生物质发电量的计量方案

张伶

(湖北省缘达化工工程有限公司，湖北 武汉 430070)

中国是农业大国，农作物秸秆量约为7×108t/a，居世界首位。随着经济的发展，作为可再生的生物质能源受到高度重视，目前，生物质工业化利用主要方式为直燃发电和利用工业锅炉燃烧供热，虽然国内生物质直燃发电已取得长足的发展，但排渣含碳量过高，生物质能转换效率不高，制约了生物质发电的发展，生物质气化混燃发电技术是一种高效利用生物质发电的方法。

生物质气化混燃发电是将生物质在气化装置中气化，产生的可燃气体通过管道送至电站锅炉燃烧室与煤混合燃烧的发电技术。它利用了现有大型发电机组的高效性，能提高生物质能转化为电能的效率，气化产生的还原性气体进入电站锅炉再燃区，会对氮氧化物等氧化性气体污染物起到还原作用，同时又能降低机组污染物排放量和飞灰含量。

国家能源局《电力发展“十三五”规划(2016—2020年)》要求开展燃煤与生物质耦合发电示范与应用。鉴于生物质发电与燃煤发电产业政策的不一致，就需要单独计量耦合发电中生物质能所产生的发电量，本文介绍一种生物质与煤混燃发电的生物质电量计量方式。

1 工艺流程

生物质原料以稻壳、秸秆为主，经过破碎、压块后，通过带式输送机送至炉前料仓，螺旋给料机将炉前料仓内生物质原料送至气化炉气化。原料在气化炉内经历热解和气化过程，生成高温燃气，主要成分为： CO，H2，CO2，N2，CH4。携带固体颗粒的高温燃气通过旋风分离器进口烟道，切向进入旋风分离器，粗颗粒即再循环颗粒从燃气中分离出来并通过底部的返料器送回气化炉，以维持气化炉内较高的颗粒浓度，保证燃料在多次循环中较完全的气化，从而提高气化效率；经分离后的燃气进入旋风除尘器进一步去除燃气中的细颗粒成分，使燃气的灰尘质量浓度低于15 g/m3。来自旋风除尘器的高温燃气进入导热油燃气换热器换热冷却。为防止导热油燃气换热器管外壁表面积灰，设置蒸汽吹灰器。蒸汽吹灰器采用低压过热蒸汽进行吹灰，有自动、手动两种吹灰方式。经导热油燃气换热器冷却后的燃气经燃气增压风机增压后送至原电厂锅炉4个角对应的4个燃烧器与煤粉进行混烧。

气化炉和旋风分离器底部灰渣在停炉时排放，通过两级高温灰渣阀人工排渣。旋风除尘器分离下来的飞灰先进入缓冲仓，再经一级水冷螺旋冷灰器、二级水冷螺旋冷灰器用工业冷却水冷却后，送至固体储运装置的气力输灰系统中间仓。

当现场出现紧急情况需要燃气放空排放时，放空气经放空管、分子密封进入放散装置燃烧器，通过催化式拌烧器引燃放空气并燃烧，燃烧处理后的放空气满足相关的环保要求。

导热油自循环油泵送至燃气换热器下部换热管组的集箱入口，依次进入中部和上部导热油换热管组和燃气进行换热，换热后的导热油进入导热油冷凝水换热器管侧，用凝结水冷却，降温后进入循环油泵，导热油在设备和管道系统中循环运行；系统中膨胀的导热油进入高位膨胀槽。在导热油换热器系统中，经燃气加热后的导热油把热量传给发电机组凝结水，进入电站热力系统，用于整体热量的回收利用。

生物质气化混燃发电工艺流程如图1所示。

图1 生物质气化混燃发电工艺流程示意

2 计量方法

大型燃煤发电机组是通过将煤的化学能转换为电能的机械设备，对于整套机组的热转换效率有固定的算法，通过计量进入整个发电机组的热量与机组对应发电量的比值确定其可转换的电量。即上网电量采用“燃气热量折电量”法间接计量，上网电量计算如式(1)所示：

(1)

进入整个发电机组的热量为气化产物所携带的化学能与高温燃气的显热，化学能是可燃气体成分总的低位发热量，显热是高温燃气为相态不变情况下冷却至室温所放出的热量。

可燃气体成分总的低位发热量通过单位体积热值与流量的乘积求得，而单位体积热值与燃气的组分相关。燃气流量采用德尔塔巴流量计准确测量，而组分通过色谱仪进行监测。

进入燃煤锅炉的燃气虽然经过换热降温，但该部分热量也全部通过凝结水进入热力系统，所以气化炉出口的显热基本全部进入大机组系统，中间存在部分散热损失和换热损失，通过安装在气化炉出口管道上的热电偶即可测出该处的温度，通过燃气组分与流量，即可算出总的显热量。

整个测量系统分为以下四步：

1)生物质燃气输送管道上安装成分分析仪，根据测得的各组分含量能够计算出生物质燃气标况下的热值，计算式如式(2)所示，再根据测量的实际体积流量，以及温度、压力修正计算出燃气的标态流量，即得到生物质燃气所携带的化学能，即生物质燃气体积流量与标况下生物质燃气单位体积热值的乘积。

(2)

式中：φi——混合气体中各组分的体积分数，%；Hi——各组分在标况下的热值，kJ/m3。

2)根据燃气组分分析可以计算出燃气的平均比热容c平均，再根据燃气温度t和体积流量qV可得到生物质燃气所携带的显热Q，计算如式(3)所示：

Q=qVc平均t

(3)

其中，c平均计算如式(4)所示：

(4)

式中：ci——各组分在标况下的比热容，kJ/(m3·K)。

3)生物质燃气所携带的化学能与生物质燃气所携带的显热之和即为生物质燃气所携带的总热量。

4)然后再根据燃煤机组供电煤耗计算得到生物质气化发电上网电量，计算公式同式(1)。

该方案的所有在线仪表需采用本安型或隔爆型，防爆等级不得低于对应危险介质的爆炸性物质分级和分组，且均需通过物价、电力部门检测，所有电子分析设备设专门的设备间，并将所有数据网传并在线监测，以达到实时监控的目的。

生物质气化发电项目上网电量计量方法原理如图2所示。

图2 生物质气化发电项目上网电量计量方法原理示意

3 计量效果的有效性

该方案中由燃气热值组分分析仪、燃气流量计、热电偶测出实际参数值，三类计量仪表均需取得计量器具型式批准证书，并在相同或相似工况下拥有成熟应用业绩，保证测量结果的真实有效性。该方案在某电厂的生物质气化混燃发电项目中得到成功应用。

4 结束语

生物质能是以自然界中生物质为媒介存储的太阳能，是由绿色植物通过光合作用将太阳能以化学能形式存储在生物质中的能量形式，属于典型的可再生能源。利用生物质代替煤炭、天然气等不可再生的化石燃料产生电力，其一能够减轻对化石燃料的依赖，保障国家能源安全，有利于建设安全高效、清洁低碳的能源体系；其二能够减少排放、保护环境，有效地为地方和电厂带来经济和环境效益。