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        生物質摻燒發(fā)電存在問題及探討

        2017-09-04 09:15:16周國忠
        科技視界 2017年9期
        關鍵詞:生物質發(fā)電

        周國忠

        【摘 要】近年來,國家對碳減排的要求不斷加強,燃煤發(fā)電是CO2排放的主要來源之一。對于火力發(fā)電碳減排的需求而言,摻燒生物質是一種有效的應對措施。常見的生物質摻燒技術可分為直接摻燒和間接摻燒兩種。直接摻燒技術將生物質送入鍋爐,新建設備較少,成本較低,目前應用較廣。間接摻燒技術將生物質氣化后的燃氣送入鍋爐燃燒,該技術的原料適應性較廣,能避免結焦結渣等現(xiàn)象,但需新建設備較多,投資較高,目前應用較少。本文介紹了近年來國內生物質摻燒發(fā)電技術現(xiàn)狀,闡述了其中存在的問題,同時,根據(jù)筆者的調研經驗,對生物質摻燒發(fā)電技術的發(fā)展進行了探討。

        【關鍵詞】生物質;煤;摻燒;發(fā)電

        【Abstract】The requirements of carbon reduction have been enhanced recent years in China. Power generation is a main source of CO2 emission. For power generation plants, biomass and coal co-firing an effective method for carbon reduction. In general, biomass and coal co-firing for power generation have 2 ways: direct and indirect co-firing. The direct co-firing way send biomass into the boiler together, then biomass and coal combust for power generation. This method could build less equipment, and save the investment. Thereby, the direct co-firing method is used much wider. The indirect co-firing gasifies biomass first, and then send bio-gas into the boiler for power generation. This method have several advantages: high adaptability for biomass, could avoid coking and slagging. However, the indirect way need to build more equipment, and more investment, thereby have less utilization. This paper reviewed the development of biomass co-firing technology recent years. This paper elaborated the problems in biomass co-firing process. Based on the investigation, discussed the development of biomass co-firing technology.

        【Key words】Biomass; Coal; Co-firing; Power generation

        0 引言

        我國對可再生能源利用技術逐漸重視,《能源發(fā)展十三五規(guī)劃》提出了“積極發(fā)展生物質液體燃料、氣體燃料、固體成型燃料。推動沼氣發(fā)電、生物質氣化發(fā)電,合理布局垃圾發(fā)電。有序發(fā)展生物質直燃發(fā)電、生物質耦合發(fā)電,因地制宜發(fā)展生物質熱電聯(lián)產”的發(fā)展要求。

        與其他生物質發(fā)電技術相比,混燃發(fā)電的項目總投資和年運行費用最低,而年凈收入較高,如圖1所示[1]。生物質混燃發(fā)電可以直接利用電廠現(xiàn)有的高參數(shù)鍋爐,提高發(fā)電效率,并在一定程度上降低生物質運輸昂貴的影響,當生物質價格大幅度變化時,也可根據(jù)實際情況調整摻配比例,從而提高摻燒項目的靈活性。發(fā)展生物質摻燒發(fā)電技術既可相應政策號召,也可為國內火電廠碳減排提供解決方案。利用生物質替代部分煤,可減少煤炭消耗,解決當?shù)亟斩挼葟U棄物的處理問題,同時為當?shù)剞r民帶來額外收入,具有良好的社會效益和環(huán)境效益。同時,由于生物質是一種CO2零排放的燃料,使用生物質發(fā)電可減少CO2排放,在碳交易市場獲得額外收益。

        影響生物質摻燒發(fā)電經濟性的因素主要為兩個:原料經濟性和設備經濟性。其中,原料經濟性是近年來多數(shù)生物質利用項目盈利能力下降的重要因素。近年來,由于原料價格上漲,明顯高出項目初期的原料收購價格,導致不少生物質利用項目出現(xiàn)虧損。

        國內現(xiàn)有的生物質摻燒技術可分為直接摻燒和間接摻燒兩種類型。其中,直接摻燒是將生物質通過一定預處理后,直接送入燃煤鍋爐,與煤共同燃燒,帶動蒸汽輪機發(fā)電。該方法投資成本較低,目前應用較廣,典型項目有華電十里泉發(fā)電有限公司秸稈摻燒發(fā)電項目等。

        間接摻燒將首將生物質燃料在氣化爐中氣化,生成可燃氣體,再通入燃煤鍋爐,帶動蒸汽輪機發(fā)電。典型項目有國電長源發(fā)電有限公司的10.8MW生物質再燃發(fā)電項目等。

        然而,目前由于項目的經濟和技術限制,目前生物質摻燒技術仍存在一定問題。本文介紹了近年來國內典型生物質摻燒發(fā)電技術的現(xiàn)狀,并探討了該技術的發(fā)展方向。

        1 生物質摻燒技術現(xiàn)狀

        1.1 直接摻燒

        一般來說,生物質的由于生物質的折算水分高、熱值低,在摻燒過程中,高生物質摻燒比例會降低鍋爐的理論燃燒溫度,導致鍋爐燃燒效率降低。另外,由于生物質與煤混燒的灰分比煤高,更易附著于鍋爐管壁,產生的熱阻大于煤灰產生的熱阻,導致熱交換效率降低。生物質中較多的堿金屬和Cl元素,容易引起結渣和腐蝕。生物質灰中的堿性成分含量高,而堿性成分的灰熔點低于酸性成分,并容易形成低熔點的共熔物,降低灰熔點,導致結渣現(xiàn)象。同時,堿金屬在高溫下發(fā)生升華,并凝結在管壁上與煙氣中的SO2化合生成硫酸鹽或堿性硫酸鹽、氧化鐵及復合硫酸鹽等,導致管子表面的Fe2O3保護膜被消耗掉,最終使管壁變薄,造成腐蝕[2]。endprint

        近年來,國內已有多個生物質摻燒發(fā)電項目示范及運行。華電國際十里泉發(fā)電廠是國內較早開展生物質摻燒的電廠之一。該廠于2005年進行技術改造,進行秸稈摻燒發(fā)電。新增秸稈了收購、儲存、粉碎、輸送設備,兩臺專用秸稈燃燒器,并改造了供風系統(tǒng)及相關控制系統(tǒng),鍋爐原有系統(tǒng)和參數(shù)不變??紤]到秸稈的熱值低、輸送難、堿金屬和氯含量高,為保證機組的正常發(fā)電,對秸稈摻燒比例要有一定限制。實際經驗表明,當秸稈與煤粉的混合比例不超過40%時,對鍋爐飛灰性質影響較小,不會對鍋爐尾部受熱面造成較大的腐蝕、堵塞和磨損。秸稈摻燒的發(fā)電成本高于燃煤發(fā)電,無直接經濟效益,但具有明顯的社會效益和環(huán)保效益。若按最大年消耗10萬噸秸稈計算,可年節(jié)約原煤7萬噸,減少CO2排放15萬噸、SO2排放1500噸,并增加當?shù)剞r民收入3000萬元[3]。

        由于生物質收集成本高、技術不如常規(guī)火電成熟,生物質摻燒發(fā)電需改造和新增設備,導致生物質摻燒發(fā)電成本高于常規(guī)火力發(fā)電。目前生物質摻燒發(fā)電項目的經濟性很大程度上依賴于發(fā)電補貼政策。據(jù)報道,寶應協(xié)鑫生物質發(fā)電有限公司的1#、2#機組使用30%(熱值比)的生物質作為燃料,同時3#機組采用純生物質作為燃料,以滿足國家對生物質與煤混燃發(fā)電廠的補貼政策要求,該公司在獲得了補貼后,每度電盈利0.007元,處于盈利狀態(tài)。豐縣鑫源生物質環(huán)保熱電有限公司的生物質摻混比例大約為20%(質量比),主要燃料為煤炭,由于不滿足發(fā)電的補貼政策要求,混燃發(fā)電處于虧損狀態(tài)[4]。

        1.2 間接摻燒

        生物質間接摻燒發(fā)電技術首先將生物質氣化,轉化為合成氣后與煤混燃發(fā)電。這種方式能保持大型機組發(fā)電效率高的優(yōu)點,且對原鍋爐燃燒影響較小。研究表明,在相同發(fā)電量基礎上,生物質氣化與煤混燃發(fā)電的CO2和SO2的生成量比生物質直燃發(fā)電的生成量少;機組發(fā)電效率和氣化效率的提高可以明顯降低CO2和SO2的排放量。生物質與煤間接摻燒具有一定的環(huán)保排放優(yōu)勢[5]。同時,采用氣化的方式可以簡化原料預處理過程,擴大了生物質原料來源,并能避免生物質灰進入鍋爐,避免了結焦、高溫腐蝕等現(xiàn)象[6]。

        國電長源生物質再燃項目采用生物質燃氣再燃技術,氣化爐設計出力折合約為10.8MW 電負荷,以含水量小于15%的稻殼作為原料,額定燃料量8t/h,氣化效率>70%,產氣量14000-18000Nm3/h,可燃氣熱值4-5MJ/Nm3,氣化爐整體熱效率>85%。燃氣入爐與煤混燃,不改變鍋爐原有設計性能[7]。氣化產生的焦油通入鍋爐燃燒,生物質發(fā)電利用效率在34%以上,高于現(xiàn)有生物質直燃發(fā)電項目。采用高速循環(huán)流化床生物質氣化工藝,用空氣將生物質高效氣化,產生低熱值燃氣,結合已有的600MW 大型煤粉燃燒發(fā)電鍋爐,將生物質燃氣送入鍋爐與煤粉混燒發(fā)電,發(fā)電能源利用效率遠高于現(xiàn)有生物質直燃電廠的21%-23%發(fā)電利用效率,從而實現(xiàn)生物質高效利用并替代部分化石能源。

        2 生物質摻燒發(fā)電技術存在問題

        目前,生物質摻燒項目普遍存在的問題包括以下3個方面:

        (1)生物質破碎系統(tǒng)匹配度不高。具體表現(xiàn)為適用性不夠廣,破碎粒度不均勻。該問題易導致無法利用目標地區(qū)的部分種類生物質;而粒度不均勻則導致氣力輸送過程中易堵塞。根據(jù)筆者調研結果,一些電廠為避免破碎粒度不均導致的易堵塞現(xiàn)象,僅使用部分生物質原料,不能有效利用當?shù)仄溆喾N類的生物質原料。未來的生物質摻燒發(fā)電項目,應根據(jù)當?shù)厣镔|種類,選擇適用的破碎機及輸送設備。

        (2)原料價格高。目前生物質摻燒發(fā)電項目中普遍存在原料收購成本高。根據(jù)筆者調研結果,一些項目的生物質收購成本從開始時的50-150元/t升高至300-400元/t,加之前幾年煤炭價格低落,生物質價格與煤炭價格倒掛嚴重,不少摻燒項目因此出現(xiàn)虧損情況。在新建生物質摻燒項目時,應提前對生物質收集成本進行詳細評估,包括當?shù)厣镔|種類、價格、運送距離、收集方式、是否有其他企業(yè)爭奪生物質資源、農民提供秸稈資源意愿等問題,并結合當?shù)匮a貼政策,計算對應生物質價格下的摻燒發(fā)電成本,確定合理的摻燒比例。

        (3)受熱面結焦結渣。生物質普遍含有豐富的堿金屬和堿土金屬,同時Cl含量也較高,在高溫下易揮發(fā)并粘結在鍋爐受熱面上,導致受熱面結焦和高溫腐蝕。但是,考慮到生物質中灰分含量較低,若能控制好生物質摻配比例,則對鍋爐受熱面的影響較小,同時,也可根據(jù)生物質灰成分,添加一些其他添加劑,避免結焦結渣現(xiàn)象的發(fā)生。一些研究也發(fā)現(xiàn):摻燒生物質會導致飛灰中的K和Cl質量分數(shù)升高,但飛灰的物理化學特性變化不明顯。對飛灰的混凝土特性參數(shù)測試表明在試驗范圍內摻燒生物質不會影響飛灰在建筑行業(yè)的應用[8]。

        3 結論及展望

        現(xiàn)階段的生物質直燃發(fā)電項目,由于機組容量小,生物質利用效率不高。摻燒發(fā)電可以利用電廠現(xiàn)有大容量機組發(fā)電,后續(xù)脫硫、脫硝、除塵等系統(tǒng)可以直接利用電廠現(xiàn)有設備,投資較小,是現(xiàn)階段更為可行的發(fā)電方式。

        根據(jù)現(xiàn)有經驗,生物質摻燒項目出現(xiàn)的普遍問題是對原料成本估計不足、預處理設備適用性不廣。在較高摻燒比例時,可能出現(xiàn)受熱面結焦的現(xiàn)象。對此,新建摻燒項目時應根據(jù)所摻燒的生物質特性,選用合適的破碎和輸送設備;同時對重點關注當?shù)厣镔|收購成本;并控制合適的摻配比例。在新建項目時,應廣泛與當?shù)卣疁贤?,爭取相應的補貼政策。

        【參考文獻】

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        [2]陳海平,魯光武,于鑫瑋,等.燃煤鍋爐摻燒生物質的經濟性分析[J].熱力發(fā)電. 2013,42(12):40-44.

        [3]李峰,李堪雨.十里泉發(fā)電廠秸稈發(fā)電應用技術[C].2006.京津冀晉蒙魯電機工程(電力)學會第十六屆學術交流會.

        [4]何張陳.江蘇省農作物秸稈(生物質)發(fā)電不同技術路線案例的后評估研究[D].東南大學.2009.

        [5]王愛軍,張燕,張小桃,等.生物質直燃和混燃發(fā)電環(huán)境效益分析[J].可再生能源.2011,29(3):137-140.

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        [7]何培,紅沈冶,常平,等.10.8MW生物質氣化再燃發(fā)電項目工業(yè)應用[C].2014. 中國電機工程學會清潔高效發(fā)電技術協(xié)作網2014年會.

        [8]潘升全,譚厚章,劉瀟,等.大型電廠煤粉爐摻燒成型生物質試驗[J].中國電力. 2010,43(12):51-55.

        [責任編輯:朱麗娜]endprint

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