2017年生物质气化耦合燃煤发电技术原理及发展趋势分析

时间：2022-05-20 16:01:57来源：网络整理

赵世伟1、刁润丽2、胡雪梅1、赵伟普3

(1.国家电投集团河南省电力有限公司平顶山发电分公司，河南平顶山467312；2.质量工程职业学院河南食品化工系，平顶山 467001；生物质资源化利用的重要发展方向。根据生物质气化与燃煤发电技术相结合的原理，开展生物质气化与燃煤发电的实际应用。火力发电是生物质能高效、经济的应用途径之一。

生物质能是绿色植物通过光合作用储存的可再生能源。加工残渣、林业加工废弃物和林业生产废弃物都是常见的生物质能源。生物质能是唯一可以可持续运输、储存和使用的可再生能源。难度大，成本低。中国生物质能源储量巨大，分布广泛。 2017年，我国农林生物质发电处理农林废弃物约5400万吨，节约标准煤1200万吨，减少二氧化碳排放3250万吨。理想的气化原料，生物质气化成可燃气体，使生物质能源的利用更加方便、清洁、高效。

1 生物质气化原理与燃煤发电技术结合

1.1生物质气化耦合燃煤发电技术原理

生物质气化结合燃煤发电是通过热化学处理过程将生物质转化为可燃气体。在气化炉中完成。生物质原料经过预处理后，进入气化炉进行加热干燥。随着加热温度的不断升高，原料内部的挥发物开始析出，挥发物和气化介质（空气、空气等）也开始析出。氧气、水蒸气）发生燃烧反应，不断放热并保持不断的干燥、热解和还原反应[1]，氧化反应产生的气体主要含有CO、H2、CH4和CmHn等可燃气体，热值为4~6MJ/Nm3，去除焦油和杂质后得到纯净的可燃气体。气化过程改变了原有生物质的形态，得到高纯度可燃气体，提高了生物质能源转化过程的效率，同时得到碳粉、焦油、木醋液等副产品，可综合回收利用[ 2]。

1.2生物质气化结合燃煤发电工艺及气化炉

生物质气化耦合燃煤发电工艺主要由进料系统、气化反应器（气化炉）、气体净化系统和后续的气体处理系统组成。进料系统包括气化介质供给、生产物料进料及其控制系统，净化系统可去除可燃气体中的固体颗粒、焦油和冷凝水等杂质，后处理系统是转化利用设备，可发电，集中供气和供暖。生物质气化工艺流程见图1。

气化炉是生物质气化结合燃煤发电的核心设备。常见的气化炉有流化床、固定床和承载床，其中以固定床和流化床[3]较为常见。固定床适用于小型气化系统，流化床技术多用于大中型气化系统。

根据固定床炉内气体流动方向的不同，将固定床炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开口式气化炉四种炉型[4]。床层气化炉的工作原理如图2所示。下吸式气化炉结构比较简单，运行稳定。可随时开盖添加物料，可燃焦油杂质含量少。气化炉主要用于发电，目前在中国和印度广泛使用。当气体通过上吸式气化器中的热解层和干燥层时，热量多方向传递，进行物料的热分解和干燥，从而降低了气体本身的温度。这种气化炉结构简单，操作方便。，气化效率高，气体热值高，含尘量低。在卧式吸入气化炉中，空气通过单管进气喷嘴高速吹入，形成高温燃烧区（最高2000t）。该型气化炉生产强度高，适用于难燃生物质物料的气化。生物质原料和空气从敞开式气化炉顶部进入，反应温度沿反应截面均匀分布。由于气固同向流动，有利于焦油的裂解，生物质气体中焦油含量低。生产强度位居多个固定床位之首。

秸秆气化发电原理_秸秆气化技术_秸秆气化原理

流化床气化炉中使用的生物质材料通常含有惰性颗粒。处于“沸腾”状态。流化床气化炉气化反应速度快，效率高。炉内反应温度约为 800 t 且恒定。焦油在流化床中裂解成气体，焦油含量低[5-6]。流化床气化反应易于控制，可在30%～120%的负荷范围内稳定运行。近年来投产的大中型气化系统多采用常压循环流化床。

生物质气化联合燃煤发电炉发电供热向大型化发展，供气应用气化炉向中小型化发展，大型发电规模气化炉可达（10~50)MW，中小型气化炉产气量一般为200~700m3/h，发电规模为（1~2)MW，可为居民提供热源、电力和燃气）。

2生物质气化结合燃煤发电技术的应用

2.1生物质发电技术

生物质发电技术主要包括生物质发电技术。生物质直燃发电、生物质气化发电和生物质耦合燃煤发电技术[7]。生物质直燃发电是利用生物质锅炉燃烧生物质燃料产生蒸汽，蒸汽带动汽轮机带动发电机发电。生物质锅炉的燃烧方式有固定床和流化床两种。

生物质气化发电是在气化炉中利用生物质气化，将可燃气体净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电[8]。生物质气化产生的可燃气体可用于多种发电方式。可燃气体直接燃烧作为蒸汽锅炉的燃料，锅炉产生高温高压蒸汽带动汽轮机发电；生物质气体用于燃气轮机。但燃气轮机需要高压气体才能获得高效率，还需要加压气化炉与之配合。存在粉尘、杂质等污染问题，燃气轮机成本及后续维护成本较高。

生物质耦合燃煤电厂发电是生物质原料在燃煤电厂中的应用，与燃煤电厂共燃发电[9]。生物质与燃煤电厂的耦合燃烧方式有两种：生物质直接发电和燃煤电厂。煤混合燃烧产生蒸汽，带动汽轮机发电；生物质气化产生可燃气体，煤在原锅炉中混合燃烧产生蒸汽，带动汽轮机发电。这种方法只需要给燃煤电厂增加一套生物质。气化炉设备，对原有的锅炉燃烧系统进行了一定的技术改造，增加了燃气燃烧器系统，燃烧生物质气体产生锅炉蒸汽。

2.2生物质气耦合燃煤发电技术方案

生物质原料通过气化系统转化为气体，再与锅炉中的煤粉耦合发电。耦合燃烧发电具有很大的发展潜力。利用现有燃煤电厂的设备，只需对生物质燃料进行适度投资。现阶段，生物质-燃气耦合燃烧是一种低成本、低风险的可再生能源利用方式|9]；充分利用现有分散的燃煤电厂，既能就近取材秸秆气化原理，降低原材料成本，又能适应生物质分布分散、季节性的特点[10]。生物质耦合燃煤发电技术原理如图3所示。

生物质气化炉对不同种类生物质的适应性强锅炉适应多种生物质原料的要求。生物质燃气耦合燃煤发电具有生物质燃料应用范围广的优点。同时，基于生物质气化的耦合燃烧可以避免直燃过程中的燃料加工、燃料输送等一系列问题，也可以解决直燃锅炉遇到的问题。使用生物质气体耦合燃烧可以将煤灰和生物质灰分开，不影响煤灰的组成，提高灰渣的综合利用水平[11]；生物质气耦合燃煤发电该技术可应用于现有不同容量和形式的燃煤电站锅炉，对现有锅炉改造少，运行灵活性高，符合我国国情[12 ].

国际国内经验表明，生物质气结合燃煤发电在技术上是可行的，技术难度低于直燃发电。它不需要对燃煤锅炉系统进行重大调整。它简单易行。元素分析与生物质直燃发电相比，生物质燃气耦合发电具有投资小、建设周期短、原材料价格控制能力强、技术简单等优点。

3 生物质气耦合燃煤发电技术的实施

3.1个生物质气耦合燃煤发电电气化装置

生物质能燃气耦合燃煤发电项目与百万千瓦超超临界燃煤锅炉耦合。生物质气化部分采用常压循环流化床气化炉。预处理后的生物质原料被送至气化炉。完成高效气化（气化后出口温度720~850℃），可燃气体经除尘净化，余热回收降温至400℃左右。经在线检测和测量后，煤气被送入煤气燃烧器和锅炉内的煤粉。进行分段混烧（两台锅炉为母控）。生物质气莱河燃煤发电项目利用原有发电系统，实现高效发电。生物质气化发电部分总装机容量为15MW。项目建成后，玉米秸秆、花生壳等农林生产废弃物年消耗量可达11.1万吨，可节约近3.26万吨标准煤，相应减少燃烧产生的SO2减少约 272 万吨煤炭，减少温室气体 CO2 约 8.420,000 吨。生物质气体组成见表1。

耦合燃煤发电锅炉为东方锅炉厂DG3000/26.15-II1超超临界本生直流锅炉。超超临界参数、固体排渣、单炉、一次再热、平衡通风、露天布置、全钢框架、全悬挂结构、前后壁对冲燃烧的Ⅱ型锅炉。实际燃烧煤的元素分析和工业分析见下表2。

3.2锅体改造内容

根据锅炉厂提供的技改方案，需要对生物质燃气进行混合燃烧燃烧器的改造，燃烧器布置在锅炉现有的二次风箱内，配备二次风，前后墙各层布置，共8层，改造内容：

1)生物质燃气燃烧器8套，包括高能点火器、点火装置、燃气燃烧器和二次风组件；

2)生物质燃气系统、锅炉内生物质点火系统布置，包括管道、阀门、紧固件及控制设备等；

3)水冷壁（水冷壁弯头组件及配管等）；

< @4)辅助系统（刚性梁、支吊架、楼梯平台自动扶梯等）。

4生物质气耦合燃煤发电对燃煤锅炉运行的影响

4.1与燃煤锅炉系统的相关性和安全性

生物质气通过燃气总管送入锅炉。每台燃气燃烧器均配有火焰监测和配气控制系统，并具有独立的自动切断阀；该系统配备温度、压力、流量和气体成分监测装置。并配备自动切断阀、紧急放空和安全更换等装置，在发生紧急情况时，气化系统的SIS（安全仪表系统）系统优先于DCS系统执行安全保护动作，完全将气化装置与锅炉隔离，并执行顺序控制，完成放空和更换程序，同时向锅炉控制系统发出保护信号，及时调整工况；系统配备DCS和SIS系统，应对电站锅炉突发事故（如锅炉MFT后，气化装置以电站为基础的一系列自动停机、隔离、放空和更换动作）信号产生的系统）确保锅炉和气化装置的安全。

4.2 燃煤锅炉污染物排放的影响

生物质气输入能量约占燃煤热当量的3%。排放的影响主要包括以下几点：

1)生物质原料硫含量低于同等煤粉，进炉总硫含量低于投入量。减少了煤粉，相应减少了下游脱硫工作量；

2)生物质气是还原性气体，耦合燃烧可以减少燃煤燃料产生的NOx和SOx的量。可大量减少燃煤产生的NOx，可进一步减少NOx排放；随着生物质气体耦合燃烧当量的增加，降低NOx排放的效果逐渐变好。据估计，3% 的耦合燃烧当量可以减少 5% 到 15% 的 NOx 排放。 %。

4.3 锅炉排烟温度的影响

随着生物质气体耦合燃烧当量的增加，炉膛出口烟气温度相应升高。主燃烧器区所需燃料量减少，耦合燃烧区喷入的生物质气体增加了火焰中心的位置，延缓了主燃料的燃烧，炉出口烟道温度随温度升高而升高。增加耦合燃烧当量。，锅炉排烟温度升高5~10，导致锅炉热效率降低约0.5%。

4.4 锅炉烟气量和主蒸汽温度的影响

生物质气的热值低于燃煤，生物质气耦合燃烧产生的烟气量增加，生物质气输入3%的燃煤热当量通过热计算导致烟气体积增加0.5%。原为供引风机设计的燃煤锅炉出力仍能满足运行要求。需要。当燃煤锅炉烟气量增加0.5%时，对主蒸汽温度的影响几乎可以忽略不计，对主蒸汽减温水量的影响也很大。小的。原设计的减温水系统仍能满足运行要求。

5结论

1)通过增加生物质气化系统，实现生物质气与煤的耦合燃烧，充分利用现有分散的燃煤电厂，就近用材秸秆气化原理，降低原材料成本不仅大规模处理农林剩余的生物质资源，有效解决农作物秸秆在田间浪费和直接燃烧造成的环境污染和资源浪费问题，解决了还田带来的一系列土壤问题。稻草到外地。可以给当地农民带来一定的收益，符合我国国情。

2)生物质气耦合燃煤发电技术依托燃煤电厂的高效环保设施，实现超低排放，实现低成本、无害化、高效利用秸秆等生物质资源，并具有发电能力。高效、环保效果好、社会效益显着的突出优势，有效发挥了生物质能源的价值。

3)生物质气耦合燃煤后锅炉污染物NOx和SOx排放量下降，锅炉烟气量略有增加，烟气温度升高，锅炉效率提高建议控制生物质气热输入低于 5%。

<@4)生物质气具有良好的点火特性，一定量的生物质气输入燃煤锅炉有利于锅炉低负荷稳定燃烧，提高锅炉运行的可靠性。

参考资料：

[1] 杨坤。基于生物质气化的冷热电联供系统研究[D].保定：华北电力大学，2014：2 -9.

[2] 曾国奎，于东波。生物质气化多联产技术应用研究[J]．节能环保, 2014(05): 66-6 8.

秸秆气化原理_秸秆气化技术_秸秆气化发电原理