【技術】生物質(zhì)摻燒發(fā)電存在問題及探討
2019-06-18
【摘要】近年來，國家對碳減排的要求不斷加強，燃煤發(fā)電是CO2排放的主要來源之一。對于火力發(fā)電碳減排的需求而言，摻燒生物質(zhì)是一種有效的應對措施常見的生物質(zhì)摻燒技術可分為直接摻燒和間接摻燒兩種。直接摻燒技術將生物質(zhì)送入鍋爐，新建設備較少，成本較低，目前應用較廣間接摻燒技術將生物質(zhì)氣化后的燃氣送入鍋爐燃燒，該技術的原料適應性較廣，能避免結焦結渣等現(xiàn)象，但需新建設備較多，投資較高，目前應用較少。本文介紹了近年來國內(nèi)生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術現(xiàn)狀，闡述了其中存在的問題，同時，根據(jù)筆者的調(diào)研經(jīng)驗，對生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術的發(fā)展進行了探討。
0引言
我國對可再生能源利用技術逐漸重視，《能源發(fā)展十三五規(guī)劃》提出了“積極發(fā)展生物質(zhì)液體燃料、氣體燃料、固體成型燃料推動沼氣發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電，合理布局垃圾發(fā)電。有序發(fā)展生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)耦合發(fā)電，因地制宜發(fā)展生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)”的發(fā)展要求與其他生物質(zhì)發(fā)電技術相比，混燃發(fā)電的項目總投資和年運行費用最低，而年凈收入較高，如圖1所示。生物質(zhì)混燃發(fā)電可以直接利用電廠現(xiàn)有的高參數(shù)鍋爐，提高發(fā)電效率，并在一定程度上降低生物質(zhì)運輸昂貴的影響，當生物質(zhì)價格大幅度變化時，也可根據(jù)實際情況調(diào)整摻配比例，從而提高摻燒項目的靈活性。發(fā)展生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術既可相應政策號召，也可為國內(nèi)火電廠碳減排提供解決方案。利用生物質(zhì)替代部分煤，可減少煤炭消耗，解決當?shù)亟斩挼葟U棄物的處理問題，同時為當?shù)剞r(nóng)民帶來額外收入，具有良好的社會效益和環(huán)境效益。同時，由于生物質(zhì)是一種CO2零排放的燃料，使用生物質(zhì)發(fā)電可減少CO2排放，在碳交易市場獲得額外收益。
影響生物質(zhì)摻燒發(fā)電經(jīng)濟性的因素主要為兩個：原料經(jīng)濟性和設備經(jīng)濟性其中，原料經(jīng)濟性是近年來多數(shù)生物質(zhì)利用項目盈利能力下降的重要因素。近年來。由于原料價格上漲，明顯高出項目初期的原料收購價格，導致不少生物質(zhì)利用項目出現(xiàn)虧損。
國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)摻燒技術可分為直接摻燒和間接摻燒兩種類型。其中，直接摻燒是將生物質(zhì)通過一定預處理后，直接送人燃煤鍋爐，與煤共同燃燒，帶動蒸汽輪機發(fā)電。該方法投資成本較低，目前應用較廣，典型項目有華電十里泉發(fā)電有限公司秸稈摻燒發(fā)電項目等。
間接摻燒將首將生物質(zhì)燃料在氣化爐中氣化，生成可燃氣體，再通人燃煤鍋爐，帶動蒸汽輪機發(fā)電。典型項目有國電長源發(fā)電有限公司的10.8MW生物質(zhì)再燃發(fā)電項目等。
然而，目前由于項目的經(jīng)濟和技術限制，目前生物質(zhì)摻燒技術仍存在一定問題。本文介紹了近年來國內(nèi)典型生物質(zhì)摻燒發(fā)電技術的現(xiàn)狀，并探討了該技術的發(fā)展方向。
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1.1直接摻燒
一般來說，生物質(zhì)的由于生物質(zhì)的折算水分高、熱值低，在摻燒過程中，高生物質(zhì)摻燒比例會降低鍋爐的理論燃燒溫度，導致鍋爐燃燒效率降低。另外，由于生物質(zhì)與煤混燒的灰分比煤高，更易附著于鍋爐管壁，產(chǎn)生的熱阻大于煤灰產(chǎn)生的熱阻，導致熱交換效率降低生物質(zhì)中較多的堿金屬和Cl元素，容易引起結渣和腐蝕。生物質(zhì)灰中的堿性成分含量高，而堿性成分的灰熔點低于酸性成分，并容易形成低熔點的共熔物，降低灰熔點，導致結渣現(xiàn)象。同時，堿金屬在高溫下發(fā)生升華，并凝結在管壁上與煙氣中的SO2化合生成硫酸鹽或堿性硫酸鹽、氧化鐵及復合硫酸鹽等，導致管子表面的Fe2O3保護膜被消耗掉，最終使管壁變薄，造成腐蝕。
近年來，國內(nèi)已有多個生物質(zhì)摻燒發(fā)電項目示范及運行。華電國際十里泉發(fā)電廠是國內(nèi)較早開展生物質(zhì)摻燒的電廠之一。該廠于2005年進行技術改造，進行秸稈摻燒發(fā)電。新增秸稈了收購、儲存、粉碎、輸送設備，兩臺專用秸稈燃燒器，并改造了供風系統(tǒng)及相關控制系統(tǒng)，鍋爐原有系統(tǒng)和參數(shù)不變考慮到秸稈的熱值低、輸送難、堿金屬和氯含量高，為保證機組的正常發(fā)電，對秸稈摻燒比例要有一定限制實際經(jīng)驗表明，當秸稈與煤粉的混合比例不超過40％時，對鍋爐飛灰性質(zhì)影響較小，不會對鍋爐尾部受熱面造成較大的腐蝕、堵塞和磨損。秸稈摻燒的發(fā)電成本高于燃煤發(fā)電，無直接經(jīng)濟效益，但具有明顯的社會效益和環(huán)保效益。若按最大年消耗10萬噸秸稈計算，可年節(jié)約原煤7萬噸，減少CO2排放15萬噸、SO2排放1500噸，并增加當?shù)剞r(nóng)民收入3000萬元。
由于生物質(zhì)收集成本高、技術不如常規(guī)火電成熟，生物質(zhì)摻燒發(fā)電需改造和新增設備，導致生物質(zhì)摻燒發(fā)電成本高于常規(guī)火力發(fā)電目前生物質(zhì)摻燒發(fā)電項目的經(jīng)濟性很大程度上依賴于發(fā)電補貼政策據(jù)報道，寶應協(xié)鑫生物質(zhì)發(fā)電有限公司的1#、2樣機組使用30％(熱值比)的生物質(zhì)作為燃料，同時3#機組采用純生物質(zhì)作為燃料，以滿足國家對生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電廠的補貼政策要求，該公司在獲得了補貼后，每度電盈利0.007元，處于盈利狀態(tài)。豐縣鑫源生物質(zhì)環(huán)保熱電有限公司的生物質(zhì)摻混比例大約為20％(質(zhì)量比)，主要燃料為煤炭，由于不滿足發(fā)電的補貼政策要求，混燃發(fā)電處于虧損狀態(tài)。
1.2間接摻燒
生物質(zhì)間接摻燒發(fā)電技術首先將生物質(zhì)氣化，轉化為合成氣后與煤混燃發(fā)電這種方式能保持大型機組發(fā)電效率高的優(yōu)點，且對原鍋爐燃燒影響較小。研究表明。在相同發(fā)電量基礎上，生物質(zhì)氣化與煤混燃發(fā)電的CO2和SO2的生成量比生物質(zhì)直燃發(fā)電的生成量少；機組發(fā)電效率和氣化效率的提高可以明顯降低CO2和SO2的排放量。生物質(zhì)與煤間接摻燒具有一定的環(huán)保排放優(yōu)勢。同時，采用氣化的方式可以簡化原料預處理過程，擴大了生物質(zhì)原料來源，并能避免生物質(zhì)灰進入鍋爐，避免了結焦、高溫腐蝕等現(xiàn)象。
國電長源生物質(zhì)再燃項目采用生物質(zhì)燃氣再燃技術，氣化爐設計出力折合約為10.8MW電負荷，以含水量小于15％的稻殼作為原料，額定燃料量8t／h，氣化效率>70％，產(chǎn)氣量14000-18000Nm3／h，可燃氣熱值4-5MJ／Nm3，氣化爐整體熱效率>85％。燃氣入爐與煤混燃，不改變鍋爐原有設計性能。氣化產(chǎn)生的焦油通人鍋爐燃燒，生物質(zhì)發(fā)電利用效率在34％以上，高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃發(fā)電項目。采用高速循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝，用空氣將生物質(zhì)高效氣化，產(chǎn)生低熱值燃氣，結合已有的600MW大型煤粉燃燒發(fā)電鍋爐，將生物質(zhì)燃氣送入鍋爐與煤粉混燒發(fā)電，發(fā)電能源利用效率遠高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠的21％-23％發(fā)電利用效率，從而實現(xiàn)生物質(zhì)高效利用并替代部分化石能源。
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目前，生物質(zhì)摻燒項目普遍存在的問題包括以下3個方面：
(1)生物質(zhì)破碎系統(tǒng)匹配度不高。具體表現(xiàn)為適用性不夠廣破碎粒度不均勻該問題易導致無法利用目標地區(qū)的部分種類生物質(zhì)；而粒度不均勻則導致氣力輸送過程中易堵塞。根據(jù)筆者調(diào)研結果，一些電廠為避免破碎粒度不均導致的易堵塞現(xiàn)象，僅使用部分生物質(zhì)原料，不能有效利用當?shù)仄溆喾N類的生物質(zhì)原料。未來的生物質(zhì)摻燒發(fā)電項目，應根據(jù)當?shù)厣镔|(zhì)種類，選擇適用的破碎機及輸送設備。
(2)原料價格高。目前生物質(zhì)摻燒發(fā)電項目中普遍存在原料收購成本高。根據(jù)筆者調(diào)研結果，一些項目的生物質(zhì)收購成本從開始時的50-150元/t，升高至300-400元/t，加之前幾年煤炭價格低落，生物質(zhì)價格與煤炭價格倒掛嚴重，不少摻燒項目因此出現(xiàn)虧損情況。在新建生物質(zhì)摻燒項目時，應提前對生物質(zhì)收集成本進行詳細評估，包括當?shù)厣镔|(zhì)種類、價格、運送距離、收集方式、是否有其他企業(yè)爭奪生物質(zhì)資源、農(nóng)民提供秸稈資源意愿等問題，并結合當?shù)匮a貼政策，計算對應生物質(zhì)價格下的摻燒發(fā)電成本，確定合理的摻燒比例。
(3)受熱面結焦結渣。生物質(zhì)普遍含有豐富的堿金屬和堿土金屬，同時Cl含量也較高，在高溫下易揮發(fā)并粘結在鍋爐受熱面上，導致受熱面結焦和高溫腐蝕。但是，考慮到生物質(zhì)中灰分含量較低，若能控制好生物質(zhì)摻配比例，則對鍋爐受熱面的影響較小，同時，也可根據(jù)生物質(zhì)灰成分，添加一些其他添加劑，避免結焦結渣現(xiàn)象的發(fā)生。一些研究也發(fā)現(xiàn)：摻燒生物質(zhì)會導致飛灰中的K和Cl質(zhì)量分數(shù)升高，但飛灰的物理化學特性變化不明顯對飛灰的混凝土特性參數(shù)測試表明在試驗范圍內(nèi)摻燒生物質(zhì)不會影響飛灰在建筑行業(yè)的應用。
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現(xiàn)階段的生物質(zhì)直燃發(fā)電項目，由于機組容量小，生物質(zhì)利用效率不高。摻燒發(fā)電可以利用電廠現(xiàn)有大容量機組發(fā)電，后續(xù)脫硫、脫硝、除塵等系統(tǒng)可以直接利用電廠現(xiàn)有設備，投資較小，是現(xiàn)階段更為可行的發(fā)電方式。
根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，生物質(zhì)摻燒項目出現(xiàn)的普遍問題是對原料成本估計不足、預處理設備適用性不廣在較高摻燒比例時，可能出現(xiàn)受熱面結焦的現(xiàn)象對此，新建摻燒項目時應根據(jù)所摻燒的生物質(zhì)特性，選用合適的破碎和輸送設備：同時對重點關注當?shù)厣镔|(zhì)收購成本：并控制合適的摻配比例。在新建項目時，應廣泛與當?shù)卣疁贤?，爭取相應的補貼政策。
