馬 務(wù)，盛昌棟

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基于循環(huán)流化床氣化的間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

馬 務(wù)1，盛昌棟2

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097； 2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096）

基于循環(huán)流化床（CFB）氣化的間接耦合發(fā)電目前是我國(guó)燃煤電廠利用生物質(zhì)的主導(dǎo)技術(shù)。本文介紹了基于CFB氣化的間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用，比較了歐洲和我國(guó)燃煤電廠應(yīng)用生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，深入分析和評(píng)價(jià)了燃煤間接耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行及設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明：生物質(zhì)特性對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)的配置、設(shè)計(jì)及運(yùn)行影響顯著，而低熱值燃?xì)獾母吖踩悸蕮綗齽t對(duì)鍋爐燃?xì)馊紵到y(tǒng)設(shè)計(jì)和燃燒運(yùn)行提出了較高的控制要求；針對(duì)我國(guó)燃煤電廠主要使用秸稈類燃料、負(fù)荷率低和鍋爐深度低氮燃燒的特殊性，在燃料特性和高共燃率影響等值得關(guān)注的重要方面提出了建議。

燃煤電廠；循環(huán)流化床；生物質(zhì)氣化；間接耦合；生物質(zhì)發(fā)電

發(fā)電是我國(guó)生物質(zhì)能利用的最主要方式[1]。目前，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電主要是通過(guò)直接燃燒，但直燃發(fā)電因機(jī)組容量小、參數(shù)低，故經(jīng)濟(jì)性不高，顯著制約了生物質(zhì)的利用量。生物質(zhì)發(fā)電也可通過(guò)現(xiàn)役燃煤電廠共燃（稱燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電）的方式，借助大型燃煤發(fā)電機(jī)組高效、低污染的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，顯著提高發(fā)電效率。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電又分為直接共燃、間接和并聯(lián)耦合3種技術(shù)途徑[2]。直接共燃是將生物質(zhì)與煤摻混后共同制粉和混燒，或?qū)ι镔|(zhì)進(jìn)行單獨(dú)處理粉碎后送入燃煤鍋爐與煤混燒；間接耦合是利用專設(shè)氣化爐將生物質(zhì)氣化，燃?xì)膺M(jìn)入鍋爐與煤混燒；并聯(lián)耦合則利用單獨(dú)鍋爐進(jìn)行生物質(zhì)燃燒，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入燃煤機(jī)組的蒸汽系統(tǒng)發(fā)電。

直接共燃技術(shù)在我國(guó)已有一定的示范應(yīng)用[3-4]，但主要因生物質(zhì)電量計(jì)量困難而難以獲得政策激勵(lì)，極少進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行[5]。而間接耦合發(fā)電技術(shù)克服了電量計(jì)量的問(wèn)題，近年已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用[6]，并受到政府和業(yè)界的關(guān)注和重視。目前，我國(guó)正在推行燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，在2018年推出的58個(gè)技改試點(diǎn)項(xiàng)目中，55項(xiàng)采用間接耦合發(fā)電技術(shù)[7]。

相對(duì)于直接共燃技術(shù)，燃煤間接耦合生物質(zhì)（簡(jiǎn)稱間接耦合）發(fā)電技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用很少，我國(guó)剛開(kāi)始推廣商業(yè)應(yīng)用，針對(duì)間接耦合發(fā)電技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的公開(kāi)報(bào)道不多，因此本文主要綜合和比較國(guó)內(nèi)外間接耦合發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，分析主要的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以期為該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用提供參考。

1 間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

循環(huán)流化床（CFB）氣化具有過(guò)程溫度低、傳熱強(qiáng)度大、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、規(guī)模適中等特點(diǎn)，較適用于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電。目前，全球商業(yè)應(yīng)用的間接耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)都基于CFB氣化技術(shù)，且已有20年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。表1匯總了基于CFB氣化的間接耦合發(fā)電技術(shù)在歐洲和我國(guó)的應(yīng)用情況，其中，共燃率是指生物質(zhì)氣化燃?xì)鉄崃空煎仩t總輸入熱量的百分比。

1.1 芬蘭Kymijarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)

芬蘭Kymijarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)采用芬蘭Foster Wheeler（FW）能源公司的CFB空氣氣化技術(shù)[8]，CFB氣化器采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由鋼結(jié)構(gòu)反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器和返料管構(gòu)成，全耐火內(nèi)襯，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。生物質(zhì)在氣化器中，常壓和800~1 000°C條件下轉(zhuǎn)化成低熱值（LCV）燃?xì)?，燃?xì)鈹y帶床料、部分轉(zhuǎn)化燃料及飛灰進(jìn)入分離器。分離器為下排氣式，其中燃?xì)怆x開(kāi)分離器，而固體顆粒被分離出來(lái)，由返料管返回反應(yīng)器床層下部，粗灰則在反應(yīng)器下部由水冷螺旋出渣機(jī)排出。離開(kāi)分離器的燃?xì)庀滦辛魅爰稍谄浜蟮臒煹朗娇諝忸A(yù)熱器（空預(yù)器）。該空預(yù)器為同心套管式，內(nèi)外管內(nèi)分別是燃?xì)夂蜌饣諝?，可將空氣預(yù)熱至300 ℃，燃?xì)饫鋮s至650~750 ℃。最后，燃?xì)庥晒艿乐苯咏?jīng)位于主燃燒器以下的2臺(tái)氣體燃燒器進(jìn)入鍋爐燃燒。

圖1 芬蘭Kymijarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)示意

該間接耦合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)燃料為垃圾回收材料，實(shí)際運(yùn)行燃料為垃圾回收材料摻混約80%質(zhì)量的木質(zhì)生物質(zhì)。入爐燃料尺寸<5 cm，含20%~60%水分和1%~2%灰分，無(wú)需干燥。氣化系統(tǒng)輸出為45~70 MWth，其變化取決于燃?xì)鉄嶂狄布慈剂系慕M成和水分。設(shè)計(jì)條件下，燃?xì)鉄崃吭阱仩t總輸入熱量中占比約15%，運(yùn)行時(shí)燃?xì)鉄崃空急茸罡呖蛇_(dá)30%。

對(duì)氣化系統(tǒng)和鍋爐性能、污染物排放及其環(huán)境影響的系統(tǒng)評(píng)價(jià)[9]表明：氣化器及燃?xì)庀到y(tǒng)性能可靠，可用率>96%；機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值非常接近；燃?xì)馊紵髟谒浔谏系拇箝_(kāi)口對(duì)直流鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力安全性無(wú)影響；氣體燃燒器對(duì)高水分LCV燃?xì)獾慕M成及熱值變化有良好的適應(yīng)性；雖然燃?xì)夂瑝m及堿金屬等，但對(duì)鍋爐性能沒(méi)有負(fù)面影響，未出現(xiàn)異常積灰或腐蝕；燃?xì)夤踩紝?duì)機(jī)組大氣污染物排放的負(fù)面影響極?。篊O排放無(wú)變化；因燃?xì)馑指邥?huì)降低火焰溫度，減少NO生成；混燃煙氣水分高有利于提高電除塵效率，降低顆粒物排放質(zhì)量濃度；混合燃料含硫少，減少了SO2生成；混合燃料含Cl高，導(dǎo)致HCl排放質(zhì)量濃度有所升高?？梢?jiàn)，芬蘭Kymijarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好，對(duì)灰渣質(zhì)量和污染性無(wú)負(fù)面影響，且不影響灰渣的綜合利用。

1.2 比利時(shí)Ruien電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)

比利時(shí)Ruien電廠5號(hào)機(jī)組采用了與芬蘭Kymijarvi電廠相同的間接耦合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行 改造（表1）[10-11]。該機(jī)組僅氣化及燃?xì)庀到y(tǒng)與芬蘭Kymijarvi電廠稍有不同：1）氣化燃料多為清 潔的木質(zhì)生物質(zhì)（新鮮木片及樹(shù)皮、回收木片）； 2）因鍋爐四周空間極有限，燃?xì)夤艿篮蜌怏w 燃燒器依據(jù)數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)布置，2臺(tái)氣體燃燒器分別安裝在兩側(cè)墻煤粉燃燒器以下，但偏離鍋爐的幾何中線。

表1 基于CFB氣化的間接耦合發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況匯總

1.3 芬蘭Vaskiluoto電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)

芬蘭Vaskiluoto電廠采用Valmet Power Oy公司CFB空氣氣化系統(tǒng)[12]，沿襲了芬蘭先進(jìn)的生物質(zhì)CFB氣化技術(shù)，但氣化爐容量更大（140 MWth）。與芬蘭Kymijarvi電廠氣化系統(tǒng)相比，除分離器為上排氣的傳統(tǒng)型式外，燃?xì)庀到y(tǒng)基本相同。其獨(dú)特之處在于，考慮到共燃率高（設(shè)計(jì)值為25%熱量），氣化燃料入爐前先經(jīng)1臺(tái)帶式干燥機(jī)干燥，以減輕燃料水分變化引起燃?xì)饨M成和熱值變化對(duì)鍋爐燃燒及運(yùn)行的影響[13]。該機(jī)組燃料為清潔木質(zhì)生物質(zhì)（林業(yè)剩余物）。運(yùn)行結(jié)果表明：氣化系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能，可用率達(dá)99%；燃?xì)馊紵挥绊戝仩t運(yùn)行，對(duì)機(jī)組的污染物排放有正面的影響；氣體燃燒器的布置開(kāi)孔不影響直流鍋爐水冷壁的水動(dòng)力穩(wěn)定性和熱偏差；雖然生物質(zhì)所含的Cl和堿金屬部分進(jìn)入鍋爐，但即使在50%共燃率下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行鍋爐也未發(fā)生腐蝕。

1.4 奧地利Zeltweg電廠生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)

奧地利Zeltweg電廠生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)的CFB氣化器及其燃?xì)庀到y(tǒng)為自行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于[14]：1）生物質(zhì)部分氣化，燃?xì)夂罅考?xì)焦和飛灰顆粒；2）燃?xì)獠唤?jīng)冷卻，由管道直接送鍋爐以再燃的方式混燒，燃?xì)馊紵鳠o(wú)需專門提供空氣；3）氣化空氣來(lái)自鍋爐的空預(yù)器。

該系統(tǒng)氣化燃料為樹(shù)皮及木片，屬清潔燃料，不需干燥，氣化器輸出設(shè)計(jì)為鍋爐入爐熱量的3%，但隨燃料水分的變化氣化器輸出在5~20 MWth變化。運(yùn)行結(jié)果表明：氣化爐及燃?xì)庀到y(tǒng)運(yùn)行可靠；LCV燃?xì)饧敖诡w粒以再燃方式可完全、穩(wěn)定燃燒，鍋爐運(yùn)行性能和排放幾乎不受影響；燃?xì)庠偃冀档蚇O排放質(zhì)量濃度效果顯著，相應(yīng)地，選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)噴氨量減少10%~15%[15]。

1.5 荷蘭Amer 9電廠間接耦合發(fā)電加燃?xì)饫鋮s凈化系統(tǒng)

荷蘭Amer 9電廠采用德國(guó)Lurgi常壓CFB氣化系統(tǒng)，由于氣化燃料為被涂料等污染過(guò)的舊木材，環(huán)保對(duì)燃?xì)鉂崈舳纫蟾?，因此配置了燃?xì)饫鋮s凈化系統(tǒng)[16]。其工藝流程為：CFB氣化粗燃?xì)庀冗M(jìn)入冷卻器降溫至200~240 ℃，再經(jīng)布袋除塵器將含塵質(zhì)量濃度降至<10 mg/m3，后經(jīng)濕洗滌脫氨并冷卻至35 ℃得到清潔燃?xì)?，清潔燃?xì)庥谜羝訜嶂?00 ℃后送主鍋爐，經(jīng)鍋爐燃燒器下方、四角布置的4臺(tái)燃?xì)馊紵魅霠t燃燒。

在試運(yùn)行階段，冷卻器出現(xiàn)了嚴(yán)重的飛灰及焦油沾污，難以將燃?xì)饫鋮s至布袋除塵器的安全工作溫度，導(dǎo)致氣化系統(tǒng)可連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間極短。為此，電廠對(duì)冷卻器進(jìn)行過(guò)多次改造，但沾污問(wèn)題難以克服，不得不對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行改造，拆除了布袋除塵器、濕洗滌和燃?xì)庠贌嵩O(shè)備，代之以旋風(fēng)除塵器，這時(shí)燃?xì)鈨H冷卻至450 ℃送鍋爐。此后，該間接耦合發(fā)電加燃?xì)饫鋮s凈化系統(tǒng)又經(jīng)數(shù)次硬件改造，年運(yùn)行時(shí)間才可達(dá)5 000 h，但可用率仍受限于冷卻器沾污及燃料處理系統(tǒng)等問(wèn)題。最后，因廢木材氣化的政府可再生電力補(bǔ)貼方案到期，荷蘭Amer 9電廠氣化系統(tǒng)退出運(yùn)行。

1.6 國(guó)電長(zhǎng)源荊門發(fā)電有限公司7號(hào)機(jī)組生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)

國(guó)電長(zhǎng)源荊門發(fā)電有限公司（國(guó)電長(zhǎng)源電廠）生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)是間接耦合發(fā)電技術(shù)在我國(guó)大型燃煤電廠的首次成功應(yīng)用[6]。生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)采用高速CFB空氣氣化結(jié)合燃?xì)鈨艋⒗鋮s系統(tǒng)，生物質(zhì)處理能力為8 t/h，容量24.5 MWth（10.8 MWe）。工藝流程是：在CFB氣化器中燃料在微負(fù)壓和700~900 ℃條件下氣化，產(chǎn)生的燃?xì)庀冉?jīng)旋風(fēng)除塵器凈化，再經(jīng)燃?xì)鈸Q熱器降溫至400~450 ℃，最后由高溫風(fēng)機(jī)送至鍋爐，經(jīng)鍋爐兩側(cè)墻對(duì)沖布置的 4臺(tái)氣體燃燒器，以再燃方式燃燒。該生物質(zhì)氣化-再燃系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：使用秸稈類燃料，因而采用燃?xì)鈨艋鋮s系統(tǒng)，避免燃?xì)饣鞜龝r(shí)鍋爐的積灰和腐蝕等問(wèn)題；采用熱燃?xì)馊紵桨?，避免焦油等在燃?xì)庀到y(tǒng)及管道中凝結(jié)、沾污；采用燃?xì)庠偃挤绞?，可降低機(jī)組NO排放質(zhì)量濃度。該系統(tǒng)于2012年投運(yùn)，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，燃?xì)鈸綗龑?duì)鍋爐燃燒和性能無(wú)負(fù)面影響，至今已實(shí)現(xiàn)多年的商業(yè)化運(yùn)行[6]。

1.7 大唐長(zhǎng)山熱電廠間接耦合發(fā)電項(xiàng)目

大唐長(zhǎng)山熱電廠間接耦合發(fā)電項(xiàng)目采用微正壓CFB空氣氣化，輸出電功率為20 MWe，是目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的容量最大的燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。該項(xiàng)目的特點(diǎn)是，使用秸稈為主的燃料，燃?xì)饨?jīng)一級(jí)旋風(fēng)分離、二級(jí)旋風(fēng)除塵凈化，冷卻至400 ℃送鍋爐燃燒。該項(xiàng)目已完成改造，計(jì)劃于2018年10月投入商業(yè)運(yùn)行。

表2 大唐長(zhǎng)山熱電廠間接耦合發(fā)電項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

2 主要設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析

2.1 CFB氣化器

雖然表1中各間接耦合發(fā)電機(jī)組的CFB氣化器技術(shù)來(lái)源不同，但大同小異，都采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，氣化器本體運(yùn)行可靠性高，幾乎不影響氣化系統(tǒng)的可用率，僅Amer 9和Ruien電廠的氣化器曾發(fā)生耐火內(nèi)襯損壞導(dǎo)致強(qiáng)制停機(jī)[11]。由于厚度大，耐火內(nèi)襯是氣化系統(tǒng)啟、停速度的限制因素，其損壞會(huì)顯著影響可用率和運(yùn)行維護(hù)成本。此外，Kymijarvi、Amer 9和Ruien電廠都曾出現(xiàn)燃料中外來(lái)物（金屬和非金屬塊等）導(dǎo)致氣化器出渣機(jī)卡塞，而外來(lái)物也是影響廠內(nèi)燃料處理系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素。為此，電廠除了對(duì)供應(yīng)燃料質(zhì)量及尺寸提出嚴(yán)格要求外，也應(yīng)在廠內(nèi)燃料處理系統(tǒng)中增加雜物分揀設(shè)備如磁選機(jī)和石塊分離器等。

2.2 生物質(zhì)燃料

歐洲間接耦合發(fā)電系統(tǒng)所用的燃料基本是木質(zhì)生物質(zhì)（表1）。木質(zhì)燃料含灰少，堿金屬和Cl含量一般較低，旋風(fēng)分離器后的燃?xì)饪芍苯铀腿脲仩t摻燒而不至于導(dǎo)致鍋爐積灰腐蝕；木質(zhì)燃料灰中Si、堿金屬含量少，灰熔點(diǎn)相對(duì)高，在CFB床溫下也不易導(dǎo)致結(jié)床。

我國(guó)間接耦合發(fā)電系統(tǒng)多使用農(nóng)林剩余物[17]，但主要是秸稈類燃料（表1）。秸稈類生物質(zhì)灰分高，特別是K和Cl含量高，在CFB氣化溫度下，部分K和幾乎全部Cl會(huì)進(jìn)入氣相[18]。為了避免過(guò)多飛灰及K、Cl等進(jìn)入鍋爐，分離器后的燃?xì)饩托柽M(jìn)一步除塵凈化，這既增加設(shè)備投資，對(duì)凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求也較高。盡管如此，凈化后大部分Cl和部分K仍會(huì)進(jìn)入鍋爐，影響沾污、腐蝕、粉煤灰質(zhì)量等而制約共燃率。另一方面，因草本燃料含K和Si高、灰熔點(diǎn)低，氣化時(shí)CFB發(fā)生結(jié)床的溫度較低[19]，CFB氣化器存在結(jié)床的風(fēng)險(xiǎn)，即使氣化木質(zhì)燃料，Ruien電廠CFB反應(yīng)器也曾出現(xiàn)結(jié)床，因而要求保證床料質(zhì)量（如顆粒尺寸分布）[11]。為避免使用秸稈類燃料CFB反應(yīng)器出現(xiàn)結(jié)床，氣化器需要在較低溫度下運(yùn)行，這無(wú)疑影響氣化效率，而低溫下氣化焦油產(chǎn)量高也會(huì)影響其后燃?xì)庀到y(tǒng)的運(yùn)行?？梢?jiàn)，使用秸稈類燃料對(duì)氣化及燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求較高。

2.3 燃?xì)鈨艋屠鋮s系統(tǒng)

間接耦合發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，煤與生物質(zhì)分開(kāi)處理和利用，可避免直接共燃時(shí)生物質(zhì)灰進(jìn)入燃煤鍋爐導(dǎo)致包括鍋爐結(jié)渣、積灰和腐蝕，灰特性變化影響粉煤灰綜合利用等問(wèn)題。因此，間接耦合發(fā)電技術(shù)在利用被污染的燃料和秸稈類難用燃料方面優(yōu)勢(shì)明顯，但要在燃?xì)庀到y(tǒng)配置凈化和冷卻系統(tǒng)，這不僅會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性，而且易發(fā)生沾污進(jìn)而影響氣化廠的運(yùn)行性能。

生物質(zhì)氣化釋放的堿金屬及重金屬等在燃?xì)庀到y(tǒng)溫度下可能轉(zhuǎn)化成氣溶膠顆粒，焦油轉(zhuǎn)化生成的多環(huán)芳烴化合物也會(huì)形成碳煙氣溶膠顆粒，這些顆粒物難以被氣化器固有的分離器脫除，而易沉積在其后續(xù)的設(shè)備及管道上，是引起沾污的主體，當(dāng)配置冷卻裝置時(shí)，低溫受熱面更易于沾污。為避免焦油的凝結(jié)、沾污，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都將燃?xì)鉁囟瓤刂圃?00 ℃以上[6]，但難以避免上述氣溶膠顆粒的沾污。Amer 9電廠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的冷卻器出口溫度控制在450 ℃，但其上富碳飛灰的嚴(yán)重沾污仍是困擾氣化系統(tǒng)運(yùn)行的難題[17]，即便是使用木質(zhì)燃料和沒(méi)有冷卻凈化系統(tǒng)的Ruien電廠也曾發(fā)生燃?xì)馊紵髡次踇11]。因此，使用被污染或難用生物質(zhì)燃料的電廠，防止冷卻裝置等的沾污是保障燃?xì)庀到y(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.4 LCV燃?xì)饣鞜龑?duì)鍋爐運(yùn)行的影響

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)共燃率較低時(shí)，間接耦合發(fā)電系統(tǒng)采用LCV燃?xì)饣鞜绞綄?duì)鍋爐燃燒和運(yùn)行性能的影響較?。欢?dāng)共燃率較高時(shí)，由于燃?xì)鉄嶂档停紵鬅煔怏w積大，可能影響鍋爐的煤粉和燃?xì)馊紵鞯幕鹧娣€(wěn)定性、爐內(nèi)溫度和熱負(fù)荷的分布、鍋爐的熱量分配、鍋爐燃燒及熱效率和NO排放等，因此對(duì)鍋爐燃燒運(yùn)行控制要求較高。

因設(shè)計(jì)共燃率較高，Kymijarvi和Vaskiluoto電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí)都對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致計(jì)算模擬分析，以合理布置氣體燃燒器和配風(fēng)[10]。Vaskiluoto電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[13]表明，因燃?xì)馊紵鞑贾迷诿悍廴紵饕韵虑覠嶝?fù)荷份額較大，顯著改變了爐內(nèi)燃燒場(chǎng)的分布，爐膛配風(fēng)必須兼顧燃?xì)?、煤粉燃燒和燃盡風(fēng)的風(fēng)量要求，所以爐膛配風(fēng)對(duì)保證燃?xì)夂兔悍鄣娜紵阅芊浅Ｖ匾?/p>

我國(guó)燃煤電廠主力機(jī)組容量大，而氣化系統(tǒng)容量相對(duì)較?。?0~30 MWe）[7]，耦合生物質(zhì)發(fā)電的共燃率額定值均較低（圖2），因而設(shè)計(jì)條件（氣化系統(tǒng)和主機(jī)組都為額定負(fù)荷）下燃?xì)饣鞜龑?duì)鍋爐運(yùn)行影響也相對(duì)小。但是，考慮到目前我國(guó)燃煤機(jī)組的負(fù)荷率普遍較低，當(dāng)主機(jī)組低負(fù)荷而氣化系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，實(shí)際共燃率將明顯提高。對(duì)于主機(jī)組容量相對(duì)小的機(jī)組，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃?xì)鉄嶝?fù)荷比例的顯著提高可能足以影響鍋爐的燃燒和運(yùn)行性能。

圖2 2018年間接耦合發(fā)電技改試點(diǎn)項(xiàng)目主機(jī)組容量與燃?xì)夤踩悸赎P(guān)系

另外，我國(guó)燃煤電廠普遍采用超低排放技術(shù)，在爐內(nèi)深度低氮燃燒條件下實(shí)施燃?xì)饣鞜谌蛏袩o(wú)先例。在這種前提下，間接耦合發(fā)電的高共燃率對(duì)鍋爐燃燒和NO生成控制具有其特殊性，需要借助細(xì)致的鍋爐性能評(píng)價(jià)和燃燒數(shù)值分析優(yōu)化鍋爐運(yùn)行，以充分發(fā)揮間接耦合發(fā)電技術(shù)在利用生物質(zhì)、降低污染物排放和CO2減排方面的優(yōu)勢(shì)。

2.5 間接耦合發(fā)電技術(shù)投資成本

燃煤電廠應(yīng)用生物質(zhì)氣化間接耦合發(fā)電技術(shù)改造時(shí)，需新增氣化器、燃?xì)庀到y(tǒng)及生物質(zhì)燃料處理系統(tǒng)等，所需投資成本較大。圖3為該技術(shù)應(yīng)用的投資成本及其與其他耦合發(fā)電技術(shù)的比較，其中歐洲項(xiàng)目的投資以當(dāng)年的人民幣價(jià)格計(jì)。由圖3可見(jiàn)，在早年的3個(gè)歐洲項(xiàng)目中Kymijarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)投資約6 000元/kW，而Amer 9電廠因配置了燃?xì)饫鋮s凈化系統(tǒng)，單位投資是Kymijarvi電廠的近2倍，Zeltweg電廠因耦合發(fā)電系統(tǒng)容量小，單位投資是Kymijarvi電廠的2倍以上。根據(jù)國(guó)際可再生能源署統(tǒng)計(jì)，2013年間接耦合發(fā)電技術(shù)的單位投資約為21 000元/kW，成本很高，因此該技術(shù)在國(guó)際上很難推廣。相比起來(lái)，我國(guó)間接耦合發(fā)電技術(shù)改造投資成本則較低，2018年技改試點(diǎn)項(xiàng)目投資成本在5 000~8 000元/kW[7]，大唐長(zhǎng)山熱電廠項(xiàng)目因生物質(zhì)發(fā)電容量相對(duì)較大（單機(jī)20 MWe），投資成本為5 750元/kW，低于投資平均值。

圖3 間接耦合發(fā)電技術(shù)投資成本與其他耦合發(fā)電技術(shù)比較

由圖3還可見(jiàn)，與我國(guó)其他耦合發(fā)電技術(shù)相比，間接耦合發(fā)電技術(shù)投資成本的平均值與并聯(lián)耦合技術(shù)相當(dāng)，但比直接共燃技術(shù)高得多，間接耦合發(fā)電技術(shù)平均單位投資達(dá)十里泉電廠秸稈直接共燃項(xiàng)目投資成本的2倍。盡管如此，我國(guó)間接耦合技術(shù)的投資成本僅為秸稈直燃電廠的50%，且發(fā)電效率較高，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。已有的應(yīng)用[6]和經(jīng)濟(jì)性分析[20]表明，在獲得適當(dāng)電價(jià)補(bǔ)貼的前提下，大型燃煤機(jī)組應(yīng)用間接耦合技術(shù)進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電也具有較好的經(jīng)濟(jì)性[20]，因此間接耦合發(fā)電技術(shù)在我國(guó)燃煤電廠利用秸稈類燃料發(fā)電方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于生物質(zhì)CFB氣化的間接耦合發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用狀況，比較了歐洲和我國(guó)共7家燃煤電廠生物質(zhì)氣化間接耦合發(fā)電系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，以及CFB氣化器、生物質(zhì)燃料特性影響、燃?xì)鈨艋屠鋮s系統(tǒng)、LCV燃?xì)馊紵龑?duì)鍋爐運(yùn)行影響、投資成本等方面，對(duì)間接耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要經(jīng)驗(yàn)及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：生物質(zhì)燃料的特性對(duì)主要系統(tǒng)（如燃?xì)饫鋮s系統(tǒng)）的配置、設(shè)計(jì)及運(yùn)行影響顯著；而較高共燃率的LCV燃?xì)饣鞜齽t對(duì)煤粉鍋爐燃?xì)馊紵到y(tǒng)設(shè)計(jì)和燃燒運(yùn)行優(yōu)化控制要求較高；針對(duì)我國(guó)燃煤電廠主要使用秸稈類難用燃料、負(fù)荷率低且鍋爐深度低氮燃燒的特殊性，在燃料特性和共燃率影響等值得關(guān)注的重要方面提出了建議。

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Application status of indirect biomass co-firing power generation technologies based on circulating fluidized bed gasification

MA Wu1, SHENG Changdong2

(1. Datang Environment Industry Group Co., Ltd., Beijing 100097, China; 2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Indirect co-firing power generation based on circulating fluidized bed (CFB) gasification technology is becoming the dominant technology of utilizing biomass in coal-fired power plants in China. The applications of CFB gasification-based indirect biomass co-firing technologies for electricity generation around the world are reviewed. The major technical features of biomass gasification-based co-firing systems applied in European and Chinese pulverized coal-fired power plants are systematically compared. The main experiences in the operation and design of the indirect co-firing systems, key technical issues as well as economics of the applications are in-depth analyzed and evaluated. It shows that biomass fuel properties have significant effect on the equipping, design and operation of the product gas systems, co-firing low caloric value fuel gas with a higher co-firing ratio leads to higher requirements for the design of the fuel gas combustion system and operation control of the combustion of the boiler. Against the particularities of Chinese coal-fired power plants in using crop straws, low capacity factor, and in-furnace deeply low NOx combustion, suggestions on important issues like the effects of fuel properties and high co-firing ratio are put forward.

coal-fired power plant, circulating fluidized bed, biomass gasification, indirect co-firing, biomass power generation

Inter-organizational Cooperation Project of National Natural Science Foundation of China (51661125011)

TK6

A

10.19666/j.rlfd.201809194

馬務(wù), 盛昌棟. 基于循環(huán)流化床氣化的間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(4): 1-7. MA Wu, SHENG Changdong. Application status of indirect biomass co-firing power generation technologies based on circulating fluidized bed gasification[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(4): 1-7.

2018-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金組織間合作項(xiàng)目(51661125011)

馬務(wù)(1988—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殄仩t煙氣治理技術(shù)，maw@dteg.com.cn。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）