趙世偉¹，刁潤麗²，胡雪梅¹，趙偉普³

(1.國家電投集團(tuán)河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南平頂山467312；2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院食品與化工系，河南平頂山467001；3.光大環(huán)保能源有限公司，鄭州451184)

　　摘要：生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)是生物質(zhì)資源利用的重要發(fā)展方向。根據(jù)生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)的原理，進(jìn)行生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用，研究該技術(shù)在應(yīng)用過程中存在的一些問題及對(duì)策，說明生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電是生物質(zhì)高效和經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用途徑之一。

　　生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用而儲(chǔ)存的可再生能源，雜草、農(nóng)作物秸稈、農(nóng)作物加工殘余、林業(yè)加工廢料和林業(yè)生產(chǎn)廢棄物等都屬于常見的生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是可再生能源中唯一可運(yùn)輸、能儲(chǔ)存、可持續(xù)利用的能源，其種類豐富、分布廣泛，獲取技術(shù)難度及成本低。我國生物質(zhì)能儲(chǔ)量巨大、分布廣泛，2017年我國農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電共計(jì)處理農(nóng)林廢棄物約5400萬t，節(jié)約標(biāo)煤1200萬t，減排二氧化碳3250萬t。生物質(zhì)能是理想的氣化原料，生物質(zhì)氣化為可燃?xì)怏w使生物質(zhì)能的利用更加方便、清潔和高效。

　　1生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)原理

　　1.1生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)原理

　　生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電是通過熱化學(xué)處理過程把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，熱化學(xué)處理過程在氣化爐內(nèi)完成。生物質(zhì)原料經(jīng)過預(yù)處理后，進(jìn)入氣化爐內(nèi)被加熱和干燥，隨加熱溫度的不斷升高，原料內(nèi)部的揮發(fā)分開始析出，揮發(fā)分與氣化介質(zhì)(空氣、氧氣、水蒸氣)發(fā)生燃燒反應(yīng)，持續(xù)釋放熱量并維持干燥、熱解和還原反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行[1]，氧化反應(yīng)生成的氣體主要含有CO、H₂、CH₄和C_mH_n等可燃?xì)怏w，熱值為4~6MJ/Nm³，除去焦油及雜質(zhì)后得到純凈的可燃?xì)怏w。氣化過程改變了原有生物質(zhì)的形態(tài)，得到高純度的可燃?xì)怏w，提高了生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程的效率，且得到炭粉、焦油和木醋液等副產(chǎn)品，可以綜合循環(huán)利用[2]。

　　1.2生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電工藝及氣化爐

　　生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電工藝流程主要由進(jìn)料系統(tǒng)、氣化反應(yīng)器（氣化爐）、氣體凈化系統(tǒng)和后續(xù)氣體處理系統(tǒng)組成。其中進(jìn)料系統(tǒng)包括氣化介質(zhì)供應(yīng)、生物質(zhì)進(jìn)料及其控制系統(tǒng)，凈化系統(tǒng)可除去可燃?xì)怏w中的固體顆粒、焦油及冷凝物等雜質(zhì)，后處理系統(tǒng)為轉(zhuǎn)化利用設(shè)備，可發(fā)電、集中供氣和供暖等。生物質(zhì)氣化工藝流程如圖1所示。

　　氣化爐是生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電的核心設(shè)備，常見的氣化爐有流化床、固定床及攜帶床3種，其中固定床和流化床[3]比較常見，固定床適用于小型氣化系統(tǒng)，大中型氣化系統(tǒng)多采用流化床技術(shù)。

　　根據(jù)固定床爐內(nèi)氣體流動(dòng)方向的不同，將固定床分為四種爐型：下吸式、上吸式、橫吸式和開心式氣化爐[4]，固定床氣化爐工作原理如圖2所示。下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)較簡單、工作穩(wěn)定，可隨時(shí)開蓋添料，出爐可燃?xì)饨褂碗s質(zhì)含量較少，該氣化爐主要應(yīng)用在發(fā)電方面，目前中國和印度使用較多。燃?xì)庠谏衔綒饣癄t內(nèi)經(jīng)過熱解層和干燥層時(shí)進(jìn)行熱量的多向傳遞，并進(jìn)行物料的熱分解和干燥，降低了燃?xì)庾陨淼臏囟龋朔N氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行方便、氣化效率高、氣體熱值高、含塵量低。橫吸式氣化爐內(nèi)，通過單管進(jìn)風(fēng)噴嘴高速吹入空氣，形成一個(gè)高溫燃燒區(qū)(達(dá)2000t)，此類型的氣化爐生產(chǎn)強(qiáng)度高，適合氣化較難燃燒的生物質(zhì)物料。生物質(zhì)物料和空氣自開心式氣化爐爐頂進(jìn)入，反應(yīng)溫度沿反應(yīng)截面分布均勻，由于氣、固兩相同向流動(dòng)，有利于焦油的裂解，生物質(zhì)燃?xì)庵薪褂秃枯^低，該爐型生產(chǎn)強(qiáng)度在幾種固定床中居首位。

　　流化床氣化爐使用的生物質(zhì)物料中常帶有惰性顆粒，物料與氣化劑充分接觸，受熱均勻，在爐內(nèi)呈“沸騰”狀態(tài)。流化床氣化爐氣化反應(yīng)速度快、效率高，爐內(nèi)反應(yīng)溫度在800t左右，且恒定，焦油在流化床內(nèi)裂解成氣體，焦油含量較低[5-6]。流化床氣化反應(yīng)控制方便，在30%~120%負(fù)荷范圍內(nèi)可穩(wěn)定運(yùn)行，近年投運(yùn)的大中型氣化系統(tǒng)多采用常壓循環(huán)流化床。

　　應(yīng)用于發(fā)電、供熱的生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電爐向大型化發(fā)展，供氣應(yīng)用的氣化爐向中小型化發(fā)展，大型氣化爐的發(fā)電規(guī)模可達(dá)(10~50)MW，中小型氣化爐的產(chǎn)氣量一般為200~700m³/h，發(fā)電規(guī)模為(1~2)MW，可為小區(qū)住戶提供熱源、電力及燃?xì)狻?/p>

　　2生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

　　2.1生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要包括生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電以及生物質(zhì)耦合燃煤電廠發(fā)電等技術(shù)[7]。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是利用生物質(zhì)鍋爐燃燒生物質(zhì)燃料產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，生物質(zhì)鍋爐燃燒方式有固定床和流化床兩種。

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電是利用生物質(zhì)在氣化爐中氣化，可燃?xì)怏w經(jīng)凈化后驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電[8]。生物質(zhì)氣化制取的可燃?xì)怏w用于發(fā)電有多種模式可供選擇，可燃?xì)怏w作為蒸汽鍋爐的燃料直接燃燒，鍋爐產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣推動(dòng)蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電；生物質(zhì)燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，但燃?xì)廨啓C(jī)需要高壓燃?xì)獠拍塬@得較高效率，需要加壓氣化爐與之配合，存在灰塵、雜質(zhì)等污染問題，且燃?xì)廨啓C(jī)造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)用偏高。

　　生物質(zhì)耦合燃煤電廠發(fā)電是將生物質(zhì)原料應(yīng)用于燃煤電廠中，與燃煤共同燃燒發(fā)電[9]。生物質(zhì)與燃煤電廠有2種耦合燃燒方式：生物質(zhì)直接與燃煤混合燃燒產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電；生物質(zhì)氣化產(chǎn)生可燃?xì)怏w與煤在原鍋爐內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，此種方式僅需在燃煤電廠的基礎(chǔ)上增加一套生物質(zhì)氣化爐設(shè)備，并對(duì)原鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的技改，增加燃?xì)馊紵飨到y(tǒng)，以燃燒生物質(zhì)燃?xì)猱a(chǎn)生鍋爐蒸汽。

　　2.2生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電技術(shù)的提出

　　生物質(zhì)原料經(jīng)過氣化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成燃?xì)夂笈c煤粉在鍋爐中耦合燃燒發(fā)電，耦合燃燒發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮螅镔|(zhì)氣與煤耦合燃燒充分地利用了現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的設(shè)備，僅需對(duì)生物質(zhì)燃料部分進(jìn)行適度的投資，生物質(zhì)燃?xì)怦詈先紵诂F(xiàn)階段是一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)可再生能源利用方式|9]；充分利用現(xiàn)有分散各地的燃煤發(fā)電廠，不僅能夠就近取材，降低原材料成本，而且適應(yīng)生物質(zhì)分布分散、季節(jié)性的特點(diǎn)[10]，生物質(zhì)耦合燃煤發(fā)電技術(shù)原理如圖3所示。

　　生物質(zhì)氣化爐對(duì)不同種類的生物質(zhì)原料有較強(qiáng)的適應(yīng)性，滿足生物質(zhì)鍋爐適應(yīng)多種生物質(zhì)原料的要求。生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電具有生物質(zhì)燃料適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)基于生物質(zhì)氣化的耦合燃燒能夠避免直燃過程中燃料處理、燃料輸送等一系列問題，還可解決直燃鍋爐遇到的沾污及結(jié)渣等難題；采用生物質(zhì)氣耦合燃燒，可使煤灰和生物質(zhì)灰分開，煤灰成分不受影響，提高灰渣綜合利用水平[11]；生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電技術(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)有不同容量、不同形式的燃煤電站鍋爐，對(duì)現(xiàn)有鍋爐的改動(dòng)很小，運(yùn)行靈活性較高，十分符合我國的國情[12]。

　　國際和國內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)表明，生物質(zhì)氣賴合燃煤發(fā)電技術(shù)上是可行的，技術(shù)難度小于直接燃燒發(fā)電，無須對(duì)燃煤鍋爐系統(tǒng)做大的調(diào)整，簡單易行，元素分析與生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電相比，生物質(zhì)氣耦合發(fā)電具有投資小、建設(shè)周期短、對(duì)原料價(jià)格控制能力強(qiáng)和技術(shù)簡單等優(yōu)勢(shì)。

　　3生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電技術(shù)的實(shí)施

　　3.1生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電氣化裝置

　　該生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電項(xiàng)目與某百萬千瓦超超臨界燃煤鍋爐耦合，生物質(zhì)氣化部分采用常壓循環(huán)流化床氣化爐，生物質(zhì)原料經(jīng)過預(yù)處理加工之后，送入氣化爐，完成高效氣化(氣化后出口溫度為720?850℃），可燃?xì)怏w經(jīng)過除塵凈化、回收余熱降低溫度至400℃左右，經(jīng)在線檢測和計(jì)量后，燃?xì)馑椭铃仩t內(nèi)燃?xì)馊紵髋c煤粉進(jìn)行分級(jí)混燒(兩臺(tái)鍋爐為母管制)。該生物質(zhì)氣賴合燃煤發(fā)電項(xiàng)目利用原發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電，生物質(zhì)氣化發(fā)電部分總裝機(jī)規(guī)模為15MW，工程建成后每年需用玉米秸稈、花生殼及其它農(nóng)林生產(chǎn)廢棄物可達(dá)11萬t，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近3.26萬t，相應(yīng)地減排燃煤所產(chǎn)生的SO₂約為272萬t，減排溫室效應(yīng)氣體CO₂約8.42萬t。生物質(zhì)氣成分見表1。

　　耦合燃煤發(fā)電鍋爐為東方鍋爐廠DG3000/26.15-II1型超超臨界本生直流鍋爐，該鍋爐為超超臨界參數(shù)、固態(tài)排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、前后墻對(duì)沖燃燒方式的II型鍋爐。實(shí)際燃燒煤種的元素分析和工業(yè)分析如下見表2。

　　3.2鍋爐本體改造內(nèi)容

　　按照鍋爐廠提供的技改方案，需進(jìn)行生物質(zhì)氣摻燒燃燒器改造，燃燒器布置在鍋爐現(xiàn)有二次風(fēng)箱內(nèi)，配二次風(fēng)，前后墻各布置一層，共8只，改造內(nèi)容：

　　1)生物質(zhì)氣燃燒器8套，含高能點(diǎn)火器、點(diǎn)火***、氣體燃燒器和二次風(fēng)組件等；

　　2)鍋爐范圍內(nèi)生物質(zhì)氣系統(tǒng)、生物質(zhì)點(diǎn)火系統(tǒng)布置，含管道、閥門、緊固件和控制設(shè)備等；

　　3)水冷壁(水冷壁彎管組件及修整管等)；

　　4)附屬系統(tǒng)(剛性梁、支吊架、樓梯平臺(tái)扶梯等)。

　　4生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電對(duì)燃煤鍋爐的運(yùn)行影響

　　4.1與燃煤鍋爐系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及安全性

　　生物質(zhì)氣通過燃?xì)饪偣芫€送入鍋爐，每臺(tái)燃?xì)馊紵髋溆谢鹧姹O(jiān)測及配風(fēng)控制系統(tǒng)，且有獨(dú)立的自動(dòng)切斷閥門；系統(tǒng)設(shè)有溫度、壓力、流量和氣體成份監(jiān)控裝置，并配有自動(dòng)切斷閥、緊急放空和安全置換等裝置，一旦出現(xiàn)緊急情況，氣化系統(tǒng)的SIS(Safety instrumentation System)系統(tǒng)優(yōu)先于DCS系統(tǒng)執(zhí)行安全保護(hù)動(dòng)作，將氣化裝置和鍋爐完全隔離，并執(zhí)行順序控制完成放空和置換程序，同時(shí)保護(hù)信號(hào)送到鍋爐的控制系統(tǒng)以便及時(shí)調(diào)整工況；系統(tǒng)設(shè)置DCS和SIS系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)電站鍋爐的突發(fā)性事故(如鍋爐MFT后，氣化裝置根據(jù)電廠信號(hào)產(chǎn)生的一系列系統(tǒng)的自動(dòng)切斷、隔離、放空和置換動(dòng)作），確保鍋爐和氣化裝置安全性。

　　4.2燃煤鍋爐污染物排放量的影響

　　生物質(zhì)氣輸入能量約占燃煤熱當(dāng)量的3%，當(dāng)量分析對(duì)鍋爐污染物排放量的影響主要有以下幾點(diǎn)：

　　1)生物質(zhì)原料中含硫量相比等當(dāng)量煤粉含硫量少，入爐的總硫量相對(duì)于投入的煤粉有所降低，相應(yīng)減輕下游脫硫工作負(fù)荷；

　　2)生物質(zhì)氣是一種還原性氣體，耦合燃燒可減少煤燃燒燃料型NO_x和SO_x生成量，另外可大量還原燃煤產(chǎn)生的NO_x，可以進(jìn)一步降低NO_x排放；隨生物質(zhì)氣耦合燃燒當(dāng)量的增加，降低NO_x排放效果逐漸變好，據(jù)估算3%的耦合燃燒當(dāng)量可降低NO_x排放量5%~15%。

　　4.3鍋爐排煙溫度的影響

　　隨生物質(zhì)氣耦合燃燒當(dāng)量的增加，爐膛出口煙溫隨之高，因增加投入的生物質(zhì)氣燃料，使主燃燒器區(qū)需要的燃料量有所減少，耦合燃燒區(qū)投放的生物質(zhì)氣提高了火焰中心位置，推遲了主燃料的燃燼，爐膛出口煙溫隨耦合燃燒當(dāng)量的增加而增加，鍋爐排煙溫度升高5~10造成鍋爐熱效率降低0.5%左右。

　　4.4鍋爐煙氣量及主蒸汽溫度的影響

　　生物質(zhì)氣較燃煤發(fā)熱量要低，生物質(zhì)氣耦合燃燒后產(chǎn)生的煙氣量有所增加，經(jīng)熱力計(jì)算輸入燃煤熱當(dāng)量的3%的生物質(zhì)氣導(dǎo)致煙氣量增加0.5%左右，原燃煤鍋爐設(shè)計(jì)的送、引風(fēng)機(jī)出力仍可以滿足運(yùn)行需求。燃煤鍋爐煙氣量增加0.5%，對(duì)主蒸汽溫度的影響幾乎可以忽略，對(duì)主蒸汽減溫水量的影響也很小，原設(shè)計(jì)的減溫水系統(tǒng)仍能滿足運(yùn)行要求。

　　5結(jié)語

　　1)通過增加生物質(zhì)氣化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣與煤耦合燃燒，充分利用現(xiàn)有分散各地的燃煤發(fā)電廠，就近取材，降低原材料成本，既可大規(guī)模地處理富余的農(nóng)林生物質(zhì)資源，有效破解農(nóng)作物秸稈在田間廢棄及直接燃燒造成的環(huán)境污染及資源浪費(fèi)難題，解決秸稈還田造成的一系列土壤問題，還可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來一定收益，符合我國的國情。

　　2)生物質(zhì)氣耦合燃煤發(fā)電技術(shù)依托燃煤電廠高效環(huán)保設(shè)施達(dá)到超低排放，實(shí)現(xiàn)秸稈等生物質(zhì)資源低成本、無害化的高效利用，具有發(fā)電效率高、環(huán)保效果好和社會(huì)效益顯著等突出優(yōu)勢(shì)，有效發(fā)揮了生物質(zhì)能源價(jià)值。

　　3)生物質(zhì)氣耦合燃煤燃燒后鍋爐污染物NO_x和SO_x排放量有所降低，鍋爐煙氣量略有增，排煙溫度升高，鍋爐效率有所下降，建議生物質(zhì)氣的熱量輸入量控制在5%以下。

　　4)生物質(zhì)氣具有良好著火特性，輸入燃煤鍋爐一定量的生物質(zhì)氣，有助于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃，提高鍋爐運(yùn)行可靠性。

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