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陳雨歡
（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北武漢430060）
摘要：文章針對湖北某電廠進行生物質氣化耦合發電進行技術研究，提出了：（1）660MW燃煤電廠的生物質氣化耦合應用技術方案，分析了660MW燃煤電廠生物質氣化耦合的可行性；（2）摻燒改造方案通過在主燃區前后墻各布置2只生物質燃氣燃燒器，能實現鍋爐摻燒生物質氣化燃氣的目的；（3）通過分析生物質氣化耦合發電對2#鍋爐的影響，得出生物質氣化耦合發電對鍋爐動力場、對流換熱、排煙溫度影響非常小，能降低NOx污染物、SOx污染物排放并且能作為基礎負荷與660MW機組深度調峰相結合。
0引言
生物質耦合發電的技術包含三種：破碎制粉直接燃燒耦合、液化氣化間接燃燒耦合、并聯鍋爐蒸汽耦合。蒸汽耦合在燃煤電廠附近新建生物質蒸汽鍋爐，將生物質直燃鍋爐產生的蒸汽與大電廠蒸汽混合。該技術造價大、由于生物質鍋爐效率明顯低于大電廠蒸汽鍋爐，故不考慮蒸汽耦合。直接燃燒耦合利舊電廠已有設施設備，包括環保設備等，目前部分生物質耦合發電采用了直接燃燒耦合。直接燃燒耦合就是將生物質燃料（谷殼、秸稈、廢木料等）摻入燃煤中，利用已有輸送設備，輸送至爐膛進行燃燒。間接燃燒耦合是生物質在氣化爐內進行氣化，產生的低熱值燃氣（主要成分為氮氣以及CO、CO2、CH4、H2等）和燃氣中所攜帶的可燃顆粒通過鍋爐改造后增設的生物質燃氣燃燒器被送入鍋爐爐膛與煤混合燃燒的技術。作為一種理想的氣化原料，生物質可以通過空氣氣化，變為可燃氣體、焦油、草木灰，且氣化后的燃氣在燃煤鍋爐中極易燃燒。氣化產生的燃氣溫度為700～750℃，燃氣需冷卻到400～450℃（防止冷卻溫度過低焦油析出），可燃氣體在鍋爐爐膛內迅速燃燒，產生熱量，燃氣通過管道上設置的儀表進行計量。
綜上所述，間接燃燒耦合技術有很多優點，如：（1）技術性能：原料與煤分開處理，僅處理生物質燃料，不用考慮與煤一同進行處理；（2）環境效益：氣化產生具有還原性的碳氫氣體燃料，進入電站鍋爐再燃區，會對NOx等氧化性氣體污染物起到還原作用，降低NOx原始排放量，同時減少飛灰含量；（3）經濟性：間接耦合目前實行以“燃氣熱量折電量”的辦法進行計量，燃氣熱值通過燃氣在線測量分析儀能夠精確計量[1-6]，在某些省份生物質耦合項目能夠使其依托的大燃煤發電機組獲得資源循環利用獎勵電監。而直接耦合很難排除人為因素對生物質摻燒量直接計最的千擾，從而導致直接耦合難以獲得補貼[7-8];（4）靈活性：在生物質直接粉碎的方案下，為了保證對鍋爐及其附屬輔機的正常運行，直接耦合比例控制在5%以下。在生物質氣化或者熱解的方案下，鍋爐生物質耦合比例可以通過增設燃氣燃燒器來實現，由千氣體燃料比煤更易燃燒，因此，生物質可以實現大比例摻燒氣由千生物質氣化燃氣極易燃燒，運行調整靈活，生物質間接耦合還能適應機組寬范圍運行[10]。
因此，本項目選用間接燃燒耦合的技術方案作為設計方案。
1 660MW燃煤電廠情況
1.1 660MW燃煤電廠設備情況
湖北某擬實施生物質氣化耦合發電項目電廠裝機容籃為2x660MW燃煤電廠，其中鍋爐由東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司生產制造。型式為：超超臨界、一次中間再熱、單爐膛、露天布置、兀型燃煤直流爐。前后墻對沖旋流燃燒器，每臺鍋爐配置2臺三分倉回轉式空預器，同步安裝SCR脫硝裝置，鍋爐設計參數如表1所示。
1.2電廠周邊生物質資源情況
本項目設計燃料為100%水稻秸桿，校核燃料為60%水稻秸桿+40%林廢。
為落實燃料，電廠做了充分的燃料調查，并與各燃料廠家簽訂了“生物質燃料購銷意向協議”。氣化爐年消耗設計燃料水稻秸桿5.81萬噸，根據電廠與相關企業簽訂的“生物質燃料購銷意向協議”，秸桿年可利用總最為11萬噸。能夠滿足項目投運后燃料消耗址。
2生物質氣化耦合方案的設計
2.1生物質氣化耦合系統
生物質經皮帶輸送機送到氣化爐爐前料倉，在安裝在爐前料倉下的螺旋給料機把生物質送入氣化爐；氣化介質采用空氣，氣化用空氣由鼓風機送入氣化爐。為保持氣化爐內的物料平衡，在氣化爐的側面設置一套床料補充系統，根據需要隨時補充床料，保持流化床氣化爐床壓穩定。
在氣化室產生的約750°C的燃氣，經過一級旋風除塵器，分離下來的灰經回料器送回氣化爐下部繼續參加反應，燃氣再經過二級旋風除塵器，分離下來的灰經管式冷灰器冷卻，灰的溫度降為80°C，冷卻水用發電廠凝結水，降溫后的灰由氣力輸送系統送入灰倉，由汽車外運。二級旋風除塵器出口燃氣溫度約為750°C左右，經導熱油換熱器降溫，溫度為420-430°C,經加壓風機輸送到燃燒器，進入發電鍋爐燃燒；在導熱油換熱器系統中，經燃氣加熱后的導熱油把熱監傳給發電廠凝結水，為防止導熱油換熱器管子表面積灰，設置吹灰器，系統流程如圖1所示。
為貿易結算及運行監測，設置燃氣成分及熱值測址在線分析儀表、燃氣流址測最儀表。在易出現泄漏的部位，設悝有邯及可燃氣體泄漏檢測設備。為保障在啟停爐、事故狀況下的安全，設置吹扣管路，吹扣氣體采用氮氣，控制系統采用DCS系統。
2.2氣化爐設計參數
表2為氣化爐設計參數，可以看出，年消耗水稻秸稈5.81萬噸，氣化系統的發電功率15.4MW，年上網電量7546萬千瓦時。
2.3摻燒改造方案
摻燒改造擬通過在主燃區或還原區布置2只生物質燃氣燃燒器，實現鍋爐摻燒的目的。燃氣燃燒器布置在鍋爐現有二次風箱內，配二次風；前后墻各布置2只，全爐共4只。改造的布置示意圖如圖2所示。
由于生物質相對煤粉更容易燃盡，摻燒生物質后煤粉整體燃盡性上更好。主燃區摻燒生物質情況下，焦炭燃盡度均比還原區摻燒生物質下的燃盡度要好，主要是主燃區摻燒，燃燒器集中布置，適當提高燃燒器區域熱負荷，煤粉焦炭燃燒較充分。而還原區摻燒生物質，焦炭燃盡度較低，焦炭燃燒的延后，導致高溫火焰拖長，火焰中心上移明顯，從而導致屏底下的煙溫均比在主燃區摻燒生物質工況下的要高。
生物質本身N含量低于煤，混燃能夠有效降低NOx的排放量。在主燃區摻燒生物質時，由于周圍煤粉燃燒器氧量供給，揮發分燃燒相對充分，對NOx還原效果有限；在還原區域摻燒，整體處于缺氧環境中，揮發分燃燒不充分，因此對NOx有較強的還原作用。
綜上，本項目偏向有利于鍋爐低負荷穩燃，選擇在主燃區摻燒。
3生物質燃氣再燃對鍋爐的影響
在生物質燃氣再燃對鍋爐的影響方面，目前部分文獻采用的是實驗法，即摻燒生物質燃氣后觀測污染物排放變化[4]，而電廠專工、可行性研究報告評審專家期望項目建設前得到污染物排放的保證。以下將分7個方面說明生物質燃氣再燃對鍋爐的影響。
3.1對爐膛燃燒空氣動力場的影響
在鍋爐負荷為660MW，生物質高溫燃氣輸送至電站鍋爐，生物質燃氣再燃摻燒份額（按熱量為計算基準）大約為2％時的條件下進行鍋爐熱力計算。生物質燃氣以前后墻對沖的方式在爐前、爐后主燃區或還原區的區域噴入爐膛，在調試過程中，進行冷態空氣動力廠試驗；燃氣噴入速度和剛度與煤粉氣流相同，不改變爐內摻燒前的空氣動力場。
3.2對爐膛輻射換熱及爐膛出口煙氣溫度的影響
生物質燃氣再燃時，由于其水分較高、熱值低，因此，理論燃燒溫度隨摻燒份額的增加而降低。本項目摻燒生物質氣體后理論燃燒溫度降低約10℃。理論燃燒溫度降低會使爐內平均溫度水平下降，降低爐膛的輻射換熱量，但由于本項目摻燒生物質氣體后理論燃燒溫度降幅較小，從計算來看，爐膛出口煙溫影響很小。因此對爐膛出口后的過熱器和再熱器吸熱量影響也幾乎可以忽略。
3.3對鍋爐對流換熱的影響
摻燒生物質氣體后，煙氣量增大了約0.7%；煙氣量增加會增加對流受熱面的對流傳熱系數，增加對流吸熱量。但由于煙氣量增加較少，使對流傳熱系數增加不明顯，因此對過熱器和再熱器的對流吸熱量影響也很小。
3.4排煙溫度與排煙損失隨摻燒份額的變化
在摻燒生物質燃氣的工況下，相對于凈燒煤工況，鍋爐排煙溫度及排煙損失有所增大。其原因之一在于低熱值燃氣使通過空氣預熱器的空氣量減少，本項目鍋爐設計排煙溫度（修正后）為115℃，生物質燃氣混燃的工況下排煙溫度增量<2%；原因之二，如前所述，排煙量增0.7%，同時增加引風機電耗。綜合兩種影響機理，導致排煙焓增大，因此排煙損失有所增加，但增加幅度很小。
3.5對NOx污染物排放的影響
由于生物質氣化產氣為具有還原性的碳氫氣體燃料，進入電站鍋爐再燃區，會對NOx等氧化性氣體污染物起到還原作用，從而會降低煙氣中NOx的含量。
3.6對SOx污染物排放的影響
由于設計煤種（50%隆德煙煤+50%陜西小紀汗煙煤）收到基硫含量為1.01%，而本項目設計原料（100%秸稈）收到基硫含量為0.11%；林廢收到基硫含量為0.06%；產生的燃氣中H2S的含量為0.03%，遠低于鍋爐設計燃料的硫含量，可以減少鍋爐燃煤所產生的SO2量，降低電站鍋爐脫硫過程的運行成本。
3.7燃氣和660MW機組深度調峰結合的可能性
根據鍋爐技術協議，2#鍋爐在燃用設計煤種或校核煤種時，不投等離子體及燃油時，最低穩燃負荷不大于鍋爐30%BMCR。根據《某發電有限公司2號機組深度調峰技術出力檢測試驗報告》結論：2號機組深度調峰最小技術出力為28%Pe（185MW）。機組在28%Pe負荷能安全、穩定運行；污染物排放指標達標；機組振動指標達標；各主輔設備正常運行；機組協調及自動投入正常。目前某發電有限公司2#機組并未進行深度調峰相關的改造。
生物質燃氣摻燒量為23210Nm³/h，通過計算可燃氣體熱值約27MW（不含物理熱），相當于鍋爐BMCR負荷輸入熱量的約2%，熱量占比小。生物質燃氣與煤相比，具有以下兩個特點：（1）粉塵含量低，具有還原性，SO2、NOx含量低；（2）相比煤粉更容易燃燒。綜上所述，當2#機組進行深度調峰時，可將生物質燃氣作為基礎負荷，能起到一定的穩燃作用，同時污染物排放與純燃煤工況相比更低，即能實現生物質項目和2#機組深度調峰相結合。
4結語
本文詳細比較了直接燃燒耦合和間接燃燒耦合，并介紹了15.4MW間接燃燒耦合660MW鍋爐氣化發電項目的技術方案，得出了以下結論：
?。?）摻燒改造方案通過在主燃區前后墻各布置2只生物質燃氣燃燒器，能實現鍋爐摻燒生物質氣化燃氣的目的。
?。?）通過分析生物質氣化耦合發電對2#鍋爐的影響，得出生物質氣化耦合發電對鍋爐動力場、對流換熱、排煙溫度影響非常小，能降低NOx污染物、SOx污染物排放并且能作為基礎負荷與660MW機組深度調峰相結合。
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