張守軍：生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電技術路線

摘要：針對生物質難以在大型火力電站應用問題，採取了迴圈流化床氣化方式與大型燃煤電站進行耦合高效發電的方法，進行了物質和能量平衡計算和迴圈流化床內流場組織，開發了系列迴圈流化床氣化裝置，效果是實現了生物質在大型燃煤機組內穩定的耦合發電，結論是生物質轉化為電能的效率可超過37%，遠高於現有的生物質直燃發電，並可獲得生物質電價補貼，具有良好的經濟、環境和社會效益。

關鍵字：生物質，氣化，耦合發電，燃煤電站，迴圈流化床

1前言

生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電技術是指：生物質在迴圈流化床氣化爐中完成高效氣化，

產生燃氣經過淨化系統除塵後，以熱燃氣的方式直接送入大型燃煤電站鍋爐，與煤粉進行混燒，利用原有發電系統實現高效發電的技術。該技術提供了一種經濟有效的方法，利用大型燃煤電站機組的高參數，將生物質高效轉化為電能，實現生物質的有效利用，以緩解能源危機和溫室氣體污染問題。該技術在國內由合肥德博生物能源科技有限公司首次提出，並進行了大量的技術開發和推廣應用。

2技術原理

從工業分析的角度，生物質由可燃組分和灰分組成，氣化反應是將生物質中的可燃組分析出轉化為燃氣，部分燃氣與空氣（氧氣）反應提供熱量用以維繫氣化反應進程，

反應產生的煙氣與燃氣混合成為高溫燃氣的過程，其反應機理如圖1所示。

生物質迴圈流化床氣化技術是一種新型的氣化技術（圖2）。生物質在床料的輔助流化作用下，在爐內經歷聚集、沉降、吹散、上升再聚集的物理衍變過程；迴圈床中氣體、生物質、床料發生劇烈的傳熱傳質和接觸反應，

形成爐內迴圈。同時氣體對生物質和床料的微小顆粒實現快速夾帶，經過旋風分離器分離出殘留可燃組分和床料，由回料裝置送回反應區，形成了爐外的物料迴圈。氣化爐內外兩種迴圈平衡的建立，保證反應進程穩定，是迴圈流化床氣化技術的核心。

生物質在迴圈流化床氣化爐中完成高效氣化，產生燃氣經過淨化系統除塵後，以熱燃氣的方式直接送入大型燃煤電站鍋爐，與煤粉進行混燒，利用原有發電系統實現高效發電的技術。

圖3生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電技術路線簡圖

3氣化的開發應用

3.1 平衡計算確定系統參數

迴圈流化床的平衡計算主要包括：物料品質平衡和能量平衡兩大部分。

在物料品質平衡中，主要包括碳平衡、氫平衡、氮平衡、硫平衡和灰平衡的計算。通過平衡計算，結合吉布斯自由能最小原理，實現對包括燃氣熱值、成分產氣量等相關參數理論推算。

3.2 流場組織

流場組織是迴圈流化床氣化爐運行穩定的基石，流場主要包括三大部分：流化流場、分離流場和回送流場。三大流場分別對應迴圈流化床提升管部位、旋風分離器部位和返料部位的流場。流化流場、分離流場和回送流場相互作用，保證物料在迴圈流化床內的穩定流動，同時，保證物料在迴圈流化床氣化爐內的停留時間，實現生物質的充分氣化，達到最優氣化效率。

3.3 系列迴圈流化床氣化爐

合肥德博公司在迴圈流化床氣化爐方面已經進行了多年研究，擁有豐富的研發經驗，開發並建設運行了多套生物質處理量在8~8000kg/h的迴圈流化床氣化爐，並針對不同的生物質原料（稻殼、稻杆、玉米秸稈、棉杆以及果殼、木屑等）進行過適應性試驗和研究；目前已完成生物質處理量在30t/h以下迴圈流化床氣化爐開發與設計。

4工程項目

4.1 已有在建項目

已有生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電專案為國電專案，該專案為生物質處理量8~10t/h迴圈流化床氣化爐，應用在600MW火電機組，年消耗生物品質在5萬噸左右，位於湖北省荊門市國電長源熱電廠內，從2012年11月投入商業運行以來，一直保持穩定運營，年盈利一千多萬元。

圖4 國電荊門項目

湖北華電襄陽電廠15MW級迴圈流化床氣化耦合發電裝置，應用在600MW機組發電。預計2017年年底投產。

4.2 生物質發電計算方式

生物質發電量=（燃氣熱值＋燃氣顯熱）×燃氣流量×電站發電效率

其中，燃氣顯熱=燃氣入鍋爐前溫度×燃氣比熱。

為了便於省經信委審查，在原料輸送上方安裝原料輸送上方安裝高清晰硬碟攝像頭，一季度一備存，每個硬碟保存3年，或採用網路視頻方式進行即時傳送。

4.3 生物質電價的獲取

生物質電價的獲取關乎企業的盈利程度，生物質電價價的獲取步驟如圖4.1所示。

圖5補貼電價獲取流程圖

4.4效益分析

建設一套生物質處理量為19t/h的生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電系統，總的投資在14000萬元左右，年消耗生物品質約13.4萬噸，年售電收入約10500萬元，年利潤1610萬元，資本回收期為8.7年，效益良好，經濟效益如表5.1所示。

表1 經濟效益分析一覽表

專案

單位

數值

備註

專案總投資

萬元

14000

生物質採購費用

萬元/年

6030

以秸稈為例：秸稈入爐價格450元/t

稅費

萬元

840

綜合稅率按照銷售額8%計算

維護費及折舊

萬元

860

按照20年折舊

電費、水費

萬元

630

自耗電率8%

人員及其他費用

萬元

530

總支出

萬元

8890

上網電量

Kw.h

14000萬

年運行7000小時

電力年收入

萬元

10500

0.75元/kw.h

效益

萬元

1610

投資回收期

年

8.7

包括建設期1年，未計算銀行利息

我國燃煤火電機組中可再生能源電力配額對於總裝機容量超過500萬千瓦的發電企業，可再生能源發電比例要達到11%，總發電量要達到6.5%。這就要求大型發電企業必須建設可再生能源項目。大型電力公司傳統方式是單獨建設生物質直燃電廠，其發電效率較低，在生物質收購環節競爭形勢嚴峻。而採用生物質氣化與大型燃煤電站耦合高效發電系統，可以説明大型電力企業利用現有高效燃煤機組將其中的部分發電容量轉化為高效生物質發電，可以確立大型電力機組在整個生物質發電行業的競爭優勢，這對大型電力企業具有重要意義。

該技術既解決了生物質焚燒的問題，有利於實現農民增收。利用生物質制取高品質能源，取代動力用煤，可減小二氧化碳排放。與燃煤相比較，生物質在利用過程中很少產生諸如氮氧化物和二氧化硫等大氣污染物，從長遠觀點來看，利用可再生的生物質資源，有利於節約化石能源，改善能源結構，保護生態環境，對今後人類的長遠發展和生存環境具有重要意義。

4.5與現有技術比較

與生物質直燃發電相比，生物質氣化耦合發電是現有生物質直燃電廠的投資規模和運行成本的1/2倍左右。並避免了直燃鍋爐在運行過程中鹼金屬腐蝕問題，年執行時間≥7500h，避免了生物質原料隨季節波動較大和生物質成本難以控制的問題。

5結論

1.生物質燃氣加入鍋爐系統後燃氣的高效燃燒形成了高溫區，有利於煤粉徹底燃燼，煤電系統保持高效率，同時生物質轉化為電能的效率可超過37%，高於現有的生物質直燃發電（22~30%）。

2.生物質氣化發電部分可以通過監測燃氣流量、溫度和燃氣成分等參數單獨計量，電量和電網企業進行單獨結算，目前該方式已經通過了國家發改委確認，能夠完全享受生物質電價補貼。

3.建設生物質氣化耦合發電廠，建設和投資成本為現有直燃發電的1/2左右，8年左右時間即可回收成本，並具有良好的社會和環境效益。

作者簡介氣化的開發應用

張守軍，安徽金寨人，1972年出生，高級工程師，合肥德博生物質能源科技有限公司董事長，主要從事生物質氣化技術的開發和應用。