(1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710054;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)
[摘要]為提高風能、太陽能等可再生能源的消納能力，提升火電機組的運行靈活性顯得尤為重要，而利用生物質(zhì)與燃煤機組進行耦合發(fā)電是改善機組燃料靈活性的重要途徑。本文介紹了目前生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電方案的特點，對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電提升燃煤機組靈活性的技術(shù)可行性進行了分析，并以某330MW機組建設(shè)20MW生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項目為例，分析了生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電對燃煤機組鍋爐效率、受熱面安全、催化劑性能和煙氣脫硫系統(tǒng)等的影響。結(jié)果表明：少量摻燒生物質(zhì)氣后鍋爐效率有所下降，煙氣量略有增加，但原鍋爐的煙風系統(tǒng)和減溫水系統(tǒng)仍能滿足需求;對受熱面的腐蝕和煙氣脫硫系統(tǒng)影響較小;進入鍋爐中的K含量增加較為明顯，對催化劑的活性會造成不良影響。建議根據(jù)生物質(zhì)堿金屬量將生物質(zhì)的熱量輸入比例控制在10%以下。
為提高風能、太陽能等可再生能源的消納能力，提升火電機組的運行靈活性已經(jīng)迫在眉睫。國家能源局于2016年連續(xù)召開會議并發(fā)文，對開展火電機組靈活性改造提出了明確要求，計劃“十三五”期間我國實施2.2億kW燃煤機組的靈活性改造，使機組具備深度調(diào)峰能力，并進一步增加負荷響應(yīng)速率，部分機組具備快速啟停調(diào)峰能力[1-2]。與生物質(zhì)直燃發(fā)電相比，生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電既可以根據(jù)生物質(zhì)的季節(jié)性實現(xiàn)燃料種類的靈活，又可以根據(jù)生物質(zhì)的價格實現(xiàn)燃料比例的靈活，是實現(xiàn)火電機組燃料靈活性的重要途徑。此外，國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》規(guī)定，到2020年，大型發(fā)電集團每度供電CO2排放控制在550g以內(nèi)。生物質(zhì)燃料的“零碳排放”特性能降低燃煤發(fā)電機組的CO2排放，對發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)CO2減排具有重要意義。
本文介紹了目前生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電方案的特點，對生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)可行性進行了討論，分析了生物質(zhì)氣化后與燃煤機組耦合發(fā)電對機組各方面的影響，為推進生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電提升燃煤機組靈活性提供了依據(jù)。
1生物質(zhì)來源及特點
廣義的生物質(zhì)是指通過光合作用形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物等。生物質(zhì)按原料來源可分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物(玉米桿、麥草、水稻秸稈)、薪材和柴草、農(nóng)林加工廢棄物(木屑、稻殼和果殼)、人畜糞便和生活垃圾、工業(yè)有機廢水/廢渣和能源植物;按照形態(tài)可分為草、木、樹、皮、泥，其特點見表1。
2生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電方式
按照生物質(zhì)與原煤燃燒時的混合形式，生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電方式可分為直接混燃、間接混燃和并聯(lián)混燃3類[3]。
1)直接混燃指生物質(zhì)和燃煤在同一個鍋爐燃燒，主要分為生物質(zhì)和燃煤采用共同燃料制備/燃燒系統(tǒng)以及設(shè)置獨立的生物質(zhì)處理/燃燒系統(tǒng)2類。直接混燃對已有機組系統(tǒng)改動較小，投資相對較小;但如果生物質(zhì)與原煤的差異較大，容易出現(xiàn)飛灰可燃物升高、爐內(nèi)結(jié)渣等問題;如果生物質(zhì)的摻混比例過高，燃燒后的灰渣利用也會受到影響。
2)間接混燃指生物質(zhì)先進行氣化或燃燒，產(chǎn)生的燃氣或者煙氣進入鍋爐以利用其熱量。間接混燃可分為生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生燃氣和在前置燃燒室中燃燒產(chǎn)生煙氣2種。間接混燃不僅減小了生物質(zhì)對轉(zhuǎn)化過程和設(shè)備的影響，還能降低對生物質(zhì)質(zhì)量的要求，擴大混燃的生物質(zhì)范圍，產(chǎn)生的生物質(zhì)灰和煤灰分離，也有利于灰渣的綜合利用。間接混燃需要額外的氣化爐和前置處理裝置，投資成本較高。
3)并聯(lián)混燃指生物質(zhì)和燃煤分別在各自獨立的系統(tǒng)中完成燃料處理和燃燒，產(chǎn)生的蒸汽進入同一汽輪機系統(tǒng)發(fā)電。由于并聯(lián)混燃中生物質(zhì)和燃煤是在獨立的系統(tǒng)中進行，因此可以針對不同燃料的特點選擇適應(yīng)性更強的燃燒系統(tǒng)并進行優(yōu)化。并聯(lián)混燃產(chǎn)生的生物質(zhì)灰和煤灰也是分離的，有利于灰渣的綜合利用。并聯(lián)混燃的優(yōu)點是生物質(zhì)的混燃比例不受燃煤鍋爐的影響，僅受汽輪機出力的限制;但缺點是對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造成本較高。
生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電技術(shù)方案的比較見表2。從表2可以看出：對于直接混燃耦合發(fā)電，雖然投資成本較低，但實現(xiàn)準確且不受人為因素影響的科學計量較困難;對于并聯(lián)混燃耦合發(fā)電，投資成本較高且系統(tǒng)更復(fù)雜;以生物質(zhì)氣化為代表的間接混燃耦合發(fā)電，既能實現(xiàn)高效發(fā)電，又對已有燃煤鍋爐的影響較小，易于實現(xiàn)對進入鍋爐生物質(zhì)氣的計量和監(jiān)管，是目前適應(yīng)我國國情的生物質(zhì)與燃煤機組耦合發(fā)電技術(shù)。
3生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電提升燃煤機組靈活性的技術(shù)可行性
采用空氣作為氣化劑的生物質(zhì)氣(體積分數(shù)，下同)主要以CO(15%~25%)、CH4(1%~10%)、H2(4%~14%)、N2(45%~60%)、CO2(7%~16%)和H2O(10%~20%)為主，熱值在4~6MJ/m3，與高爐煤氣接近，屬于典型的低熱值氣體。
生物質(zhì)氣中的可燃組分為H2、CO、CH4等易燃氣體，H2的著火溫度在510~590℃，CO的著火溫度在610~658℃，CH4的著火溫度在537~750℃，均低于煤粉氣流中煤粉顆粒的著火溫度(煙煤約650~840℃)。只要鍋爐爐膛溫度維持在煤粉著火溫度以上，生物質(zhì)氣就可順利著火。因此，利用生物質(zhì)氣的易著火性降低機組的不投油最低穩(wěn)燃負荷，達到提升機組靈活性的目的是完全可行的。
生物質(zhì)氣燃燒時可采用直流燃燒器和旋流燃燒器。直流燃燒器可以采用開縫鈍體縫隙式結(jié)構(gòu)提高其穩(wěn)燃性能;旋流燃燒器可采用多槍進氣式結(jié)構(gòu)改善燃氣與空氣的混合程度，進一步改善其穩(wěn)燃性能。旋流燃燒器可針對生物質(zhì)氣組分的變化進行針對性調(diào)節(jié)，對生物質(zhì)原料變化導(dǎo)致的氣體熱值波動情況具有更好的適應(yīng)性，更適用于機組頻繁調(diào)峰的情況。
4生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電對機組的影響
以某330MW機組建設(shè)20MW機組生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電項目為例，其中1、2號機組鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，型號為HG-1100/17.5-HM35，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表3，設(shè)計煤質(zhì)和生物質(zhì)參數(shù)以及生物質(zhì)氣參數(shù)分別見表4和表5。
4.1摻燒生物質(zhì)氣對鍋爐熱效率的影響
不同負荷下?lián)綗镔|(zhì)氣前后的熱力校核計算結(jié)果見表6。計算時假定摻燒生物質(zhì)氣不影響煤粉的燃盡，鍋爐原煤部分的固體未燃盡損失保持不變;生物質(zhì)氣完全燃燒，化學未燃盡損失取鍋爐原設(shè)計值。由表6可見：不同負荷下?lián)綗镔|(zhì)氣后的排煙溫度均有上升，導(dǎo)致鍋爐熱效率有不同程度的下降;由于生物質(zhì)氣的熱值較低，因此摻燒生物質(zhì)氣后的煙氣量有所增加，例如在330MW下煙氣量從1399.4t/h增加至1410.4t/h，增加了0.8%，原有的引風機仍能夠滿足需求;另由于生物質(zhì)氣的摻入量較小，煙氣量變化不大，對減溫水量的影響也很小，原有減溫水系統(tǒng)仍能滿足摻燒后的需求。
因此，摻燒生物質(zhì)氣的量要依據(jù)生物質(zhì)原材料的價格和當?shù)鼗痣姍C組調(diào)峰的電價補貼綜合考慮。
4.2生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中的Na、K及Cl遷徙規(guī)律
Zhao等人[4]的研究結(jié)果表明，稻桿中的K主要以有機鉀和無機鉀的形式存在，無機鉀主要以KCl的形式存在。在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，有機鉀和KCl的釋放量都隨溫度的升高而增大。Long等人[5]在石英固定床反應(yīng)器的試驗結(jié)果表明，生物質(zhì)在熱解過程中堿金屬的釋放率為53%~76%，堿土金屬的釋放率為27%~40%。Hirohata等人[6]研究木屑在水蒸氣中氣化時發(fā)現(xiàn)大約65%的K、36%的Na、66%的Ca、80%的Mg以水溶性和非水溶性形式析出。
根據(jù)電廠提供的生物質(zhì)原料和原煤的灰成分分析，計算出330MW下?lián)綗镔|(zhì)氣前后進入鍋爐的Na、K及Cl量見表7。
4.3摻燒生物質(zhì)氣對機組受熱面安全性的影響
研究結(jié)果表明，生物質(zhì)與煤直接混燒的推薦比例為5%～15%。在此范圍內(nèi)，生物質(zhì)對燃燒設(shè)備的沉積和腐蝕的影響處于可控范圍。Andersen等人[7]和Wieck-Hanse等人[8]對混燒秸稈燃煤鍋爐現(xiàn)場測試結(jié)果表明，混燒10%(以熱量計)秸稈時，腐蝕速率和煤燃燒腐蝕速率一樣，在較低的水平(2nm/h)，幾乎無Cl引起的腐蝕，腐蝕性物質(zhì)主要為灰中的K2SO4。
摻燒生物質(zhì)氣鍋爐受熱面產(chǎn)生的高溫腐蝕主要有：
1)堿金屬高溫硫腐蝕指煙氣中所含堿金屬的硫酸鹽以液態(tài)形式在高溫受熱面上沉積所造成的金屬表面腐蝕。由表7的計算結(jié)果可以看出，由于氣化后生物質(zhì)中的堿金屬有一部分留存在灰渣中，同時生物質(zhì)氣替代了部分燃煤量，鍋爐消耗的燃煤量減少，進入鍋爐的Na、K總量從摻燒前的1.838t/h降低至1.814t/h。因此，只要生物質(zhì)氣進入鍋爐時與原有燃燒系統(tǒng)風煙混合良好，少量摻燒生物質(zhì)氣不會導(dǎo)致鍋爐受熱面高溫腐蝕加劇。
2)受熱面Cl腐蝕由于生物質(zhì)氣中的Cl含量較高，會在燃燒過程中生成Cl2和HCl，直接穿過覆蓋在金屬表面的氧化保護膜，與管道內(nèi)部的金屬合金反應(yīng)生成易揮發(fā)的金屬氯化物。一部分氯化物將被煙氣中的O2氧化，生成疏松的氧化膜，同時再次釋放HCl和Cl2[9]。HCl和Cl2可以繼續(xù)透過疏松的氧化膜與內(nèi)部金屬反應(yīng)，形成惡性循環(huán)[10]。整個過程中Cl無任何消耗，因此一旦發(fā)生Cl腐蝕，金屬減薄的速度非常快。如河北邢臺威縣生物質(zhì)電廠2號鍋爐于2007年4月10日投運，僅累計運行約3500h后，過熱器管束就因為Cl腐蝕而發(fā)生爆管泄漏事故。從表7的計算結(jié)果看，由于本項目生物質(zhì)氣中的Cl質(zhì)量分數(shù)低于原煤，摻燒生物質(zhì)氣后進入鍋爐的Cl氣相總量從摻燒前的0.1094t/h降低至0.1057t/h。因此，只要生物質(zhì)氣與原有燃燒系統(tǒng)風煙混合良好，少量摻燒生物質(zhì)氣不會導(dǎo)致鍋爐受熱面高溫腐蝕加劇。
4.4摻燒生物質(zhì)氣對催化劑性能的影響
堿金屬對催化劑的脫硝活性有很強的抑制作用，煙氣中堿金屬在催化劑表面不斷發(fā)生富集將導(dǎo)致催化劑完全失活。對于堿金屬如何影響催化劑的脫硝活性，目前雖然沒有得出十分明確的影響機理，但已有的研究結(jié)果表明堿金屬主要通過影響催化劑的結(jié)構(gòu)、表面酸性和改變催化劑表面氧的類型和分布3種途徑導(dǎo)致催化劑失活。
丹麥Studstrup電廠的運行經(jīng)驗[11]表明，混燃20%(以熱量計)稻草后，采用高塵布置方案(SCR反應(yīng)器置于省煤器與空氣預(yù)熱器之間)的催化劑每1000h催化劑活性降低8%，采用低塵布置方案(SCR反應(yīng)器置于除塵器后)的催化劑每1000h催化劑活性降低5.3%。從表7的計算結(jié)果看，雖然進入鍋爐的Na和K總量從摻燒前的1.838t/h降低至1.814t/h，但進入鍋爐的K總量從摻燒前的0.2145t/h增加至0.2761t/h，增加了28.73%?？傮w而言，仍處于較低水平。
4.5摻燒生物質(zhì)氣對煙氣脫硫系統(tǒng)的影響
1)SO2的總生成量降低由于生物質(zhì)氣替代了一部分燃煤，且生物質(zhì)氣中幾乎不含硫組分，因此摻燒生物質(zhì)氣后煙氣中SO2總生成量會隨之降低。
2)影響石灰石脫硫反應(yīng)石灰石參與反應(yīng)的程度決定了煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)SO2脫除率的大小，直接摻燒生物質(zhì)后生成的微細顆粒物進入FGD系統(tǒng)會抑制漿液中石灰石的溶解度和活性。雖然試驗結(jié)果顯示稻草灰對生石灰的活性負面影響較大，但從國外秸稈直燃項目的運行經(jīng)驗來看，并未發(fā)現(xiàn)FGD系統(tǒng)脫硫效率受到稻草灰的明顯影響。生物質(zhì)氣化經(jīng)旋風除塵后，含灰量一般低于30mg/m3，因而對于FGD系統(tǒng)幾乎沒有影響。
3)對石膏品質(zhì)的影響由于生物質(zhì)氣化后，部分Cl-會以氣相的形式進入煙氣中，最終進入FGD系統(tǒng)生成石膏。從芬蘭Naantali-3電廠[12]的實際運行情況來看，直接摻燒鋸末后FGD系統(tǒng)產(chǎn)生的石膏質(zhì)量相對穩(wěn)定，石膏中的Cl-含量要低于純?nèi)济旱腃l-含量。對生物質(zhì)氣化項目而言，由于部分Cl-殘留在灰中，因此對石膏品質(zhì)的影響也很小。
5結(jié)論
1)以生物質(zhì)氣化為代表的生物質(zhì)間接混燃耦合發(fā)電技術(shù)既能實現(xiàn)高效發(fā)電，又對已有燃煤鍋爐的影響較小，特別是易于對進入鍋爐生物質(zhì)氣進行計量和監(jiān)管，更適應(yīng)我國國情。
2)生物質(zhì)氣的良好著火特性完全可以達到降低機組不投油最低穩(wěn)燃負荷，提高機組靈活性的目的，燃燒設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇適應(yīng)性和穩(wěn)燃性能好的旋流燃燒器。
3)少量摻燒生物質(zhì)氣后鍋爐效率會有所下降，煙氣量略有增加，但原鍋爐的煙風系統(tǒng)和減溫水系統(tǒng)仍能滿足摻燒后的出力需求。
4)少量摻燒生物質(zhì)氣后，進入鍋爐的堿金屬和Cl總量變化不大，對鍋爐受熱面的腐蝕和FGD系統(tǒng)影響較小;但進入鍋爐中的K含量增加較明顯，可能會對催化加的活性造成不良影響。建議根據(jù)生物質(zhì)堿金屬量將生物質(zhì)的熱量輸入比例控制在10%以下。目前國內(nèi)摻燒生物質(zhì)氣的工程不多，需要在具體項目運行時加以關(guān)注。
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