張開萍,張洪福,高明明?,王勇,馬聰
(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京 102206;2.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司,天津 300270)
隨著社會的不斷發(fā)展,化石燃料的需求與消耗逐漸增大,存量不斷減小,其不可再生性導(dǎo)致急需找到合適的替代能源[1]。生物質(zhì)能作為一種可再生能源,其資源相當(dāng)豐富,我國的年均生物質(zhì)能總量折合約5 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤,約為能源消費(fèi)總量的10%左右。生物質(zhì)能作為資源豐富、可再生、分布地域廣的綠色能源,被公認(rèn)為當(dāng)前最具前景的綠色能源之一[2?3]。近年來,生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)逐漸興起,并且在我國取得了一定程度的發(fā)展。生物質(zhì)發(fā)電不僅有助于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),還可替代部分煤電,成為電網(wǎng)調(diào)峰的重要力量。
本文著重介紹生物質(zhì)循環(huán)流化床(CFB)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用,分析3 種生物質(zhì)CFB 鍋爐發(fā)展近況及研究難點(diǎn),并展望生物質(zhì)CFB發(fā)電的前景。
生物質(zhì)能的種類豐富,目前可被有效利用的生物質(zhì)主要包括植物類的農(nóng)林木材、雜草和農(nóng)作物等,以及非植物類的動物糞便、垃圾、廢水中的有機(jī)物[4]。生物質(zhì)能利用方式主要有直接燃燒、厭氧消化制取沼氣、壓縮成型燃料、氣化、制乙醇、液化、制氫和制柴油等。
目前國內(nèi)用于發(fā)電的生物質(zhì)能源主要有沼氣、農(nóng)林作物、生活垃圾等[5]。近10 年來,我國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量增長速率逐漸加快,如圖1 所示。截至2020 年我國生物質(zhì)裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到29.52 GW,且近3 年我國總裝機(jī)容量增長比例都達(dá)到了20%以上。在我國新增生物質(zhì)裝機(jī)容量中,農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電和垃圾發(fā)電的新增裝機(jī)容量比重較大,如圖2所示。用于生物質(zhì)發(fā)電的鍋爐主要有爐排鍋爐和CFB 鍋爐,其中生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)氣化利用和生物質(zhì)直燃利用。
圖1 2013—2020年中國生物質(zhì)發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量Fig.1 Cumulative installed capacities of biomass generated power from 2013 to 2020 in China
圖2 2015—2020年全國生物質(zhì)發(fā)電新增并網(wǎng)情況Fig.2 New grid?connected capacities of biomass generated power from 2015 to 2020 in China
燃煤CFB 鍋爐在我國的發(fā)展相對比較成熟,鍋爐制造工藝成熟,各種輔機(jī)設(shè)備齊備,為設(shè)計(jì)適合生物質(zhì)能利用的循CFB 鍋爐提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。CFB 鍋爐具有燃燒穩(wěn)定的優(yōu)勢,爐膛溫度僅需保證在850~900 ℃,材料的耐高溫性比普通鍋爐低,因此其制造成本相對更低。CFB鍋爐內(nèi)部物料處于劇烈的運(yùn)動及循環(huán)過程中,物料在內(nèi)部的停留時(shí)間較長,因此即使燃料粒徑大,仍能保證較高的燃盡率。同時(shí),CFB 鍋爐能保證較低的污染物排放。較低的床溫以及疏密相間的區(qū)分有助于減少NOx的生成;使用爐內(nèi)石灰石脫硫和爐外石灰水吸收SO2的爐內(nèi)外結(jié)合脫硫方式,能夠更簡單、經(jīng)濟(jì)地達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。
生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)主要有直燃式發(fā)電、共燃式發(fā)電、耦合發(fā)電[7]。生物質(zhì)直燃式鍋爐單純?nèi)紵镔|(zhì)燃料,用于處理生物質(zhì)垃圾和農(nóng)林廢棄物,國內(nèi)小型環(huán)保鍋爐多采用直燃式。共燃式是將生物質(zhì)燃料與燃煤混合燃燒,這種方式對于燃料適應(yīng)性強(qiáng)的CFB 鍋爐有較好的效果。耦合發(fā)電分為并聯(lián)耦合與間接耦合。并聯(lián)耦合是將生物質(zhì)燃料單獨(dú)燃燒,與燃煤產(chǎn)生的蒸汽一同進(jìn)入汽輪機(jī)做功,這種技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用很少,故在此不做討論。間接耦合則是利用生物質(zhì)能源的特性,將其氣化形成燃?xì)夂?,再送入鍋爐與煤混燃[8]。因此,目前國內(nèi)應(yīng)用的生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)主要是直燃式、直接共燃式、間接耦合式。以上3 種主要發(fā)電方式各自存在優(yōu)缺點(diǎn),將分別分析其研究現(xiàn)狀與技術(shù)難點(diǎn)。
生物質(zhì)直燃式CFB 直接燃燒生物質(zhì)燃料,是最簡單直接的利用方式。目前國內(nèi)的生物質(zhì)直燃式CFB 鍋爐容量主要為75 t/h和130 t/h 2種規(guī)格,均已實(shí)現(xiàn)我國自主設(shè)計(jì)。圖3是生物質(zhì)直燃式CFB 鍋爐結(jié)構(gòu)簡圖,其鍋爐設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與燃煤CFB 鍋爐基本相同,主要包括床下點(diǎn)火器、爐膛、分離器、回料器和尾部對流煙道,其中尾部煙道樣式較多,圖中紅色虛線框內(nèi)所示分別為單煙道和三煙道結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)燃料在進(jìn)入爐膛后,其燃燒過程與煤炭燃燒過程相同,分為3 個(gè)階段:水蒸氣蒸發(fā)和燃燒物預(yù)熱、揮發(fā)分析出燃燒、固定碳燃燒。
圖3 直燃式生物質(zhì)CFB鍋爐結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a direct?combustion biomass CFB boiler
由于生物質(zhì)燃料的堆積密度比較小,僅為普通煤炭的1/10,所以其給料方式和儲存方式與普通燃煤CFB 鍋爐存在較大區(qū)別。電廠基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要更大的儲料倉,從而對于料場的安全管理難度更大。儲料倉內(nèi)一般會在溫度過高部位安裝噴水降溫裝置,這對于燃料的含水量有一定影響,燃料水分過高會導(dǎo)致煙氣增多,消耗的熱量也更多,增加生物質(zhì)CFB 鍋爐的排煙熱損失。此外,生物質(zhì)能鍋爐的給料量是普通鍋爐的數(shù)倍,會導(dǎo)致給料難以滿足鍋爐的熱負(fù)荷需求,甚至給料過程發(fā)生故障。為解決此類問題,有電廠采用大開口直推式雙螺旋二級生物質(zhì)給料方式,也有電廠采用無軸蛟龍輸料系統(tǒng),分別能夠滿足額定蒸發(fā)量75 t/h 和130 t/h 的生物質(zhì)CFB 鍋爐,且長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠、效果較好[9?10]。但是,對于后續(xù)大容量、大參數(shù)生物質(zhì)CFB 鍋爐,有必要對給料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
對于直燃式生物質(zhì)CFB 鍋爐,當(dāng)床溫控制在800 ℃以內(nèi)時(shí),可以較好地燃燒秸稈等燃料,避免出現(xiàn)高溫結(jié)渣現(xiàn)象。但由于床溫較低和生物質(zhì)燃料本身的傳熱特性,鍋爐的出力只能達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%。當(dāng)使用高溫分離器時(shí),分離器易出現(xiàn)高溫結(jié)焦現(xiàn)象,可通過增大送風(fēng)量使燃燒提前充分完成,減少分離器內(nèi)的結(jié)焦。為解決過熱器高溫腐蝕的問題,可將高溫過熱器布置在外置換熱器當(dāng)中。但外置式換熱器的投用會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電耗的增加,同時(shí)檢修困難。有研究發(fā)現(xiàn),改變不同燃料的配比或采用低循環(huán)倍率方式可以更好地解決高溫結(jié)渣腐蝕問題[11]。根據(jù)生物質(zhì)CFB 鍋爐煤的摻燒規(guī)定,其摻燒熱值不得高于20%,在規(guī)定范圍內(nèi),隨著摻燒比例的提高,不僅鍋爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性提高,而且爐內(nèi)的腐蝕、污染物排放和燃燒熱損失率都明顯降低[12]。
生物質(zhì)燃料與普通煤炭燃料相比,灰分更少,顆粒直徑更小,所以生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的流化過程和分離器工作難度更大。研究者們從燃燒過程、床溫和床壓調(diào)節(jié)、返料機(jī)的運(yùn)行及調(diào)整等方面提出了改進(jìn)方式[13?14]。生物質(zhì)CFB 鍋爐和燃煤CFB鍋爐在運(yùn)行和控制時(shí)存在相同的問題,主要是非線性以及多變量耦合,文獻(xiàn)[15]中引入字典序多目標(biāo)優(yōu)化和滾動時(shí)域控制原理,建立燃燒控制模型,提出了非線性預(yù)測控制算法并取得更好的控制效果。
生物質(zhì)直燃式循環(huán)流化床作為生物質(zhì)最直接的利用方式,主要難點(diǎn)有污染物排放控制及防腐蝕、滿足更高熱負(fù)荷的給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鍋爐的燃燒控制、一/二次風(fēng)配比優(yōu)化和循環(huán)流化倍率設(shè)計(jì)等。針對上述問題,可以從鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒運(yùn)行控制優(yōu)化2個(gè)方面著手解決。
GLP-1對骨代謝的調(diào)節(jié)是雙向的,既可以促進(jìn)骨形成,又能抑制骨吸收。其可能通過促進(jìn)胰島素分泌,改善血糖、血脂,改善微循環(huán),降低降鈣素的分泌以及直接激活骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)上的GLP-1R實(shí)現(xiàn)對骨代謝的調(diào)節(jié)作用。
間接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù),是指將生物質(zhì)氣化后送入燃煤或者燃?xì)忮仩t中燃燒進(jìn)行發(fā)電,如圖4所示?,F(xiàn)有的生物質(zhì)氣化多數(shù)采用流化床鍋爐。生物質(zhì)氣化過程需要在一定的溫度條件下進(jìn)行,在低氧氣濃度條件下,將生物質(zhì)中的高分子碳?xì)浠衔锓纸鉃榭扇嫉腍2和CO。生物質(zhì)氣化過程主要包括熱解、氧化和還原。從排煙口排出的燃?xì)夂休^多雜質(zhì)(水分、焦油、灰分和炭顆粒等),需要經(jīng)過特殊裝置進(jìn)行凈化和過濾處理。得到的高品質(zhì)燃?xì)饪梢赃M(jìn)一步發(fā)電或供熱利用。
圖4 生物質(zhì)氣化爐流程Fig.4 Flow of the biomass gasification furnace
生物質(zhì)氣化一般采用流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器。前者根據(jù)流化風(fēng)速的不同,可以分為鼓泡床和循環(huán)床2 種,其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。流化床氣化爐床體是由硅或橄欖石等惰性材料組成,高溫情況下床體呈現(xiàn)類液態(tài),燃料被送到爐內(nèi)后發(fā)生反應(yīng),生成的灰分由底部排出。
圖5 生物質(zhì)流化床氣化爐結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic structure of the CFB gasification furnace
目前運(yùn)行效果較好的間接耦合式循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組有芬蘭Vaskiluoti電廠、比利時(shí)Ruien電廠、奧地利Zeltweg 電廠以及國內(nèi)的大唐長山熱電廠和國電長源荊門發(fā)電公司#7 機(jī)組。圖6 為芬蘭Kemi Jarvi 電廠生物質(zhì)間接耦合發(fā)電系統(tǒng)。國外機(jī)組使用的燃料大多是木質(zhì)生物質(zhì),這類燃料的灰分、堿金屬和氯含量較少,氣化得到的低熱值(LCV)燃?xì)饨?jīng)過加熱后與煤粉直流爐結(jié)合燃燒,將CFB 分離器尾部得到的煙氣送入煤粉爐燃燒,對煤粉爐的運(yùn)行影響也比較小。我國作為農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)燃料多采用農(nóng)林剩余物,主要是秸稈,其堿金屬、灰分和氯含量較高,所以國內(nèi)機(jī)組通常需要進(jìn)一步安裝除塵凈化設(shè)備,導(dǎo)致建設(shè)成本更高。同時(shí),秸稈類燃料對共燃率和煤粉鍋爐的運(yùn)行影響也較大[16?17]。
圖6 芬蘭Kemi Jarvi電廠間接耦合發(fā)電系統(tǒng)Fig.6 Indirect coupling power generation system of Kemi Jarvi Power Plant in Finland
有研究者對生物質(zhì)氣化過程進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),對臨界流化速度、布風(fēng)擋板阻力以及床料阻力進(jìn)行了分析,并提出了低倍率CFB 氣化生物質(zhì)的可行性[18]。文獻(xiàn)[19]提出生物質(zhì)氣化發(fā)電過程的動力學(xué)模型,可以更好地描述生物質(zhì)氣化過程的反應(yīng)機(jī)理,并運(yùn)用MATLB 進(jìn)行了模型仿真,從氣化反應(yīng)過程及最終氣體生成物組分2個(gè)方面驗(yàn)證了模型的合理性。此模型可用于優(yōu)化和評價(jià)生物質(zhì)流化床氣化過程,并為后續(xù)的生物質(zhì)氣化爐氣化參數(shù)和氣化方案設(shè)計(jì)提供參考。在此基礎(chǔ)上,有研究者對生物質(zhì)氣化系統(tǒng)和300 MW CFB 鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行了建模,計(jì)算得到鍋爐各工況下的各運(yùn)行參數(shù),并探討了再燃比例變化對鍋爐運(yùn)行參數(shù)及效率的影響[20]。
生物質(zhì)需要在一定溫度、壓力、催化劑的條件下,與氣化劑發(fā)生氣化反應(yīng)。氣化劑可以是氧氣、空氣或CO2和水,3 種氣化劑適用類型不同,所得到的燃?xì)饧捌錈嶂荡嬖诓町悾筛鶕?jù)燃?xì)獾木唧w用途選擇氣化劑[21]。催化劑方面,常見的有白云石類、堿金屬類、Ni 催化劑、Rh/CeO2/SiO2催化劑等,有研究者對各種催化劑進(jìn)行了相關(guān)研究,分析了其各自的使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)[22]。生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的蒸汽可以通過鍋爐發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回收利用,對于現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠具有很好的適用效果。生物質(zhì)CFB 氣化技術(shù)不僅可以配合直流式燃煤鍋爐,還有其他更多的適用途徑。文獻(xiàn)[23]基于生物質(zhì)熱載體的CFB 技術(shù),在Aspen 平臺上建立了聯(lián)產(chǎn)電力和油品集成系統(tǒng),得到了系統(tǒng)對物質(zhì)、能量的和環(huán)境的綜合評價(jià)。
基于CFB 的生物質(zhì)氣化間接耦合發(fā)電方式應(yīng)用前景較好,氣化技術(shù)方面有待進(jìn)步,合適的氣化參數(shù)、催化劑和氣化劑,能夠使氣化產(chǎn)物滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。在生物質(zhì)氣化與發(fā)電鍋爐耦合方面,高效的控制手段及策略能夠提高燃煤側(cè)鍋爐的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。為適用于國內(nèi)現(xiàn)有的政策情況,生物質(zhì)氣化過程也可以作為產(chǎn)熱的一種途徑,在供熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對生物質(zhì)能的高效利用。
針對CFB 鍋爐摻燒生物質(zhì)的研究近年來不斷增多,主要研究集中在摻燒比例對鍋爐燃燒狀態(tài)、污染物和飛灰等的影響。研究人員通過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)摻燒生物質(zhì)可使NO 排放量降低[24],摻燒生物質(zhì)使燃料的水分增加,爐內(nèi)溫度整體偏低,NO 還原成N2的作用加強(qiáng),同時(shí)NH3生成NO 的速率降低,因此NOx的最終排放量降低。此外,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)燃煤鍋爐在摻燒谷殼對SO2的排放有明顯的抑制作用[25]。有研究者通過對整個(gè)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行分析,考慮著火指數(shù)、燃盡指數(shù)、放熱性能和氣體污染物等各項(xiàng)因素后,提出了最佳的生物質(zhì)摻燒比例[26]。文獻(xiàn)[27]研究了生物質(zhì)燃料多樣性對摻燒燃燒效果的影響,對不同種類生物質(zhì)燃料與煤共燃的熱力系統(tǒng)進(jìn)行了分析,從機(jī)理上分析了不同種類燃料摻燒對爐膛熱效率、鍋爐各部位溫度的影響。
燃煤鍋爐在摻燒生物質(zhì)后,對鍋爐的運(yùn)行會產(chǎn)生一定程度的影響。例如,生物質(zhì)中含有的堿金屬元素在爐內(nèi)高溫條件下易以鹽的形式析出,從而形成飛灰聚團(tuán)現(xiàn)象,使返料系統(tǒng)不通暢。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰分熔點(diǎn)較低,易沾污受熱面,進(jìn)而影響換熱效率。有試驗(yàn)分析證明,控制摻燒比例在一定范圍內(nèi)可解決這一問題[28?29]。CFB 機(jī)組要實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)摻燒,可以從生物質(zhì)收購儲存、生物質(zhì)燃料破碎、輸送系統(tǒng)、入爐部分以及控制系統(tǒng)等方面入手進(jìn)行改造[30]。改造完成后可大量快速高效地利用生物質(zhì)燃料,極具社會效益。目前,影響生物質(zhì)直接共燃式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要問題是總發(fā)電量中由生物質(zhì)產(chǎn)生的部分不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量或換算。
生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在我國受重視程度很高,國家發(fā)改委、財(cái)政部、國家能源局于2020 年共同研究制定了《完善生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行的實(shí)施方案》。此方案提出要堅(jiān)持“以收定補(bǔ)、新老劃段、有序建設(shè)、平穩(wěn)發(fā)展”的方針,進(jìn)一步完善生物質(zhì)發(fā)電建設(shè)運(yùn)行管理,合理安排2020年中央新增生物質(zhì)發(fā)電補(bǔ)貼資金,全面落實(shí)各項(xiàng)支持政策,推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步,提升項(xiàng)目運(yùn)行管理水平,逐步形成有效的生物質(zhì)發(fā)電市場化運(yùn)行機(jī)制,讓我國的生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展。在全國范圍內(nèi),煤炭行業(yè)正在大力調(diào)整,限制產(chǎn)能,煤炭價(jià)格升高,以燃煤發(fā)電為主的行業(yè)受到?jīng)_擊。碳中和背景下,壓力尤甚。因此,更有必要大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。在國家的大力支持及市場的導(dǎo)向作用之下,對生物質(zhì)電廠建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研究的投入將會更多。
據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)CFB 機(jī)組現(xiàn)有439臺投入運(yùn)營,裝機(jī)容量88.26 GW,我國CFB 鍋爐技術(shù)的發(fā)展有一定積累。生物質(zhì)燃料更加適用于CFB 鍋爐的燃燒方式,其污染物排放也更低。基于生物質(zhì)的CFB 發(fā)電技術(shù)種類多,能夠更好地適應(yīng)我國燃料的多樣性。近20 年實(shí)踐證明,CFB 鍋爐在生物質(zhì)利用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,其在生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊,對于生物質(zhì)CFB 發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化的研究也將更有價(jià)值。
針對現(xiàn)有的生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了論述,該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有多種生物質(zhì)的消納,其中以直燃式、間接耦合式、直接共燃式為主。根據(jù)“十四五生物質(zhì)能源規(guī)劃”提出的“在不同地區(qū)發(fā)展適宜本地條件的直燃式發(fā)電、成型發(fā)電、混燃發(fā)電等發(fā)電方式要求”,生物質(zhì)CFB 發(fā)電技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景,但目前也存在不少運(yùn)行問題。未來的應(yīng)用與研究需包含但不限于以下幾個(gè)方面。
(1)對于生物質(zhì)燃料單位體積能量較低、質(zhì)量不高、分布存在區(qū)域性且運(yùn)輸困難等問題,需建立生物質(zhì)電廠及一系列的附屬產(chǎn)業(yè),解決生物質(zhì)發(fā)電計(jì)量問題。
(2)隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格,需深入研究生物質(zhì)CFB 鍋爐的污染物排放特性。針對特殊的生物質(zhì)燃料,NOx和SO2是否能夠達(dá)到超低排放需要進(jìn)一步深入研究。
(3)對于現(xiàn)役的CFB 鍋爐,將摻燒生物質(zhì)作為降低污染物排放、有效利用生物質(zhì)能源的方式,基于此提出合理的摻燒方案。
(4)利用生活垃圾供熱或者熱電聯(lián)產(chǎn),是目前生活垃圾的重要環(huán)保利用方式,基于CFB 的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)有待深入研究。
(5)在碳達(dá)峰、碳中和背景下,發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)將提供有效的減碳路徑,生物質(zhì)加碳捕集和封存還可實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。另外,在減煤降碳的時(shí)代大背景下,生物質(zhì)發(fā)電可替代部分煤電,成為電網(wǎng)調(diào)峰的重要力量。