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生物質耦合發電技術前瞻
發布時間:2019-12-18   信息來源:中國華能   
  
廣義的生物質是指通過光合作用形成的各種有機體,包括所有的動植物和微生物等。生物質所蘊含的能量稱之為生物質能,它直接或間接來源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規的固態、氣態和液態燃料,是太陽能的一種表現形式。樹枝、秸稈、污泥、垃圾等都可以歸為廣義的生物質能。生物質能是目前僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大資源,數量巨大,現階段約占全球能源供給總量的10%以上,其中約2/3的生物質資源應用在發展中國家。

  我國是能源消費大國,據統計,2017年,我國能源消費總量達到44.9億噸標準煤。隨著我國經濟持續快速發展,對能源需求量日益增加,預計2050年將占世界能源消費總量的25%,成為世界第二大能源消費國。目前,我國的能源結構依然以化石能源為主,截至2018年底,中國總裝機容量19.0012億千瓦,其中,火電11.4408億千瓦(煤電10.0835億千瓦),水電3.4119億千瓦,核電0.4466億千瓦,風電1.8427億千瓦,太陽能1.7433億千瓦。

  借助現役燃煤電廠系統進行生物質耦合發電,既可借助煤電燃料靈活性,提升非化石能源消費比重和化石能源替代比例,又可發揮清潔高效煤電污染物集中治理的平臺優勢,推進大氣、水和土壤污染防治,實現生物質資源的減量化、無害化、資源化和規模化處置。對于燃煤電廠而言,還能減少燃煤機組的燃料成本和二氧化碳排放總量,具有很好的社會效益和經濟效益,對于緩解燃煤電廠自身生存壓力具有重要意義。

  一、秸稈類生物質與燃煤機組耦合發電技術

  在燃煤工業鍋爐中,采用生物質來替代部分燃煤,無需或僅需對設備進行很小的改造,就能有效克服因原料價格波動而對純燒生物質鍋爐造成的影響,在現階段是一種低成本、低風險的生物質利用方式。對于燃煤電廠鍋爐來講,生物質與煤混合燃燒是完成二氧化碳減排目標最經濟的選擇。

  (一)直接混合燃燒

  直接混合燃燒采用的一般工藝路線為,在原有鍋爐設備基礎上附加生物質接收、儲存和預處理設備,使生物質燃料在粒徑等性質上適于在鍋爐內與煤粉混合燃燒。目前,直接混合燃燒主要有兩種技術方案。一是將原煤與生物質在給煤機前預先混合,隨后送入磨煤機,破碎至一定粒徑后分配到所有的煤粉燃燒器。該技術的改造投資成本最低,但存在降低磨煤機出力的風險,只適用于有限類型的生物質,混合燃燒比例較低。二是將煤粉與生物質燃料的制備過程分開,生物質破碎后單獨輸送至管路或燃燒器中,使兩種燃料在爐膛中互相混合。該方案雖然需要加裝生物質輸送、制粉和燃燒系統,投資成本較大,但能夠大比例摻燒生物質燃料,對鍋爐運行影響很小,還可以利用生物質高揮發分、易著火的特點,改善燃煤鍋爐的低負荷穩燃特性和污染物排放特性。

  目前國內外運行的直接混燃發電工程有:

  丹麥Studstrup電站

  該電站1號機組裝機容量為15萬千瓦煤粉鍋爐,處理能力為20 噸/小時,相當于原有燃料消耗量的20%。機組采用旋流燃燒器前后墻布置,將后墻上層燃燒器的中心風管改造為打捆生物質燃料或秸稈粉碎后的噴燃口。

  華電十里泉5號機組

  該電站在裝機容量14萬千瓦的5號機組上增加了一套秸稈粉碎機輸送設備。原有的燃燒方式為四角切圓燃燒,在左右墻各增加了一只專門用于燃燒秸稈的旋流燃燒器,秸稈摻燒的熱量比例為20%,質量比例為30%,每年可燃用秸稈10萬噸左右。

  英國Drax電廠6臺66萬千瓦機組

  電廠前3臺機組1974年投運,后3臺機組1986年投運。其中2、3、4號鍋爐目前均已改造為有單獨生物質磨制和燃燒功能的鍋爐,是世界上總容量最大的采用單獨生物質處理、磨制和燃燒的耦合生物質燃燒燃煤電廠。機組改造后,溫度從566攝氏度降為561攝氏度,機組效率下降2%。但由于排煙溫度從160攝氏度降到90 攝氏度,同時脫硫裝置停運,整體效率略有提高。

  (二)間接混合燃燒

  依據混合燃燒原料的不同,間接混合燃燒可分為:生物質氣與煤的混合燃燒和生物質焦炭與煤的混合燃燒。

  生物質氣與煤混燃是指將生物質氣化后的燃氣輸送至鍋爐系統中燃燒,其核心設備是生物質氣化爐,一般采用流化床或固定床氣化較為常見。按照氣化后的燃氣是否冷卻除去氣化雜質焦油,又可分為冷卻后混燃和高溫直接混燃。

  生物質焦炭與煤混燃是指生物質通過低溫熱解后,產生60%~80%的生物質焦炭與煤混合燃燒。此時生物質焦炭與煤的可磨性、著火特性及燃盡特性類似,可以避免磨煤機出力的降低和“搶風”現象。

  目前國內外運行的間接混燃發電工程有:

  荷蘭Amer電站

  該電站原有機組為35萬千瓦的供熱機組,安裝了83兆瓦的魯奇循環流化床氣化爐,運行溫度850~950攝氏度,用于氣化木材廢棄物。電廠原始設計為將氣化燃氣冷卻至220~240攝氏度,同時進行蒸汽回收,經袋式過濾器和水洗處理后脫除氨和焦油,凈化后的燃氣被加熱至100攝氏度后送入鍋爐燃燒。但設備初期運行后出現了嚴重的換熱器焦油沾污問題,后經技術改造,將燃氣冷卻至500攝氏度后,再經旋風除塵器粗凈化送入鍋爐燃燒。

  國電荊門7號機組

  該機組為60萬千瓦的對沖燃燒鍋爐,配備了一臺10兆瓦的循環流化床氣化爐,燃料消耗量為8噸/小時,設計燃料為稻殼、秸稈,氣化爐含水量15%,生成的燃氣經旋風分離器除塵,由導熱硅油換熱器冷卻至400攝氏度后,送入布置在兩側墻的噴口燃燒。經西安熱工院測試結果表明,摻燒生物質燃氣后,由于氣體的燃盡性非常好,在64萬千瓦和45萬千瓦電負荷下,飛灰可燃物都有不同程度的下降,空預器出口的二氧化碳降低效果也較為明顯。

  大唐長山熱電1號機組

  該機組為66萬千瓦燃煤鍋爐,新建一臺處理量16 噸/小時的循環流化床氣化爐,折合發電功率20兆瓦,是目前國內最大的生物質氣化耦合發電項目。建成投產后,年可利用9.12萬噸生物質燃料,減少煙塵排放量約3018噸、二氧化硫排放量約65噸、氮氧化物排放量約302噸,年發電量可達1.14億千瓦時。

  (三)并聯混合燃燒

  并聯混燃是指專門配置一套完全獨立的生物質鍋爐,使生物質和煤燃燒后的蒸汽混合進入蒸汽輪機發電。該方式可利用多種生物質燃料,特別適用于高堿金屬和氯化物的生物質,燃燒后的生物質灰和煤灰互相分離,有利于生物質灰的資源化利用。但存在生物質鍋爐蒸汽參數和燃煤鍋爐蒸汽參數匹配的問題。

  丹麥Enstedvaerket電站生物質鍋爐的總裝機容量為4萬千瓦,兩臺鍋爐分別燃燒秸稈和木屑,秸稈鍋爐燃燒產生的470攝氏度蒸汽進入木屑鍋爐被加熱至542攝氏度后引入煤粉鍋爐的主蒸汽管道。每年可消耗12萬噸秸稈和3萬噸木屑。

  (四)秸稈類生物質耦合發電趨勢展望

  按照我國的能源結構特點,燃煤機組在未來20年內仍將占據相當大的比重,如無突破性的技術進步,我國燃煤機組的二氧化碳排放總量仍將處于較高水平。因此,大型燃煤機組耦合生物質發電將成為降低二氧化碳排放和改善自身生存條件的必然選擇。

  二、污泥與燃煤機組耦合發電技術

  隨著我國城鎮化、工業化的高速發展以及人口的不斷增長,工業廢水與生活污水的排放量日益增大,由此導致污水處理廠污泥產量大幅提升。與污水處理技術快速發展的現狀不同,我國污泥處理技術起步較晚,仍處于基礎階段。

  截至2017年,我國城市生活廢水約590億噸,我國城市污水污泥產量908.07萬噸,工業污水污泥產量2950萬噸。根據GEP Research發布的《全球及中國污泥處理處置行業發展研究報告(2018)》數據顯示,2018年,我國城鎮(設市城市、縣,不含其他建制鎮)污泥年產量5484萬噸。根據預測,我國市政污泥產量將在2020年達到6000~9000萬噸。


  (一)直接摻燒

  當待處置污泥量較少或污泥含水率較低時,可直接將污泥送入原有制粉系統或爐膛內。尤其是對于循環流化床鍋爐而言,其獨特的燃料循環方式對于含水率較高的污泥摻燒十分有利。而對于煤粉鍋爐,則可分為輸煤系統摻入和燃料制備系統摻入兩種。當采用輸煤系統摻入時,一般無需對原有設備進行改造,此時的摻入成本最低,適用于含水率60%左右的污泥;當采用燃料制備系統摻入時,一般需要將污泥泵送至原有的磨煤機,適用于含水率80%左右的污泥,但受污泥輸送設備的限制,一般需在機組旁邊的空地建設污泥臨時儲存系統。

  (二)干化后摻燒

  就已有項目的運行經驗而言,當污泥含水率低于40%時,不易在原煤倉中發生板結現象。因此,當污泥處理量較大時,宜采用將其干化后進行摻燒的模式。污泥干化后的外觀形態與劣質褐煤較為相似,且具有較高的揮發分,運輸和燃燒特性均可得到極大改善。

  三、生活垃圾與燃煤機組耦合發電技術

  (一)生活垃圾來源及處置方式

  據國家統計局統計數據顯示,2013~2017年,我國生活垃圾處理能力及處理量不斷提升。2013年,我國生活垃圾無害化處理能力為49.23萬噸/日,擁有生活垃圾無害化處理廠765座。截至2017年,我國生活垃圾無害化處理能力達到67.99萬噸/日,擁有生活垃圾無害化處理廠1013座。


  我國生活垃圾無害化處理方式主要有3種:衛生填埋、垃圾堆肥和垃圾焚燒。2013年,全國城市生活垃圾無害化處理量為15394萬噸,2016年為19673.8萬噸,2017達到21034.2萬噸,其中衛生填埋量為12037.6萬噸,占比約為57%;焚燒量為8463.3萬噸,占比約為40%;其他無害化處理量占比僅為3%。以上數據說明,目前我國城市垃圾處理還是以衛生填埋為主。

  由于用地緊張和二次污染等問題的存在,衛生填埋在我國東部一些人口密度大且土地資源緊缺的發達省份已經遭遇瓶頸。與之相比,垃圾焚燒具有處理效率高、占地面積小、對環境影響相對較小等優點,更能滿足城市生活垃圾處理對減量化和無害化的要求,并且,焚燒處理還能利用焚燒產生的熱能,實現垃圾的資源化。這些優勢使得垃圾焚燒處理在近些年逐漸得到較為廣泛的應用與推廣。焚燒垃圾場的數量從2013年的166座增長到2017年的286座,焚燒垃圾處理量由2013年的4633.7萬噸增長到2017年的8463.3萬噸,焚燒處理率由2013年的30.1%上升到2017年的40.2%。


  (二)生活垃圾耦合發電技術

  生活垃圾耦合發電可分為直接摻燒和處理后摻燒兩種,目前主要有以下幾種技術路線:

  西安熱工院在華能岳陽電廠建設的固廢處理一體機項目

  目前該中試項目已完成生活垃圾預處理試驗,證明具有處理生活垃圾的能力。

  浙能北侖電廠66萬千瓦機組一般工業固廢氣化耦合發電

  一般工業固廢使用碎布、紙屑、木板、橡膠作為氣化原料,氣化燃料量為13.89噸/小時,產氣量為27224標準立方米/小時,燃氣熱值為6193千焦/立方米,氣化后的原料成為可燃氣體通過新增的燃氣燃燒器進入鍋爐。目前,該項目正處于可研階段。

  哈爾濱鍋爐廠垃圾耦合發電技術

  該技術充分結合了垃圾焚燒爐與大型燃煤機組的技術特點,采用雙鏈耦合。其中,蒸汽側耦合將垃圾焚燒爐產生的主蒸汽引入燃煤機組的熱力系統,將低能級的垃圾焚燒爐發熱量部分轉移到高能級的燃煤鍋爐發電,實現垃圾發熱量高效利用;煙氣側耦合將垃圾焚燒爐產生的尾部煙氣引入燃煤鍋爐,節約了垃圾焚燒爐煙氣凈化系統設備投入。可以將傳統垃圾焚燒發電機組效率從18%~25%提升至32%,實現垃圾無害化、減量化、資源化、低成本化的處置。目前尚無應用案例。

  華能清能院開發的垃圾耦合發電技術

  該技術的摻燒方式為直接進入原有流化床鍋爐燃燒系統,目前已在福建華電永安發電有限公司30萬千瓦循環流化床鍋爐得到應用。工程單臺爐固廢及生物質摻燒量最大可達20噸/小時(兩臺爐每天可處理600~700噸),年節約煤耗13.1萬噸。

  上海鍋爐廠垃圾氣化熔融耦合發電技術

  該技術首先使用蒸汽讓垃圾在干燥器里間接干燥,隨后在旋風富氧高溫焚燒床內進行氣化,氣化后的燃氣經降溫脫氯后進入鍋爐燃燒。氣化的殘渣經熔融后激冷外運。目前尚無成功的應用案例。

  
文:西安熱工院 王一坤 張廣才 柳宏剛   
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