生物质气化与燃煤耦合发电系统能流和流分析

吴智泉，韩中合，向 鹏，祁 超，吴跃明

(1.大唐安徽发电有限公司，安徽 合肥 230071；2.电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003)

吴智泉1，韩中合2，向 鹏2，祁 超2，吴跃明1

(1.大唐安徽发电有限公司，安徽 合肥 230071；2.电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003)

0 引言

图1 生物质气化耦合发电系统图Fig.1 Biomass gasification coupled power generation system

燃煤机组耦合生物质发电是一种新型的可再生能源利用方式，通过对现役燃煤电厂进行技术改造，借助存量高效发电系统和污染物综合治理平台，补充消纳生物质资源，实现耦合发电。我国作为农业大国，农林废弃残余物资源丰富，加上大量的燃煤机组存在可利用容量空间，为开展生物质气化耦合发电提供了有利条件。与现有的生物质直燃电厂发电项目相比，具有电能转换率高、污染物排放低、燃料供应风险小、不新增建设用地、工艺流程简洁、设备投资费用低等优势[1-2]。诸多学者从技术、经济和节能减排方面对燃煤耦合生物质项目进行了研究。吴国强[3]分析了生物质气在锅炉中燃烧对燃烧安全性的影响，结果表明对锅炉正常运行影响很小，有效减少NOx、SOx和烟尘等污染物的排放。杜厚浩[4]研究了生物质气化和燃煤耦合式发电的控制过程，提供了生物质气化混燃发电的控制系统思路。倪浩等[5-6]通过可靠的技术数据论证了燃煤与生物质耦合发电具有客观的经济效益。毛健雄等[7-8]研究表明大容量高效煤电厂采用燃煤耦合生物质发电，是现阶段我国煤电大幅度降低碳排放的主要措施。刘华财等[9]利用混合式生命周期分析方法对生物质气化发电系统的能耗和温室气体排放进行分析，结果表明系统在节能减排中发挥重要作用。在实际应用方面，荆门电厂6号机组生物质气化再燃发电项目每年运行近5 000 h，处理生物质量达4.94万 t，相当于节约了1.91万 t燃煤，是我国生物质气化发电进入商业运营的里程碑[10]。

1 生物质气化燃煤耦合发电系统

项目采用生物质高速循环流化床气化装置技术，系统图如图1所示。主要流程如下：破碎好的生物质原料在高速循环流化床气化装置中完成高效气化，产生燃气经过除尘后以热燃气的方式直接送入大型电站锅炉燃烧，利用燃煤电站发电系统实现高效发电。由于气化炉出炉燃气温度在650～850 ℃，无法安全经济地直接进入锅炉炉膛，故需对燃气冷却至400 ℃再送入炉膛。设计原料为生物质成型原料，由项目所在地若干种可得生物质组成，将生物质等比例混合作为入炉生物质燃料。选取实验测得的具有一定代表性的6种实际可用生物质的工业分析与元素分析，生物质原料特性见表1。

燃气组分和气化指标是系统能量分析的基础，可通过建立气化模型得到理论值，且研究已经表明，合理科学的气化模型得到的燃气组分和气化指标与实验结果差别较小，完全满足工程计算精度要求[11-14]。热化学平衡模型是基于物料平衡、能量平衡和化学平衡建立的生物质气化计算模型。

表1 生物质原料特性表Table 1 Characteristics of biomass feedstock

其假定气化过程中的多个反应在离开气化反应器时都达到了化学平衡状态，利用该模型可以预测不同生物质在不同气化剂温度和水分含量下的合成燃气成分、热值、气化效率、燃气产率等气化指标，可对燃气最终成分做较为准确的预测。本文通过建立生物质气化模型，得到燃气成分和气化指标见表2。气化模型建立和求解详见蒋受宝等[13]的研究。

表2 燃气成分和气化指标Table 2 Gas composition and gasification index

2 系统能流分析

2.1 能流计算说明

能流分析是基于热力学第一定律的热平衡分析。在进行系统能流分析时，先对系统划分子系统，对每个子系统进行输入输出能量分析，可直观的看到各子系统能损分布。将生物质气化-燃煤耦合发电系统分为4个子系统，分别为：气化炉，燃气冷却器，锅炉和汽轮机，其中凝汽器包括在汽轮机子系统中。

气化炉输入热量包括生物质化学热、生物质物理显热、气化剂(空气)显热，出气化炉的热量包括燃气化学热和燃气物理显热。出气化炉热量即为进入燃气冷却器的热量。经过燃气冷却器后，燃气化学热未发生变化，物理显热因温度的下降而降低。锅炉进入热量包括煤粉的化学热、燃气化学热、燃气物理显热，锅炉有效利用的热量为水冷壁、过热器和再热器等各受热面吸收的热量，不同工况下锅炉各项损失根据模拟得到。掺烧生物质只对锅炉性能产生影响，汽轮机子系统热力性能与掺烧前一样，根据机组热平衡图，得到不同工况下汽轮机输入输出能量。其中汽轮机的输入热量包括过热器出口和再热器出口蒸汽热量，输出热量包括再热器入口蒸汽热量、输出轴工和凝结水热量。各热量计算方法如下。

(1) 燃料化学热

Qr=mfQner,ar

(1)

式中：Qr为燃料化学热；mf为燃料质量流量；Qar，net为燃料低位发热量。

(2) 物理显热采用定压比热计算

Qsh=mCPΔT

(2)

式中：Qsh为物理显热；m为质量流量；CP为定压比热；ΔT为物质温度与环境温度差值。对于由多种物质组成的混合物，定压比热为每一种物质的定压比热的加权平均值，即

(3)

式中：Ci为第i种物质的定压比热；mi为第i种物质的质量分数。

(3) 蒸汽热量

Qsteam=msteamh

(4)

式中；Qsteam为蒸汽热量；msteam为蒸汽流量；h为蒸汽焓值。

2.2 能流计算结果

当气化炉和燃煤机组均工作在额定工况时，即气化炉入炉生物质流量为10 t/h，汽轮机输出电功率为660 MW，系统能流计算结果见表3。从表3可看出，气化炉入炉热量主要为生物质化学热，因入炉生物质和空气温度较低，其物理显热较少。气化炉热效率为74.65%，即输出燃气化学热和显热占输入气化炉热量的74.65%，25.35%因散热、不完全燃烧等原因浪费掉。出炉燃气温度为680 ℃，其物理显热较高。因通入锅炉的燃气温度接近一次风温度较好，故需加燃气冷却器对燃气进行降温冷却，设定冷却后的温度为400 ℃，则燃气在冷却器中的散热为7.18%。在锅炉热耗率验收工况(turbine heat-acceptance，THA)下，燃气提供热量约为锅炉热量的2.45%，折算为发电量16.17 MW，系统效率为32.39%。相较于生物质直燃，由于生物质气化耦合发电的生物质处理规模更大，且运行更加灵活，使得生物质气化耦合发电效率远高于现有生物质直燃电厂发电项目(22%～25%)，经济效益明显[7]。

当燃煤机组变工况运行时，气化炉仍以额定工况运行，故气化炉和燃气冷却器这2个子系统能流不变，锅炉和汽轮机子系统在75%THA和50%THA工况下能流图见表4。对比表3、4，锅炉效率在变工况时变化不大，汽轮机效率随负荷的降低略有下降。75%THA工况和50%THA工况下，燃气输入热量分别占锅炉所需总热量的3.31%和4.87%，可认为生物质发电功率占总发电功率为3.31%和4.87%，系统总效率分别为31.93%和31.38%，即生物质每100 kJ的热量，将有31.93 kJ和31.38 kJ转化为电能。

表3 系统能流Table 3 Energy flow of system

表4 75%THA和50%THA工况下系统能流Table 4 System energy flow under 75% THA and 50% THA

为更清楚地分析燃气在锅炉里的散热，对锅炉燃烧和传热进行数值模拟，得到不同工况下燃气在锅炉里的各项损失和占比见表5。锅炉在不同工况下，各项损失不一样，燃煤锅炉掺烧少量燃气后，对锅炉整体性能影响较小。不同工况下锅炉效率变化不大，各项损失占比稍有变化。烟气损失在不同工况下均为最大，且远大于其他损失。

3 系统流分析

(5)

(6)

式中：T0为环境温度；λ1、λ2、λ3、λ4分别为H2、CO、CH4、C2H4气体燃料相应成分的容积比例。

(7)

式中T的物质温度。

ef=[(h-h0)-T0(S-S0)]

(8)

式中：h0为工质环境温度下的焓；S为工质温度对应下的熵；S0为工质环境温度对应下的熵。

(9)

表5 不同工况下锅炉损失分布Table 5 Boiler loss distribution under different working conditions

表6 系统流Table 6 Exergy flow of system

图2 THA工况系统流图Fig.2 Exergy flow of system under THA

图3 THA工况系统能流图Fig.3 Energy flow of system under THA

4 结论

(1) 生物质气化-燃煤耦合技术是改善我国能源消费结构，提升可再生能源比例的重要技术，可充分利用我国的生物质资源，减少煤炭的燃烧，实现节能减排。采用科学合理的燃气配气方式，锅炉燃烧稳定性几乎不受影响。

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EnergyandExergyFlowAnalysisofBiomassGasification-CoalCouplingPowerGenerationSystem

WU Zhiquan1, HAN Zhonghe2, XIANG Peng2, QI Chao2, WU Yueming1

(1. Datang Anhui Power Generation Co., Ltd., Hefei 230071, Anhui Province, China； 2. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education， North China Electric Power University， Baoding 071003， Hebei Province, China)

Biomass gasification coupled with coal-fired power generation can make full use of biomass resources in China, reduce coal combustion, improve energy structure, and achieve energy conservation and emission reduction. In order to analyze the energy flow and loss distribution of biomass gasification-coal fired coupling power generation system, based on the first law and the second law of thermodynamics, this paper establishes the energy flow and exergy flow analysis models to calculate energy flow and exergy flow diagram. The results show that when adopting scientific and reasonable gas distribution mode, the combustion stability of boiler is almost not affected; under the condition of the rated condition (THA), 75%THA and 50%THA,the system energy efficiency are 32.39%, 31.93% and 31.38%, and the exergy efficiency are 30.27%, 31.83% and 30.35%. Biomass gasification coupled with coal-fired power generation system has higher energy efficiency than that of the existing biomass direct fired power plant project, and its technical and economic benefits are obvious. Energy loss and exergy loss analysis can lay a theoretical foundation for system design and optimization, and indicate the application direction of biomass gasification coupled with coal-fired power generation system.

biomass gasification; biomass coupled coal-fired power generation; energy flow; exergy flow

国家重点研发计划项目(2016YFB0600701)

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFB0600701)

TK 6

A

2096-2185(2017)06-0008-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.002

吴智泉

吴智泉(1974—)，男，工学博士，数量经济学博士后，高级工程师，主要从事能源战略与气候变化、节能潜力与技术、发电技术及工程管理的研究等；

韩中合(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向为能源阶梯利用及分布式能源；

向鹏(1995—)，男，硕士研究生，主要从事热力系统研究；

祁超(1992—)，男，硕士研究生，主要从事多能源互补的分布式能源系统研究，qichaohd2011@163.com；

吴跃明(1963—)，男，主要从事电力生产技术管理工作。

2017-09-01

(编辑 蒋毅恒)