燃煤生物质耦合发电技术简介

王琳娜

(大唐环境产业集团股份有限公司， 北京 100098)

燃煤生物质耦合发电技术简介

王琳娜

(大唐环境产业集团股份有限公司， 北京 100098)

对目前国内燃煤生物质耦合发电技术进行介绍，分析不同技术的特点。重点介绍生物质气化耦合发电技术、工艺系统、主要设备，分析和论述了当前生物质气化耦合发电现阶段问题，并对今后生物质气化技术的发展趋势和主要方向进行了展望。

生物质；耦合发电； 气化

生物质是一种可持续获得的绿色资源，利用好生物质将对我国能源结构转型，减少CO2、SO2和烟尘的排放量，保护环境，增强企业经济效益，利用当地资源，增加农民收入具有重要意义。但由于生物质资源分散，堆密度较小，收集运输困难，大部分生物质未得到妥善使用。目前在我国，农业生产中，随意焚烧秸秆，化肥过量、低效使用，均造成了严重的环境污染，并耗费了地方政府很大精力。要彻底解决上述难题，急需一种可大规模推广的生物质高值化处理技术。生物质耦合发电是目前最高效、最清洁的利用生物质的技术路线，也是电力“十三五”规划重点推荐的技术路线。

1 主要技术路线

生物质耦合发电技术目前主要有以下三种方式。

(1)生物质直接与煤混合后投入锅炉燃烧，该方式对于燃料处理和燃烧设备要求较高，存在低温碱金属腐蚀，需进行锅炉燃烧器改造等，不是所有燃煤发电厂都能采用。

(2)生物质燃烧锅炉直接产生蒸汽，此部分蒸汽可以送入煤粉炉再热器内或送到汽轮机低压缸内的耦合方式，这种耦合方式因为存在相对独立的生物质锅炉系统，对燃煤锅炉燃烧不产生影响，但是系统复杂，投资造价要高；华电十里泉电厂140MW机组采用此方法。

(3)生物质气化产生的燃气与煤混合燃烧，该技术是目前国内开展生物质耦合发电的主要应用技术，这种方式需要将生物质燃气总量控制在一定范围内，否则将会对燃煤锅炉产生影响。国内多采用这种方法。

2 技术特点

2.1 直燃发电

直燃发电可以根据处理规模灵活调整，能够处理规模较大的项目，生物质适应范围较广，可适用各种生物质原料，加工也较为简单；因生物质直燃电厂规模较小，不适宜配高功率参数发电机，综合发电效率约为21%～25%。因综合发电效率低，燃料消耗较大，发同样的电比生物质气化发电多消耗生物质约30%。

2.2 混燃耦合发电

混燃耦合发电处理规模较小，由于混燃后容易结焦，对锅炉影响较大，因此国内使用范围很小，与大型燃煤锅炉结合利用高参数锅炉及发电系统发电，综合发电效率为30%左右。

2.3 生物质气化耦合发电

生物质气化耦合发电处理规模较大，在国内已经有成熟的运行经验，与大型燃煤锅炉结合利用高参数锅炉及发电系统发电，综合发电效率为32%～37%；燃料消耗相对于直燃发电消耗较少，采用流化床技术，理论上原料适应性强，只须建立生物质气化炉及其辅助系统，可燃气直接并入原电厂燃煤锅炉，气化炉采用绝热结构，采用耐磨耐火材料，稳定可靠。系统没有产生新的二次污染，不产生废气和废水的排放。

在国内，生物质气化耦合发电，无论技术成熟度、投资性价比、处理规模以及操作运行方面，具有显著的优势，将成为今后重点发展的方向。

3 生物质气化技术

3.1 生物质气化技术原理

生物质是指自然界中所有微生物、动植物以及这些生命体排泄、代谢所产生的有机物质[1]。生物质作为新能源原料的一种，在自然界中分布极广。我国是农业大国，生物质资源尤其丰富，各种生物质资源总量在5. 0×109t 左右[2]。此外，相较于煤炭而言，生物质加工产物中硫和灰分含量较低，是一种公认的清洁燃料[3]。

生物质气化是指在一定条件下，将生物质原料中的碳水化合物转化为 H2、CO、CO2、低分子烃类和炭等混合产物的技术[4]。生物质气化工艺主要包括: 干燥、热解、氧化和还原。当反应物料进入反应塔之后，在一定温度下，含有若干水分的物料与热源进行热交换，水受热转变为水蒸气而挥发;之后干燥的物料、水蒸气进入热解区，在一定温度下发生热分解反应。

CHXOy= n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2+n6CH4

(1)

生物质气化主要生成 C、H2、水蒸气、CO、CO2和甲烷。随着塔内温度升高，气化产物与气化剂相互作用，发生一系列氧化还原反应，CO、甲烷氧化为CO2，C 与高温水蒸气发生不完全氧化反应，生成CO 和 H2[4]。

3.2 生物质气化技术路线

生物质经过简单预处理后，在循环流化床生物质气化炉中完成高效气化，燃气经过净化除尘并使温度降到400℃后，用高温燃气输送风机加压后送入大型燃煤锅炉与煤进行混烧。

(1)生物质原料预处理系统

循环流化床生物质气化炉以秸秆、稻壳、废木材、果壳、木屑等为原料，对其进行预处理后使用。

(2)生物质燃料输送系统

在原料储存仓库，采用螺旋给料机将卸料装置内的物料给到带式输送机，带式输送机将物料输送到气化炉炉前料仓，炉前料仓下设螺旋给料机，把生物质送入气化炉。

(3)生物质循环流化床气化系统

循环流化床气化炉是采用高温分离循环流化床、燃用生物质秸杆的气化炉。循环流化床气化炉灰能够实现高温分离，避免进入燃煤锅炉；由于反应温度在气化炉内分布均匀，因此产生的燃气成分、热值和燃气量非常稳定；灰循环安全易控；运行可靠性高，启动迅速；气化炉内流态化的颗粒流动平稳，其操作可以实现连续、自动控制。

生物质原料都含有一定的灰分，因此气化过程中会产生灰渣，一部分灰渣由气化炉底部排出，冷却后送到贮存系统；另一部分灰渣则可通过下游旋风分离器从可燃气中分离出来，灰渣从旋风分离器底部排出，送到贮存系统。可燃气则从旋风分离器的顶部出来，进入下游的余热锅炉[5]。

(4)热湿燃气降温输送系统

经过除尘后的高温燃气温度较高，为满足燃气加压风机的要求，使用惰性换热介质把燃气的热量传递给电厂的冷凝水，使燃气的温度降到满足燃气风机的要求，燃气的热量不损失，本换热器置于生物质气化炉的尾部，用于吸收生物质气化炉排出的高温燃气中的热量。降温后的燃气经煤气加压风机送入燃煤锅炉燃烧，由于在以上全部过程中，燃气始终处于较高温度，因此没有焦油析出，不存在焦油凝结和管道堵塞问题。

4 主要设备及技术参数

以10MW机组为例，主要设备及技术参数见表1。

5 燃气成份监测及发电计量系统

计量系统对于生物质循环流化床气化耦合发电系统是非常重要的。

表1 主要设备及技术参数

目前，在燃气热量已准确测出的情况下有两种方式进行生物质热能转电能的计算方式[6]：

第一种通过上一年度火电机组的煤耗和当期综合厂用电率来计算：

生物质气化再燃供电量依据生物质气化湿热燃气提供的热量与该发电机组上一年度平均供电煤耗计算取得：

式中：

Wgk—统计期内生物质气化再燃供电量，kWh；

∑Qd—统计期内热湿燃气低位供热量累积值，GJ；

bg—由电厂、电网及政府相关部门确定的上一年度该发电机组年平均供电煤耗，g/(kW·h)；

29271—“国际蒸汽表卡”换算的标准煤低位发热量，单位kJ/kg。

第二种通过锅炉效率、管道效率、汽机热耗进行电能计算：

生物质燃气发电功率可采用下列模型进行计算：

Nfd=Q×ηb×ηgd/HR

Q=4.1868×Frq×Qnet.rq

式中：

Q—生物质燃气入炉总热量，由气化炉实际测量所得，kJ/h

Frq—燃气消耗量，Nm3/h

Qnet.rq—燃气发热量，kcal/Nm3

ηb—锅炉效率，%

ηgd—管道效率，取 99%

HR—汽机热耗，kJ/kWh

6 现阶段存在的主要问题

(1)以在煤粉炉内燃烧的方式耦合的技术，当耦合率大于5%以上时，就会存在对煤粉炉的影响，需要对煤粉锅炉进行调整改造。

(2)国内生物质(秸秆、谷壳、玉米芯等类)受到农业生产形式影响，造成原材料来源极不稳定，这与欧洲农场主的方式有很大区别。电厂收购生物质燃料，需要支出的潜藏成本较大。如运输、搬运、存储、掺假等等因素。

(3)生物质燃料如果不是加工的半成品，在火电厂的存储也是一个不可忽视的问题，电厂需要较大的防火等特殊要求的场地。

(4)为提高生物质原料供给质量，方便电厂存储，国内采用破碎造粒后的半成品方式解决出路，但是这就明显加大了耦合发电的成本。

(5)按照国外的规划，在生物质燃料丰富地区，一般100平方公里的范围内，只能容纳一个生物质发电(包括耦合)项目。为此，前期布点与策划，也是个不可忽视的问题。

(6)生物质发电计量的标准、技术、方法等这些国家配套的内容，还处于逐渐完善阶段。

7 结论

生物质是一种可持续获得的绿色资源，利用好生物质将对我国能源结构转型、减少CO2、SO2和烟尘的排放量，保护环境，增强企业经济效益和利用当地资源，增加农民收入具有重要意义。国内生物质资源分散，堆密度较小，收集运输困难，大部分生物质未得到妥善使用。目前在我国，农业随意焚烧秸秆，化肥过量、低效使用，均造成了严重的环境污染，并耗费了地方政府很大精力。要彻底解决上述难题，急需一种可大规模推广的生物质高值化处理技术。与现有的生物质直燃电厂发电项目相比，生物质气化耦合发电技术具有电能转换率高、污染物排放低、不新增建设用地、工艺流程简洁、设备投资费用低等优势。

[1] 程备久．生物质能学[M]．北京: 化学工业出版社，2008: 1-10．

[2] 刘广青，董仁杰，李秀金．生物质能源转化技术[M]．北京: 化学工业出版社，2009: 7-12．

[3] 李延吉，李爱民，李润东，等．生物质富氧气化产气特性的实验研究与灰色关联分析[J]．可再生能源，2004( 6) : 14-17．

[4] 朱锡锋．生物质热解原理与技术[M]．合肥: 中国科技大学出版社，2006．

[5] 倪浩，吴国强．大型火电耦合生物质气化发电技术方案分析[J]．科技创新与应用，2017(19):27-38.

[6] 生物质气化再燃发电计量两种方式介绍[Z].

Co-firingbiomasswithcoaltechnology

Wang Linna

(Datang Environment Industry Group Co., Ltd, Beijing 100098)

this paper briefly introduces the coal-fired biomass power generation technologies currently available domestically, and summarizes the characteristics of different technologies. Biomass gasification coupled power generation technology and its process system, major equipments are introduced in more details while its major problems during the phase of power generation are also briefly analyzed and discussed. An outlook for future biomass gasification technology development is then followed.

biomass; coupled power generation; gasification

X-1

A

2017-08-21; 2017-11-20修回

王琳娜(1988-)，女，硕士，工程师，研究方向：大气治理脱硫脱硝。E-mail:385967898@qq.com