大型火電耦合生物質氣化發電技術方案分析

2017-07-08 09:10:59倪浩吳國強

科技創新與應用 2017年19期

倪浩+吳國強

摘要：文章針對大型火電耦合生物質氣化系統，依靠數據說明生物質氣化耦合發電技術在技術和經濟上是可行的，為生物質氣化耦合燃煤鍋爐發電的推廣應用提供一定的參考價值。

關鍵詞：大型火電；生物質氣化；耦合發電

中圖分類號：TM611 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0037-02

引言

生物質能是綠色植物通過光合作用，將太陽能轉化為化學能貯存于生物質內部的能量，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質能幾乎不含硫、含氮很少，碳通過光合作用，近排放量幾乎為零，因此是一種清潔可再生能源。回收生物質能，不僅能夠提高農村經濟收入，同時減少二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和粉塵的排放，有利于保護生態環境和經濟可持續發展。大型火電耦合生物質氣化發電技術就是一種能源高效清潔利用的方法。

1 技術方案

本文以600MW燃煤鍋爐耦合1×30MW生物質氣化發電為例進行分析，該電廠采用最新高效發電技術和高效靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、爐內低氮燃燒+SCR煙氣脫硝等污染物脫除設備，并利用生物質氣化后的合成氣送入燃煤鍋爐進行再燃，還原主燃區產生的NOx[1]，降低SCR煙氣脫硝負荷，將污染物的排放控制在的排放標準以下。

生物質氣化采用循環流化床氣化技術，氣化介質和生物質通過熱化學反應生成CO、H2及少量碳氫化合物可燃氣。此生物質氣化裝置將產生的可燃氣作為燃料送入燃煤鍋爐與煤粉一起燃燒發電。

相比傳統的生物質直燃電廠[2，3]，工藝流程短，無需再配備汽輪機、發電機、電網輸出以及煙氣凈化等系統，投資少，占地面積小，配置工作人員少，而且生物質氣化綜合發電效率達30%以上，生物質燃料可節省25～30%；同時生物質直燃存在嚴重的堿金屬腐蝕及鍋爐結焦的問題，對于發電系統的連續運行是極為不利，生物質中堿金屬的存在，還會引起NOX催化劑控制設備老化或失效；燃燒方式通用性較好，對原燃煤系統影響較小。

相比常壓、空氣氣化耦合發電方案，加壓、富氧耦合發電技術投資略高，但加壓富氧氣化可以更大規模、更靈活處理生物質，對原料的適應性也更加廣泛，氣化效率、燃氣品質有較大提高[4]，對鍋爐的安全性更加有利，同時占地面積小；另外加壓富氧氣化省去了常壓氣化中的高溫燃氣引風機，同時燃氣管徑較小，消除了生產運行中一個重大的安全隱患。

工藝路線主要為：經過處理且滿足粒度要求的生物質燃料，送入加壓裝置加壓后的生物質，通過螺旋輸送機送入氣化爐，在一定溫度下，氣化爐內生物質在氣化介質的作用下氣化生成可燃氣，再經過旋風除塵送入余熱鍋爐，可燃氣降溫計量后，熱可燃氣直接送入燃煤鍋爐上改造增加的生物質燃氣噴口再燃，利用原有發電系統實現高效發電。整個裝置主要分為生物質貯存、進料、生物質氣化、可燃氣除塵、熱回收及燃氣燃燒。工藝流程圖見圖1。

2 制氣系統

2.1 生物質的貯存系統

生物質貯存倉庫收到的生物質原料，經過稱重和取樣分析水分和熱值后存儲，生產過程中通過裝載機和抓斗等轉運裝置將生物質送進振動篩，過濾掉不合格的生物質料，再通過螺旋輸送機和輸送皮帶將合格的生物質送到生物質加壓進料系統的常壓料倉。

2.2 加壓進料

常壓料倉存放的生物質料，通過進料裝置和閥門進入并裝滿鎖斗，然后控制系統用氮氣對鎖斗充壓到0.1～0.3MPa時，生物質燃料再通過下料閥和下料裝置進入加壓給料倉，在加壓給料倉的底部裝有螺旋輸送機，生物質料由螺旋輸送機不斷送入生物質氣化爐。生物質鎖斗在卸完料后，鎖斗將恢復到常壓狀態，重新進料和充壓，進行下一次循環物料的輸送。

2.3 生物質氣化及氣體凈化

氣化爐是整個氣化系統的主要設備[2]，采用流化床作為氣化爐的爐型，加壓給料倉輸送過來的生物質從氣化爐的中下部進入爐膛反應區；在氣化爐的底部，空氣和氧作為氣化劑送入爐膛，在爐膛內生物質、空氣和氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態；同時，在氣化溫度為700～980℃，氣化壓力為0.1～0.3Mpa的條件下，以及在高溫床料有效的傳熱和傳質的作用，加速氣化反應速度，最終生成成分為CO、H2、CO2、CH4、H2O、N2及少量焦油的高溫可燃氣。

生物質原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會產生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統；另一部分灰渣則可通過下游旋風分離器從可燃氣中分離出來，灰渣從旋風分離器底部排出，送到貯存系統。可燃氣則從旋風分離器的頂部出來，進入下游的余熱鍋爐。

2.4 熱量回收

進入余熱鍋爐可燃氣的溫度約為900℃，因溫度高，燃氣單位體積密度小，為了減小燃氣輸送設備的體積和材質等級，同時還要保證可燃氣中的焦油不冷凝，高溫可燃氣經過余熱鍋爐釋放熱量降溫到400℃左右，同時也根據鍋爐運行參數，自行控制溫降，余熱鍋爐產生的低壓水蒸汽并入電廠管網系統。

2.5 可燃氣的輸送和燃燒

經過除塵和余熱鍋爐的可燃氣，氣體流量約為5×104Nm3/h，溫度約為400℃，壓力約為0.2MPa。可燃氣經過在線成分分析，根據輸入鍋爐的熱量計算可燃氣的流量，將特定量的可燃氣再送到燃煤鍋爐前獨立的燃氣燃燒器進入鍋爐再燃發電。在事故情況下，可燃氣有獨立的緊急排放和切斷系統，氣化爐的安全保護系統將啟動緊急停車，將氣化系統與燃煤鍋爐切斷隔離，可燃氣將引至安全區域處理，同時啟動氮氣置換的保護程序，煤氣放散裝置設有點火裝置及氮氣滅火設施。

2.6 經濟效益和污染物排放

（1）按大型火電耦合生物質氣后，年發電量不變的情況

下，每年可以節省約7.5萬噸標煤；可分別削減SO2排放約29.48t/a、煙塵排放約14.18t/a及NOx排放約63.77t/a；從溫室氣體減排角度，可削減CO2排放約12.33萬t/a。

（2）按大型火電耦合生物質氣后，年發電量不變的情況

下，生物質氣發電量約為18萬MWh，按照電價0.75元/KWh，則生物質氣發電每年收入約13500萬元。

（3）一臺生物質氣化爐系統設備的總投資約為1.9億元，基本收益率按7.0%，年運行費用考慮廠用電和生物質原料費用約6000萬元。

（4）年費用的計算如下，計算公式為[5]：

A-年費用；P-初投資；R-年運行維護費；I-基準收益率取7.0%；n-經濟生產年按20年計算

R=6000萬，P=19000萬，經計算大約需要5年回收成本。可見在爭取到生物質標桿電價0.75元/KWh的條件下，采用大型火電耦合生物質氣化發電技術的經濟效益很好。

3 結束語

隨著環保要求的不斷嚴格，生物質能的利用，不僅優化了能源結構，提高當地經濟收入，還可有效降低污染物的排放，滿足日益嚴格的排放標準，通過分析大型火電耦合生物質氣化發電，無論在技術上、處理規模和投資性價比都具有顯著的優勢，因此生物質氣化耦合發電是理想的發展方向。

參考文獻：