【拓局 见微知著】燃煤与生物质气化耦合发电技术方案分析

作者 | 周高强

山东电力工程咨询院有限公司

关键词：生物质气化；循环流化床；生物质燃气

生物质燃料属于一种可再生能源，利用生物质能发电，不仅可以开发新能源，节约煤炭，改善我国能源结构，减少CO₂、SO₂和烟尘的排放量，保护环境，而且可以充分利用当地资源，增加农民收入，增强企业经济效益和生存能力，具有重要意义。燃煤与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。

本文以2x1000MW燃煤与生物质耦合发电工程为例进行详细分析，该发电工程拟采用大容量、高参数、高效率等最先进燃煤电站技术和低氮燃烧、高效脱硫、脱硝、除尘等环保协同治理技术，确保实现能耗最低、效率最高、超净排放的清洁生产目标。并结合当前对生物质气化研究的最新技术成果，探索生物质燃气与燃煤发电的耦合示范试点。

生物质气化技术是生物质在循环流化床内气化，产生的低热值燃气，通过热燃气输送管道送入锅炉燃烧室与煤混合燃烧的技术。作为一种理想的气化原料，生物质可以在较低的温度下迅速转化为气体燃料，且气化后的燃气在燃煤锅炉中很容易燃烧。气化产生的燃气温度为750℃左右，燃气只需冷却到400-450℃，冷却的热量通过燃煤锅炉的冷凝水回收，不浪费，然后通过燃气加压风机把燃气送入燃煤锅炉中燃烧，在此温度下，焦油不会凝结，并且这种方式可将生物质灰与煤灰分离处置，减少对锅炉的影响，对生物质灰可充分回收利用。

工艺技术方案分为生物质原料处理、生物质上料系统、循环流化床气化炉，燃气导热油降温系统、燃气输送系统、床料补充系统、生物质燃气再燃系统、燃气成份监测及计量系统、电气控制、保护及吹扫系统等组成。下面分别介绍几个主要系统。

1.1 生物质原料处理

本项目选用生物质燃料，主要用农、林废弃物为燃料。(表1)

表1 破碎后木质燃料原料规格指标

1.2 循环流化床气化炉

循环流化床气化炉是在气化炉炉膛下部有一个密相区，燃烧与气化反应都在密相区发生。在从安装在布风板上的风帽进入的气化剂（空气）作用下，物料颗粒、砂子、气化剂充分接触，受热均匀，在炉内呈“流化”状态，气化反应速度快，产气率高。

本循环流化床气化炉是采用高温分离循环流化床、燃用木质燃料、秸杆的气化炉。该循环流化床气化炉具有高效，高温分离，灰循环安全易控；运行可靠性高，启动迅速等特点。

气化炉由前部、中部及尾部三个竖井组成。前部竖井是绝热炉膛，为支撑结构，炉膛四周由t=8mm钢板组成，自下而上依次为风室、布风板、风帽、密相区、悬浮段。中部竖井是气化炉旋风分离器，采用支承结构，气化炉旋风分离器下部接回送装置。尾部除尘分离器，同样采用支承结构，除尘分离器下部接水冷螺旋冷灰机，使最终排除的灰温度不大于100℃。炉膛、旋风分离器、除尘分离器之间由金属膨胀节柔性连通。气化室及分离器内部均设有防磨内衬以及保温，外置金属护板。在气化炉左侧，设置惰性床料给料装置，包括斗提机、沙仓、螺旋给料机等组成。由10根型钢柱承受气化炉、除尘分离器及惰性床料给料系统及本体附属设施全部重量。

气化炉采用床下油点火，在进风室的风道内布置了0#轻柴油点火燃烧器。正常运行时，气化炉炉膛温度始终控制在700-750℃左右，并且控制气化风量，使炉膛区域内呈现高温少氧环境，生物质燃料在此通过干馏热解及化学氧化反应后产生含有一氧化碳、氢气、甲烷等气体成分的生物质气。燃气能在炉膛内停留5-6秒，保证高的气化效率，然后高温燃气夹带固体粒子进入气化炉旋风分离器进行气固分离。分离下来的粒子进入回送装置，通过回料器从炉膛下部送至密相区以控制床温。从气化炉旋风分离器出来的燃气进入除尘分离器，进一步将生物质气中的固体颗粒物分离，提高可燃气体的品质，分离下来的灰通过水冷螺旋冷灰机后，温度降到100℃以下进行收集回收。

气化炉采用干式出灰，灰的排放有三个途径。一是通过密相区底部的排渣管排放；二是通过分离器下部的回送装置排放；三是作为飞灰被除尘分离器收集排放(主要排放点)。

1.3 旋风除尘系统

为进一步降低燃气中灰尘含量，在高温燃气的出口设置旋风除尘分离器，外壁用8mm厚的Q235A钢板制成，内设有防磨内衬；中心筒采用耐热合金钢板，保证燃气中灰尘含量小于15g/Nm³，额定负荷时工作温度730-750℃。

1.4 燃气导热油降温系统

本导热油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，从而降低燃气温度。加热后的高温导热油靠循环油泵的压头在液相状态下，强制输送至吸热设备，当高温导热油在吸热设备的受热端释放热能后，沿回路管程经循环泵继续进入本导热油换热器，在导热油换热器内又被加热，周而复始，从而实现连续换热之目的。在本系统中，吸热设备为热冷凝水。

本导热油换热器为立式模块化组装锅炉，导热油换热器的受热面是上中下三组对流管束组成。锅炉分上中下三个模块组装出厂，工地上对三个大的模块进行组装，再装焊连接管道即可。高温烟气自上而下纵向冲刷受热面，受热面管子顺列布置，不易积灰，同时在导热油换热器侧面布置有若干个清灰口和吹灰器，利用蒸汽吹灰。

1.5 燃气输送系统

为保证2台气化炉能保证长时间运行，燃气的输送管道采用母管制，即两台气化炉产生的温度为400℃的燃气由燃气加压风机加压后送入母管，由母管把燃气送到炉前，再由支管把燃气送入煤粉锅炉燃烧。每一个进入母管和引出母管的支管路，均加盲板阀隔断，盲板阀隔断采用三偏心多层次金属密封结构，无机械磨损，可达到零泄漏，有优良的双向密封功能，最高工作温度可达600℃。

1.6 生物质燃气再燃系统

原锅炉为煤粉锅炉，锅炉燃烧室断面呈正方形，燃烧室各面墙全部采用膜式水冷壁，由光管和扁钢焊制而成；底部为冷灰斗，锅炉采用前后墙对冲燃烧方式。

1.6.1 锅炉设计及燃气输送

锅炉准备掺烧由木质燃料等生物质气化后产生的燃气，单台锅炉掺烧生物质燃气量16800Nm³/h，燃气以400℃-450℃的温度通过燃烧器送入煤粉锅炉参加燃烧，每台锅炉配前后墙对冲燃气燃烧器，与原煤粉燃烧器同样采用前后墙对冲布置。

两台处理量为8t/h的生物质气化炉产生的燃气采用母管制与2台煤粉锅炉连接，助燃用的热空气通过母管与2台煤粉锅炉连接。

1.6.2 掺烧燃气后的热力计算结果和对煤粉锅炉的影响

掺烧的燃气在热值比不大于10%的情况下，对锅炉的运行几乎没有影响。

1.7 燃气成份监测及计量系统

1.7.1 生物质气化再燃发电计量两种方式介绍

目前，在燃气热量已计算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：

第一种：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:

N_fd=Q×η_b×η_gd/HR

Q=4.1868 × F_rq×Q_net.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

F_rq-燃气消耗量，Nm³/h

Q_net.rq-燃气发热量，kcal/Nm³

η_b-锅炉效率，%

η_gd-管道效率，取99%

HR-汽机热耗，kJ/kWh

第二种：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:

W_gk=∑Q_d/（29271×b_g）×10⁹

式中:

W_gk-统计期内生物质气化再燃供电量，kW·h;

∑Q_d-统计期内热湿燃气低位供热量累积值，GJ;

b_g-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。

1.7.2 生物质气化再燃发电量

生物质气化再燃发电量依据生物质气化湿热燃气再燃发电的供电量与当期的综合厂用电率计算取得:

W=W_gk/（1-L_zh）

式中:

W-统计期内生物质气化再燃发电量，kW ·h；

L_zh-期的综合厂用电率，%。

表2 煤电与生物质耦合系统和生物质直燃的技术指标比较表

①按照生物质与煤电耦合后，每年发电量不变，则每年节省3.24万吨标煤。

②按照生物质与煤电耦合后，每年发电量不变，其中生物质部分发电量为11万MWh，按照电价750元/MWh,则生物质发电每年收入8250万元。

③按照两台气化炉系统设备，则总投资约为1亿元，基本收益率按照5%，年运行费用考虑厂用电和秸秆费用约2200万。

④年费用计算，根据年费用公式：

A-年费用；P-初投资；R-年运行维护费；I-基准收益率取5.0% ； n-经济生产年(按10年、15年、20年)

R=2200万，P=10000万，经初步计算，大约需要1.8年回收成本。可见在争取到生物质标杆电价750元/MWh的条件下，煤电和生物质发电耦合技术方案对本电厂来说经济效益非常好。

我国生物质资源丰富，利用生物质能发电，不仅可以开发新能源，节约煤炭，改善我国能源结构，减少CO₂、SO₂和烟尘的排放量，保护环境。燃煤与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，推荐项目建设方采用。

作者周高强，男，从事电厂热机设计工作。