生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電爐型選擇及應(yīng)用分析
2022-01-04
隨著國家碳排放交易政策以及非化石能源替代戰(zhàn)略的逐步推行，燃煤電廠技術(shù)革新的壓力越來越大，利用現(xiàn)役燃煤機組耦合生物質(zhì)發(fā)電的模式將成為生物質(zhì)清潔高效利用的必然選擇。為加速煤電轉(zhuǎn) 型，降低碳排放量以應(yīng)對氣候變化，我國在“十三五”規(guī)劃中明確地將生物質(zhì)與燃煤耦合發(fā)電項目作為重點任務(wù)。
2017年11月、2018年6月，國家能源局接連公布了《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》、《關(guān)于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點項目建設(shè)的通知》，通知規(guī)定了開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作事宜，并確定了技改試點項目名單。明確了燃煤耦合優(yōu)先選取熱電聯(lián)產(chǎn)煤電機組，布局一批燃煤耦合農(nóng)林廢棄殘余物發(fā)電技改項目的要求。提出優(yōu)先采用便于可再生能源電量監(jiān)測計量的氣化耦合方案的建議。產(chǎn)出電量單獨計量，由電網(wǎng)企業(yè)全額收購，采用經(jīng)國家強制性產(chǎn)品認(rèn)證的計量裝置，可再生能源電量計量在線運行監(jiān)測數(shù)值同步傳輸至電力調(diào)度機構(gòu)。本次通知共批準(zhǔn)了84家發(fā)電公司，89項耦合發(fā)電項目，其中農(nóng)林廢棄物耦合項目58項，污泥耦合項目29項，垃圾耦合2項。其中，污泥耦合均采取了干化后摻燒的耦合工藝，而垃圾耦合則選用了焚燒后蒸汽送至汽輪機的耦合工藝。農(nóng)林生物質(zhì)項目中，直接耦合2項，蒸汽耦合1項，氣化耦合55項。
可見，生物質(zhì)氣化技術(shù)已經(jīng)成為了燃煤電廠改造的熱點技術(shù)，具有廣泛的改造需求及應(yīng)用市場。本文就國內(nèi)外氣化爐技術(shù)及其應(yīng)用情況進(jìn)行了廣泛調(diào)研，就不同爐型的技術(shù)特點和應(yīng)用范圍以及燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電氣化爐選擇進(jìn)行了分析[1]。
1氣化耦合發(fā)電工藝
生物質(zhì)耦合發(fā)電主要有3種方式，直接耦合、氣化耦合和蒸汽耦合。直接耦合是研磨過的生物質(zhì)與燃煤直接在電廠鍋爐中混燃的工藝過程；氣化耦合則需要設(shè)置單獨氣化爐，生物質(zhì)氣化后將產(chǎn)出的燃?xì)庖腚姀S鍋爐中混燃；生物質(zhì)在單獨設(shè)置的鍋爐中燃燒，產(chǎn)出的蒸汽并入電廠鍋爐蒸汽聯(lián)箱的工藝則被稱為蒸汽耦合。
不同耦合方式工藝特點各異，基于耦合發(fā)電技術(shù)成熟的歐洲地區(qū)的應(yīng)用情況，對不同耦合方式發(fā)電效率及單位投資進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如表1所示。
從對比數(shù)據(jù)來看，直接耦合的方式在改造費用及發(fā)電效率方面均處于優(yōu)勢地位，但對生物質(zhì)種類及預(yù)處理深度要求較高，容易產(chǎn)生結(jié)渣及腐蝕問題，同時也會影響燃煤鍋爐的灰渣性質(zhì)，降低利用價值。蒸汽耦合通過單獨設(shè)置燃燒鍋爐避免了生物質(zhì)對原有設(shè)備的影響，生物質(zhì)混燃比例僅收到發(fā)電汽機制約，但是需要單獨增設(shè)除塵等凈化系統(tǒng)，投資成本將大大增加。氣化耦合發(fā)電效率與蒸汽耦合接近，但投資成本減少了近1/2，通過氣化方式減少了生物質(zhì)對燃煤鍋爐的影響，擴大了可消納原料的種類，便于灰分的收集及綜合利用，同時可以利用現(xiàn)有的空氣凈化系統(tǒng)達(dá)到排放要求，是比較理想的耦合方式。因此，考慮到耦合發(fā)電計量問題及國家政策的傾斜，生物質(zhì)氣化將成為主流的耦合工藝。
2生物質(zhì)氣化爐技術(shù)比較
生物質(zhì)氣化反應(yīng)需要在氣化爐內(nèi)完成，根據(jù)氣固接觸方式的不同，生物質(zhì)氣化爐主要分為固定床（上吸式、下吸式）、流化床（鼓泡流化床、循環(huán)流化床）和氣流床；根據(jù)運行壓力不同可分為常壓、加壓氣化爐。氣流床對生物質(zhì)粒徑要求較高（顆粒＜3mm），并不適用于大規(guī)模的生物質(zhì)處理過程，因此，現(xiàn)行的生物質(zhì)氣化技術(shù)一般是固定床及流化床2種類型。固定床及流化床氣化爐結(jié)構(gòu)的差異影響了其處理規(guī)模，燃?xì)馓匦约捌焚|(zhì)，從而決定了不同爐型的應(yīng)用場合。
（1）不同氣化爐型適用規(guī)模。固定床氣化爐內(nèi)部混合程度及熱傳導(dǎo)都比較差，導(dǎo)致難以達(dá)到同一截面物料分布、溫度分布、燃?xì)饨M成均勻一致，隨著尺寸放大，上述問題將更加嚴(yán)重。相對而言，流化床氣化爐雖然對原料的尺寸要求更加嚴(yán)格，但其物料及溫度均勻性更好，運行較為穩(wěn)定，在處理規(guī)模上更具優(yōu)勢。在正常操作條件下，以常規(guī)秸稈為原料的不同氣化爐處理能力如圖1所示。由圖1可知，常壓流化床氣化爐的處理能力可達(dá)100MW左右（約600t/d），而固定床氣化爐的處理能力不超過10MW（約60t/d）。由于耦合發(fā)電需要達(dá)到一定規(guī)模才具有較高的經(jīng)濟效益，因此，具有更大處理能力的流化床氣化爐將更具優(yōu)勢[3]。
（2）不同氣化爐型焦油產(chǎn)量。生物質(zhì)氣化往往伴隨著焦油的產(chǎn)生，造成能源浪費的同時還降低了氣化效率，還影響了氣化設(shè)備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，不經(jīng)凈化的生物質(zhì)燃?xì)膺€會對后續(xù)管路及燃燒設(shè)備造成嚴(yán)重危害。
不同氣化爐由于結(jié)構(gòu)不同，其焦油產(chǎn)生量有比較大的差別，其中上吸式固定床氣化燃?xì)庥捎诮?jīng)過低溫區(qū)域而無法完全裂解，焦油含量最高；下吸式固定床氣化燃?xì)鈩t可以保證充分的熱解溫度，焦油含量最少，鼓泡式及循環(huán)流化床氣化爐介于以上2者之間，具體數(shù)據(jù)見表2[4，6]。
（3）不同氣化爐型燃?xì)獬煞帧Ｉ镔|(zhì)燃?xì)獬煞质菦Q定燃?xì)鉄嶂导叭紵阅艿年P(guān)鍵因素，理想的燃?xì)饨M分可以保證更高的耦合發(fā)電參數(shù)。在氣化劑選用空氣的條件下，不同類型氣化爐產(chǎn)出燃?xì)饨M成如表3所示。
可以看出，固定床與流化床氣化爐燃?xì)鉄嶂迪嗖畈淮蠖季哂休^高的氣化效率，但由于流化床內(nèi)部溫度、物料分布更均勻，產(chǎn)氣量、燃?xì)獬煞窒鄬Ψ€(wěn)定，其燃?xì)獾钠焚|(zhì)更高[4，6]。
（4）氣化耦合發(fā)電爐型選擇。固定床氣化爐由于其自身的種種局限性，不適于用于燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電項目。首先，固定床氣化爐規(guī)模較小（一般＜10MW），無法產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，限制了項目盈利的可能。其次，固定床氣化爐下料過程易產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象而控制困難，因此燃?xì)馄焚|(zhì)波動較大，影響了鍋爐的安全運行。處理規(guī)模相對較大的上吸式固定床因出口燃?xì)鉁囟容^低（約450℃左右）且波動較大，燃?xì)鈨?nèi)焦油含量高，在輸送過程中存在堵塞管道的風(fēng)險，也不適用于耦合發(fā)電過程。固定床氣化爐更加適用于生物質(zhì)處理規(guī)模較小的情況，其中上吸式固定床比較適用于粗燃?xì)獠恍枥鋮s及凈化的場合，比如直接作為小型鍋爐或加熱爐的燃料或向系統(tǒng)提供工藝熱源；下吸式氣化爐由于產(chǎn)出焦油含量較低，可以較好的和內(nèi)燃機聯(lián)合工作，適用于1MW以下的分布式氣化發(fā)電。
根據(jù)國內(nèi)氣化耦合運行情況估算，耦合發(fā)電需要達(dá)到一定規(guī)模才具有較高的經(jīng)濟效益，折算機組發(fā)電容量至少約15MW以上。同時為降低對鍋爐燃燒的影響，氣化燃?xì)獾臒嶂?、氣量也?yīng)具有較高的穩(wěn)定性。流化床氣化爐由于其良好的混合效果，均勻的溫度分布，穩(wěn)定的運行效果，更適用于燃煤電廠氣化耦合發(fā)電、較大規(guī)模氣化發(fā)電、氣化合成氣制備高附加值生物燃料等場合，也適用于中小城鎮(zhèn)生物質(zhì)（含垃圾）氣化供熱等。因此，針對燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電項目，最適宜采用運行穩(wěn)定性高的流化床氣化爐技術(shù)，尤其是負(fù)荷靈活度更高，原料混合更均勻的循環(huán)流化床。
3氣化耦合發(fā)電應(yīng)用情況
歐美國家在《京東議定書》通過后，在政策法規(guī)及技術(shù)開發(fā)上采取了各種措施以降低碳排放，生物質(zhì)耦合發(fā)電是其中關(guān)鍵的技術(shù)之一。經(jīng)過多年的積累，歐美在耦合發(fā)電領(lǐng)域已非常成熟，我國積極吸納芬蘭、德國、意大利等國生物質(zhì)氣化經(jīng)驗，正逐步加快氣化工藝的研究。
（1）國際氣化耦合發(fā)電應(yīng)用。在氣化耦合發(fā)電領(lǐng)域，結(jié)合國際能源組織提供的相關(guān)案例，對國際范圍內(nèi)正在商業(yè)化運行的氣化耦合發(fā)電案例進(jìn)行了統(tǒng)計，相關(guān)信息見表4。
總體而言，生物質(zhì)氣化技術(shù)在歐美發(fā)展較為成熟，尤其是擁有豐富林業(yè)資源的地區(qū)，與內(nèi)燃機結(jié)合的小型生物質(zhì)氣化設(shè)備應(yīng)用非常普遍，主要面向區(qū)域供熱及發(fā)電。在規(guī)范了生物質(zhì)回收及儲運市場后，歐美地區(qū)一度出現(xiàn)了大量的氣化耦合發(fā)電氣化裝置。后來，隨著相關(guān)市場、補貼政策與技術(shù)的革新，大量的生物質(zhì)被用于與煤炭直接混合燃燒發(fā)電（即直接耦合發(fā)電），相應(yīng)的氣化技術(shù)也逐步向附加值更高的生物燃料合成方向轉(zhuǎn)型。目前仍在運行的氣化耦合發(fā)電裝置氣化發(fā)電的功率基本在50MW以上，利用規(guī)模效應(yīng)保證了耦合發(fā)電的盈利，各裝置均選用了處理量較大的循環(huán)流化床氣化爐。
（2）我國氣化耦合發(fā)電應(yīng)用。雖然歐美等國正在用利用效率更高的直接耦合技術(shù)替代氣化耦合，但是基于我國并不規(guī)范的生物質(zhì)處置市場，便于計量的氣化耦合仍是最適宜大規(guī)模推廣的技術(shù)。氣化耦合發(fā)電在我國應(yīng)用時間較短，因原料供給、監(jiān)管模式等制約，仍處在推廣階段。能源局燃煤耦合發(fā)電技改相關(guān)文件的推行，將為我國氣化耦合發(fā)電技術(shù)提供更多的發(fā)展空間。
目前，國電長源荊門電廠擁有我國唯一穩(wěn)定運營的10.8MW生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電裝置，該電廠選用國內(nèi)德博生物能源自主研發(fā)的流化床氣化爐以稻殼為耦合發(fā)電燃料，生物質(zhì)處理量8t/h。該項目于2013年10月正式投運至今，享受0.75元/（kW·h）上網(wǎng)電價，超出當(dāng)?shù)厝济簶?biāo)桿電價部分，由可再生能源發(fā)展基金補貼。近期，湖北華電襄陽發(fā)電有限公司使用同樣的技術(shù)利用秸稈為主要原料的生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項目試運行成功，預(yù)計一期工程完工后年消納秸稈、稻殼、木料等生物廢物5.14萬t。哈爾濱鍋爐廠提供技術(shù)支持的大唐長山熱電廠20MW發(fā)電項目以及聚能環(huán)保作未技術(shù)支持的華潤駐馬店古城電廠2×20MW發(fā)電項目均已開工建設(shè)，已批復(fù)的技改試點電廠也將尋找技術(shù)支持方并陸續(xù)開工改造。
在去煤電、碳減排的環(huán)境趨勢及生物質(zhì)補貼政策的引導(dǎo)下，我國氣化耦合發(fā)電項目在短期內(nèi)激增，擁有生物質(zhì)資源的糧食主產(chǎn)省份同時有多套技改試點獲批待建，基于流化床氣化爐的生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電已成為我國短期內(nèi)電廠技改的主流技術(shù)。但需要注意的是，我國氣化耦合技術(shù)剛剛起步，應(yīng)用案例并不多，運行中暴露出的問題也并沒有得到系統(tǒng)的研究解決，大規(guī)模的發(fā)展還需要驗證。
4氣化耦合發(fā)電技術(shù)發(fā)展存在的問題
氣化耦合發(fā)電的模式可以依托現(xiàn)有燃煤機組的發(fā)電設(shè)施及凈化系統(tǒng)實現(xiàn)清潔高效發(fā)電，對現(xiàn)有鍋爐改造影響小。單獨增設(shè)的氣化爐降低了對生物質(zhì)燃料的依賴性，增加了原料成本的議價可能，產(chǎn)出的生物灰分在不影響燃煤鍋爐爐渣的同時可以單獨處理加工。另外，氣化技術(shù)在一定程度上解決了生物質(zhì)發(fā)電量難以計量的問題，保證了生物質(zhì)發(fā)電量的監(jiān)管。
但是，在我國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電仍需要解決許多關(guān)鍵問題。與作為城市剛性產(chǎn)物的垃圾不同，生物質(zhì)的產(chǎn)生具有顯著的季節(jié)性與區(qū)域性，生物質(zhì)的來源、儲存及收集轉(zhuǎn)運是生物質(zhì)集中處置的核心障礙，氣化耦合發(fā)電的技改需要詳細(xì)考慮電廠規(guī)模、交通運輸、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和堆存方式。
同時，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電的改造投資相對較高而盈利能力卻依賴于政策補貼，投資回報率低而回收期長，商業(yè)化運營十分困難。雖然能源局本次《通知》中明確了全額收購、優(yōu)先調(diào)度、采用政府購買公共服務(wù)等多方式合理補償生物質(zhì)消納，但生物質(zhì)上網(wǎng)電價仍然由各地方政府給予補貼，僅少數(shù)財政寬裕的地區(qū)可以提供足夠支持。在最新發(fā)布的《關(guān)于公布可再生能源電價附加資金補助目錄（第七批）的通知》中，作為唯一的耦合發(fā)電示范項目，國電長源項目也被移除了補貼名錄，生物質(zhì)耦合發(fā)電補貼電價具體數(shù)額亟待敲定。
另外，生物質(zhì)利用監(jiān)管困難，最為突出的問題就是發(fā)電量的計量。國外耦合發(fā)電法律監(jiān)管力度嚴(yán)格，違規(guī)操作后果嚴(yán)重，而我國并無相關(guān)的監(jiān)督管理條例，這就造成了同類項目往往以生物質(zhì)的名義提高煤電小時數(shù)，燃煤與生物質(zhì)發(fā)電比例的確定是造成該問題的主要原因。如何精準(zhǔn)計量、在線監(jiān)測、實時管控是保障生物質(zhì)耦合發(fā)電有序運行的關(guān)鍵問題[7]。
5總結(jié)
基于我國富煤貧油的能源結(jié)構(gòu)，電力去煤炭化的目標(biāo)短期內(nèi)無法實現(xiàn)。在碳交易市場逐步開放，碳捕集技術(shù)并不完善的現(xiàn)狀下，燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電是解決碳排放，實現(xiàn)非化石能源替代的關(guān)鍵技術(shù)。能源局此次對生物質(zhì)耦合發(fā)電技改項目的通知將加速我國電廠的技改進(jìn)度，尤其是基于生物質(zhì)氣化工藝的氣化耦合發(fā)電技術(shù)，在政策導(dǎo)向下市場空間廣闊。
從氣化爐型分析，固定床氣化爐處理規(guī)模較小，燃?xì)馄焚|(zhì)較差，適合于直接氣化供熱、發(fā)電的場合，整體處置規(guī)模在10MW以下，在城鎮(zhèn)等分布式能源極具發(fā)展?jié)摿ΑＡ骰矚饣癄t從體量規(guī)模及燃?xì)夥€(wěn)定性而言，更適宜與電廠結(jié)合實現(xiàn)耦合發(fā)電。在應(yīng)用角度，國際現(xiàn)存的氣化耦合發(fā)電商業(yè)運行裝置均選用循環(huán)流化床爐型，與我國的運行項目一致，客觀驗證了循環(huán)流化床氣化耦合工藝的適應(yīng)性。
可以預(yù)見，燃煤耦合發(fā)電，尤其是氣化耦合工藝隨著《通知》的明確將贏來良好的發(fā)展契機，但是，生物質(zhì)的收存、技改后的運營模式及監(jiān)管細(xì)則仍在很大程度上制約著耦合發(fā)電的發(fā)展，大規(guī)模的推廣需要進(jìn)一步完善補貼電價、上網(wǎng)電量細(xì)則，改進(jìn)現(xiàn)有計量設(shè)施及監(jiān)管機制，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)制度，共同推動生物質(zhì)耦合發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
