生物质掺烧方案在火电企业中的应用研究及效益分析

高志宏，高圣溥，王宇宏，高建科，李亚飞

（1.洛阳龙羽宜电有限公司，河南 洛阳471600；2.洛阳供电公司，河南 洛阳471009；3.合肥工业大学信息工程系，安徽 宣城242000；4.偃师市供电有限公司，河南 偃师471900）

1 引言

我国发布的《可再生能源中长期发展规划》提出，力争到2020年使可再生能源消费量达到15%。可见，生物质能源的投入正在不断加码。有关专家呼吁：“应尽快明确生物能源在三农和能源问题中的战略作用，客观、科学、实事求是地将生物能源摆在合适地位。”

据统计，我国秸秆产量每年近7亿t左右，其中近4.5亿t用于能源，相当于7个神东煤田，具有替代2.4亿t标煤和减排5.8亿tCO2的能力。秸秆技术的利用既 可以造福农民，也可以给国家解决问题，发展前景广阔。

洛阳龙羽宜电有限公司是一家中外合资发电企业，装机容量为2×55MW，有2台260t/h循环流化床锅炉，近年来煤炭价格持续上涨，节能减排压力很大，为解决目前困境，公司决定采用生物质掺烧技术，降低发电煤成本。

2 生物质特性

生物质是指由植物、动物或微生物等生命体所合成，并可再生的或可循环的有机物质（不包括多年生的用材林）的总称。通常把用作能量转化的生物质分为3大类：①农业废弃物，所有与种植业和庄稼处理过程中有关的废弃物，如稻谷壳、秸秆和动物粪便等；②木材残余物，涵盖所有来源于木材和木材产品的物质，木炭、废弃木材和森林的残余物等；③城市垃圾，包括纸屑、纺织废物、废弃食物、城市污水等。

生物质是植物通过光合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应的逆过程。而燃烧反应是人类获取和使用能源的主要方式，这两个过程能相互匹配，形成完整循环。其中，生物质资源有两个突出的作用：对温室气体的减排作用；生物质对生态系统的保护作用。

2.1 生物质与矿物质燃烧比较

比较生物质利用技术和化石燃料利用过程的CO2、SO2排放量，结果表明，只要采用高效合理的利用方式，生物质总体利用过程中SO2、CO2的排放比化石燃料小90%左右。

生物质与矿物燃料相比，它的挥发组分高，炭活性高，含硫量和灰分都比煤低，生物质利用过程中SO2、NOX的排放较少，造成空气污染和酸雨现象会明显降低。生物质代替化石燃料，一方面减少了化石燃料的供应量，另一方面可以减少CO2、SO2、NOX等污染物排放，是减少SO2、CO2排放的有效措施之一。

2.2 生物质发电利用方式

近年来，我国经济发展迅速，能源消耗需求增长明显，煤炭供求关系紧张，煤炭价格飞升，影响了部分燃煤火力电厂的经营状况。

由于生物质热值低、密度小，为燃料的运输、储存带来不便。生物质中碱金属含量较高、灰熔点低，若单纯以生物质作为燃料，在锅炉实际运行过程中，将会在设备内产生腐蚀、烧结等问题，影响设备的可靠性、安全性，以及电站的经济性。

将生物质与煤混合燃烧是一种解决上述问题的有效途径。将混合燃料加入现有燃煤锅炉，许多现存设备不需太大的改动，总投资费用低。循环流化床锅炉的燃料适应性广，能适应生物质的特点，燃烧系统能适应不同的混合燃料，设备基本不需改造。

2.3 生物质与原煤成分比较

为配合生产运行，对生物质秸秆与原煤进行了化验分析比较，化验结果见表1。

表1 生物质与原煤成分比较

3 生物质加工

生物质的加工，目前采用的方法是，用铡草机将秸秆切割破碎。然后用秸杆生物质燃料成型机进行挤压。

挤压机包括粉碎、输送、成型设备，产能一般在500～1000kg/h，适用范围有：木屑、玉米杆、豆杆、柿杆、烟杆、麦秸秆等。秸秆燃料密度（g/cm3）：＞0.8。

3.1 成本费用分析

设备（铡草机、挤压机）投资在15万元左右。各项成本费用（原料费用、管理费用、财务费用、生产维护费用等）合计约为230元/t左右。

发热量按3500kCal计算，到场接收煤价为：315元/t，税后价269元/t，差额为39元。

3.2 秸秆成品收集

根据耕地分布情况，集中分区设立秸秆加工厂比较合适，电厂只购买加工好的成品颗粒。生产模式可按以下方式，见图1、图2、图3。

图1 电厂运营秸秆示意

图2 粉碎后拟挤压的秸秆

图3 加工成型的块状生物质

生物质秸秆的收购，一方面须由当地政府配合，在农村下发禁止露天焚烧秸秆文件；秸秆生产收集方式可以由收购点或加工点与每个农户签署收购协议，规定秸秆的收购量与收购价格，也可由村民自行将秸秆送至就近的收购点或加工点。

4 生物质掺搅与传输

生物质的掺烧，要严格遵守现场安全操作规程，严防设备损坏和人身伤害事故。秸秆入炉前要取样及分析，掌握热量情况（图4、图5）。

图4 煤场堆放的秸秆

图5 成型生物质与煤在煤场直接混合

由于生物质颗粒偏大，整体片松散，热值低、密度小，使燃料的储存、运输难度增加（图6）。

图6 生物质与煤混合后向炉前煤仓输送

输煤系统的改进：输煤系统不用做太大的改进，只需对转运站粗碎机下部再改造，加入旁路皮带，然后把生物质原料输送至下一段皮带即可（图7）。

图7 生物质掺烧的输煤系统旁路

5 生物质入炉及燃烧特性

龙羽宜电锅炉是东方锅炉厂生产的循环流化床锅炉。锅炉最大连续蒸发量260t/h。生物质燃烧时颗粒挥发份高，燃烧时间短，灰熔点低，若单纯以生物质作为燃料，在锅炉实际运行过程中，将会在设备内产生腐蚀、烧结等问题，运行中需注意控制工况。

生物质与煤混合燃烧是一种解决上述问题的有效途径。由于循环流化床锅炉的燃料适应性广，能适应不同的混合燃料，将混合燃料加入循环流化床燃煤锅炉，设备基本不需改造。

利用循环流化床燃烧可调节性大和燃料适应性广，将秸秆与煤混合燃烧，现有设备不需太大的改动，就能适应于秸秆的多样性。从技术的角度来看，采用原生秸秆和压缩成型秸秆，在循环流化床锅炉中，与煤混合燃烧，是秸秆燃烧发电的可行出路。

实验室研究表明，秸秆的燃烧特性普遍比较好。秸秆燃烧主要集中于燃烧前期，而煤燃烧主要集中于燃烧后期。掺混秸秆可以改善煤的着火性能，可获得更好的燃尽特性。在CFB热态实验台上，对不同比例的掺混成型秸秆进行实验，结果表明秸秆的燃烧特性比较好，1050℃时未发生结焦，只要秸秆的掺烧量不超过20%，混合燃料的燃烧特性就比较接近煤的燃烧特性。无烟煤中掺混10%～20%的成型秸秆，混合燃料的燃烧特性接近于烟煤。掺混10%～20%的成型秸秆的混合燃料，SO2和NOX排放可以控制在要求范围内。在目前的循环流化床锅炉设备中，不经过改动，直接在煤中掺混10%～20%的成型秸秆，在技术上可行。

在循环流化床锅炉上，对掺烧秸秆比例分别为0%、10%、15%、20%和30%五种条件下进行了试验，试验结果表明，目前的循环流化床锅炉设备中，不经过改动，直接在煤中掺混10%～30%的成型秸秆，在技术上是完全可行的；掺烧秸秆有助于降低循环流化床锅炉的飞灰与低渣含碳量，从而有助于提高锅炉效率，见图8。成型秸秆与煤混燃的污染物的排放水平可以满足目前的国家标准（图8）。

图8 生物质掺烧比例增加提高了锅炉效率

6 生物质应用经济效益比对分析

在秸秆收购、掺烧过程中，受益方包括电厂、秸秆收购点、加工点、农民以及地方政府。下面逐一分析收益，首先确定效益计算方法。

6.1 掺烧农作物秸秆总体效益计算方法

对于电厂来说，掺烧秸秆生物质一方面替代了燃煤；另一方面也带来了CO2减排份额交易的收益。以农作物秸秆生物质为例。计算收益如下：

利用生物质秸秆替代燃煤每发106kW·h电，须燃用生物质m1为。

m1＝106×供电标煤耗×燃煤标准热值/秸秆热值。

节省燃煤m2为：m2＝106×供电标煤耗×燃煤标准热值/燃煤热值。

由此可以计算出项目的总收益Q：

Q＝CO2减排量×CO2排放权价格＋m2×燃煤价格－m1×秸秆价格。

上式中CO2减排量可以从专用的数据库中查出。由上面得式子也可以推算出电厂所能承受的秸秆价格的最高限。如果公司要想从掺烧过程中受益，那么必须Q＞0，也就是说：秸秆价格＜（CO2减排量×CO2排放权价格＋m2×燃煤价格）/m1。

6.2 掺烧总效益分析

目前电厂燃用标煤价格为700元/t，而农作物秸秆发热量约为3200kCal，价格待定。目前我公司55MW纯凝CFB锅炉发电机组平均供电标煤耗约为390g/kW·h；电厂地处华中电网，CO2排放折合系数为1.03/1000tCO2/kW·h，CO2价格按照最低限约为70元/t。那么，秸秆每发1兆度电所带来的CO2减排量为：

106×1.03/1000＝1030t；

m1＝390×7000/3200＝853t；

m2＝390×7000/7000＝390t

Q＝1030×70＋390×700－853×秸秆价格＝345100－853×秸秆价格

如果Q＞0，即秸秆价格＜405元/t。

也就是说，此项目要有收益，那么农作物秸秆的价格不能高于405元/t。而这个价格目前远远超过农作物秸秆的市场价格。

以一台1t/h产量的秸秆压缩机以及配套设备总投资约15万元左右计算。秸秆压缩成本约在100元/t，这其中包含了设备维修、折旧、人工费用以及电费等各项费用。

假定设备每年工作300d，每天工作8h，那么每台设备一年的秸秆压缩量为300×8＝2400t。由于每吨秸秆的压缩成本在100元/t，如果再加上平均50元/t的运输费用，那么掺烧秸秆总的利润为405－100－50＝255元/t。

电厂、秸秆收购/加工点以及农户将共同分享这255元。实际上，这个计算对电厂来说是趋于保守的，因为电厂周围很近范围内的秸秆是可以直接送进电厂里面的，这部分秸秆的价格仅相当于收购/加工点的进价。如果电厂周围加工点建得足够多，那么竞争的结果将会挤压加工点的利润空间。

假如电厂每年掺烧秸秆10万t，按2t秸秆产生的热能相当于1t4800大卡煤炭产生的热能估算，掺烧秸秆后所获收益将在500万元以上。据统计单位面积农作物秸秆产量平均值为400t/km2，且仅以电厂周围30km范围内产农作物秸秆的20%来计算，可供电厂掺烧的秸秆资源量为3.14×302×400×0.2＝22.6万t/年。丰富的秸秆生物质资源不会使其价格暴涨，掺烧效益显著。

6.3 地方政府受益分析

地方政府除了一些税收之外受益主要体现在：秸秆露天焚烧的减少，使地方政府在禁烧方面的投入大大降低。秸秆的使用，降低了环境污染，取得了较大的社会效益；增加老百姓的收入，增加了群众的就业。

7 结语

上述分析表明，农作物秸秆等生物质替代煤炭，在循环流化床锅炉上掺烧，技术上可行。循环流化床锅炉具有良好的掺烧优势，锅炉设备几乎不需要任何改造，前期投入较少，而且掺烧还有利于提高锅炉效率。通过对公司燃煤现状进行分析，电厂若每年掺烧10万t农作物秸秆，潜在的经济效益可达500万元以上，这有利于缓解目前燃煤供应紧张的局面。如果将生物质掺烧和CDM项目联系起来，就会给掺烧生物质的电厂带来较好的经济效益。

秸秆的收购减轻了城乡生活垃圾堆放压力，增加了农民收入，减少了SO2排放，降低了企业发电成本，也降低了露天焚烧过程所带来的环境污染，减少了火灾的发生。是一项能够带来经济效益、社会效益，利国、利民、利企业发展的好事情。

［1］董静兰.电站燃煤锅炉掺烧生物质时理论燃烧温度的计算［J］.热力发电，2010，39（3）：44～45.

［2］李 斌，李建锋，高志宏.260t/h循环流化床锅炉秸秆混烧试验［J］.中国电力，2012（6）：35～38.

［3］陈海平，鲁光武.燃煤锅炉掺烧生物质的经济性分析［J］.热力发电，2013（12）：40～44.

［4］黄建军，吴鹏举.生物质发电锅炉存在问题的分析处理［J］.陕西电力，2010（5）：70～73.