張伶

(湖北省緣達(dá)化工工程有限公司，湖北 武漢 430070)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈量約為7×108t/a，居世界首位。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為可再生的生物質(zhì)能源受到高度重視，目前，生物質(zhì)工業(yè)化利用主要方式為直燃發(fā)電和利用工業(yè)鍋爐燃燒供熱，雖然國(guó)內(nèi)生物質(zhì)直燃發(fā)電已取得長(zhǎng)足的發(fā)展，但排渣含碳量過(guò)高，生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率不高，制約了生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展，生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電技術(shù)是一種高效利用生物質(zhì)發(fā)電的方法。

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電是將生物質(zhì)在氣化裝置中氣化，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w通過(guò)管道送至電站鍋爐燃燒室與煤混合燃燒的發(fā)電技術(shù)。它利用了現(xiàn)有大型發(fā)電機(jī)組的高效性，能提高生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，氣化產(chǎn)生的還原性氣體進(jìn)入電站鍋爐再燃區(qū)，會(huì)對(duì)氮氧化物等氧化性氣體污染物起到還原作用，同時(shí)又能降低機(jī)組污染物排放量和飛灰含量。

國(guó)家能源局《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)》要求開展燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電示范與應(yīng)用。鑒于生物質(zhì)發(fā)電與燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策的不一致，就需要單獨(dú)計(jì)量耦合發(fā)電中生物質(zhì)能所產(chǎn)生的發(fā)電量，本文介紹一種生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電的生物質(zhì)電量計(jì)量方式。

1 工藝流程

生物質(zhì)原料以稻殼、秸稈為主，經(jīng)過(guò)破碎、壓塊后，通過(guò)帶式輸送機(jī)送至爐前料倉(cāng)，螺旋給料機(jī)將爐前料倉(cāng)內(nèi)生物質(zhì)原料送至氣化爐氣化。原料在氣化爐內(nèi)經(jīng)歷熱解和氣化過(guò)程，生成高溫燃?xì)?，主要成分為?CO，H2，CO2，N2，CH4。攜帶固體顆粒的高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道，切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，粗顆粒即再循環(huán)顆粒從燃?xì)庵蟹蛛x出來(lái)并通過(guò)底部的返料器送回氣化爐，以維持氣化爐內(nèi)較高的顆粒濃度，保證燃料在多次循環(huán)中較完全的氣化，從而提高氣化效率；經(jīng)分離后的燃?xì)膺M(jìn)入旋風(fēng)除塵器進(jìn)一步去除燃?xì)庵械募?xì)顆粒成分，使燃?xì)獾幕覊m質(zhì)量濃度低于15 g/m3。來(lái)自旋風(fēng)除塵器的高溫燃?xì)膺M(jìn)入導(dǎo)熱油燃?xì)鈸Q熱器換熱冷卻。為防止導(dǎo)熱油燃?xì)鈸Q熱器管外壁表面積灰，設(shè)置蒸汽吹灰器。蒸汽吹灰器采用低壓過(guò)熱蒸汽進(jìn)行吹灰，有自動(dòng)、手動(dòng)兩種吹灰方式。經(jīng)導(dǎo)熱油燃?xì)鈸Q熱器冷卻后的燃?xì)饨?jīng)燃?xì)庠鰤猴L(fēng)機(jī)增壓后送至原電廠鍋爐4個(gè)角對(duì)應(yīng)的4個(gè)燃燒器與煤粉進(jìn)行混燒。

氣化爐和旋風(fēng)分離器底部灰渣在停爐時(shí)排放，通過(guò)兩級(jí)高溫灰渣閥人工排渣。旋風(fēng)除塵器分離下來(lái)的飛灰先進(jìn)入緩沖倉(cāng)，再經(jīng)一級(jí)水冷螺旋冷灰器、二級(jí)水冷螺旋冷灰器用工業(yè)冷卻水冷卻后，送至固體儲(chǔ)運(yùn)裝置的氣力輸灰系統(tǒng)中間倉(cāng)。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急情況需要燃?xì)夥趴张欧艜r(shí)，放空氣經(jīng)放空管、分子密封進(jìn)入放散裝置燃燒器，通過(guò)催化式拌燒器引燃放空氣并燃燒，燃燒處理后的放空氣滿足相關(guān)的環(huán)保要求。

導(dǎo)熱油自循環(huán)油泵送至燃?xì)鈸Q熱器下部換熱管組的集箱入口，依次進(jìn)入中部和上部導(dǎo)熱油換熱管組和燃?xì)膺M(jìn)行換熱，換熱后的導(dǎo)熱油進(jìn)入導(dǎo)熱油冷凝水換熱器管側(cè)，用凝結(jié)水冷卻，降溫后進(jìn)入循環(huán)油泵，導(dǎo)熱油在設(shè)備和管道系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)行；系統(tǒng)中膨脹的導(dǎo)熱油進(jìn)入高位膨脹槽。在導(dǎo)熱油換熱器系統(tǒng)中，經(jīng)燃?xì)饧訜岷蟮膶?dǎo)熱油把熱量傳給發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水，進(jìn)入電站熱力系統(tǒng)，用于整體熱量的回收利用。

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電工藝流程示意

2 計(jì)量方法

大型燃煤發(fā)電機(jī)組是通過(guò)將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)械設(shè)備，對(duì)于整套機(jī)組的熱轉(zhuǎn)換效率有固定的算法，通過(guò)計(jì)量進(jìn)入整個(gè)發(fā)電機(jī)組的熱量與機(jī)組對(duì)應(yīng)發(fā)電量的比值確定其可轉(zhuǎn)換的電量。即上網(wǎng)電量采用“燃?xì)鉄崃空垭娏俊狈ㄩg接計(jì)量，上網(wǎng)電量計(jì)算如式(1)所示：

(1)

進(jìn)入整個(gè)發(fā)電機(jī)組的熱量為氣化產(chǎn)物所攜帶的化學(xué)能與高溫燃?xì)獾娘@熱，化學(xué)能是可燃?xì)怏w成分總的低位發(fā)熱量，顯熱是高溫燃?xì)鉃橄鄳B(tài)不變情況下冷卻至室溫所放出的熱量。

可燃?xì)怏w成分總的低位發(fā)熱量通過(guò)單位體積熱值與流量的乘積求得，而單位體積熱值與燃?xì)獾慕M分相關(guān)。燃?xì)饬髁坎捎玫聽査土髁坑?jì)準(zhǔn)確測(cè)量，而組分通過(guò)色譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

進(jìn)入燃煤鍋爐的燃?xì)怆m然經(jīng)過(guò)換熱降溫，但該部分熱量也全部通過(guò)凝結(jié)水進(jìn)入熱力系統(tǒng)，所以氣化爐出口的顯熱基本全部進(jìn)入大機(jī)組系統(tǒng)，中間存在部分散熱損失和換熱損失，通過(guò)安裝在氣化爐出口管道上的熱電偶即可測(cè)出該處的溫度，通過(guò)燃?xì)饨M分與流量，即可算出總的顯熱量。

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分為以下四步：

1)生物質(zhì)燃?xì)廨斔凸艿郎习惭b成分分析儀，根據(jù)測(cè)得的各組分含量能夠計(jì)算出生物質(zhì)燃?xì)鈽?biāo)況下的熱值，計(jì)算式如式(2)所示，再根據(jù)測(cè)量的實(shí)際體積流量，以及溫度、壓力修正計(jì)算出燃?xì)獾臉?biāo)態(tài)流量，即得到生物質(zhì)燃?xì)馑鶖y帶的化學(xué)能，即生物質(zhì)燃?xì)怏w積流量與標(biāo)況下生物質(zhì)燃?xì)鈫挝惑w積熱值的乘積。

(2)

式中：φi——混合氣體中各組分的體積分?jǐn)?shù)，%；Hi——各組分在標(biāo)況下的熱值，kJ/m3。

2)根據(jù)燃?xì)饨M分分析可以計(jì)算出燃?xì)獾钠骄葻崛輈平均，再根據(jù)燃?xì)鉁囟萾和體積流量qV可得到生物質(zhì)燃?xì)馑鶖y帶的顯熱Q，計(jì)算如式(3)所示：

Q=qVc平均t

(3)

其中，c平均計(jì)算如式(4)所示：

(4)

式中：ci——各組分在標(biāo)況下的比熱容，kJ/(m3·K)。

3)生物質(zhì)燃?xì)馑鶖y帶的化學(xué)能與生物質(zhì)燃?xì)馑鶖y帶的顯熱之和即為生物質(zhì)燃?xì)馑鶖y帶的總熱量。

4)然后再根據(jù)燃煤機(jī)組供電煤耗計(jì)算得到生物質(zhì)氣化發(fā)電上網(wǎng)電量，計(jì)算公式同式(1)。

該方案的所有在線儀表需采用本安型或隔爆型，防爆等級(jí)不得低于對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)介質(zhì)的爆炸性物質(zhì)分級(jí)和分組，且均需通過(guò)物價(jià)、電力部門檢測(cè)，所有電子分析設(shè)備設(shè)專門的設(shè)備間，并將所有數(shù)據(jù)網(wǎng)傳并在線監(jiān)測(cè)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目上網(wǎng)電量計(jì)量方法原理如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目上網(wǎng)電量計(jì)量方法原理示意

3 計(jì)量效果的有效性

該方案中由燃?xì)鉄嶂到M分分析儀、燃?xì)饬髁坑?jì)、熱電偶測(cè)出實(shí)際參數(shù)值，三類計(jì)量?jī)x表均需取得計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書，并在相同或相似工況下?lián)碛谐墒鞈?yīng)用業(yè)績(jī)，保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)有效性。該方案在某電廠的生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)能是以自然界中生物質(zhì)為媒介存儲(chǔ)的太陽(yáng)能，是由綠色植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能以化學(xué)能形式存儲(chǔ)在生物質(zhì)中的能量形式，屬于典型的可再生能源。利用生物質(zhì)代替煤炭、天然氣等不可再生的化石燃料產(chǎn)生電力，其一能夠減輕對(duì)化石燃料的依賴，保障國(guó)家能源安全，有利于建設(shè)安全高效、清潔低碳的能源體系；其二能夠減少排放、保護(hù)環(huán)境，有效地為地方和電廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。