生物質(zhì)摻燒方案在火電企業(yè)中的應(yīng)用研究及效益分析

高志宏，高圣溥，王宇宏，高建科，李亞飛

（1.洛陽龍羽宜電有限公司，河南 洛陽471600；2.洛陽供電公司，河南 洛陽471009；3.合肥工業(yè)大學(xué)信息工程系，安徽 宣城242000；4.偃師市供電有限公司，河南 偃師471900）

1 引言

我國發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》提出，力爭到2020年使可再生能源消費(fèi)量達(dá)到15%。可見，生物質(zhì)能源的投入正在不斷加碼。有關(guān)專家呼吁：“應(yīng)盡快明確生物能源在三農(nóng)和能源問題中的戰(zhàn)略作用，客觀、科學(xué)、實(shí)事求是地將生物能源擺在合適地位。”

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國秸稈產(chǎn)量每年近7億t左右，其中近4.5億t用于能源，相當(dāng)于7個(gè)神東煤田，具有替代2.4億t標(biāo)煤和減排5.8億tCO2的能力。秸稈技術(shù)的利用既 可以造福農(nóng)民，也可以給國家解決問題，發(fā)展前景廣闊。

洛陽龍羽宜電有限公司是一家中外合資發(fā)電企業(yè)，裝機(jī)容量為2×55MW，有2臺(tái)260t/h循環(huán)流化床鍋爐，近年來煤炭價(jià)格持續(xù)上漲，節(jié)能減排壓力很大，為解決目前困境，公司決定采用生物質(zhì)摻燒技術(shù)，降低發(fā)電煤成本。

2 生物質(zhì)特性

生物質(zhì)是指由植物、動(dòng)物或微生物等生命體所合成，并可再生的或可循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)（不包括多年生的用材林）的總稱。通常把用作能量轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)分為3大類：①農(nóng)業(yè)廢棄物，所有與種植業(yè)和莊稼處理過程中有關(guān)的廢棄物，如稻谷殼、秸稈和動(dòng)物糞便等；②木材殘余物，涵蓋所有來源于木材和木材產(chǎn)品的物質(zhì)，木炭、廢棄木材和森林的殘余物等；③城市垃圾，包括紙屑、紡織廢物、廢棄食物、城市污水等。

生物質(zhì)是植物通過光合作用合成的，植物的光合作用是燃燒反應(yīng)的逆過程。而燃燒反應(yīng)是人類獲取和使用能源的主要方式，這兩個(gè)過程能相互匹配，形成完整循環(huán)。其中，生物質(zhì)資源有兩個(gè)突出的作用：對(duì)溫室氣體的減排作用；生物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)作用。

2.1 生物質(zhì)與礦物質(zhì)燃燒比較

比較生物質(zhì)利用技術(shù)和化石燃料利用過程的CO2、SO2排放量，結(jié)果表明，只要采用高效合理的利用方式，生物質(zhì)總體利用過程中SO2、CO2的排放比化石燃料小90%左右。

生物質(zhì)與礦物燃料相比，它的揮發(fā)組分高，炭活性高，含硫量和灰分都比煤低，生物質(zhì)利用過程中SO2、NOX的排放較少，造成空氣污染和酸雨現(xiàn)象會(huì)明顯降低。生物質(zhì)代替化石燃料，一方面減少了化石燃料的供應(yīng)量，另一方面可以減少CO2、SO2、NOX等污染物排放，是減少SO2、CO2排放的有效措施之一。

2.2 生物質(zhì)發(fā)電利用方式

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，能源消耗需求增長明顯，煤炭供求關(guān)系緊張，煤炭價(jià)格飛升，影響了部分燃煤火力電廠的經(jīng)營狀況。

由于生物質(zhì)熱值低、密度小，為燃料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存帶來不便。生物質(zhì)中堿金屬含量較高、灰熔點(diǎn)低，若單純以生物質(zhì)作為燃料，在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，將會(huì)在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生腐蝕、燒結(jié)等問題，影響設(shè)備的可靠性、安全性，以及電站的經(jīng)濟(jì)性。

將生物質(zhì)與煤混合燃燒是一種解決上述問題的有效途徑。將混合燃料加入現(xiàn)有燃煤鍋爐，許多現(xiàn)存設(shè)備不需太大的改動(dòng)，總投資費(fèi)用低。循環(huán)流化床鍋爐的燃料適應(yīng)性廣，能適應(yīng)生物質(zhì)的特點(diǎn)，燃燒系統(tǒng)能適應(yīng)不同的混合燃料，設(shè)備基本不需改造。

2.3 生物質(zhì)與原煤成分比較

為配合生產(chǎn)運(yùn)行，對(duì)生物質(zhì)秸稈與原煤進(jìn)行了化驗(yàn)分析比較，化驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 生物質(zhì)與原煤成分比較

3 生物質(zhì)加工

生物質(zhì)的加工，目前采用的方法是，用鍘草機(jī)將秸稈切割破碎。然后用秸桿生物質(zhì)燃料成型機(jī)進(jìn)行擠壓。

擠壓機(jī)包括粉碎、輸送、成型設(shè)備，產(chǎn)能一般在500～1000kg/h，適用范圍有：木屑、玉米桿、豆桿、柿桿、煙桿、麥秸稈等。秸稈燃料密度（g/cm3）：＞0.8。

3.1 成本費(fèi)用分析

設(shè)備（鍘草機(jī)、擠壓機(jī)）投資在15萬元左右。各項(xiàng)成本費(fèi)用（原料費(fèi)用、管理費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用、生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用等）合計(jì)約為230元/t左右。

發(fā)熱量按3500kCal計(jì)算，到場接收煤價(jià)為：315元/t，稅后價(jià)269元/t，差額為39元。

3.2 秸稈成品收集

根據(jù)耕地分布情況，集中分區(qū)設(shè)立秸稈加工廠比較合適，電廠只購買加工好的成品顆粒。生產(chǎn)模式可按以下方式，見圖1、圖2、圖3。

圖1 電廠運(yùn)營秸稈示意

圖2 粉碎后擬擠壓的秸稈

圖3 加工成型的塊狀生物質(zhì)

生物質(zhì)秸稈的收購，一方面須由當(dāng)?shù)卣浜希谵r(nóng)村下發(fā)禁止露天焚燒秸稈文件；秸稈生產(chǎn)收集方式可以由收購點(diǎn)或加工點(diǎn)與每個(gè)農(nóng)戶簽署收購協(xié)議，規(guī)定秸稈的收購量與收購價(jià)格，也可由村民自行將秸稈送至就近的收購點(diǎn)或加工點(diǎn)。

4 生物質(zhì)摻攪與傳輸

生物質(zhì)的摻燒，要嚴(yán)格遵守現(xiàn)場安全操作規(guī)程，嚴(yán)防設(shè)備損壞和人身傷害事故。秸稈入爐前要取樣及分析，掌握熱量情況（圖4、圖5）。

圖4 煤場堆放的秸稈

圖5 成型生物質(zhì)與煤在煤場直接混合

由于生物質(zhì)顆粒偏大，整體片松散，熱值低、密度小，使燃料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸難度增加（圖6）。

圖6 生物質(zhì)與煤混合后向爐前煤倉輸送

輸煤系統(tǒng)的改進(jìn)：輸煤系統(tǒng)不用做太大的改進(jìn)，只需對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站粗碎機(jī)下部再改造，加入旁路皮帶，然后把生物質(zhì)原料輸送至下一段皮帶即可（圖7）。

圖7 生物質(zhì)摻燒的輸煤系統(tǒng)旁路

5 生物質(zhì)入爐及燃燒特性

龍羽宜電鍋爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量260t/h。生物質(zhì)燃燒時(shí)顆粒揮發(fā)份高，燃燒時(shí)間短，灰熔點(diǎn)低，若單純以生物質(zhì)作為燃料，在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，將會(huì)在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生腐蝕、燒結(jié)等問題，運(yùn)行中需注意控制工況。

生物質(zhì)與煤混合燃燒是一種解決上述問題的有效途徑。由于循環(huán)流化床鍋爐的燃料適應(yīng)性廣，能適應(yīng)不同的混合燃料，將混合燃料加入循環(huán)流化床燃煤鍋爐，設(shè)備基本不需改造。

利用循環(huán)流化床燃燒可調(diào)節(jié)性大和燃料適應(yīng)性廣，將秸稈與煤混合燃燒，現(xiàn)有設(shè)備不需太大的改動(dòng)，就能適應(yīng)于秸稈的多樣性。從技術(shù)的角度來看，采用原生秸稈和壓縮成型秸稈，在循環(huán)流化床鍋爐中，與煤混合燃燒，是秸稈燃燒發(fā)電的可行出路。

實(shí)驗(yàn)室研究表明，秸稈的燃燒特性普遍比較好。秸稈燃燒主要集中于燃燒前期，而煤燃燒主要集中于燃燒后期。摻混秸稈可以改善煤的著火性能，可獲得更好的燃盡特性。在CFB熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)不同比例的摻混成型秸稈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明秸稈的燃燒特性比較好，1050℃時(shí)未發(fā)生結(jié)焦，只要秸稈的摻燒量不超過20%，混合燃料的燃燒特性就比較接近煤的燃燒特性。無煙煤中摻混10%～20%的成型秸稈，混合燃料的燃燒特性接近于煙煤。摻混10%～20%的成型秸稈的混合燃料，SO2和NOX排放可以控制在要求范圍內(nèi)。在目前的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備中，不經(jīng)過改動(dòng)，直接在煤中摻混10%～20%的成型秸稈，在技術(shù)上可行。

在循環(huán)流化床鍋爐上，對(duì)摻燒秸稈比例分別為0%、10%、15%、20%和30%五種條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，目前的循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備中，不經(jīng)過改動(dòng)，直接在煤中摻混10%～30%的成型秸稈，在技術(shù)上是完全可行的；摻燒秸稈有助于降低循環(huán)流化床鍋爐的飛灰與低渣含碳量，從而有助于提高鍋爐效率，見圖8。成型秸稈與煤混燃的污染物的排放水平可以滿足目前的國家標(biāo)準(zhǔn)（圖8）。

圖8 生物質(zhì)摻燒比例增加提高了鍋爐效率

6 生物質(zhì)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益比對(duì)分析

在秸稈收購、摻燒過程中，受益方包括電廠、秸稈收購點(diǎn)、加工點(diǎn)、農(nóng)民以及地方政府。下面逐一分析收益，首先確定效益計(jì)算方法。

6.1 摻燒農(nóng)作物秸稈總體效益計(jì)算方法

對(duì)于電廠來說，摻燒秸稈生物質(zhì)一方面替代了燃煤；另一方面也帶來了CO2減排份額交易的收益。以農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)為例。計(jì)算收益如下：

利用生物質(zhì)秸稈替代燃煤每發(fā)106kW·h電，須燃用生物質(zhì)m1為。

m1＝106×供電標(biāo)煤耗×燃煤標(biāo)準(zhǔn)熱值/秸稈熱值。

節(jié)省燃煤m2為：m2＝106×供電標(biāo)煤耗×燃煤標(biāo)準(zhǔn)熱值/燃煤熱值。

由此可以計(jì)算出項(xiàng)目的總收益Q：

Q＝CO2減排量×CO2排放權(quán)價(jià)格＋m2×燃煤價(jià)格－m1×秸稈價(jià)格。

上式中CO2減排量可以從專用的數(shù)據(jù)庫中查出。由上面得式子也可以推算出電廠所能承受的秸稈價(jià)格的最高限。如果公司要想從摻燒過程中受益，那么必須Q＞0，也就是說：秸稈價(jià)格＜（CO2減排量×CO2排放權(quán)價(jià)格＋m2×燃煤價(jià)格）/m1。

6.2 摻燒總效益分析

目前電廠燃用標(biāo)煤價(jià)格為700元/t，而農(nóng)作物秸稈發(fā)熱量約為3200kCal，價(jià)格待定。目前我公司55MW純凝CFB鍋爐發(fā)電機(jī)組平均供電標(biāo)煤耗約為390g/kW·h；電廠地處華中電網(wǎng)，CO2排放折合系數(shù)為1.03/1000tCO2/kW·h，CO2價(jià)格按照最低限約為70元/t。那么，秸稈每發(fā)1兆度電所帶來的CO2減排量為：

106×1.03/1000＝1030t；

m1＝390×7000/3200＝853t；

m2＝390×7000/7000＝390t

Q＝1030×70＋390×700－853×秸稈價(jià)格＝345100－853×秸稈價(jià)格

如果Q＞0，即秸稈價(jià)格＜405元/t。

也就是說，此項(xiàng)目要有收益，那么農(nóng)作物秸稈的價(jià)格不能高于405元/t。而這個(gè)價(jià)格目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過農(nóng)作物秸稈的市場價(jià)格。

以一臺(tái)1t/h產(chǎn)量的秸稈壓縮機(jī)以及配套設(shè)備總投資約15萬元左右計(jì)算。秸稈壓縮成本約在100元/t，這其中包含了設(shè)備維修、折舊、人工費(fèi)用以及電費(fèi)等各項(xiàng)費(fèi)用。

假定設(shè)備每年工作300d，每天工作8h，那么每臺(tái)設(shè)備一年的秸稈壓縮量為300×8＝2400t。由于每噸秸稈的壓縮成本在100元/t，如果再加上平均50元/t的運(yùn)輸費(fèi)用，那么摻燒秸稈總的利潤為405－100－50＝255元/t。

電廠、秸稈收購/加工點(diǎn)以及農(nóng)戶將共同分享這255元。實(shí)際上，這個(gè)計(jì)算對(duì)電廠來說是趨于保守的，因?yàn)殡姀S周圍很近范圍內(nèi)的秸稈是可以直接送進(jìn)電廠里面的，這部分秸稈的價(jià)格僅相當(dāng)于收購/加工點(diǎn)的進(jìn)價(jià)。如果電廠周圍加工點(diǎn)建得足夠多，那么競爭的結(jié)果將會(huì)擠壓加工點(diǎn)的利潤空間。

假如電廠每年摻燒秸稈10萬t，按2t秸稈產(chǎn)生的熱能相當(dāng)于1t4800大卡煤炭產(chǎn)生的熱能估算，摻燒秸稈后所獲收益將在500萬元以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)單位面積農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量平均值為400t/km2，且僅以電廠周圍30km范圍內(nèi)產(chǎn)農(nóng)作物秸稈的20%來計(jì)算，可供電廠摻燒的秸稈資源量為3.14×302×400×0.2＝22.6萬t/年。豐富的秸稈生物質(zhì)資源不會(huì)使其價(jià)格暴漲，摻燒效益顯著。

6.3 地方政府受益分析

地方政府除了一些稅收之外受益主要體現(xiàn)在：秸稈露天焚燒的減少，使地方政府在禁燒方面的投入大大降低。秸稈的使用，降低了環(huán)境污染，取得了較大的社會(huì)效益；增加老百姓的收入，增加了群眾的就業(yè)。

7 結(jié)語

上述分析表明，農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)替代煤炭，在循環(huán)流化床鍋爐上摻燒，技術(shù)上可行。循環(huán)流化床鍋爐具有良好的摻燒優(yōu)勢，鍋爐設(shè)備幾乎不需要任何改造，前期投入較少，而且摻燒還有利于提高鍋爐效率。通過對(duì)公司燃煤現(xiàn)狀進(jìn)行分析，電廠若每年摻燒10萬t農(nóng)作物秸稈，潛在的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)500萬元以上，這有利于緩解目前燃煤供應(yīng)緊張的局面。如果將生物質(zhì)摻燒和CDM項(xiàng)目聯(lián)系起來，就會(huì)給摻燒生物質(zhì)的電廠帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

秸稈的收購減輕了城鄉(xiāng)生活垃圾堆放壓力，增加了農(nóng)民收入，減少了SO2排放，降低了企業(yè)發(fā)電成本，也降低了露天焚燒過程所帶來的環(huán)境污染，減少了火災(zāi)的發(fā)生。是一項(xiàng)能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，利國、利民、利企業(yè)發(fā)展的好事情。

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