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(guó)家“十三五”期間煤電發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，重點(diǎn)論述了生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電的工藝流程和主要設(shè)備，闡述了目前我國(guó)生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電項(xiàng)目推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)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?xì)?耦合發(fā)電;技術(shù)與應(yīng)用
1 概述
2016年11月7日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)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(guó)將開(kāi)展燃煤耦合發(fā)電試點(diǎn)示范，并明確指出重點(diǎn)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(xiàng)目，在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角布局一批燃煤與污泥耦合發(fā)電示范項(xiàng)目”。
2016年11月29日國(guó)務(wù)院公布了《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。
2016年12月20日國(guó)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(guó)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(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)已開(kāi)始啟動(dòng)，繼吉林大唐長(zhǎng)山熱電廠啟動(dòng)燃煤與農(nóng)作物秸稈?cǎi)詈习l(fā)電技術(shù)改造試點(diǎn)工作后，廣東、寧夏、湖北、安徽等省已啟動(dòng)了一批燃煤與農(nóng)林生物質(zhì)、污泥耦合發(fā)電的試點(diǎn)項(xiàng)目。
2017年6月7日，第7屆燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電國(guó)際研討會(huì)在北京召開(kāi)，國(guó)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(jìn)化石能源替代，增加清潔能源供應(yīng);有利于促進(jìn)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(huì)治理難題”，這三個(gè)“有利于”的評(píng)價(jià)，基本就是當(dāng)前我國(guó)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(jiǎn)述
傳統(tǒng)的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，實(shí)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(jì)70年代，當(dāng)時(shí)因?yàn)槭澜缧缘氖臀C(jī)爆發(fā)，丹麥為緩解危機(jī)帶來(lái)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(guó)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(shí)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(guó)家為代表的技術(shù)中，通常是在中小機(jī)組方面的應(yīng)用，這也與西方國(guó)家電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)情有直接關(guān)系，在歐洲300M W機(jī)組以上的生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)實(shí)際并不多見(jiàn)。從生物質(zhì)耦合角度來(lái)看，我國(guó)300MW和600M W機(jī)組將是主要的適用機(jī)組，這樣來(lái)看，我國(guó)采用燃煤耦合發(fā)電技術(shù)的定義是符合國(guó)內(nèi)未來(lái)發(fā)展道路的，這不僅僅是簡(jiǎn)單的生物質(zhì)和燃煤誰(shuí)多誰(shuí)少的問(wèn)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(guó)早期開(kāi)展的生物質(zhì)耦合發(fā)電以該方式為主，這種方式對(duì)于火電發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)利用熱效率低，對(duì)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(jī)低壓缸，這種耦合方式因?yàn)榇嬖谙鄬?duì)獨(dú)立的生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)，對(duì)燃煤鍋爐燃燒不產(chǎn)生影響，但是系統(tǒng)復(fù)雜，投資造價(jià)高;
3)生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)庠阱仩t內(nèi)與其他燃料混合燃燒，這種方式對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組來(lái)講，需將生物質(zhì)燃?xì)饪偭靠刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，否則就要調(diào)整燃煤鍋爐的燃燒器和燃燒區(qū)域。
我國(guó)目前開(kāi)展的燃煤耦合發(fā)電技術(shù)，主要趨向于第三種的燃?xì)怦詈戏绞?。這是因?yàn)槲覈?guó)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?xì)怦詈戏绞骄哂袑?duì)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(duì)社會(huì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(jìn)鍋爐低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行作用的同時(shí)，也是固廢無(wú)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?xì)怦詈习l(fā)電技術(shù)的主要工藝流程
生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)多道工序處理后，達(dá)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?xì)怏w。從氣化爐內(nèi)出來(lái)的生物質(zhì)燃?xì)鉁囟燃s為730 ℃，為了實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用和便于生物質(zhì)燃?xì)獾目煽坑?jì)量，燃?xì)庑杞禍乩鋮s到400℃-420 ℃，降溫后的生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^(guò)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?xì)馀c煤混合燃燒耦合發(fā)電的工藝流程圖。
圖2生物質(zhì)燃?xì)馀c煤混合燃燒禍合發(fā)電技術(shù)工藝流程
按照工藝流程進(jìn)行劃分，生物質(zhì)燃?xì)怦詈舷到y(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?xì)饨禍叵到y(tǒng)、燃?xì)饧訅狠斔拖到y(tǒng)、燃?xì)獬煞荼O(jiān)測(cè)及計(jì)量系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)怦詈先紵到y(tǒng)，及相應(yīng)的電氣、電控、熱工保護(hù)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?xì)饨禍叵到y(tǒng)、燃?xì)饧訅狠斔拖到y(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)怦詈先紵到y(tǒng)是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。生物質(zhì)燃?xì)馀c煤混合燃燒耦合發(fā)電系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。
當(dāng)不需換熱器為外部提供生物質(zhì)燃?xì)饨禍禺a(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(jì)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?xì)饨禍禺a(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(shí)，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?xì)怦詈习l(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(gè)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(jiàn)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(fēng)室、布風(fēng)板、風(fēng)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(fēng)分離器，結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器相同，氣化爐旋風(fēng)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(fēng)分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。
循環(huán)流化床(CFB)氣化爐是生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電技術(shù)的核心設(shè)備，氣化爐一般采用床下油點(diǎn)火或天然氣點(diǎn)火。在進(jìn)風(fēng)室的風(fēng)道內(nèi)布置了0#輕柴油點(diǎn)火燃燒器，正常運(yùn)行時(shí)，氣化爐爐膛溫度始終控制在700℃-730 ℃ ,并且控制氣化風(fēng)量，使?fàn)t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(guò)十餾熱解及化學(xué)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?xì)?。燃?xì)饽茉跔t膛內(nèi)停留5-6秒，保證高氣化效率，然后高溫燃?xì)鈯A帶固體粒子進(jìn)入氣化爐旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離。
氣化爐排渣采用十式排渣，有兩個(gè)排放點(diǎn)。一個(gè)是氣化爐下部密相區(qū)排渣管排放，這是正常運(yùn)行中的主要排渣點(diǎn)。另一個(gè)是通過(guò)分離器下部設(shè)置的旁路排放裝置排放，該排放點(diǎn)屬于備用和輔助排放點(diǎn)。
4.2 燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)
燃?xì)饨禍叵到y(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?xì)鉁囟冉抵?00℃-420 ℃。高壓換熱器換熱介質(zhì)通常選用燃點(diǎn)450℃以上的導(dǎo)熱油，由于目前國(guó)家對(duì)導(dǎo)熱油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，生物質(zhì)燃?xì)饨禍叵到y(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(qiáng)制輸送至吸熱設(shè)備，當(dāng)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(jìn)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(fēng)的換熱設(shè)備。
4.3 燃?xì)饧訅狠斔拖到y(tǒng)
由于生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)的燃?xì)饨?jīng)降溫后，溫度通常在400℃-420 ℃，因此，燃?xì)饧訅狠斔拖到y(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(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)。另外，由于燃?xì)膺M(jìn)人爐膛的噴人點(diǎn)數(shù)量、位置的差異，為避免各點(diǎn)燃?xì)饬康牟痪獠▌?dòng)，燃?xì)膺M(jìn)人爐膛前，會(huì)選擇有均壓、穩(wěn)壓的措施，同時(shí)要考慮阻擋回流的止回流措施。當(dāng)采用母管均壓、穩(wěn)壓時(shí)，燃?xì)饨?jīng)加壓風(fēng)機(jī)壓后送人母管，母管將燃?xì)廨斔偷綘t前設(shè)置的支管，最后燃?xì)馔ㄟ^(guò)支管被送人爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒，在這樣的管線輸送設(shè)計(jì)中，進(jìn)出母管的支管都應(yīng)安裝專門設(shè)計(jì)的止回閥。
4.4 耦合燃燒器
由于生物質(zhì)燃?xì)鈳缀醪缓曳?，所以耦合燃燒器采用爐膛前墻布置或前后墻對(duì)沖布置的旋流結(jié)構(gòu)，助燃空氣采用鍋爐二次風(fēng)。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?xì)獾臍饬?、爐膛燃燒區(qū)的變化等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。對(duì)于300MW及以上機(jī)組，當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)怦詈下市∮诿悍坼仩t的5%時(shí)，一般不用對(duì)鍋爐水冷壁進(jìn)行改動(dòng)。在我國(guó)目前開(kāi)展的生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電示范性建設(shè)項(xiàng)目中，生物質(zhì)燃?xì)怦詈下驶径紱](méi)有超過(guò)5 %。
5 我國(guó)生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電的優(yōu)勢(shì)與不足
我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和電站鍋爐現(xiàn)狀與歐洲國(guó)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(chǎng)主為主，火力發(fā)電廠機(jī)組也多為200-500MW的機(jī)組，而我國(guó)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(jī)組主要是300-1000MW機(jī)組。機(jī)組的特點(diǎn)決定了我國(guó)開(kāi)展的生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電技術(shù)的生物質(zhì)燃?xì)怦詈下释ǔ６夹∮?%，這就意味著幾乎不用對(duì)燃煤鍋爐進(jìn)行大的改造，以較少的投資就可迅速推廣生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電技術(shù)。但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對(duì)我國(guó)開(kāi)展生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電將產(chǎn)生眾多不利影響，從國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)運(yùn)營(yíng)情況看，原材料來(lái)源和質(zhì)量的不穩(wěn)定，是造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不好，甚至于經(jīng)營(yíng)虧損的主要原因。
另外，火力發(fā)電廠入場(chǎng)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(jìn)場(chǎng)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(gòu)、中轉(zhuǎn)、運(yùn)輸、搬運(yùn)、存儲(chǔ)等問(wèn)題，并需要相對(duì)配套的運(yùn)輸通道、儲(chǔ)存場(chǎng)地、預(yù)處理場(chǎng)地以及防風(fēng)、防雨、防火等管理措施，這些都對(duì)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(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)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(chǎng)前經(jīng)過(guò)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(lái)的收購(gòu)復(fù)雜及無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，同時(shí)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?xì)怦詈习l(fā)電計(jì)量核算方面，完善標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)、方法，也是促進(jìn)生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電發(fā)展的重要保障。
6 結(jié)論與展望
我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，一直以來(lái)是受益于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的巨大需求，這也促成目前我國(guó)電力能源依然以火電為主的局面。在當(dāng)前深化改革和國(guó)民經(jīng)濟(jì)調(diào)整的時(shí)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(shì)。利用現(xiàn)有分布廣泛的火力發(fā)電機(jī)組，開(kāi)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(shì)。生物質(zhì)燃?xì)怦詈习l(fā)電技術(shù)，以其投資少、效益高，相對(duì)生物質(zhì)直燃耦合效率高，對(duì)現(xiàn)有發(fā)電鍋爐影響小的眾多優(yōu)勢(shì)，必然會(huì)得到快速發(fā)展與應(yīng)用。
來(lái)源:《中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)》
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