沼氣與燃煤聯合循環發電方式

李建鋒，冷 杰，趙 明，柴曉軍，黃海濤

(1．中國電力企業聯合會，北京市100761;2．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽市110006;3．云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明市650217)

0 引 言

根據中國電力企業聯合會的統計資料，截止2013年底，我國單機容量6 MW 以上的燃煤火力發電機組裝機總容量為78 621 萬kW，占全國總裝機容量的63.03%;2013年全年6 MW 以上的燃煤火力發電機組發電量為39 474 億kW·h，占全國總發電量的73.82%。按照我國2013年平均供電煤耗321 g/(kW·h)估算，我國單機容量6 MW 以上火電機組消耗標煤總量高達12.67 億t，給我國的能源供應與環境保護帶來了極大的壓力。因此，降低燃煤消耗是目前發電行業所面臨的重要問題。

目前人們不斷采取各種技術措施來降低發電燃煤消耗，比如大力發展高參數大容量的火電燃煤機組［1-3］、研究開發新的降低廠用電技術［4-5］、充分利用發電機組的余熱等［6-7］。而大力發展新能源與可再生能源也是降低燃煤消耗的一個有效手段。在新能源與可再生能源中，因為我國擁有豐富的生物質資源，所以，高效開發利用生物質資源成為替代燃煤發電的一個重要方式。

生物質是指由植物、動物或微生物等生命體所合成，并可再生的或可循環的有機物質(不包括多年生的用材林)的總稱。通常把用作能量轉化的生物質分為三大類:農業廢棄物，所有與種植業和莊稼處理過程有關的廢棄物，如稻谷殼、秸稈和動物糞便等;木材殘余物，涵蓋所有來源于木材和木材產品的物質，材、木炭、廢棄木材和森林的殘余物等;城市垃圾，包括紙屑、紡織廢物、廢棄食物、城市污水等。我國的生物質資源以農林廢棄物為主。據統計，中國農作物秸稈資源總量6 億多t，每年的林業生物質總產量為8 億～10 億t，其中可作為能源利用的林業生物量為3 億t 以上，折合標準煤約2 億t［8］。

由于生物質資源本身的特性，給生物質的收集、運輸與儲存帶來了很大的困難。根據不同地區的運價水平，一般生物質運輸超過50 km 以上，其經濟競爭力將大幅下降，即使已經采用了壓縮成型技術。所以，各地在利用生物質進行發電的時候，要根據當地的資源以及電力需求的特點，因地制宜，采取合理的發電方式。

1 生物質主要發電方式

1.1 生物質直燃發電

生物質直燃發電是指生物質在鍋爐內通過直接燃燒的方式來產生高溫高壓的蒸汽，蒸汽驅動汽輪發電機進行發電的方式。根據燃燒過程中是否混有燃煤，又可以細分為純燃生物質發電和混燃生物質發電。

1.1.1 純燃生物質發電

作為純燃生物質發電的電廠，首先，由于生物質的密度較小，考慮到生物質的收集、儲存以及運輸等因素，裝機容量不可能太大，導致純燃生物質的機組效率較低;其次，對于純燃生物質的鍋爐而言，其對生物質的種類有一定的限制，而生物質資源中，秸稈資源是由農業生產特點所決定的，所以建成的純燒秸稈發電廠，不僅受限于秸稈的季節性，還受制于當地農產品市場的變化;第三，生物質純燃對生物質的含水量有較大的要求，所以濕度較大的生物質在電站運行中會受到較大限制;第四，生物質在燃燒過程中，除了鉀元素等部分營養物質之外，氮元素等有效物質基本上隨著煙氣排放而浪費;第五，由于建成的生物質電廠對生物質需求量較大，所以往往面臨原材料漲價的問題，給電廠經營帶來困難;最后，純燃生物質的鍋爐因為面臨較嚴重的堿金屬腐蝕，所以受熱面更換頻繁，給電廠帶來較大的額外維護費用。

但是因為有國家較大力度的電價補貼，所以我國目前純燃生物質項目較多。截止2011年底，我國生物質發電的裝機總容量已經高達559 萬kW，總發電量為233 億kW·h。

1.1.2 混燃生物質發電

生物質混燃發電一定程度上可以解決純燃生物質發電所面臨的問題:(1)生物質通過在大機組中燃燒發電可以獲得更高的發電效率;(2)對生物質資源量限制不大，摻燒量可以根據當地生物質資源的豐富程度以及價格靈活掌握;(3)生物質粉碎以后，對其種類選擇性不強;(4)由于燃煤煙氣中含有SOx、NOx等酸性物質，鍋爐受熱面所面臨的堿金屬腐蝕問題大大減輕，同時由于生物質中含硫量較低，所以可以降低煙氣中的SOx濃度［9］;(5)如果采用循環流化床鍋爐機組進行摻燒，鍋爐設備幾乎無須任何改造。在國外，尤其是歐洲，生物質混燃發電方式是較為普遍的一種利用方式［10］。但是，與純燃生物質方式相比，唯一的問題就是生物質燃燒后的灰分因為和燃煤灰分混在一起，無法作為肥料進行利用。

在我國，由于目前沒有明確的政策支持，所以除了個別電廠或作為科研項目之外［9，11-12］，很少有長期運行的生物質混燃發電機組。

1.2 生物質氣化發電

生物質氣化發電是指通過熱化學的方法或生物分解的方式將生物質轉化為氣態燃料，然后利用氣態燃料進行發電。

1.2.1 熱化學氣化發電

熱化學氣化的工藝方案一般由原料處理裝置、燃氣發生裝置、燃氣凈化裝置、電控系統及廢水處理設備等6 部分組成。為提高能源利用率，還可增加余熱鍋爐，實現燃氣－蒸汽(熱水)聯合工藝。氣化后的灰渣仍然可以作為農作物肥料使用。

理論上，氣化氣經過凈化以后，可以采用聯合動力循環的方式發電，這樣發電效率較高，但是在實際生產過程中，為節省成本，氣化過程一般用空氣作為氣化介質，所以氣化氣的熱值不高，往往只能作為電站鍋爐燃料進行發電，大大限制了該種方式的應用。

1.2.2 沼氣化發電

將生物質沼氣化進行發電是目前最適合生物質能開發利用與生態環境保護協調發展的一種方式［13］。該種發電方式由于主要采用內燃機或燃氣輪機進行發電，裝機規模幾乎與發電效率沒有關聯性，完全可以根據當地生物質資源量的大小靈活選擇。此外，生物質發酵后的沼渣是一種很好的有機肥料，在化肥大行其道的今天，大力提倡使用有機肥對于提高農作物的品質，保障人們身體健康有著重要的現實意義［14］。

同時，在生物質發酵工藝中，除了林業廢棄物以外，對絕大多數的農業廢棄物都是適用的，而且對于發酵原材料的含水量沒有要求，蔬菜殘余物等均可以得到較好的利用，不僅有效緩解了生物質資源的季節性限制，更是大大改善了蔬菜生產區的環境衛生，同時也解決了農村的生活垃圾問題。

采用沼氣發電在垃圾、糞便處理上已經有大量成功的案例。經過多年的發展，我國大型沼氣池技術已經成熟，并已經得到了迅速的推廣［14］。但到目前為止，我國大型沼氣池基本都用于養殖場或者工業生產廢棄物的處理，由于原材料含水量的限制，多采用中溫發酵方式，產氣速度與發酵效率不是很高。

利用已經成熟的大型沼氣池技術，采用高溫發酵生產沼氣，然后通過內燃機組、余熱鍋爐以及汽輪機組等設備聯合循環發電，同時沼渣生產有機肥的生物質利用技術路線，盡管相比單純的內燃機發電效率有所提高，但還有進一步提升的空間，而且該種方式所面臨的最大問題是系統較為復雜，所以投資較高［13］。

2 沼氣與燃煤聯合循環發電

為了進一步提高沼氣發電的效率，降低其投資造價，采用沼氣與現有燃煤電站聯合循環發電的方式可能是更好的選擇，該種發電方式系統見圖1。

圖1 沼氣與燃煤聯合循環發電示意圖Fig.1 Schematic plan of methane and coal-fired combined cycle power generation

在該系統中，生物質經過簡單粉碎以及預處理后進入沼氣池進行高溫發酵，發酵產生的沼氣采用聯合循環的方式進行發電。首先利用沼氣發動機去發電，然后將沼氣發動機排出的高溫煙氣送入鍋爐的爐膛，作為鍋爐的二次風。如果鍋爐為循環流化床鍋爐，還可以作為鍋爐的流化風使用，以降低鍋爐本身風機的電耗。汽輪機的排汽余熱可以加熱沼氣池，以維持沼氣的高溫狀態。沼氣池發酵過程中所產生的大量沼渣經過簡單處理后作為有機肥就地銷售給當地的農民，促進當地農業的發展。

對于該系統，因為沼氣發動機的煙氣直接排入鍋爐爐膛，所以會導致鍋爐空預器煙氣流量增加，此時，如果不對空預器進行改造，一定程度上會改變鍋爐的排煙溫度。圖2 給出了鍋爐空預器的熱平衡圖，圖2(a)為鍋爐原來空預器的熱平衡圖，圖2(b)為增加了煙氣流量后的空預器熱平衡圖。

圖2 空預器熱平衡示意圖Fig.2 Schematic plan of heat balance of air pre-heater

在圖2(a)中，不考慮空預器的散熱與漏風，根據熱平衡有:

式中:m·a為鍋爐空氣質量流量;ca為空氣比熱;t 為鍋爐原來的熱風溫度;t0為環境空氣溫度;m·g為鍋爐煙氣質量流量;cg為煙氣比熱;tgi為空預器進口煙氣溫度;tgo為鍋爐原排煙溫度;k 為空預器總換熱系數;A為空預器總換熱面積;Δt 為空預器原來的對數換熱溫差。

在圖2(b)中，如果不改造鍋爐空預器，并假設空預器的換熱系數不變，根據熱平衡有:

式中:t'為煙氣流量增加后的熱風溫度;m·f為沼氣發動機的煙氣流量;Δt'為煙氣流量增加后的換熱溫差;tb為煙氣流量增加后的排煙溫度。

因此，可以根據式(1)和式(3)計算出在不改造空氣預熱器的情況下，煙氣流量增加后空預器的熱風溫度和排煙溫度。

如果不改造空氣預熱器，增加煙氣流量后勢必會增加排煙溫度，這會造成一部分熱量沒有得到有效利用。因此假定沼氣發動機的效率為ηf，發動機的排氣溫度為tf，鍋爐機組的發電效率為ηb，那么沼氣的發電總效率為

式中:Q 為沼氣的低位發熱量;m·為沼氣質量流量。

如果沼氣發動機煙氣流量較大，為了保持鍋爐的排煙溫度不變，對空氣預熱器進行改造后的沼氣發電總效率為

因為沼氣發動機的過量空氣系數一般較大，所以排氣中還含有較多的氧氣，可以作為鍋爐的一次風或二次風，從而減少風機的部分電耗。但是因為排氣背壓對沼氣發動機的功率還有一定的影響，所以準確的計算比較復雜，因此為了計算過程的簡單，在本文中并不計算這部分節省的電量。

3 系統性能計算

3.1 系統參數選擇

目前我國火力發電機組的主流單機容量逐漸從300 MW 向600 MW 過渡，所以在本文中，以某600 MW機組為例，對沼氣發動機與燃煤機組聯合循環發電效率進行計算。

表1 給出了某600 MW 機組的部分性能指標參數［15］。一般火電機組的管道效率取99%，所以根據表1 中的參數可以計算出火電機組的發電效率為42.94%。

表1 某600 MW 火電機組部分性能參數Tab.1 Part performance parameters of a 600 MW thermal power unit

對于沼氣發動機而言，目前有2 種類型可供選擇，即燃氣輪機和內燃機。表2 給出了國產某型內燃機與進口某型燃氣輪機的部分性能指標。

由表2 可知，內燃機價格較便宜，維護方便，而且單機容量小，因此可以根據當地的生物質資源總量靈活選擇沼氣發電機的總裝機容量。但是因為活塞缸需要冷卻，所以冷卻水所帶走的熱量幾乎可以占到總輸入熱量的1/3，而這部分熱量因為溫度較低，幾乎沒有利用價值，所以其排氣中所含的熱量較少，對系統效率會有一定的影響，所以后面的討論以燃氣輪機為主。

表2 內燃機與燃氣輪機發電機組參數比較Tab.2 Parameters comparison between internal combustion engine and gas turbine

燃氣輪機的小時耗氣量為3 238 Nm3/h，在中高溫發酵條件下，根據歐洲大型沼氣站的運行經驗，大型工業化沼氣池的產氣速度最高可以達到2.5 Nm3/(m3·d)，年平均可以達到1.5 Nm3/(m3·d)左右。如果以產氣速度為1.5 Nm3/(m3·d)來計算，需要沼氣池總容積為51 808 m3，為保險起見，沼氣池總容積取60 000 m3。

以小麥秸稈為例，在充分發酵條件下，即保證足夠長的發酵停留時間，那么每t 小麥秸稈(干)可生產60%甲烷含量的沼氣432 Nm3［16］，所以每天需要的干秸稈量為179.89 t;按照實際工程中80%的發酵效率來估算，每天需要秸稈量為224.86 t，年消耗秸稈量為8.2 萬t。

3.2 沼氣發電效率計算

以表2 中單臺燃氣輪機對表1 中單臺火電機組為例，計算結果見表3。

表3 沼氣發電效率Tab.3 Methane power generation efficiency

從表3 中可以看出，如果不改造空預器，鍋爐排煙溫度將增加6.02 ℃，這樣盡管不會影響燃煤機組的發電效率，但是會對燃氣輪機的余熱利用產生較大的影響。而如果對空預器進行適當的改造，即增加空預器13.37%的換熱面積，可以使得沼氣總發電效率提高至51.37%，大大提高了沼氣的利用效率，提高幅度接近10%。因為生物質在發酵的過程中，并不能完全轉化為沼氣，一般而言，發酵過程的能量轉換效率為50% ～60%。

4 幾種生物質發電方式的比較

表4 給出了幾種生物質發電方式的綜合比較。表4 給出的單位投資成本中，混燃發電與化學氣化發電的投資成本均按照輸入鍋爐的熱負荷計算的，而其他投資成本則按照發電功率來計算。

從表4 中可以看出，除了純燃發電，其余發電方式對裝機容量大小都沒有要求，完全可以根據當地的生物質資源來靈活選擇。

表4 幾種生物質發電方式比較Tab.4 Comparison of several biomass power generation methods

就能量利用效率來看，采用在大型火力發電機組中混燃生物質的方式是最高的，投資成本也相對較低。對煤粉鍋爐而言，主要的投資為制粉系統、輸送系統、燃燒器的改造以及燃料儲存倉庫改造等。但如果采用循環流化床鍋爐機組混燃方式，那么鍋爐本身幾乎無須作任何改造，投資成本可以忽略不計［1，3］。

采用化學氣化的方式產生氣化氣，然后利用氣化氣作為鍋爐機組的燃料，發電效率也比較高，而且鍋爐本身改動方式也較小，不過因為受氣化爐效率影響，其能量利用效率低于直接混燃發電方式。采用沼氣與燃煤電站聯合循環發電的方式盡管總體能量利用效率比混燃方式和化學氣化發電方式的低，但因為在發酵過程中所產生的沼渣可以用來生產有機肥，所以，就生態環境保護而言，與沼氣化發電相同，二者都是比較好的方式。

在電價補貼方面，沼氣與燃煤電站中燃氣輪機所產生的電量無疑可以享受國家的補貼電價，大大增加了電廠的經濟效益。混燃發電因為無法提供準確的生物質摻燒量而無法得到國家的補貼電價，這也是混燃發電盡管高效卻無法得到大力推廣的最主要的原因。對于化學氣化發電，理論上可以計量氣化氣的流量，分析氣化氣的熱值，從而推算出鍋爐機組的發電量中生物質電量的比例，從而享受補貼電價。但是，燃煤同樣可以氣化，所以仍需要證明燃氣完全是由生物質氣化所產生的。

對于沼氣與燃煤電廠聯合循環發電以及化學氣化發電這2 種發電方式而言，還有一個優勢就是在一些電廠中，因為點火和助燃需要消耗大量的燃油，而如果燃煤電廠配套了沼氣池或者氣化爐，那么完全可以使用沼氣或秸稈的氣化氣進行點火或助燃，為電廠節省大量的燃油成本。表5 為中國電力企業聯合會統計的部分耗油較多的電廠。

表5 2012年部分600 MW 電廠油耗指標Tab.5 Oil consumption of some 600 MW power plants in 2012 t

由表5 可知，這些電廠如果能夠采用生物質氣化氣或者沼氣進行點火和助燃，每年節省的燃油成本或超千萬元。

5 結 語

大力發展生物質發電對緩解我國電力供應安全與環境保護的雙重壓力具有重要的作用。同時生物質資源的開發利用可以帶動秸稈收集、加工、運輸等相關產業的發展，為當地農民提供較多的就業機會，增加當地農民收入，改善當地農村生活條件和大氣環境，有力促進當地新農村的建設步伐。

沼氣與燃煤聯合循環發電的方式與純燃發電相比較，其發電效率較高，同時能夠生產優質有機肥;與混燃發電相比，其能夠享受國家的高額電價補貼;而且還可以利用沼氣替代火電機組的點火以及助燃用油，所以綜合優勢明顯。

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