摘要：文章在劃分現(xiàn)階段生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)類別的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家“十三五”期間煤電發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，重點論述了生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電的工藝流程和主要設(shè)備，闡述了目前我國生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電項目推廣應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，提出生物質(zhì)原料預(yù)處理的方案，解決存在的不足。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃氣;耦合發(fā)電;技術(shù)與應(yīng)用
1 概述
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(jù)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(wù)是“在東北等糧食主產(chǎn)區(qū)布局一批燃煤與農(nóng)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”。
2016年11月29日國務(wù)院公布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。
2016年12月20日國務(wù)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(shù)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(chǎn)業(yè)。由此，一批燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電試點項目建設(shè)已開始啟動，繼吉林大唐長山熱電廠啟動燃煤與農(nóng)作物秸稈耦合發(fā)電技術(shù)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(nóng)林生物質(zhì)、污泥耦合發(fā)電的試點項目。
2017年6月7日，第7屆燃煤生物質(zhì)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(guān)領(lǐng)導(dǎo)表示：“燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電有利于促進化石能源替代，增加清潔能源供應(yīng);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(zhì)耦合發(fā)電發(fā)展的首要任務(wù)。
2 生物質(zhì)發(fā)電和生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)簡述
傳統(tǒng)的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，實際并不是火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)。世界上最早的生物質(zhì)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(zhì)發(fā)電技術(shù)，1990年以后，生物質(zhì)發(fā)電在歐美許多國家也得到大力發(fā)展。在傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展中，實際也包含了生物質(zhì)與煤炭、燃油、天然氣的耦合發(fā)電技術(shù)，只是以西方國家為代表的技術(shù)中，通常是在中小機組方面的應(yīng)用，這也與西方國家電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展國情有直接關(guān)系，在歐洲300M W機組以上的生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)實際并不多見。從生物質(zhì)耦合角度來看，我國300MW和600M W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(shù)的定義是符合國內(nèi)未來發(fā)展道路的，這不僅僅是簡單的生物質(zhì)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(shù)的范疇。
生物質(zhì)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(nóng)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(nóng)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(zhì)與其他燃料結(jié)合的發(fā)電技術(shù)。
生物質(zhì)耦合發(fā)電又可分為三種方式：
1)生物質(zhì)直接與煤炭、燃油、天然氣等燃料在鍋爐內(nèi)混合燃燒，我國早期開展的生物質(zhì)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(zhì)利用熱效率低，對生物質(zhì)燃料處理和燃燒設(shè)備要求較高，并不具有很好的適用性;
2)生物質(zhì)燃燒鍋爐直接產(chǎn)生蒸氣，這部分蒸氣可送人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(zhì)鍋爐系統(tǒng)，對燃煤鍋爐燃燒不產(chǎn)生影響，但是系統(tǒng)復(fù)雜，投資造價高;
3)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃氣在鍋爐內(nèi)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(zhì)燃氣總量控制在一定范圍內(nèi)，否則就要調(diào)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(shù)，主要趨向于第三種的燃氣耦合方式。這是因為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的特征、電站鍋爐現(xiàn)狀等因素，決定了燃氣耦合方式具有對電站鍋爐現(xiàn)有裝備影響小、投資少、生物質(zhì)利用熱效率高、對社會環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)點。圖1是生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的劃分和分類情況。
圖1 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的劃分與分類
生物質(zhì)耦合發(fā)電的原料，實際上與生物質(zhì)發(fā)電一樣不僅局限于秸稈，也包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、食品加丁業(yè)的所有廢棄可燃物質(zhì)，都可以成為生物質(zhì)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(zhì)耦合發(fā)電在火力發(fā)電領(lǐng)域起到降低煤耗、減少碳排放、促進鍋爐低負荷經(jīng)濟運行作用的同時，也是固廢無害化處理環(huán)保技術(shù)新的發(fā)展與應(yīng)用。
3 生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)的主要工藝流程
生物質(zhì)原料經(jīng)過多道工序處理后，達到氣化爐的人料要求，生物質(zhì)原料被輸送至氣化爐內(nèi)，在氣化爐內(nèi)在高溫、高壓的作用下，產(chǎn)生含有C0, CH4, H2等低熱值的混合可燃氣體。從氣化爐內(nèi)出來的生物質(zhì)燃氣溫度約為730 ℃，為了實現(xiàn)熱能的綜合利用和便于生物質(zhì)燃氣的可靠計量，燃氣需降溫冷卻到400℃-420 ℃，降溫后的生物質(zhì)燃氣通過輸送管道及加壓系統(tǒng)送人煤粉鍋爐燃燒室與煤混合燃燒。圖2是生物質(zhì)燃氣與煤混合燃燒耦合發(fā)電的工藝流程圖。
圖2生物質(zhì)燃氣與煤混合燃燒禍合發(fā)電技術(shù)工藝流程
按照工藝流程進行劃分，生物質(zhì)燃氣耦合系統(tǒng)主要分為生物質(zhì)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(zhì)燃氣耦合燃燒系統(tǒng)，及相應(yīng)的電氣、電控、熱工保護及吹掃系統(tǒng)等。在上述構(gòu)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(zhì)燃氣耦合燃燒系統(tǒng)是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。生物質(zhì)燃氣與煤混合燃燒耦合發(fā)電系統(tǒng)原理見圖3。
當不需換熱器為外部提供生物質(zhì)燃氣降溫產(chǎn)生的熱量情況下，生物質(zhì)循環(huán)流化床(CFB)氣化爐可設(shè)計為雙塔結(jié)構(gòu)，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(yīng)用方式。雙塔工藝可利用生物質(zhì)燃氣降溫產(chǎn)生的熱量加熱人爐生物質(zhì)燃料，在消耗這部分熱能的同時，提高生物質(zhì)氣化爐的熱效率。圖4是雙塔氣化爐工藝系統(tǒng)原理。
4 生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)的主要工藝設(shè)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(nèi)部設(shè)有耐熱防磨內(nèi)襯。氣化爐結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)充分的關(guān)鍵區(qū)域。
氣化爐尾部主要是氣化爐旋風分離器，結(jié)構(gòu)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(nèi)部同樣設(shè)有耐溫防磨內(nèi)襯。旋風分離器結(jié)構(gòu)見圖6。
循環(huán)流化床(CFB)氣化爐是生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)的核心設(shè)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(nèi)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(nèi)呈現(xiàn)高溫少氧環(huán)境，生物質(zhì)燃料在此通過十餾熱解及化學氧化反應(yīng)后產(chǎn)生含有一氧化碳、氫氣、甲烷等氣體成分的生物質(zhì)燃氣。燃氣能在爐膛內(nèi)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。
氣化爐排渣采用十式排渣，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(shè)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(shè)備是高壓換熱器，其工藝目的是將氣化爐產(chǎn)生的700℃-730℃燃氣溫度降至400℃-420 ℃。高壓換熱器換熱介質(zhì)通常選用燃點450℃以上的導(dǎo)熱油，由于目前國家對導(dǎo)熱油產(chǎn)品標準的不確定性，生物質(zhì)燃氣降溫系統(tǒng)導(dǎo)熱油具體可與導(dǎo)熱油生產(chǎn)廠家定制。
高壓導(dǎo)熱油換熱器置于生物質(zhì)氣化爐之后，加熱后的高溫導(dǎo)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(shè)備，當高溫導(dǎo)熱油在換熱設(shè)備釋放熱能后，沿回路經(jīng)循環(huán)泵繼續(xù)進人高壓導(dǎo)熱油換熱器加熱，這樣連續(xù)循環(huán)。換熱設(shè)備可以是加熱鍋爐給水或冷凝水的換熱設(shè)備，也可以是加熱熱風的換熱設(shè)備。
4.3 燃氣加壓輸送系統(tǒng)
由于生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)的燃氣經(jīng)降溫后，溫度通常在400℃-420 ℃，因此，燃氣加壓輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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(zhì)溫度550℃或750℃的加壓風機。另外，由于燃氣進人爐膛的噴人點數(shù)量、位置的差異，為避免各點燃氣量的不均衡波動，燃氣進人爐膛前，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(jīng)加壓風機壓后送人母管，母管將燃氣輸送到爐前設(shè)置的支管，最后燃氣通過支管被送人爐膛內(nèi)進行燃燒，在這樣的管線輸送設(shè)計中，進出母管的支管都應(yīng)安裝專門設(shè)計的止回閥。
4.4 耦合燃燒器
由于生物質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(jù)耦合生物質(zhì)燃氣的氣量、爐膛燃燒區(qū)的變化等因素進行合理設(shè)計。對于300MW及以上機組，當生物質(zhì)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(zhì)燃氣耦合發(fā)電示范性建設(shè)項目中，生物質(zhì)燃氣耦合率基本都沒有超過5 %。
5 我國生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電的優(yōu)勢與不足
我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和電站鍋爐現(xiàn)狀與歐洲國家差別很大，歐洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以大面積耕種的農(nóng)場主為主，火力發(fā)電廠機組也多為200-500MW的機組，而我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以“包產(chǎn)到戶”的小農(nóng)生產(chǎn)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(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)的生物質(zhì)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(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)。但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對我國開展生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電將產(chǎn)生眾多不利影響，從國內(nèi)已開展的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)運營情況看，原材料來源和質(zhì)量的不穩(wěn)定，是造成企業(yè)經(jīng)濟效益不好，甚至于經(jīng)營虧損的主要原因。
另外，火力發(fā)電廠入場的生物質(zhì)原料如何優(yōu)化，也需發(fā)展與完善。以現(xiàn)在火力發(fā)電廠的規(guī)劃布局，大量進場原生態(tài)生物質(zhì)燃料并不是好的選擇，這其中還存在收購、中轉(zhuǎn)、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(yù)處理場地以及防風、防雨、防火等管理措施，這些都對現(xiàn)有火力發(fā)電廠的安全管理、環(huán)境建設(shè)造成很大壓力。因此，對生物質(zhì)原料進行預(yù)處理的下游企業(yè)建設(shè)，火力發(fā)電廠可選擇入場前經(jīng)過破碎、造粒、壓縮的生物質(zhì)燃料，這不僅可部分解決小農(nóng)生產(chǎn)方式、地域性生物質(zhì)產(chǎn)能帶來的收購復(fù)雜及無序競爭問題，同時也可緩解火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)的管理壓力。
在生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電計量核算方面，完善標準、規(guī)范、技術(shù)、方法，也是促進生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電發(fā)展的重要保障。
6 結(jié)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(jīng)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(jīng)濟調(diào)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(zhuǎn)變是必然趨勢。利用現(xiàn)有分布廣泛的火力發(fā)電機組，開展燃煤耦合發(fā)電技術(shù)改造，具有綜合利用、綜合治理的最大優(yōu)勢。生物質(zhì)燃氣耦合發(fā)電技術(shù)，以其投資少、效益高，相對生物質(zhì)直燃耦合效率高，對現(xiàn)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(yīng)用。
來源:《中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)》
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