點，探討將電廠煙氣余熱充分應用到農業中的可能性。結果表明：因地制宜地將生物質直燃電廠余熱應用于生活供熱、種植、養殖等農業領域，將促進農民收入的增長和保護生態環境。
0引言
生物質能是一種優秀的可再生能源，具有量大、易得、燃燒產物對環境友好等一系列優點，目前我國耕地面積15.855億畝，其中農林廢棄物約11.38億t，折合標準煤約5.6億t[1]。生物質直燃電廠是能夠將秸稈、林業廢棄物中的生物質能高效清潔轉化為電能的方式之一。由于其清潔利用的性能，生物質直燃電廠在國內得到了大力發展[2-6]。從2007年我國第一個農林廢棄物發電項目在山東單縣開工建設，至2016年，農林生物質直燃發電項目達254個，并網裝機容量約為640萬kW[7]。預計到“十三五”結束，全國農林生物質直燃發電裝機總量將達到700萬kW[8]。
1生物質電廠余熱在農業中應用的意義
由于燃料是分散的農業或林業廢棄物，與燃煤電廠相比，生物質電廠具有其特殊性。其主要特點如下：
1）燃料成本占據了生物質電廠運營成本的50%以上；
2）為了收購燃料方便，控制燃料成本，生物質電廠大多都建設在農林廢棄物相對較多的農村區域或城鄉接合部；
3）現有生物質電廠的排煙溫度相對較高，按某生物質電廠排煙溫度為150℃考慮，與大型燃煤電廠的排煙溫度相比，有充分的可利用空間。
生物質電廠的排煙損失是鍋爐損失中最大的一項。因此，為降低燃料成本，保證生物質直燃電廠的經濟運行，首先應該關注的是降低生物質電廠的排煙溫度。本文針對生物質電廠處于農業生產領域附近的特點，提出將生物質直燃電廠的余熱因地制宜地應用到周邊居民生活或農業生產范圍內的方法，不僅符合國家生物質能供熱的指導意見，也加快了生態農村的發展和建設。同時將生物質直燃電廠的低溫煙氣“變廢為寶”，提高了生物質能的利用效率，為生物質電廠帶來部分經濟效益。
2生物質直燃電廠煙氣余熱應用的潛力
煙氣余熱應用的潛力受到煙氣中SO2、H2O等成分的制約，一旦煙氣溫度降低到酸露點以下，就會造成煙氣管道的酸腐蝕。因此本文首先計算生物質電廠煙氣的酸露點，再選用合適的設施防止酸析出對煙氣管道的影響，充分利用生物質直燃電廠的余熱潛力。
由于燃料收集半徑在100km以內，電廠的裝機容量一般不超過30MW。煙氣流量約在150000m3/h。按某生物質直燃電廠的設計數據，設計燃料的元素和工業分析如表1所示，各項成分的體積分數如表2所示。
生物質煙氣中的硫酸露點暫沒有相關文獻報道，本文中生物質煙氣的硫酸露點暫按燃煤電廠煙氣中酸露點的計算方法進行，根據蘇聯1973《鍋爐機組熱力計算標準方法》計算，其中水露點tH2O的計算公式[9]如下：
為充分利用該生物質電廠煙氣的余熱，建議利用方式可以通過兩級換熱器，第一級換熱器選用燃煤電廠目前常用的煙氣冷卻器，材質采用ND鋼、Corten鋼等具有一定抗低溫腐蝕性能的金屬[11]，出口煙氣溫度在硫酸露點的5℃左右，如本電廠可采用(95±1)℃。考慮到生物質電廠煙氣中水蒸氣的體積分數大于燃煤電廠煙氣中水蒸氣的體積分數，二級換熱器采用以PE、FEP等為材質的氟塑料耐腐蝕換熱器[12]。
氟塑料換熱器有其特有優勢：1）氟塑料是已知固體材料中表面自由能最低的材料之一，幾乎所有材料不能黏附在其表面，由于其表面分子對其他分子吸引力小，因而摩擦因數非常小(靜、動摩擦因數與鋼的比值均為0.04)，對流體產生的流動摩擦阻力也較小；
2）根據已經采用的氟塑料換熱器的經驗，氟塑料換熱器中每個模塊都設有沖洗母管，獨立控制，會采用定期以及人工的方式清洗換熱器中積灰；
3）也可以采用兩路氟塑料換熱器模塊，一用一備，更好地清洗內部，該方式能有效解決受熱面積灰問題。氟塑料換熱器也在燃煤電廠中被用于提取電廠煙氣中的凝結水，如在大唐國際錫林浩特電廠煙氣冷凝提水工程中的氟塑料冷凝裝置最大冷凝水回收量為78.8t/h。結合生物質電廠煙氣中水分含量較高的特點，將煙氣溫度降低到酸露點以下，充分利用煙氣的顯熱及部分水蒸氣冷凝的潛熱，如本條件下可以考慮將最終煙氣溫度降至度55℃，如圖1所示。
根據上述煙氣成分計算，每小時煙氣通過一級換熱器可釋放熱量約11703906.64kJ，通過二級換熱器可釋放顯熱8466709.94kJ，55℃時水蒸氣飽和分壓為15.84%，水蒸氣冷凝6140kg/h，釋放潛熱14459700kJ/h[13]。因此，如果充分回收一臺30MW生物質直燃機組的余熱，可新增供熱能力約9000kW。
3生物質直燃電廠煙氣余熱應用的途徑
采用兩級換熱器，可將電廠煙氣的余熱用來加熱空氣和熱水。可根據需要通過將熱風或熱水串聯的方式得到最高溫度約為120℃的熱產品。根據當地農業的特色，可以將余熱最終應用于家用生活熱水、干燥、種植、畜牧及沼氣發酵等行業。
1）農村供暖。廣大農村地區在冬季仍以燒散煤的方式取暖，這也是霧霾產生的主要原因之一。鋪設供暖管道為廣大農戶實行集中供暖，是目前能改造傳統供暖方式的有效途徑。生物質發電廠建設在農村附近，是優質清潔的集中熱源。在生物質直燃電廠鄰近的城鎮、鄉鎮、新農村建設中短供熱管道，形成局部供熱管網系統。采用生物質電廠蒸汽為農戶提供供熱和生活熱水，用煙氣余熱的深度利用提供補充，不僅管道鋪設成本低，沿途熱量損失少，同時利用清潔生物質能資源也可以優化農村環境。按照供熱指標為80W/m2計算，采用電廠煙氣余熱可以為約11萬m2的住宅提供集中供暖。因此這種高效利用生物質電廠余熱的手段，可改善農民的生活環境，提高農民的生活質量，為實現社會主義新農村建設添磚加瓦。
2）農產品干燥。干燥是農產品重要的保藏方法之一，通過將農產品中的部分水分除去，降低其水分活度，從而有效地抑制微生物的生長繁殖，達到食品長期保藏的目的。熱風干燥是最為傳統和最常用的干燥方法之一，果蔬[14]、香菇[15]、魚類[16]等的熱風干燥也得到了不少學者的關注。目前常用的熱風干燥機都是采用外加熱源或電加熱的方式，如果將干燥機房建在生物質直燃電廠旁邊，充分利用生物質電廠煙氣余熱產生的熱量，將會大大降低干燥成本。以30MW的生物質電廠煙氣余熱估算，可節省標煤用量約1000kg/h。采用電廠的余熱也可以使干燥設備24h連續運轉，不但使生產過程連續進行，而且通過降低設備運轉成本及產品的生產量，可以更快回收前期投入。
3）溫室供暖。溫室是現代農業生產性建筑設施，它可以改變植物生產環境，為植物生長創造最佳條件，避免外界四季變化和惡劣氣候對其造成不利影響。目前常用的溫室加熱方式有燃煤、燃油熱水或少量的熱風鍋爐。依托生物質直燃電廠周邊的供熱管道，加鋪少量的管道到溫室中，并根據種植的作物分配溫室內的熱水管道。與傳統的熱水溫室相比，不需要加設鍋爐房等附屬措施，降低了設備投資；同時也比熱風溫室中溫度分布更均勻，對農作物的生長條件更有優勢。按照上海某采用燃煤熱水機組的現代化大棚，供熱指標按45W/m2估算，采用生物質電廠余熱熱水的供暖方式可供約20萬m2的大棚使用，并節省燃煤機組投資約50萬元。溫水浸泡也同樣會提升種子的發芽率和育苗的成功率。因此從生物質余熱獲得的熱水可以推動高檔的跨季節果蔬、花卉和菌類的種植和育苗，為社會提供高品質蔬菜或花卉資源，對農業種植也有很好的促進作用。
4）技術養殖。生物質電廠無論是從地理位置還是從盈利模式上都更貼近農戶。熱水養殖是近些年興起的一種增加養殖種類、加快成熟速度的新型養殖方式。其中美國更是從20世紀70年代就開始通過電廠余熱發展水產養殖，幾乎所有的魚類、甲殼類均能通過電廠余熱來養殖。國內也是利用電廠余熱水養殖羅氏沼蝦[17]、鱘魚[18]以及甲魚等具有高經濟優勢的種類。據報道，某電廠余熱水養殖場充分利用電廠排放的余熱水，通過流水化、高密度養殖淡水白鯧、羅非魚等暖水性魚類，年產鮮魚75萬kg以上，年產值650多萬元。依照美國電廠利用余熱養殖的經驗，每年能收回整個投資額的15%~20%[19]。如果生物質直燃電廠在動物禽類養殖廠附近，余熱熱水可以提供人工孵化的熱水，保證孵化的成功率[20]。動物糞便也可以送往生物質電廠燃燒，或者是由生物質電廠余熱熱水提供溫度以實現糞便的高溫發酵，增加沼氣的產率[21]，實現生態循環。因此，采用生物質電廠的余熱熱水發展養殖業是同時為電廠和農戶創收的干凈、清潔方式。
4結論
通過回收生物質直燃電廠煙氣中余熱，實現農村供暖、農產品干燥、溫室供暖、技術養殖等多途徑應用，具有節能、環保、創收的優點。如果按照生物質余熱只在冬季應用計算，年節省標煤約4000t，相當于減排二氧化硫76t，煙塵6.3t，氮氧化物36t，二氧化碳7200t，渣249t。因此，非常有必要因地制宜地推廣生物質直燃電廠余熱在農業中的應用。
參考文獻
[1]中華人民共和國國家統計局.2017年中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2017：17-20.
[2]向鵬，吳躍明，祁超，等.生物質氣化–燃煤耦合發電氣化模型研究[J].分布式能源，2018，3(1)：1-6.
[3]龍輝，黃晶晶.“十三五”燃煤發電設計技術發展方向分析[J].發電技術，2018，39(1)：13-17.
[4]劉久斌，朱紅霞，崔曉波.我國電廠熱工自動化的回顧、現狀和展望[J].發電技術，2018，39(1)：18-22.
[5]潘寧，陳祎，劉蔚，等.生物燃氣發電項目控制系統的分散控制與集中管理[J].華電技術，2018，40(2)：7-9.
[6]紀曉軍，王雨晴.電改新形勢下新能源消納市場機制設計[J].電網與清潔能源，2018，34(6)：76-79.
[7]中國生物質能聯盟.2016中國生物質發電企業排名報告[R].北京：中國生物質能聯盟，2017.
[8]國家能源局.生物質能發展“十三五”規劃[R].北京：國家能源局，2016.
[9]蔣安眾，王罡，石書雨，等.鍋爐煙氣酸露點溫度計算公式的研究[J].鍋爐技術，2009，40(5)：11-14.
[10]李小龍.生物質煙氣低溫特性及生物質干燥特性實驗研究[D].濟南：山東大學，2013.
[11]王榮，張建成，童立根.ND鋼熱管壽命實驗及與碳鋼熱管對比實驗研究[J].南京化工大學學報，1995，17(4)：88-93.
[12]胡清，孫少鵬，田鑫，等.氟塑料換熱器技術的應用進展研究[J].化工新型材料，2016，44(4)：23-25.
[13]李慧君，王樹眾，張斌，等.冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收可行性經濟分析[J].工業鍋爐，2003(2)：1-5.
[14]張建軍，王海霞，馬永昌，等.辣椒熱風干燥特性的研究[J].農業工程學報，2008，24(3)：298-301.
[15]郭凱，芮漢明，周禮娟.香菇熱風干燥過程中香氣形成機理初探[J].食品與發酵工業，2007，33(10)：62-65.
[16]段振華，張慜，湯堅.鳙魚的熱風干燥規律研究[J].水產科學，2004，23(3)：29-32.
[17]王興禮.電廠余熱水養殖羅氏沼蝦技術[J].淡水漁業，2003，33(4)：39-40.
[18]趙西才，蔣效祥.余熱水工廠化養殖史氏鱘技術研 究[J].漁業現代化，2006(4)：8-10.
[19]鄒立忠.美國利用電廠余熱水發展水產養殖[J].世 界農業，1982(2)：47-48.
[20]李崢嶸，劉遞多，劉凱.冷凝熱熱回收技術在孵化設備中的應用分析[J].中國家禽，2015(12)：65-67.
[21]浦紹瑞，錢紅亮，馬春燕，等.畜禽糞便高溫發酵與秸稈熱化學處理工藝的耦合[J].化工學報，2015(6)：2220-2226. |
