中國燃煤與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)的探索與實踐
2022-02-13
摘要：研究開發(fā)經(jīng)濟上可行、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)示范項目，該項目采用高速循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化工藝，用空氣將生物質(zhì)高效氣化，將生物質(zhì)燃氣高溫送入鍋爐與煤粉混燒發(fā)電，從而實現(xiàn)生物質(zhì)高效利用，充分利用燃煤發(fā)電機組使生物質(zhì)氣化發(fā)電的各類成本降至最低，高溫輸送簡化了燃氣凈化帶來的設(shè)備投資、運行成本，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，同時也避免了除焦油帶來的環(huán)境污染。該項目是對中國燃煤與生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)的開創(chuàng)性的探索與實踐，意義重大，具有很高的推廣利用價值。
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。同時生物質(zhì)能利用具有的CO2零排放的特點，對于緩解日益嚴(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)燃氣區(qū)域供熱；水泥廠供燃氣與發(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、燃氣最佳入爐與切斷、燃料多樣化、焦油催化裂解利用等方面深入研發(fā)，實現(xiàn)了用空氣將生物質(zhì)高效氣化，產(chǎn)生低熱值燃氣，結(jié)合國電長源荊門熱電廠#7600MW大型超臨界燃煤發(fā)電機組，將生物質(zhì)燃氣送入鍋爐與煤粉混燒實現(xiàn)發(fā)電，其綜合發(fā)電能源利用效率遠高于現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠的發(fā)電利用效率，實現(xiàn)了生物質(zhì)高效利用并替代部分化石能源。
2項目工藝路線及采取的關(guān)鍵技術(shù)
2.1工藝路線
項目的技術(shù)路線是稻殼或生物質(zhì)成型燃料通過車輛運輸?shù)搅吓锎鎯?，?jīng)上料皮帶輸送至爐前料倉，由螺旋給料機送入高速循環(huán)流化床氣化爐，在氣化爐中熱解氣化，生成含有CO、H2、CH4等成份的可燃氣體。生物質(zhì)燃氣經(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)實現(xiàn)高效發(fā)電。項目采用的工藝系統(tǒng)流程如圖1所示。
2.2技術(shù)實施方案
項目生物質(zhì)燃氣再燃設(shè)計出力折合約為10.8MW電負荷，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%。燃氣入爐與煤混燃，不改變?nèi)济哄仩t原有設(shè)計性能。
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)機提供動力，空氣通過鼓風(fēng)機加壓后進入提升管底部風(fēng)室，經(jīng)過布風(fēng)板上的風(fēng)帽實現(xiàn)床料及燃料流化，高溫?zé)崛細庀群蠼?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)機加壓送入燃煤電廠鍋爐，從電廠鍋爐兩側(cè)送入4臺專用燃氣燃燒器再燃。
項目采用計算機分散控制系統(tǒng)集中控制，完成對生物質(zhì)氣化爐及其相關(guān)的上料系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、輔機設(shè)備等的統(tǒng)一監(jiān)控，保證機組安全、可靠、經(jīng)濟地運行。
2.3計量與結(jié)算
項目上網(wǎng)電量目前實行以“燃氣熱量折電量”的辦法進行計量。燃氣流量計量采用標(biāo)準(zhǔn)孔板式流量測量，采用在線測量分析儀測量燃氣各成份的含量計算出燃氣熱值；燃氣熱量計根據(jù)燃氣流量和燃氣熱值數(shù)據(jù)，實時自動計算燃氣發(fā)熱量。電量計量則通過熱量折算成電量和生物質(zhì)燃氣與電量實時轉(zhuǎn)換儀兩種方式計量。燃氣熱量信號實時遠傳到電網(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)開展此項工作，國電長源電力股份有限公司自2008年開始進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年完成了實驗室規(guī)模的高溫空氣秸稈鼓泡流化床氣化實驗研究及現(xiàn)場每小時氣化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)計和制造
項目首創(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解決了氣化爐本體的耐火、絕熱設(shè)計；旋風(fēng)循環(huán)分離器、旋風(fēng)除塵分離器的設(shè)計定型，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高溫燃氣的輸送、焦油的處理
項目創(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)濟比較，采用了燃氣-凝結(jié)水-導(dǎo)熱油組合換熱系統(tǒng)將燃氣溫度降低至400℃左右輸送，既可以滿足引風(fēng)機的制造工藝要求，又同時滿足了減少能源浪費、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氣的顯熱，燃氣顯熱得到了回收利用。燃氣在輸送過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，減輕了爐前高溫燃氣管道及高溫閥門的技術(shù)要求，有效降低了工程成本。
引風(fēng)機采用適用于燃氣介質(zhì)的特種高溫離心風(fēng)機，為有效防止燃氣爆燃的危險，風(fēng)機采用本體防爆及電機防爆，風(fēng)機進風(fēng)口采用特制材料，以防摩擦起火引***燃；風(fēng)機穿軸處密封采用石墨環(huán)接觸式密封。
2.4.3高溫燃氣入爐技術(shù)
通過對燃燒器布置方案、燃燒器形式、配風(fēng)形式等綜合對比，結(jié)合生物質(zhì)燃氣的特性、原鍋爐的特點，從燃燒器的布置、對原鍋爐的影響、腐蝕性等方面進行了論證，燃燒器確定布置于鍋爐側(cè)墻，采用旋流式燃燒器（燃氣直流、配風(fēng)旋流）的方案。由于原鍋爐的燃燒為對沖式，側(cè)墻處于配風(fēng)死角，原爐側(cè)墻處燃燒本身即需補充空氣，采用旋流式燃氣燃燒器在此補充熱空氣更科學(xué)，且燃氣燃燒器布置在煤粉燃燒器上方，對原燃燒影響不大，原煤粉燃燒器也無需進行改動。
2.4.4爐前密封給料技術(shù)
為解決系統(tǒng)壓力波動，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選型及送引風(fēng)機參數(shù)，保證系統(tǒng)零壓點運行在合適的位置。
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際運行需求。
2.4.6運行控制技術(shù)
采用床下少油點火升溫的方式啟動，根據(jù)不同物料確定了最佳氣化爐運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，獲得針對不同種類的生物質(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)，實現(xiàn)穩(wěn)定的物料循環(huán)、流化，保證了燃氣的氣化品質(zhì)。
2.5項目的主要特點
項目氣化裝置產(chǎn)生的燃氣具有熱值穩(wěn)定、燃燒性能穩(wěn)定、溫度較高等特點，送入鍋爐和煤粉混燒后，有促進煤粉充分燃燒的作用，對燃煤電廠鍋爐運行無不利影響。同時，對降低電廠鍋爐NOx排放也有額外益處。項目的整個生產(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。其獨特的工藝路線，為該技術(shù)應(yīng)用帶來了眾多的好處和優(yōu)點。
2.5.1投資省、占地少、建設(shè)周期短
項目利用現(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、發(fā)電機及輸電設(shè)備，大幅降低工程造價，縮短了建設(shè)周期。
2.5.2效率高、處理能力大
項目可實現(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，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、氣化強度更高，單位投資更省。其高溫氣態(tài)化焦油隨燃氣入爐完全燃燒、高溫燃氣所帶顯熱均帶入發(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)，機械不完全熱損失小。通過與高參數(shù)大容量火力發(fā)電機組耦合發(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
由于燃氣中的焦油成分等以氣態(tài)進入高溫鍋爐內(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)良的有機肥原料，通過氣力輸灰集中收集后實現(xiàn)綜合利用。由于氣化使用的原料為秸稈，實現(xiàn)了CO2排放。
2.5.4運行方式靈活安全
示范項目裝置與系統(tǒng)啟停靈活，一般情況下2~3h即可完成冷態(tài)啟動，30min內(nèi)可完成停爐的主要操作，且不論啟停均不影響大機組的安全運行。項目設(shè)置了完善的硬件保護部件及連鎖保護，緊急情況下可以快速實現(xiàn)對發(fā)電鍋爐的燃氣切斷、氣化裝置的緊急安全停運等，系統(tǒng)運行安全可靠。
3工程實踐
2012年7月，項目通過72h滿負荷連續(xù)試運行后，由專業(yè)試驗單位進行了生物質(zhì)氣化裝置的性能試驗，性能考核試驗主要情況如下：
3.1主要技術(shù)指標(biāo)
裝置主要設(shè)計指標(biāo)見表1。
3.2性能測試數(shù)據(jù)
該氣化裝置投運后由專業(yè)試驗研究院進行了性能測試，其測試結(jié)果見表2。
3.3對電站運行的影響
為了摸清對比摻燒生物質(zhì)燃氣對鍋爐燃燒情況和環(huán)保排放的影響，2014年由西安熱工研究院有限公司進行了燃煤機組450MW及600MW負荷下生物質(zhì)燃氣摻燒前后對比試驗工作。試驗表明，鍋爐摻燒生物質(zhì)燃氣后，滿負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。表明本項目可降低電廠鍋爐飛灰含碳量、降低機組NOx的排放量。項目運行6年來，未發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃氣對鍋爐燃燒及環(huán)保排放產(chǎn)生負面的影響。
3.4生產(chǎn)情況
截至2018年12月31日，該項目實現(xiàn)安全生產(chǎn)2344天，設(shè)備運行小時達到電廠#7機組的95%以上，各項主要技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計水平；項目利用小時已累計實現(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，本項目的成功運營實現(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，對充分利用生物質(zhì)資源、減少化石燃料消耗，環(huán)保與社會效益顯著：
（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）大力拉動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟，可促進當(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、裝運和存儲等很多工作需要農(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)役煤電機組的高效發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)保集中治理平臺，大大降低了建設(shè)資金，縮短了建設(shè)周期，對提高生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模意義重大。從煤電機組在電力結(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、促進生態(tài)文明建設(shè)、推動經(jīng)濟社會綠色發(fā)展的有力舉措。該技術(shù)屬于國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵的范疇，符合國家開展能源生產(chǎn)和消費革命，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《國家能源局、環(huán)境保護部關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》的發(fā)布，本項目技術(shù)推廣迎來重大發(fā)展機遇，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，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)配套提供燃氣、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，實現(xiàn)生物質(zhì)廢料的吃干榨凈，進一步提升項目的經(jīng)濟價值。
5建議
生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電綜合利用技術(shù)是一項“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，盡快出臺有力的激勵政策推動項目的建設(shè)落地，使我國生物質(zhì)規(guī)?；谜嬲呱锨鍧嵉吞?、安全高效的發(fā)展之路。
