任少輝，胡曉煒，胡燦，趙淵，李躍峰

生物質(zhì)直燃電廠余熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

任少輝1，胡曉煒2，胡燦2，趙淵2，李躍峰1

（1．武漢凱迪綠色能源開發(fā)運(yùn)營有限公司，湖北省 武漢市 430074；2．武漢凱迪電力工程有限公司，湖北省 武漢市 430074）

生物質(zhì)直燃電廠能夠清潔集中利用生物質(zhì)能。降低電廠排煙溫度，充分利用電廠余熱將有效提高生物質(zhì)能的利用效率或?yàn)殡姀S開辟新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。結(jié)合生物質(zhì)直燃電廠在農(nóng)村區(qū)域的特點(diǎn)，探討將電廠煙氣余熱充分應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中的可能性。結(jié)果表明：因地制宜地將生物質(zhì)直燃電廠余熱應(yīng)用于生活供熱、種植、養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，將促進(jìn)農(nóng)民收入的增長和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

生物質(zhì)直燃電廠；余熱利用；農(nóng)業(yè)

0 引言

生物質(zhì)能是一種優(yōu)秀的可再生能源，具有量大、易得、燃燒產(chǎn)物對環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前我國耕地面積15.855億畝，其中農(nóng)林廢棄物約11.38億t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約5.6億t[1]。生物質(zhì)直燃電廠是能夠?qū)⒔斩挕⒘謽I(yè)廢棄物中的生物質(zhì)能高效清潔轉(zhuǎn)化為電能的方式之一。由于其清潔利用的性能，生物質(zhì)直燃電廠在國內(nèi)得到了大力發(fā)展[2-6]。從2007年我國第一個(gè)農(nóng)林廢棄物發(fā)電項(xiàng)目在山東單縣開工建設(shè)，至2016年，農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目達(dá)254個(gè)，并網(wǎng)裝機(jī)容量約為640萬kW[7]。預(yù)計(jì)到“十三五”結(jié)束，全國農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電裝機(jī)總量將達(dá)到700萬kW[8]。

1 生物質(zhì)電廠余熱在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的意義

由于燃料是分散的農(nóng)業(yè)或林業(yè)廢棄物，與燃煤電廠相比，生物質(zhì)電廠具有其特殊性。其主要特點(diǎn)如下：

1）燃料成本占據(jù)了生物質(zhì)電廠運(yùn)營成本的50%以上；

2）為了收購燃料方便，控制燃料成本，生物質(zhì)電廠大多都建設(shè)在農(nóng)林廢棄物相對較多的農(nóng)村區(qū)域或城鄉(xiāng)接合部；

3）現(xiàn)有生物質(zhì)電廠的排煙溫度相對較高，按某生物質(zhì)電廠排煙溫度為150℃考慮，與大型燃煤電廠的排煙溫度相比，有充分的可利用空間。

生物質(zhì)電廠的排煙損失是鍋爐損失中最大的一項(xiàng)。因此，為降低燃料成本，保證生物質(zhì)直燃電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，首先應(yīng)該關(guān)注的是降低生物質(zhì)電廠的排煙溫度。本文針對生物質(zhì)電廠處于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域附近的特點(diǎn)，提出將生物質(zhì)直燃電廠的余熱因地制宜地應(yīng)用到周邊居民生活或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍內(nèi)的方法，不僅符合國家生物質(zhì)能供熱的指導(dǎo)意見，也加快了生態(tài)農(nóng)村的發(fā)展和建設(shè)。同時(shí)將生物質(zhì)直燃電廠的低溫?zé)煔狻白儚U為寶”，提高了生物質(zhì)能的利用效率，為生物質(zhì)電廠帶來部分經(jīng)濟(jì)效益。

2 生物質(zhì)直燃電廠煙氣余熱應(yīng)用的潛力

煙氣余熱應(yīng)用的潛力受到煙氣中SO2、H2O等成分的制約，一旦煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下，就會(huì)造成煙氣管道的酸腐蝕。因此本文首先計(jì)算生物質(zhì)電廠煙氣的酸露點(diǎn)，再選用合適的設(shè)施防止酸析出對煙氣管道的影響，充分利用生物質(zhì)直燃電廠的余熱潛力。

由于燃料收集半徑在100km以內(nèi)，電廠的裝機(jī)容量一般不超過30MW。煙氣流量約在150 000m3/h。按某生物質(zhì)直燃電廠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)燃料的元素和工業(yè)分析如表1所示，各項(xiàng)成分的體積分?jǐn)?shù)如表2所示。

表1 某生物質(zhì)電廠燃料成分分析

表2 各項(xiàng)成分的體積分?jǐn)?shù)

生物質(zhì)煙氣中的硫酸露點(diǎn)暫沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，本文中生物質(zhì)煙氣的硫酸露點(diǎn)暫按燃煤電廠煙氣中酸露點(diǎn)的計(jì)算方法進(jìn)行，根據(jù)蘇聯(lián)1973《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》計(jì)算，其中水露點(diǎn)H2O的計(jì)算公式[9]如下：

將燃料收到基的灰分和硫分進(jìn)行折算，并帶入水露點(diǎn)的計(jì)算數(shù)值可得硫酸露點(diǎn)H2SO4：

式中：H2O為水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，%；S為燃料低位熱值折算到4 186 kJ/kg時(shí)的硫分；A為燃料低位熱值折算到4 186 kJ /kg時(shí)的灰分；為飛灰份額。

生物質(zhì)中氯元素比煤中氯元素含量大，因此有必要考察鹽酸露點(diǎn)的影響。根據(jù)李小龍[10]的研究，鹽酸的酸露點(diǎn)也與煙氣中的水分和HCl的質(zhì)量濃度有關(guān)。暫時(shí)將煙氣中HCl質(zhì)量濃度按100 mg/m3計(jì)算，并根據(jù)下列鹽酸露點(diǎn)計(jì)算公式，得到該煙氣的鹽酸露點(diǎn)為

式中HCl為HCl的體積分?jǐn)?shù)，10-6。

為充分利用該生物質(zhì)電廠煙氣的余熱，建議利用方式可以通過兩級換熱器，第一級換熱器選用燃煤電廠目前常用的煙氣冷卻器，材質(zhì)采用ND鋼、Corten鋼等具有一定抗低溫腐蝕性能的金屬[11]，出口煙氣溫度在硫酸露點(diǎn)的5 ℃左右，如本電廠可采用(95±1)℃。考慮到生物質(zhì)電廠煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)大于燃煤電廠煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，二級換熱器采用以PE、FEP等為材質(zhì)的氟塑料耐腐蝕換熱器[12]。氟塑料換熱器有其特有優(yōu)勢：1）氟塑料是已知固體材料中表面自由能最低的材料之一，幾乎所有材料不能黏附在其表面，由于其表面分子對其他分子吸引力小，因而摩擦因數(shù)非常小(靜、動(dòng)摩擦因數(shù)與鋼的比值均為0.04)，對流體產(chǎn)生的流動(dòng)摩擦阻力也較??； 2）根據(jù)已經(jīng)采用的氟塑料換熱器的經(jīng)驗(yàn)，氟塑料換熱器中每個(gè)模塊都設(shè)有沖洗母管，獨(dú)立控制，會(huì)采用定期以及人工的方式清洗換熱器中積灰；3）也可以采用兩路氟塑料換熱器模塊，一用一備，更好地清洗內(nèi)部，該方式能有效解決受熱面積灰問題。氟塑料換熱器也在燃煤電廠中被用于提取電廠煙氣中的凝結(jié)水，如在大唐國際錫林浩特電廠煙氣冷凝提水工程中的氟塑料冷凝裝置最大冷凝水回收量為78.8t/h。結(jié)合生物質(zhì)電廠煙氣中水分含量較高的特點(diǎn)，將煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下，充分利用煙氣的顯熱及部分水蒸氣冷凝的潛熱，如本條件下可以考慮將最終煙氣溫度降至度55℃，如圖1所示。

根據(jù)上述煙氣成分計(jì)算，每小時(shí)煙氣通過一級換熱器可釋放熱量約11703906.64kJ，通過二級換熱器可釋放顯熱8466709.94kJ，55℃時(shí)水蒸氣飽和分壓為15.84%，水蒸氣冷凝6140kg/h，釋放潛熱14459700kJ/h[13]。因此，如果充分回收一臺(tái)30MW生物質(zhì)直燃機(jī)組的余熱，可新增供熱能力約9000kW。

圖1 生物質(zhì)直燃電廠余熱利用示意圖

3 生物質(zhì)直燃電廠煙氣余熱應(yīng)用的途徑

采用兩級換熱器，可將電廠煙氣的余熱用 來加熱空氣和熱水?？筛鶕?jù)需要通過將熱風(fēng)或熱水串聯(lián)的方式得到最高溫度約為120℃的熱產(chǎn)品。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的特色，可以將余熱最終應(yīng)用于家用生活熱水、干燥、種植、畜牧及沼氣發(fā)酵等行業(yè)。

1）農(nóng)村供暖。廣大農(nóng)村地區(qū)在冬季仍以燒散煤的方式取暖，這也是霧霾產(chǎn)生的主要原因之一。鋪設(shè)供暖管道為廣大農(nóng)戶實(shí)行集中供暖，是目前能改造傳統(tǒng)供暖方式的有效途徑。生物質(zhì)發(fā)電廠建設(shè)在農(nóng)村附近，是優(yōu)質(zhì)清潔的集中熱源。在生物質(zhì)直燃電廠鄰近的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、新農(nóng)村建設(shè)中短供熱管道，形成局部供熱管網(wǎng)系統(tǒng)。采用生物質(zhì)電廠蒸汽為農(nóng)戶提供供熱和生活熱水，用煙氣余熱的深度利用提供補(bǔ)充，不僅管道鋪設(shè)成本低，沿途熱量損失少，同時(shí)利用清潔生物質(zhì)能資源也可以優(yōu)化農(nóng)村環(huán)境。按照供熱指標(biāo)為80W/m2計(jì)算，采用電廠煙氣余熱可以為約11萬m2的住宅提供集中供暖。因此這種高效利用生物質(zhì)電廠余熱的手段，可改善農(nóng)民的生活環(huán)境，提高農(nóng)民的生活質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)添磚加瓦。

2）農(nóng)產(chǎn)品干燥。干燥是農(nóng)產(chǎn)品重要的保藏方法之一，通過將農(nóng)產(chǎn)品中的部分水分除去，降低其水分活度，從而有效地抑制微生物的生長繁殖，達(dá)到食品長期保藏的目的。熱風(fēng)干燥是最為傳統(tǒng)和最常用的干燥方法之一，果蔬[14]、香菇[15]、魚類[16]等的熱風(fēng)干燥也得到了不少學(xué)者的關(guān)注。目前常用的熱風(fēng)干燥機(jī)都是采用外加熱源或電加熱的方式，如果將干燥機(jī)房建在生物質(zhì)直燃電廠旁邊，充分利用生物質(zhì)電廠煙氣余熱產(chǎn)生的熱量，將會(huì)大大降低干燥成本。以30MW的生物質(zhì)電廠煙氣余熱估算，可節(jié)省標(biāo)煤用量約1000kg/h。采用電廠的余熱也可以使干燥設(shè)備24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不但使生產(chǎn)過程連續(xù)進(jìn)行，而且通過降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本及產(chǎn)品的生產(chǎn)量，可以更快回收前期投入。

3）溫室供暖。溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑設(shè)施，它可以改變植物生產(chǎn)環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造最佳條件，避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ湓斐刹焕绊?。目前常用的溫室加熱方式有燃煤、燃油熱水或少量的熱風(fēng)鍋爐。依托生物質(zhì)直燃電廠周邊的供熱管道，加鋪少量的管道到溫室中，并根據(jù)種植的作物分配溫室內(nèi)的熱水管道。與傳統(tǒng)的熱水溫室相比，不需要加設(shè)鍋爐房等附屬措施，降低了設(shè)備投資；同時(shí)也比熱風(fēng)溫室中溫度分布更均勻，對農(nóng)作物的生長條件更有優(yōu)勢。按照上海某采用燃煤熱水機(jī)組的現(xiàn)代化大棚，供熱指標(biāo)按45W/m2估算，采用生物質(zhì)電廠余熱熱水的供暖方式可供約20萬m2的大棚使用，并節(jié)省燃煤機(jī)組投資約50萬元。溫水浸泡也同樣會(huì)提升種子的發(fā)芽率和育苗的成功率。因此從生物質(zhì)余熱獲得的熱水可以推動(dòng)高檔的跨季節(jié)果蔬、花卉和菌類的種植和育苗，為社會(huì)提供高品質(zhì)蔬菜或花卉資源，對農(nóng)業(yè)種植也有很好的促進(jìn)作用。

4）技術(shù)養(yǎng)殖。生物質(zhì)電廠無論是從地理位置還是從盈利模式上都更貼近農(nóng)戶。熱水養(yǎng)殖是近些年興起的一種增加養(yǎng)殖種類、加快成熟速度的新型養(yǎng)殖方式。其中美國更是從20世紀(jì)70年代就開始通過電廠余熱發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖，幾乎所有的魚類、甲殼類均能通過電廠余熱來養(yǎng)殖。國內(nèi)也是利用電廠余熱水養(yǎng)殖羅氏沼蝦[17]、鱘魚[18]以及甲魚等具有高經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的種類。據(jù)報(bào)道，某電廠余熱水養(yǎng)殖場充分利用電廠排放的余熱水，通過流水化、高密度養(yǎng)殖淡水白鯧、羅非魚等暖水性魚類，年產(chǎn)鮮魚75萬kg以上，年產(chǎn)值650多萬元。依照美國電廠利用余熱養(yǎng)殖的經(jīng)驗(yàn)，每年能收回整個(gè)投資額的15%~20%[19]。如果生物質(zhì)直燃電廠在動(dòng)物禽類養(yǎng)殖廠附近，余熱熱水可以提供人工孵化的熱水，保證孵化的成功率[20]。動(dòng)物糞便也可以送往生物質(zhì)電廠燃燒，或者是由生物質(zhì)電廠余熱熱水提供溫度以實(shí)現(xiàn)糞便的高溫發(fā)酵，增加沼氣的產(chǎn)率[21]，實(shí)現(xiàn)生態(tài)循環(huán)。因此，采用生物質(zhì)電廠的余熱熱水發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)是同時(shí)為電廠和農(nóng)戶創(chuàng)收的干凈、清潔方式。

4 結(jié)論

通過回收生物質(zhì)直燃電廠煙氣中余熱，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供暖、農(nóng)產(chǎn)品干燥、溫室供暖、技術(shù)養(yǎng)殖等多途徑應(yīng)用，具有節(jié)能、環(huán)保、創(chuàng)收的優(yōu)點(diǎn)。如果按照生物質(zhì)余熱只在冬季應(yīng)用計(jì)算，年節(jié)省標(biāo)煤約4000t，相當(dāng)于減排二氧化硫76t，煙塵6.3t，氮氧化物36t，二氧化碳7200t，渣249t。因此，非常有必要因地制宜地推廣生物質(zhì)直燃電廠余熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

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Waste Heat Utilization of Biomass Direct-Fired Power Plant in Agriculture

REN Shaohui1, HU Xiaowei2, HU Can2, ZHAO Yuan2, LI Yuefeng1

(1. Wuhan Kaidi Green Energy Development and Operation Co., Ltd., Wuhan 430074, Hubei Province, China;2. Wuhan Kaidi Electric Power Engineering Co., Ltd., Wuhan 430074, Hubei Province, China)

Biomass direct-fired power plant is a clean and concentrated way to utilize bioenergy. Reducing the flue gas temperature and making full use of the waste heat of the power plant will effectively improve the utilication efficiency of bioenergy or open up a new economic growth point for the power plant. Based on the characteristics of biomass direct-fired power plants in rural areas, the possibilitie of applying waste heat of flue gas from power plants to agriculture was discussed. The results show that it would promote farmers’ income and protect ecological environment by applying waste heat from biomass direct-fired plants to domestic heating, planting, breeding and other agricultural fields.

biomass direct-fired power plant; waste heat utilization; agriculture

10.12096/j.2096-4528.pgt.18047

TK6

2019-10-09。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)