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1、生物质与煤混合燃烧发电技术研究与应用刘婷婷，是艳杰，余 英，赵碧光，朱 春【作者简介】刘婷婷（1983-），女，助理工程师；研究方向：电力系统自动化及新能源发电。是艳杰（1978-），女，工程师；研究方向：电力系统高压技术及新能源发电。余英（1959-），男，教授级高工；研究方向：电力系统自动化及新能源发电。（中国电力科学研究院，北京 100085）摘 要：本文介绍了生物质与煤混合燃烧发电的生产过程、生产系统、特点和存在问题；介绍了中国首座生物质与煤混合燃烧发电厂的设备改造、运行情况以及掺烧后的经济、环保和社会效益；对中国生物质与煤混合燃烧发电产业的制约因素进行了分析；并且指出生物质与煤混合燃
2、烧发电具有广阔的发展前景。关键词：生物质；燃煤锅炉；燃烧系统；汽水系统；电气系统1. 前 言当前，中国能源短缺，环境污染严重，制约了国民经济的发展和人民生活水平的提高。生物质能的开发利用，特别是生物质能发电得到了各级政府的高度重视和大力支持，近几年来得到了快速发展。生物质能发电在改善中国能源结构，保证中国能源安全，减少环境污染，提高城乡居民生活水平和质量等诸多方面都有重要作用，对于中国建设节约型社会，发展循环经济，实现社会可持续发展具有重要意义。中国生物质资源丰富，生物质发电发展前景广阔。国家“十一五”发展规划纲要中提出了建设生物质发电550万千瓦装机容量的发展目标。中国可再生能源中长期规划提
3、出了2020年生物质发电装机3000万千瓦的目标。随着国家关于生物质发电的一系列政策的出台，目前，已经有不少投资主体进入了生物质发电行业，纷纷对新兴的农林生物质发电行业表示出了很大的兴趣和参与热情。在生物质发电产业的推动下，传统农业产业链将被延伸，形成新的产业链，进而促进了农业与农村的进步。生物质发电产业的发展，带动了一系列产业的发展，能源植物的种植，农林生物质燃料的收、储、运；生物质燃料的加工处理；生物质燃烧技术；生物质锅炉制造技术；生物质发电灰渣处理和应用等行业，并形成新兴的完整的生物质发电产业链。生物质发电技术主要有直接燃烧发电、混合燃烧发电、热解气化发电和沼气发电四个种类。生物质与煤混
4、合燃烧发电技术，能充分利用现有技术与设备，是一种低成本、低风险、大规模使用生物质发电的有效技术手段，对于减少常规化石能源消耗，减排CO2、NOX和SO2，带动当地经济发展、增加当地农民收入、提供就业机会等诸方面都有重要意义。生物质与煤混合燃烧发电技术在欧洲和北美地区应用相当普遍。在美国，有300多家发电厂采用生物质与煤混合燃烧发电技术，装机容量达6000MW。2002年丹麦哥本哈根AVEDORE电厂105MW发电设备采用麦秆与天然气混合燃烧技术，生物质掺烧比例50%。1997年奥地利Zeltweg Biococomb137MW电厂利用生物质与煤混合燃烧技术发电，生物质掺烧比例30%。国内一些高
5、校和科研单位对生物质与煤混合燃烧发电技术及其设备进行了开发研究，取得了有价值成果。欧盟已与中国科技部签订协议，在生物质能利用领域进行合作研究与示范推广，拟在河南、湖南、黑龙江三省建设三个不同技术类型的示范工程。河南省能源研究所、农业部可再生能源重点开放实验室以及郑州轻工业学院被科技部定为该项目的承担单位，经过2002年欧盟技术及经济专家两次到河南考察、论证，最终确定河南省的合作研究及示范项目为生物质气化燃气与煤混烧发电技术，欧盟拟采用的技术初定为英国的DRBRE技术和芬兰的VTT技术。郑州轻工业学院与英国南岸大学在能源综合利用及生物质能利用领域进行了长期的合作研究，作为英国DRBRE电厂的主要
6、设计单位，双方在生物质气化燃气与煤混合燃烧发电方面有丰富的经验。在2004年6月30日北京中欧生物质能利用合作项目研讨会上，英国已与我方就生物质气化燃气与煤混合燃烧发电技术达成了合作研究及示范应用意向，并与7月中旬回函，同意开展该项目合作，使本项目的研究开发与示范工程有可能在较短的时间内达到国际先进水平。国内外研究证明，煤粉炉混燃生物质比例不宜过大，掺烧比例小于5%，设备基本不需要改造。对于30万kW机组，如果生物质掺烧比例4%（发热量），则相当于建设一个12MW的纯生物质发电厂，其效益十分可观。2. 生物质与煤混合燃烧发电技术生物质与煤混合燃烧发电是指将生物质原料应用于燃煤电厂中，使用生物质
7、和煤两种原料进行发电，主要有两种方式：（1）一种是将生物质原料直接送入燃煤锅炉，与煤共同燃烧，生产蒸汽，带动蒸汽轮机发电；（2）另一种是先将生物质原料在气化炉中气化生成可燃气体，再通入燃煤锅炉，可燃气体与煤共同燃烧生产蒸汽，带动蒸汽轮机发电。无论哪种方式，生物质原料预处理技术都是非常关键的，要将生物质原料处理成符合燃煤锅炉或气化炉的要求。2.1 生物质与煤混合燃烧发电的生产过程生物质与煤混合燃烧发电系统，就是一个以秸秆等生物质和煤为燃料的火力发电厂，其生产过程概括起来就是：先将秸秆等生物质加工成适于锅炉燃烧形式（粉状或块状），和煤一起送入锅炉内充分燃烧，使储存于生物质和煤燃料中的化学能转变成热
8、能；锅炉内的水吸热后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在过热器内继续加热成过热蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮发电机组旋转，将蒸汽的内能转换成机械能，最后由发电机将机械能变成电能，其生产过程见图1。 锅炉 汽轮机 发电机 生物质 蒸汽内能 转轴机械能 电能 化学能 燃烧废料 废热 图1 生物质和煤燃烧发电生产过程图2.2 生物质与煤混合燃烧发电生产系统生物质与煤燃混合烧发电主要生产系统包括燃烧系统、汽水系统和电气系统。生物质与煤混燃发电燃烧系统由锅炉的燃烧部分、生物质加工及传输系统和除灰、除尘、除渣等部分组成，见图2。图2 燃烧系统注：1. 生物质现场储存区；2. 生物质粉碎系统；3. 排粉风机；4. 锅炉；5.
9、 空气预热器；6. 送风机；7. 除尘器；8. 引风机；9. 灰渣泵；10. 烟筒。生物质与煤混燃发电汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵以及化学水处理和冷却水系统组成，见图3。过热器炉膜省科器锅炉给水高压加热器除氧器低压加热器凝结水汽轮机循环水泵凝汽器凝结水泵补给水给水泵水化学处理系统原水乏汽发电机图3 汽水系统生物质与煤混合燃烧发电电气系统由发电机、变压器、高低压配电装置等组成，见图4。厂用低压电气设备厂用变压器升压变电站高压电器设备主变压器输电线发电机励磁系统图4 电气系统上述生产系统除燃烧系统与一般火力发电厂略有不同，其余汽水系统及电气系统均与一般火力发电厂完全相同。2.3 生物质与
10、煤混合燃烧发电特点及存在问题2.3.1 生物质与煤混合燃烧发电特点由于生物质的能量密度低、体积大，运输过程增加了CO2的排放，不适应集中大型生物质发电厂。而分散的小型电站，投资、人工费高，效率低，经济效益差。所以在大型燃煤电厂，将生物质与矿物燃料联合燃烧成为新的概念。它不仅为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会，同时许多现有设备不需太大的改动，使整个投资费用低。大多数燃煤电厂燃烧粉煤，生物质必须经过预处理。在传统火电站中生物质与煤混合燃烧发电，可从大型传统电站中直接获利，生物质混合发电方式比较见表1。表1 生物质混合发电方式比较发电方式直接混燃气化混燃技术特点生物质与煤直接混合后在锅炉里燃烧；
11、生物质气化后与煤在锅炉中一起燃烧；主要优点技术简单、使用方便；不改造设备情况下投资最省；通用性较好、对原燃煤系统影响很少；经济效益较明显；主要缺点生物质处理要求较严、对原系统有些影响；增加气化设备、管理较复杂；有一定的金属腐蚀问题；2.3.2 生物质与煤混合燃烧发电存在的问题由于生物质含水量高，产生的烟气体积较大。而现有锅炉一般为特定燃料而设计，产生的烟气量相对稳定，所以烟气超过一定限度，热交换器很难适应。因此，混合燃烧中生物质的份额不宜太多。生物质燃料的不稳定性使锅炉的稳定燃烧复杂化。生物质灰的熔点低，容易产生结渣问题。如使用含氯生物质，如秸秆、稻草等，当热交换器表面温度超过400度时，会产
12、生高温腐蚀。生物质燃烧生成的碱，会使燃煤电厂中脱硝催化剂失活。3. 生物质与煤混合燃烧发电工程中国首台秸秆与煤混合燃烧发电机组于2005年12月6日在山东枣庄华电国际十里泉电厂5#机组顺利投产。2006年3月21日，中国电力企业联合会在华电国际十里泉发电厂主持召开了“400t/h煤粉炉直燃掺烧秸秆发电技术研究与应用”技术成果鉴定会，鉴定委员会经过认真讨论考评，一致认为该项燃烧技术为国内首创，目前在国内处于领先水平。3.1 工程概况十里泉发电厂5号机组（140MW）秸秆发电采用生物质与煤混合燃烧技术，该技术在欧洲等国家已有成功先例。本工程总建筑面积3383平方米，投资约8000万元。改造的主要内
13、容是增加一套秸秆粉碎及输送设备，增加两台额定输入热量为30MW的秸秆燃烧器，同时对供风系统及相关控制系统进行改造。改造后的锅炉即可秸秆与煤粉混烧，也可继续单独燃用煤粉，每年可燃用秸秆10万吨左右。改造后两台新增加的燃烧器所输入的热负荷能达到锅炉额定负荷时的20%。十里泉发电厂5机组秸秆发电工程主要是引入了丹麦BWE公司的生物质发电理念，并结合十里泉发电厂自身特点，对国外技术进行了全面的消化和改进，使改进后的生物质秸秆直燃发电技术适用于中国中小型燃媒发电机组四角切圆煤粉炉的改造。该工程实施解决了一系列技术难题和难点。3.2 掺烧情况3.2.1 掺烧比例、计量方式和改造的设备秸秆的额定掺烧比例按热
14、值计为单位输入热量的20%，质量比约为30%。计量采用到货计量方式，即计算秸秆燃料的实际到货量，通过电子汽车衡实现。改造的设备：引风机出力增容改造、燃烧器改造（增加新秸秆喷燃器2只）、DCS控制系统进行改造、供变电系统改造，另外增加一套秸秆制备和输送系统（含厂房）。3.2.2 累计掺烧时间和掺烧连续最长运行时间2006年16月秸秆系统运行统计见下表2：表2 系统运行表项目/月份1月2月3月一季度4月5月6月二季度16月份5机组运行小时509583744183672074472014643300秸秆系统运行小时260160504102464039041414442468最长连续运行时间：18小时
15、。由于该机组夜间参与调峰，因此零时至早晨六时负荷低时秸秆系统不投入运行。3.2.3 掺烧对运行效率、负荷调节、排放、灰渣利用等的影响采用秸秆部分替代煤炭燃烧发电对锅炉有一定影响，对锅炉外的其他设备不会造成影响。因秸秆燃烧很难达到较高的烟气温度，国外多数纯秸秆燃烧发电厂的发电效率只能达到30%左右。所以为保证该机组热效率维持不变，锅炉满负荷时需控制秸秆额定热输入为燃煤时的20%。同时，为确保锅炉运行稳定和便于燃烧调整，控制投入秸秆的机组最低负荷为90MW。掺烧秸秆后，烟气流速增加，对流换热增强，但由于容积热负荷下降，换热量基本维持稳定，即不会出现蒸汽严重超温现象，反而整体上会略有降低，经过运行验
16、证，锅炉效率没有明显变化。3.3 效益分析3.3.1 掺烧经济性分析按照机组年利用小时6000小时、秸秆发电量占机组发电量20%分析如下：若不进行秸秆发电改造，该部分发电量将耗用标准煤约57184吨，按目前执行的电价354元/千千瓦时计算，年利润总额约为139.16万元。秸秆发电改造后，运行成本将增加，主要包括：增加投资约8357万元，按机组剩余使用时间10年计算，每年增加折旧810.66万元；投资的80%为银行贷款，按年利率5.76%计算，每年增加财务费用385.11万元；年均增加大修费125.36万元；平均增加运行维护材料费42.5万元；平均增加秸秆管理人员人工费80万元；燃用秸秆后每年将
17、增加燃料成本1353.62万元。经测算，燃烧秸秆发电上网电价达到581.96元/千瓦时才能保持改造前后盈利水平基本一致，该电价比目前燃煤执行的电价354元/千千瓦时高227.96元/千千瓦时。省物价局和电网对秸秆发电给予了594元/千千瓦时的政策支持，以补偿秸秆发电改造投资及增加的运行成本费用，并保持一定的利润。由上述可知，在目前的政策下，秸秆与煤混烧发电的商业化运营是完全可行的。3.3.2 环境效益和社会效益煤炭与20的秸秆混烧，按年运行7500小时计算，每年将燃烧10.7万吨秸秆，相当于减少5.8万吨标准煤的消耗量。2006年，该厂共掺烧秸秆5.6万吨，折标煤2.9万吨，减少二氧化碳排放量
18、约6万吨，减少二氧化硫排放量约621吨；增加农民收入2000多万元，大大促进了当地经济的发展。使过去烂在田埂河边或燃烧污染环境的秸秆变废为宝，并给农民带来实惠。4. 结 语生物质与煤混燃发电技术在中国的推广应用，最重要的制约因素来自技术因素和政策因素，这些制约因素因为中国国情的特点与其他国家有很大的差别。4.1 技术上的制约因素近十几年来，中国在生物质发电技术投入的研究方向主要是针对中小型生物质气化发电技术，对生物质大型直接燃烧和混燃发电技术的开发研究和实际应用的经验积累很少。中国生物质资源的特点以农业废弃物为主，与国外的生物质发电条件有明显的差异，生物质资源的成份含量，对设备的影响和要求也有
19、明显差异，这就要求我们引进、消化国外先进生物质发电技术和设备的同时，根据中国特点开发研究适合中国国情的具有自主知识产权的技术和设备。4.2 政策的制约因素中国政府目前对可再生能源发电有一定的政策支持，但总的来说，这些扶持政策有很多不明确的地方，对地方政府和管理部门来说操作相当困难。特别是对生物质与煤混合燃烧发电的电价优惠政策的规定，在一定程度上阻碍了该项技术的推广应用。建议有关领导部门尽快出台有利于加快推广生物质与煤混合燃烧发电技术相关政策法规。生物质与煤混燃发电技术在国外是成熟的技术，在北美、欧洲使用相当普遍。中国十里泉发电厂5号机组（140MW）秸秆发电采用生物质与煤混合燃烧发电的运行实践
20、证明了在中国将会有广阔的应用前景。参考文献：1 陈立民，徐征，张贵山，等. 小型生物质直燃发电工程及其效益分析C. 2006中国（曲阜）国际秸秆发电研讨会，2006.2 余英，赵阳，等. 生物质能发电技术与发电工程J.节电技术与绿色能源，2006，5.Research and application of Co-combustion of biomass and coal power generation technologyLIU Ting-ting, SHI Yan-jie, YU Ying, ZHAO Bi-guang, ZHU ChunAbstract: Production proc
21、ess, production system, feature and problem of biomass and coal power generation technology are introduced in brief in this paper. And Attachment reform, operation condition, economy, environmental protection and society efficiency of first domestic co-combustion of biomass and coal electric power p
22、lant are introduced. Paper analyses confinement factor of co-combustion of biomass and coal electric power generation industry and point to extensive development prospect of co-combustion of biomass and coal electric power generation.Key words: biomass; coal boilers; combustion system; steam-water system; electric system （Edited by Roy, Rita and Candice）
