中國燃煤與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)的探索與實(shí)踐
2022-02-13
摘要：研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高且適合我國國情的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)是我國今后能否高效利用秸稈等生物質(zhì)資源的關(guān)鍵。國電長源電力股份有限公司研發(fā)了10.8MW燃煤電站鍋爐秸稈氣化再燃系統(tǒng)工業(yè)示范項(xiàng)目，該項(xiàng)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，將生物質(zhì)燃?xì)飧邷厮腿脲仩t與煤粉混燒發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效利用，充分利用燃煤發(fā)電機(jī)組使生物質(zhì)氣化發(fā)電的各類成本降至最低，高溫輸送簡化了燃?xì)鈨艋瘞淼脑O(shè)備投資、運(yùn)行成本，也充分利用了高溫顯熱和氣態(tài)焦油完全燃燒產(chǎn)熱，使生物質(zhì)氣化轉(zhuǎn)化熱得到了最大化利用，同時(shí)也避免了除焦油帶來的環(huán)境污染。該項(xiàng)目是對(duì)中國燃煤與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)的開創(chuàng)性的探索與實(shí)踐，意義重大，具有很高的推廣利用價(jià)值。
1研發(fā)背景
生物質(zhì)能目前是僅次于煤炭、石油、天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在能源系統(tǒng)中占有重要地位。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源相當(dāng)豐富，為了節(jié)約常規(guī)化石能源消耗、減少污染，生物質(zhì)能的合理利用已經(jīng)越來越受到重視。同時(shí)生物質(zhì)能利用具有的CO2零排放的特點(diǎn)，對(duì)于緩解日益嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”有著特殊意義。
國外生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國家有丹麥、荷蘭、意大利、德國等。目前，國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝較復(fù)雜。國外生物質(zhì)氣化應(yīng)用情況主要為：生物質(zhì)氣化發(fā)電；生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱；水泥廠供燃?xì)馀c發(fā)電并用的生物質(zhì)氣化站；生物質(zhì)氣化合成甲醇或二甲醚；生物質(zhì)氣化制氫；生物質(zhì)氣化合成氨等。中國對(duì)生物質(zhì)利用技術(shù)的深入研究始于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過20多年的努力，在生物質(zhì)直燃發(fā)電、小型氣化發(fā)電等方面研發(fā)與應(yīng)用取得了一定進(jìn)展，生物質(zhì)發(fā)電成為國內(nèi)生物質(zhì)能利用的最普遍方式之一，但與發(fā)達(dá)國家生物質(zhì)利用技術(shù)相比，仍存在效率偏低、規(guī)模偏小、處理技術(shù)落后、投資費(fèi)用高等各種問題，制約了生物質(zhì)的高效利用。研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高且適合國情的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)是我國今后能否有效利用秸稈等生物質(zhì)資源的關(guān)鍵。
依托大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，是生物質(zhì)能最高效、最潔凈的利用方法之一。國電長源電力股份有限公司2008年開始該技術(shù)的研發(fā)與探索，于2011年組織建設(shè)了10.8MW燃煤電站鍋爐秸稈氣化再燃系統(tǒng)工業(yè)示范項(xiàng)目，采用高速循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝，在生物質(zhì)氣化原料前期處理、給料密封、循環(huán)流化床氣化、循環(huán)操控、高溫灰冷卻、高溫輸送、燃?xì)庾罴讶霠t與切斷、燃料多樣化、焦油催化裂解利用等方面深入研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用空氣將生物質(zhì)高效氣化，產(chǎn)生低熱值燃?xì)?，結(jié)合國電長源荊門熱電廠#7600MW大型超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，將生物質(zhì)燃?xì)馑腿脲仩t與煤粉混燒實(shí)現(xiàn)發(fā)電，其綜合發(fā)電能源利用效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠的發(fā)電利用效率，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)高效利用并替代部分化石能源。
2項(xiàng)目工藝路線及采取的關(guān)鍵技術(shù)
2.1工藝路線
項(xiàng)目的技術(shù)路線是稻殼或生物質(zhì)成型燃料通過車輛運(yùn)輸?shù)搅吓锎鎯?chǔ)，經(jīng)上料皮帶輸送至爐前料倉，由螺旋給料機(jī)送入高速循環(huán)流化床氣化爐，在氣化爐中熱解氣化，生成含有CO、H2、CH4等成份的可燃?xì)怏w。生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過除塵、降溫后，以400℃的高溫送入火力發(fā)電廠現(xiàn)有燃煤鍋爐，利用原有發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。項(xiàng)目采用的工藝系統(tǒng)流程如圖1所示。
2.2技術(shù)實(shí)施方案
項(xiàng)目生物質(zhì)燃?xì)庠偃荚O(shè)計(jì)出力折合約為10.8MW電負(fù)荷，以稻殼作為主要原料，額定燃料量8t/h，氣化效率>70%，氣化爐整體熱效率>85%。燃?xì)馊霠t與煤混燃，不改變?nèi)济哄仩t原有設(shè)計(jì)性能。
氣化爐采用平衡通風(fēng)，循環(huán)流化床內(nèi)物料的循環(huán)由風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，空氣通過鼓風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入提升管底部風(fēng)室，經(jīng)過布風(fēng)板上的風(fēng)帽實(shí)現(xiàn)床料及燃料流化，高溫?zé)崛細(xì)庀群蠼?jīng)循環(huán)分離器和除塵分離器后，再經(jīng)換熱器適度降溫后，由引風(fēng)機(jī)加壓送入燃煤電廠鍋爐，從電廠鍋爐兩側(cè)送入4臺(tái)專用燃?xì)馊紵髟偃肌?/span>
項(xiàng)目采用計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)集中控制，完成對(duì)生物質(zhì)氣化爐及其相關(guān)的上料系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、輔機(jī)設(shè)備等的統(tǒng)一監(jiān)控，保證機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
2.3計(jì)量與結(jié)算
項(xiàng)目上網(wǎng)電量目前實(shí)行以“燃?xì)鉄崃空垭娏?rdquo;的辦法進(jìn)行計(jì)量。燃?xì)饬髁坑?jì)量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板式流量測量，采用在線測量分析儀測量燃?xì)飧鞒煞莸暮坑?jì)算出燃?xì)鉄嶂担蝗細(xì)鉄崃坑?jì)根據(jù)燃?xì)饬髁亢腿細(xì)鉄嶂禂?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算燃?xì)獍l(fā)熱量。電量計(jì)量則通過熱量折算成電量和生物質(zhì)燃?xì)馀c電量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換儀兩種方式計(jì)量。燃?xì)鉄崃啃盘?hào)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳到電網(wǎng)公司，用于監(jiān)督、結(jié)算，折算方法如下：
2.4攻克的關(guān)鍵技術(shù)
因此前國內(nèi)沒有火力發(fā)電企業(yè)開展此項(xiàng)工作，國電長源電力股份有限公司自2008年開始進(jìn)行秸稈氣化再燃工程的研究與開發(fā)工作，積極探索大規(guī)模高效低污染綜合利用生物質(zhì)的可行技術(shù)路線，2009年4月成立研發(fā)項(xiàng)目組，組織完成了《600MW超臨界鍋爐秸稈氣化再燃系統(tǒng)研發(fā)》課題，并于2010年完成了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高溫空氣秸稈鼓泡流化床氣化實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場每小時(shí)氣化1t秸稈的中試規(guī)模秸稈氣化系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)。項(xiàng)目取得了以下關(guān)鍵技術(shù)：
2.4.1大容量循環(huán)流化床氣化爐的設(shè)計(jì)和制造
項(xiàng)目首創(chuàng)使用高速循環(huán)流化床技術(shù)作為生物質(zhì)氣化裝置的核心設(shè)備，氣化爐采用鋼結(jié)構(gòu)；旋風(fēng)分離器采用分段支撐方式固定，氣化爐本體采用多層保溫耐火磚結(jié)構(gòu)的絕熱爐膛，布風(fēng)板采用高溫稀土合金的形式，保證布風(fēng)均勻及耐高溫；排渣采用直排方式；氣化爐添加床料口設(shè)置在氣化爐提升管與再循環(huán)立管的返料口下部；氣化爐采用冷風(fēng)供風(fēng)；除塵分離器采用一級(jí)除塵分離器，除塵效率大于90%；分離器下設(shè)置冷灰器，除灰溫度低于100℃；氣化爐本體設(shè)置了合適的人孔門、防爆門。
氣化爐制造選型重點(diǎn)解決了氣化爐本體的耐火、絕熱設(shè)計(jì)；旋風(fēng)循環(huán)分離器、旋風(fēng)除塵分離器的設(shè)計(jì)定型，確定了除塵分離效率及壓降、主床及返料器各部尺寸、主床及布風(fēng)板風(fēng)帽布置形式及數(shù)量、布風(fēng)板阻力等關(guān)鍵要素。
2.4.2高溫燃?xì)獾妮斔?、焦油的處?/span>
項(xiàng)目創(chuàng)造性地未設(shè)置脫除焦油的設(shè)備，經(jīng)綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，采用了燃?xì)?span lang="EN-US">-凝結(jié)水-導(dǎo)熱油組合換熱系統(tǒng)將燃?xì)鉁囟冉档椭?span lang="EN-US">400℃左右輸送，既可以滿足引風(fēng)機(jī)的制造工藝要求，又同時(shí)滿足了減少能源浪費(fèi)、避免冷卻過程中焦油粘結(jié)問題，并充分利用焦油熱量及燃?xì)獾娘@熱，燃?xì)怙@熱得到了回收利用。燃?xì)庠谳斔瓦^程中得以最大程度減少焦油的凝結(jié)，焦油不需要額外處理，大部分焦油呈氣態(tài)輸送至大鍋爐燃燒，減輕了爐前高溫燃?xì)夤艿兰案邷亻y門的技術(shù)要求，有效降低了工程成本。
引風(fēng)機(jī)采用適用于燃?xì)饨橘|(zhì)的特種高溫離心風(fēng)機(jī)，為有效防止燃?xì)獗嫉奈ｋU(xiǎn)，風(fēng)機(jī)采用本體防爆及電機(jī)防爆，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口采用特制材料，以防摩擦起火引***燃；風(fēng)機(jī)穿軸處密封采用石墨環(huán)接觸式密封。
2.4.3高溫燃?xì)馊霠t技術(shù)
通過對(duì)燃燒器布置方案、燃燒器形式、配風(fēng)形式等綜合對(duì)比，結(jié)合生物質(zhì)燃?xì)獾奶匦?、原鍋爐的特點(diǎn)，從燃燒器的布置、對(duì)原鍋爐的影響、腐蝕性等方面進(jìn)行了論證，燃燒器確定布置于鍋爐側(cè)墻，采用旋流式燃燒器（燃?xì)庵绷鳌⑴滹L(fēng)旋流）的方案。由于原鍋爐的燃燒為對(duì)沖式，側(cè)墻處于配風(fēng)死角，原爐側(cè)墻處燃燒本身即需補(bǔ)充空氣，采用旋流式燃?xì)馊紵髟诖搜a(bǔ)充熱空氣更科學(xué)，且燃?xì)馊紵鞑贾迷诿悍廴紵魃戏剑瑢?duì)原燃燒影響不大，原煤粉燃燒器也無需進(jìn)行改動(dòng)。
2.4.4爐前密封給料技術(shù)
為解決系統(tǒng)壓力波動(dòng)，保證爐前能可靠密封給料及給料順暢、防止料倉高溫回火，通過論證確定了密封給料機(jī)選型及送引風(fēng)機(jī)參數(shù)，保證系統(tǒng)零壓點(diǎn)運(yùn)行在合適的位置。
2.4.5床料確定
采用普通河砂作為流化床的基本床料，成本低廉。通過運(yùn)行摸索解決了選擇何種粒徑的河砂及合適的床料高度可滿足實(shí)際運(yùn)行需求。
2.4.6運(yùn)行控制技術(shù)
采用床下少油點(diǎn)火升溫的方式啟動(dòng)，根據(jù)不同物料確定了最佳氣化爐運(yùn)行溫度及各部壓力參數(shù)的監(jiān)控；制訂了完善的系統(tǒng)啟停操作及異常處理操作規(guī)程。通過燃料多樣性和燃料適應(yīng)性的試驗(yàn)，獲得針對(duì)不同種類的生物質(zhì)燃料，配比不同的風(fēng)量及給料量，以最佳氣化反應(yīng)溫度及壓力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的物料循環(huán)、流化，保證了燃?xì)獾臍饣焚|(zhì)。
2.5項(xiàng)目的主要特點(diǎn)
項(xiàng)目氣化裝置產(chǎn)生的燃?xì)饩哂袩嶂捣€(wěn)定、燃燒性能穩(wěn)定、溫度較高等特點(diǎn)，送入鍋爐和煤粉混燒后，有促進(jìn)煤粉充分燃燒的作用，對(duì)燃煤電廠鍋爐運(yùn)行無不利影響。同時(shí)，對(duì)降低電廠鍋爐NOx排放也有額外益處。項(xiàng)目的整個(gè)生產(chǎn)過程具有熱轉(zhuǎn)化效率高、損失小、CO2零排放、無污染物廢棄物產(chǎn)生等諸多優(yōu)點(diǎn)。其獨(dú)特的工藝路線，為該技術(shù)應(yīng)用帶來了眾多的好處和優(yōu)點(diǎn)。
2.5.1投資省、占地少、建設(shè)周期短
項(xiàng)目利用現(xiàn)有火力發(fā)電廠的土地、水、電、汽等，將秸稈氣化后送至燃煤機(jī)組的鍋爐中與煤粉混燒，不需另外配套相應(yīng)的鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及輸電設(shè)備，大幅降低工程造價(jià)，縮短了建設(shè)周期。
2.5.2效率高、處理能力大
項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，生物質(zhì)處理能力強(qiáng)，截至目前仍為國內(nèi)最大的生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化耦合發(fā)電裝置。與鼓泡床、固定床相比，氣化效率更高、氣化強(qiáng)度更高，單位投資更省。其高溫氣態(tài)化焦油隨燃?xì)馊霠t完全燃燒、高溫燃?xì)馑鶐э@熱均帶入發(fā)電鍋爐得到了充分利用，僅有少量的飛灰捕集后排出，飛灰平均含炭量約10%以內(nèi)，機(jī)械不完全熱損失小。通過與高參數(shù)大容量火力發(fā)電機(jī)組耦合發(fā)電，使得生物質(zhì)能源利用效率可提高至35%以上，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠。
2.5.3清潔、環(huán)保、無污染
由于燃?xì)庵械慕褂统煞值纫詺鈶B(tài)進(jìn)入高溫鍋爐內(nèi)被充分燃燒，省卻了焦油處理設(shè)備，利用了焦油的熱量，避免了焦油排放與處理帶來的環(huán)境污染。秸稈氣化后排除的固體殘留為草木灰，是優(yōu)良的有機(jī)肥原料，通過氣力輸灰集中收集后實(shí)現(xiàn)綜合利用。由于氣化使用的原料為秸稈，實(shí)現(xiàn)了CO2排放。
2.5.4運(yùn)行方式靈活安全
示范項(xiàng)目裝置與系統(tǒng)啟停靈活，一般情況下2~3h即可完成冷態(tài)啟動(dòng)，30min內(nèi)可完成停爐的主要操作，且不論啟停均不影響大機(jī)組的安全運(yùn)行。項(xiàng)目設(shè)置了完善的硬件保護(hù)部件及連鎖保護(hù)，緊急情況下可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電鍋爐的燃?xì)馇袛?、氣化裝置的緊急安全停運(yùn)等，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
3工程實(shí)踐
2012年7月，項(xiàng)目通過72h滿負(fù)荷連續(xù)試運(yùn)行后，由專業(yè)試驗(yàn)單位進(jìn)行了生物質(zhì)氣化裝置的性能試驗(yàn)，性能考核試驗(yàn)主要情況如下：
3.1主要技術(shù)指標(biāo)
裝置主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。
3.2性能測試數(shù)據(jù)
該氣化裝置投運(yùn)后由專業(yè)試驗(yàn)研究院進(jìn)行了性能測試，其測試結(jié)果見表2。
3.3對(duì)電站運(yùn)行的影響
為了摸清對(duì)比摻燒生物質(zhì)燃?xì)鈱?duì)鍋爐燃燒情況和環(huán)保排放的影響，2014年由西安熱工研究院有限公司進(jìn)行了燃煤機(jī)組450MW及600MW負(fù)荷下生物質(zhì)燃?xì)鈸綗昂髮?duì)比試驗(yàn)工作。試驗(yàn)表明，鍋爐摻燒生物質(zhì)燃?xì)夂?，滿負(fù)荷下飛灰可燃物含量從4.90%下降至4.11%，鍋爐的固體未完全燃燒熱損失從1.71%下降至1.41%，空預(yù)器出口的CO下降明顯，排煙溫度變化不大，鍋爐熱效率提高了0.26%，SCR入口NOx降低了11.2mg/Nm3。表明本項(xiàng)目可降低電廠鍋爐飛灰含碳量、降低機(jī)組NOx的排放量。項(xiàng)目運(yùn)行6年來，未發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)鈱?duì)鍋爐燃燒及環(huán)保排放產(chǎn)生負(fù)面的影響。
3.4生產(chǎn)情況
截至2018年12月31日，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)2344天，設(shè)備運(yùn)行小時(shí)達(dá)到電廠#7機(jī)組的95%以上，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)水平；項(xiàng)目利用小時(shí)已累計(jì)實(shí)現(xiàn)3萬h，上網(wǎng)電量3.1億kWh，綜合利用秸稈資源20.7萬t，折合減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗10萬t。
3.5社會(huì)效益
該技術(shù)為國內(nèi)的生物質(zhì)高效發(fā)電開辟了一條全新的工藝路線，本項(xiàng)目的成功運(yùn)營實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化循環(huán)流化床技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用在我國的突破，對(duì)充分利用生物質(zhì)資源、減少化石燃料消耗，環(huán)保與社會(huì)效益顯著：
（1）有效節(jié)約煤炭資源，每年可消耗4.94萬t秸稈，節(jié)約原煤折算標(biāo)煤量為1.91萬t。
（2）有效緩解農(nóng)民焚燒秸稈造成的“狼煙”污染現(xiàn)象。
（3）大力拉動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，可促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收近1580萬元。
（4）每年減少CO2排放4.8萬t，減少SO2排放3.5萬t。
4應(yīng)用前景
生物質(zhì)發(fā)電屬于環(huán)保和民生效應(yīng)優(yōu)先的低碳可再生能源清潔電力，其燃料的購買、收集、裝運(yùn)和存儲(chǔ)等很多工作需要農(nóng)民參與，可以顯著增加農(nóng)民就業(yè)和收入。本項(xiàng)目燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)充分利用了現(xiàn)役煤電機(jī)組的高效發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)保集中治理平臺(tái)，大大降低了建設(shè)資金，縮短了建設(shè)周期，對(duì)提高生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模意義重大。從煤電機(jī)組在電力結(jié)構(gòu)中占主體地位的國情出發(fā)，燃煤生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)是優(yōu)化能源資源配置、破解污染治理難題、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展的有力舉措。該技術(shù)屬于國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)的范疇，符合國家開展能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，建設(shè)生態(tài)文明與美麗中國的政策導(dǎo)向。
隨著國能發(fā)電力〔2017〕75號(hào)《國家能源局、環(huán)境保護(hù)部關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)工作的通知》的發(fā)布，本項(xiàng)目技術(shù)推廣迎來重大發(fā)展機(jī)遇，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)由于其新穎的工藝路線和諸多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用推廣前景，可適用于許多領(lǐng)域，如與以天然氣、重油、煤炭等燃料生產(chǎn)的加工企業(yè)配套提供燃?xì)?、電力、蒸汽；利用稻殼灰廢棄物提煉高附加值的白炭黑和活性炭，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)廢料的吃干榨凈，進(jìn)一步提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
5建議
生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電綜合利用技術(shù)是一項(xiàng)“變廢為寶”的創(chuàng)新技術(shù)，是生物質(zhì)高效利用、污染物減排的創(chuàng)新實(shí)踐，為更好地發(fā)展生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)，建議國家相關(guān)部門打破現(xiàn)有的生物質(zhì)能行業(yè)利益鏈，盡快出臺(tái)有力的激勵(lì)政策推動(dòng)項(xiàng)目的建設(shè)落地，使我國生物質(zhì)規(guī)?；谜嬲呱锨鍧嵉吞肌踩咝У陌l(fā)展之路。
