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行業資訊

【技術】生物質摻燒發電存在問題及探討
2019-06-18 09:27:27

【摘要】近年來,國家對碳減排的要求不斷加強,燃煤發電是CO2排放的主要來源之一。對于火力發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電技術現狀,闡述了其中存在的問題,同時,根據筆者的調研經驗,對生物質摻燒發電技術的發展進行了探討。

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  我國對可再生能源利用技術逐漸重視,《能源發展十三五規劃》提出了“積極發展生物質液體燃料、氣體燃料、固體成型燃料推動沼氣發電、生物質氣化發電,合理布局垃圾發電。有序發展生物質直燃發電、生物質耦合發電,因地制宜發展生物質熱電聯產”的發展要求與其他生物質發電技術相比,混燃發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。生物質混燃發電可以直接利用電廠現有的高參數鍋爐,提高發電效率,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,也可根據實際情況調整摻配比例,從而提高摻燒項目的靈活性。發展生物質摻燒發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,解決當地秸稈等廢棄物的處理問題,同時為當地農民帶來額外收入,具有良好的社會效益和環境效益。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虧損。

  國內現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,直接送人燃煤鍋爐,與煤共同燃燒,帶動蒸汽輪機發電。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電有限公司秸稈摻燒發電項目等。

  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,再通人燃煤鍋爐,帶動蒸汽輪機發電。典型項目有國電長源發電有限公司的10.8MW生物質再燃發電項目等。

  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電技術的現狀,并探討了該技術的發展方向。

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  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,導致結渣現象。同時,堿金屬在高溫下發生升華,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。

  近年來,國內已有多個生物質摻燒發電項目示范及運行。華電國際十里泉發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,并改造了供風系統及相關控制系統,鍋爐原有系統和參數不變考慮到秸稈的熱值低、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。秸稈摻燒的發電成本高于燃煤發電,無直接經濟效益,但具有明顯的社會效益和環保效益。若按最大年消耗10萬噸秸稈計算,可年節約原煤7萬噸,減少CO2排放15萬噸、SO2排放1500噸,并增加當地農民收入3000萬元。

  由于生物質收集成本高、技術不如常規火電成熟,生物質摻燒發電需改造和新增設備,導致生物質摻燒發電成本高于常規火力發電目前生物質摻燒發電項目的經濟性很大程度上依賴于發電補貼政策據報道,寶應協鑫生物質發電有限公司的1#、2樣機組使用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。豐縣鑫源生物質環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,由于不滿足發電的補貼政策要求,混燃發電處于虧損狀態。

  1.2間接摻燒

  生物質接摻燒發電技術首先將生物質氣化,轉化為合成氣后與煤混燃發電這種方式能保持大型機組發電效率高的優點,且對原鍋爐燃燒影響較小。研究表明。在相同發電量基礎上,生物質氣化與煤混燃發電的CO2SO2的生成量比生物質直燃發電的生成量少;機組發電效率和氣化效率的提高可以明顯降低CO2SO2的排放量。生物質與煤間接摻燒具有一定的環保排放優勢。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、高溫腐蝕等現象。

  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14000-18000Nm3h,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。氣化產生的焦油通人鍋爐燃燒,生物質發電利用效率在34%以上,高于現有生物質直燃發電項目。采用高速循環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大型煤粉燃燒發電鍋爐,將生物質燃氣送入鍋爐與煤粉混燒發電,發電能源利用效率遠高于現有生物質直燃電廠的21%-23%發電利用效率,從而實現生物質高效利用并替代部分化石能源。

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  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)生物質破碎系統匹配度不高。具體表現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象,僅使用部分生物質原料,不能有效利用當地其余種類的生物質原料。未來的生物質摻燒發電項目,應根據當地生物質種類,選擇適用的破碎機及輸送設備。

  (2)原料價格高。目前生物質摻燒發電項目中普遍存在原料收購成本高。根據筆者調研結果,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,包括當地生物質種類、價格、運送距離、收集方式、是否有其他企業爭奪生物質資源、農民提供秸稈資源意愿等問題,并結合當地補貼政策,計算對應生物質價格下的摻燒發電成本,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,也可根據生物質灰成分,添加一些其他添加劑,避免結焦結渣現象的發生。一些研究也發現:摻燒生物質會導致飛灰中的K和Cl質量分數升高,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的應用。

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

  根據現有經驗,生物質摻燒項目出現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,可能出現受熱面結焦的現象對此,新建摻燒項目時應根據所摻燒的生物質特性,選用合適的破碎和輸送設備:同時對重點關注當地生物質收購成本:并控制合適的摻配比例。在新建項目時,應廣泛與當地政府溝通,爭取相應的補貼政策。


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