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燃煤耦合生物质发电的国际经验
自1997年12月在日本京都通过《联合国气候变化框架公约的京都议定书》,发达国家,尤其是欧盟国家就开始在法规政策和技术上采取各种措施以降低煤电的CO2排放,其中一个主要的技术措施就是燃煤耦合生物质发电。由于有了碳减排的具体指标,加上政府促进燃煤耦合生物质发电的政策驱动,30多年来,在欧盟等国家,燃煤耦合生物质发电得到很好的推广应用,而且无论在政策法规还是煤与生物质在大型燃煤电厂进行混烧的技术,均取得许多宝贵经验。例如,英国几乎100%的燃煤电厂均采用燃煤耦合生物质发电,包括其容量为400万kW的最大燃煤电厂。
1、在大容量煤粉炉电厂中混烧生物质的案例
(1)丹麦哥本哈根DONGEnergy2×430MW超临界燃烧多种燃料/生物质电厂,采用多种生物质混烧方式,燃烧多种燃料/生物质,包括专门燃烧秸秆的生物质往复炉排锅炉,每年燃烧170000t秸秆,产生超临界参数的蒸汽,在蒸汽侧和超临界煤粉炉产生的蒸汽混合发电。同时,在超临界煤粉炉中,混烧废木材成型颗粒,每年消耗废木材160000t,煤500000t。
(2)英国FerrybridgeC电厂4×500MW煤粉炉改装与生物质混烧。该燃煤电厂有4×500MWBabcock&Wilcox的单炉膛前墙燃烧自然循环煤粉炉,前墙配48台低NOx煤粉燃烧器,其中2×500MW锅炉于2004年改成同磨生物质混烧,由于采用煤和生物质同磨同燃烧器,限制了生物质的混烧比,生物质混烧比不能超过3%,否则就影响磨煤机的性能(出力、细度和正常运行)。另外2×500MW锅炉于2006年改成单独的生物质燃料处理和磨制系统,同时在锅炉后墙安装了6台专门研制的燃烧生物质的旋流预燃室燃烧器,效果良好,其混烧生物质比例可达20%。该电厂混烧的生物质燃料包括压制的废木屑颗粒燃料、橄榄核、炼制橄榄油的废品等,每台锅炉每天燃用1440t生物质燃料。该电厂生物质混烧改造后,其生物质混燃比例为锅炉总输入热量的20%,每年减少CO2排放100万t。在混燃20%的生物质燃料时,锅炉可用率达95%,锅炉效率只降低0.4%。生物质燃料可为每台机组连续稳定地提供100MW的电力输出,运行以来没有出现结渣和积灰的问题。其生物质燃料处理系统适用于水分低于15%的各种生物质燃料。该电厂4×500MW生物质混烧改造工程总投资5000万英镑,在英国政府有关混烧生物质的激励政策下该投资在不到1年的时间里即全部回收。
(3)英国Drax电厂,世界上容量最大的生物质混烧燃煤电厂。Drax电厂是英国最大的火电厂,容量为400万kW,位于英国Selby,电厂装机包6×660MW前后墙对冲燃烧锅炉,前3台机组1974年投运,后3台1986年投运。现在全部6台锅炉均改造成有单独生物质磨制和燃烧的混烧锅炉,是世界上容量最大的采用单独生物质处理、磨制和燃烧的生物质混烧煤粉炉电厂。其生物质的混烧份额为10%MCR6×600MW热输入,生物质混烧每年减排CO2量为200万t,相当于500座最大的风电机达到的CO2减排量。该电厂生物质混烧每年用于混烧的生物质为150万t。该电厂生物质混烧改造工程于2008年下半年启动,现已完成全部生物质混烧改造工程。该工程包括建1座12000m3的生物质燃料储仓、以及燃料卸载、输送、过筛、分离、除金属、磨粉直到炉前燃料仓和燃烧系统。改电厂的生物质混烧改造后,不但每年可减排CO2200万t,而且经济效益显著,2105年,Drax电厂的总收入是26.38亿英镑,其中由于混烧生物质而得到的零碳排放发电量的奖励和上网电价优惠的收入为4.518亿英镑,占总收入的17%。
2、生物质气化/煤粉炉混烧
芬兰Lahti电厂200MW循环流化床锅炉(circulatingfluidizedbed,CFB)生物质气化/煤粉炉混烧(图4)。该电厂于1998年开始采用CFB气化炉产生生物质煤气,然后将煤气送入煤粉炉中与煤粉炉混烧,如图4所示。电厂容量相当于电功200MW,生物质通过气化间接混烧相当于份额为15%热输入,混烧后整个电厂的CO2减排为10%。CFB气化炉的年运行小时数为7000h。

图4芬兰Lahti电厂200MWCFB生物质气化/煤粉炉混烧
该电厂气化生物质燃料分类及所占比例(年取代燃煤量60000t)为:
(1)木质生物质,树皮、锯末、木屑、森林废弃物,占15%;
(2)废木材,切割和板材废弃物、研磨的木粉、毁坏的木材,占32%;
(3)回收的垃圾(再生燃料)占40%;旧轮胎、切碎的塑料等占10%;泥煤占3%。
CFB气化炉产生生物质煤气与煤粉炉混烧的减排效果:CO2,每年减少100000t,下降1000;NOx,浓度降低30mg/m3,下降5%;S02,浓度降低60~75mg/m3,下降10%;粉尘,浓度降低15mg/m3,下降30%。
3、在大容量循环流化床(CFB)锅炉电厂中混烧生物质
CFB燃烧技术的特点是:98%的巨大热容量的惰性固体床料包围着不到2%的燃料,加上热循环物料的强烈的湍流混合和燃料很长的停留时间,从而使得即使在800~900℃的燃烧温度条件下,CFB几乎可以高效地燃烧任何燃料,包括低热值和高水分的燃料,因此,燃料的灵活性是CFB锅炉的突出优点。使得CFB锅炉是燃烧生物质燃料的理想燃烧技术,所以CFB锅炉具有比煤粉炉更强得多混烧生物质的能力。从理论上说,CFB锅炉燃烧生物质在技术上不会受CFB锅炉容量的限制,即使是大容量CFB锅炉,从100%燃烧生物质到以任何比例和煤混烧生物质都是可行的。利用CFB锅炉进行煤和生物质混烧的优点是:
(1)充分利用CFB锅炉燃料灵活性的优点,可以大比例地混烧生物质。
(2)混烧生物质可以显著降低CO2和其他污染物的排放。
(3)由于煤的供应不受生物质供应的影响可以保证,煤的质量可以选择,可以满足不同的要求。
(4)因为混烧的比例可以改变和调整,因而发电量不会受生物质燃料供应的季节性影响。
目前,世界上大容量CFB锅炉,如在波兰的460MW超临界CFB和在韩国的550MW超超临界锅炉,均按照以煤为主,混烧生物质设计,其燃用的生物质燃料均为木基木材废料,如木屑等。波兰的460MWCFB和韩国的550MWCFB的生物质混烧比例均为10%。因此,容量超过500MW的CFB,其合理的生物质混烧比例,主要取决于其混烧的生物质种类,以及生物质燃烧的储存和出力系统,以及对锅炉设计的影响,在经济上是否合理。对于生物质固体成型燃料,如废木材颗粒,这是CFB的理想燃料,如果有足够数量的木质颗粒生物质燃料供应,即使对大容量CFB锅炉,混烧木质颗粒的比例应该是没有限制的。
大容量CFB锅炉混烧生物质的案例
(1)芬兰Jyvaskylan电厂200MWCFB锅炉泥煤混烧生物质,该电厂于2010年投运,其功率为200MW电功率+240MW热功率,为Jyvaskylan市供电和供热,其燃料为泥煤和木屑混烧。
(2)芬兰AlholmensKraft电厂,世界上最大的混烧生物质的电厂,其电厂热功率为550MW,CFB锅炉蒸发量为702t/h,蒸汽参数为16.5MPa/545℃。其CFB锅炉炉膛尺寸:8.5m×24m×40m,锅炉混烧的燃料构成是煤10%,泥煤45%,森林废弃物10%,工业木材废弃物35%。其生物质混烧比例可为0%~100%任何比例。该煤与生物质混烧电厂至今已经成功运行8年。
(3)波兰Lagisza460MW超临界CFB电厂,是世界上第一个超临界CFB电厂,是世界上第一台采用垂直管低质量流率的CFB直流锅炉。该CFB电厂的容量为460MW,设计供电效率为43.3%。该电厂设计能够混烧生物质和和洗煤淤泥,以达到欧盟要求的CO2减排要求,设计生物质混烧的比例为10%,设计的生物质最大热输入为20%。
(4)韩国南方电力的4×550MW机组,是世界上第1个超超临界CFB电厂,该电厂的燃料为进口热值为3887kcal/kg的印度尼西亚低阶煤,设计混烧生物质的比例为10%,为容量最大的混烧生物质的CFB电厂,该电厂于2016年投运。
本文摘自《分布式能源》第2卷 第5期 2017年10月文章《燃煤耦合生物质发电》
作者毛健雄,清华大学热能工程系教授,研究方向为热能工程和洁净煤发电技术

 


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