大型火电耦合生物质气化发电技术方案

杨春琳

（江苏省节能工程设计研究院有限公司，江苏 南京 211100）

目前，传统的生物质能发电系统多采取直燃方式，其缺陷在于发电效率不高，设备维护费用高。如充分利用生物质气化技术，通过改造现有的大型火电厂，耦合运行，将具有操作简便、成本低等优势，并且占地面积较小，有效提高综合发电效率，本文就对此问题进行了具体分析。

1 主要工艺设备

在生物质气化过程中所采用的工艺设备主要包括以下几个模块。

（1）CFB循环流化床气化炉。作为气化剂的空气被鼓风机推动，由气化炉底部的布风板进入气化炉，吹动炉内炙热的床料（合适粒径的河砂或炉渣）以沸腾状态运动。燃料由气化炉下部加入，在高温状态的床料加热的作用下，与空气完成气化反应，产生的燃气（燃气）与循环灰一起在气化炉顶部进入旋风分离器，经过气固分离后，燃气离开气化炉，循环灰和一部份未反应的碳由料腿落下，通过返料器进入炉膛继续反应。由于采用了循环流化的方式，燃料在炉内的停留时间长约为6s左右，可以在较低的温度下实现生物质的转化。采用先进的循环流化床技术，通过热化学转换过程，将品种繁多、理化特性各异的燃料转化为可燃气体。

（2）合成气降温与净化系统。核心设备为换热器，始终处于高压状态，能够快速降低合成气的温度，换热介质选择导热油，回收的热量可用于加热入口空气和合成气二次加热。减温后的合成气依次经过除尘、脱酸和其它必要的有害物质吸收、吸附工艺。

（3）加压输送系统。温度约处于400℃左右，能够满足加压风机的运行要求。燃气进入炉膛前，必须进行稳压处理，并采取止回流措施，最后借助歧管促使燃气顺利在炉膛内燃烧，歧管应安装止回阀。

（4）耦合燃烧器，可采用旋流结构，在设计时需要将主要工况下的燃气量作为依据。

2 技术方案

本文以600MW燃煤锅炉改造耦合1×30MW的生物质气化发电为例进行分析，并采用静电除尘、脱酸等一系列的设备脱除污染物，并将生物质气化后的合成气送入燃煤锅炉进行再燃，还原主燃区产生的氮氧化物，降低SCR烟气脱硝负荷，有效控制污染物的排放量。

生物质气化采用循环流化床气化技术，气化介质和生物质通过热化学反应生成CO、H2及少量碳氢化合物合成气。生物质气化装置将产生的合成气作为燃料送入燃煤锅炉与煤粉一起燃烧发电。

生物质气化发电工艺流程短，无需再配备汽轮机、发电机、电网输出及烟气净化系统等设备，改造投资成本低、人员配置数量少、占地面积小。

相比常压、空气生物质气化方案，加压、富氧技术尽管投资略高，但加压、富氧气化对生物质的适应性更加灵活多变，能够扩大原料的应用范围，并且可以应用于较大规模，使得气化效率在原有基础上明显有所提高，同时也能够有效保障锅炉运行的安全性，并且加压、富氧气化无需配置引风机，且管径较小，及时处理了安全隐患。

3 制气系统

（1）生物质的储存系统。称取仓库中原料的重量并进行取样分析，在明确水分含量及热值后加以记录，并进行存储。在具体生产的过程中，需要用到装载机、抓斗等多种装置。通过这些装置实现生物质的转移，使其能够顺利进入振动筛中。在此过程中，还需要过滤生物质料，确保用于生产的均是合格材料，最后需要将合格材料送入加压进料系统中，最终的储存位置是常压料仓，在此过程中所利用的设备是输送机和皮带。

（2）加压进料。料仓中的生物质料需要经过阀门，最终储存于锁斗中，并确保锁斗被装满，之后对锁斗进行充压处理，充压气体为氮气，加压后必须确保锁斗内的压强能够达到0.3MPa，之后再将生物质料通过加压的方式送入料仓中。在此过程中，需要利用下料装置加以处理，并通过螺旋输送机将燃料转移至气化炉内，直到锁斗将所有的原料全部卸完，并回归常压状态，之后再次进料并冲压，采取同样的方式输送物料，并持续进行循环处理，直至所有的物料均已完成输送。

（3）生物质气化。在整个气化系统中，气化炉的作用十分关键，其所选择的炉型为循环流化床，能够将生物质燃料顺利输送至炉膛反应区，在此过程中是通过加压实现物料的输送。同时，装置底部的空气和氧气同样能够进入炉膛内，两者所发挥的是气化剂的作用，之后就可在炉膛内混合并反应，转变为流化状态。此外，通常情况下气化温度高于700℃且低于980℃，压力则介于0.1~0.3MPa之间，并且高温床的传热及传质效果十分显著，能够进一步加快反应速率，最终所生成的物质包括一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷、水、氮气及含有焦油且温度较高的合成气。

生物质原料中通常会含有一定量的灰分，这就使得气化时不可避免地会产生灰渣。灰渣有两个排出途径，一是从炉底排出并冷却，最终储存于贮存系统中。二是从燃气中分离，所利用的设备是分离器，之后又会从分离器底部排出，最终的存储位置同样是贮存系统。合成气与灰渣相反，其排出位置是分离器的顶部，最终会进入耦合的煤粉锅炉中。

（4）热量回收。气化炉产生的合成气温度较高，通常情况下均高达900℃。为了能够有效进行除尘、脱除有害物质和增压，同时降低输送设备材质的等级要求，减小设备体积，降低投资成本，需要预先降低合成气温度。此外，合成气必须在换热器中快速释放热量，最终的温度要求为400℃，确保焦油不会凝析。回收的热量可用于加热入口空气和合成气二次加热。

（5）合成气输送、燃烧。处理后，合成气的气体流量、温度及压力分别是5×104Nm3/h、400℃和0.2MPa。流量的计算可以用锅炉热量作为依据，之后在燃烧器中燃烧定量的合成气，并通过再燃顺利进行发电。需设置必要的合成气缓冲、贮存系统，如在发电过程中出现突发事故，要切断与气化系统之间的联系，顺利实现合成气的转移和安全保护。此后根据保护程序，启动氮气置换和吹扫程序。

（6）经济效益。如果年发电量维持不变，在耦合后每年所节省的煤总量为7.5万t，二氧化硫、烟尘、氮化物及二氧化碳的排放量分别可在原有基础上减少29.48t /a、14.18 t/a、63.77 t/a、12.33 万 t/a。生物质气发电量约为15万MW，如果每千瓦时的电量为0.75元，采用此种发电方式每年可帮助火电厂获取11250万元的收入。

在配置气化炉系统的过程中，需要投资1.9亿元，收益为7%，用电及原料费用约为6000万元，由此就可计算出年费用，计算时可直接采用公式（1）。

其中A、P、R、I分别指的是年费用、系统投资金额、维护费用、收益率，n取20年即可。R、P分别为6000万和19000万，成本回收需要花费5年的时间，之后就可长期稳定获利，因此采用此种发电技术能够产生良好的经济效益，帮助火电厂积累更多的资金，对于扩大火电厂的规模及实现火电厂的长远发展具有重要作用。

4 存在的问题及改进方法

气化耦合发电对锅炉改造的程度较小，可节约投资成本。主要存在的问题在于原材料来源不稳定，并且材料质量难以达标，因此当前需要在此方面进行优化，可建设下游企业，并在材料入场前进行检测与压缩处理。此外，还应完善此方面的规范标准，提出明确的生产技术与方法，并且应对材料中转、运输、搬运、存储等多个环节加强管理，制定好防雨与防火措施，有效提高火力发电厂的管理效率，只有这样才能促使耦合发电技术充分发挥其作用。

5 结语

总之，目前各地区的环境污染较为严重，已经成为国家重点关注的问题，这就使得环保要求逐步提高，在这种状况下必须优化能源结构，有效控制污染物的排放量，要想达到此目的，就必须高效利用生物质能，实现气化耦合发电。这种发电机方式能够有效提高火电厂的经济效益，并且投资性价比更加合理，因此可加以推广。本文就对此问题进行了深入探究。