王一坤，鄧?yán)?，賈兆鵬，張華東，周彥軍，員盼峰

(1. 華能長江環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100031；2. 西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；3. 華能山東發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250014；4. 西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054)

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，作為占全社會碳排放總量41%[1]的排放大戶，燃煤發(fā)電和供熱行業(yè)的碳減排壓力巨大。根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]，2020年我國煤電機(jī)組CO2排放約832 g/kWh，遠(yuǎn)高于全國單位發(fā)電量CO2排放(565 g/kWh)。從碳減排路徑來看，現(xiàn)階段碳捕集與利用(carbon capture utilization and storage，CCUS)技術(shù)、儲能技術(shù)和氫基衍生燃料替代技術(shù)等均存在規(guī)模較小、技術(shù)成熟度低和投資運(yùn)行成本較高等問題。生物質(zhì)作為人類利用最悠久的能源，目前利用總量已經(jīng)位居煤、石油、天然氣之后的第4位。作為可再生的零碳排放燃料，生物質(zhì)具備天然的碳減排替代優(yōu)勢。但受制于季節(jié)性強(qiáng)、集散度差和熱值低等原因，目前我國的生物質(zhì)燃料發(fā)電利用以小規(guī)模直燃機(jī)組為主[3]，此外大部分生物質(zhì)燃料還會作為農(nóng)戶和工業(yè)鍋爐燃料。如何利用我國現(xiàn)存煤電機(jī)組的高效環(huán)保優(yōu)勢，在降低機(jī)組碳排放的同時大幅度提高生物質(zhì)利用水平，成為目前我國電力行業(yè)從業(yè)人員的關(guān)注焦點(diǎn)。

對于耦合生物質(zhì)發(fā)電，研究人員已經(jīng)開展了大量技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面的研究工作。孫倩倩[4]、張小桃[5-7]、楊章寧[8]和王一坤[9-10]等從熱力計算、數(shù)值模擬等方面分析了耦合后的燃燒及環(huán)保特性。朱成成等[11]在模擬鍋爐氣氛下研究玉米秸稈與煙煤混燃的燃燒動力學(xué)特性，指出玉米秸稈的加入改善了燃料的綜合燃燒特性指數(shù)，減小了燃燒過程所需的表觀活化能。別南西等[12]對目前煤與生物質(zhì)熱解過程的堿金屬遷徙機(jī)理進(jìn)行綜述，分析了前人所采用的研究方法和檢測手段，并總結(jié)關(guān)鍵因素對堿金屬遷徙機(jī)理的影響規(guī)律。倪剛等[13]的試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)顆粒與煙煤耦合后的NOx減排效果更為顯著，提高一次風(fēng)溫可以顯著改善因?yàn)樯镔|(zhì)“搶風(fēng)”帶來的飛灰可燃物增加問題。王一坤等[14]介紹我國燃煤機(jī)組耦合發(fā)電的技術(shù)現(xiàn)狀和國內(nèi)外的工程案例，分析不同耦合方式的適應(yīng)范圍及對機(jī)組的影響，并指出耦合發(fā)電目前仍存在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失和政策支持力度不夠等問題。郭慧娜等[15]指出燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)發(fā)電面臨著缺乏大比例摻燒成熟技術(shù)、受熱面沾污腐蝕、缺少電量計量標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定低成本原料供應(yīng)等一系列問題。李少華等[16]依托某350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，對2種形態(tài)的生物質(zhì)燃料送風(fēng)管道耦合方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，指出生物質(zhì)摻燒將導(dǎo)致發(fā)電成本增加，建議采用電量補(bǔ)貼等方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性補(bǔ)償。云慧敏等[17]建立生物質(zhì)不同發(fā)電方式的評估模型，計算生物質(zhì)燃料規(guī)模成本、不同發(fā)電方式度電成本、邊際減排成本、電力碳排放強(qiáng)度和電廠成本收益率。范翼麟等[18]分析某典型600 MW機(jī)組不新增設(shè)備直接摻燒生物質(zhì)燃料的可行性，結(jié)果表明，當(dāng)生物質(zhì)價格為450元/t、標(biāo)煤價格為780元/t、碳稅價格為60元/t時可基本實(shí)現(xiàn)項目盈虧平衡。王斯一等[19]從技術(shù)研發(fā)、投資推廣、原料生產(chǎn)、發(fā)電并網(wǎng)和消費(fèi)等環(huán)節(jié)評估目前生物質(zhì)發(fā)電補(bǔ)貼政策的實(shí)施效果，指出我國現(xiàn)階段應(yīng)更多關(guān)注技術(shù)研發(fā)和完善激勵機(jī)制，建立配套保障后以市場化機(jī)制促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文針對某在建直接耦合生物質(zhì)發(fā)電項目，首先分析直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)、煙風(fēng)系統(tǒng)、環(huán)保特性和CO2排放的影響，然后建立經(jīng)濟(jì)分析模型分析主要因素對項目經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的影響，旨在為后繼類似項目提供投資決策依據(jù)。

1 計算基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 項目概況

本項目擬依托機(jī)組鍋爐為DG1 900/25.4-Ⅱ2型、超臨界參數(shù)、一次中間再熱、變壓直流本生鍋爐，采用平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒方式，配備6臺HP-1 003型中速磨煤機(jī)，主蒸汽調(diào)溫方式為“煤水比+減溫水”，再熱蒸汽調(diào)溫方式為“煙氣擋板+事故減溫水”，鍋爐截面尺寸為22 162 mm×15 456 mm，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the boiler

本項目采用成型生物質(zhì)顆粒磨制后通過原有一次風(fēng)管道及燃燒器直接進(jìn)入爐內(nèi)耦合發(fā)電的工藝，生物質(zhì)設(shè)計耦合量為20 t/h。主要工藝流程為：由汽車運(yùn)輸?shù)纳镔|(zhì)成型燃料被倒入設(shè)在卸料車間的地下料斗，通過鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)送入1號管帶機(jī)，經(jīng)篩分系統(tǒng)篩分除雜后由2號管帶機(jī)送入生物質(zhì)筒倉。筒倉內(nèi)設(shè)有料位、防爆及消防系統(tǒng)，生物質(zhì)顆粒由設(shè)在筒倉底部的圓周式螺旋給料機(jī)送入3號管帶機(jī)入口，再送入制粉系統(tǒng)破碎為粒徑1 mm左右的顆粒，隨后由羅茨風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入鍋爐原有一次風(fēng)管道，發(fā)電工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)耦合發(fā)電工藝流程Fig.1 Biomass coupled power generation technology flow chart

1.2 設(shè)計煤質(zhì)及生物質(zhì)參數(shù)

計算煤質(zhì)選用實(shí)際燃用煤種，生物質(zhì)為當(dāng)?shù)?種成型商品生物質(zhì)顆粒，外形如圖2所示，具體燃料參數(shù)見表2，全負(fù)荷下的生物質(zhì)耦合量均為20 t/h。

圖2 生物質(zhì)顆粒Fig.2 Biomass particles

表2 燃料參數(shù)Tab.2 Fuel parameters

1.3 計算方法

本次計算采用西安交通大學(xué)車得福教授課題組開發(fā)的鍋爐熱力計算校核軟件，該軟件的準(zhǔn)確性得到了多個工程實(shí)例(鍋爐容量75～2 955 t/h)的驗(yàn)證。計算時需要按照生物質(zhì)和原煤的質(zhì)量比例加權(quán)迭代計算燃料特性，詳細(xì)計算步驟見文獻(xiàn)[20]。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電后對鍋爐的影響

2.1.1 對鍋爐主要參數(shù)的影響

全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對排煙溫度的影響如圖3所示。所采用的生物質(zhì)為成型商品生物質(zhì)顆粒，在制造時經(jīng)過除雜和烘干處理，因此與摻燒其他相同材質(zhì)的未成型生物質(zhì)相比[20]，排煙溫度變化較小，全負(fù)荷下排煙溫度的變化幅度在0.68～2.10 ℃(花生殼顆粒)和0.38～2.10 ℃(鋸末顆粒)內(nèi)。

圖3 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對排煙溫度的影響Fig.3 Effect of directly coupled biomass power generation on exhaust outlet gas temperature

全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對鍋爐熱效率的影響如圖4所示。計算結(jié)果表明，全負(fù)荷下鍋爐熱效率分別變化了-0.05%～-0.17%(花生殼顆粒)和-0.04%～-0.17%(鋸末顆粒)。由于生物質(zhì)熱值低于原煤，輸入相同熱量時的排煙損失增大，鍋爐熱效率略有下降。

圖4 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對鍋爐熱效率的影響Fig.4 Effect directly coupled biomass power generation on thermal efficiency of boiler

全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對原煤消耗量的影響如圖5所示。由于生物質(zhì)摻燒量為恒定量20 t/h，全負(fù)荷下的原煤消耗量基本呈線性下降趨勢。2種生物質(zhì)成型顆粒的熱值較為接近，因此相同負(fù)荷下?lián)綗?種生物質(zhì)所消耗的原煤量差別較小。

圖5 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對原煤消耗量的影響Fig.5 Effect of directly coupled biomass power generation on coal consumption

2.1.2 對機(jī)組煙風(fēng)系統(tǒng)的影響

全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對煙氣量的影響如圖6所示。由于生物質(zhì)的摻燒比例較小，雖然摻燒生物質(zhì)后的總?cè)剂狭坑兴黾?，但全?fù)荷下的煙氣量僅增大0.19%～0.34%(花生殼顆粒)和0.15%～0.26%(鋸末顆粒)，原有的引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)無需任何改造就能滿足耦合生物質(zhì)發(fā)電的需求。

圖6 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對煙氣量的影響Fig.6 Effect of directly coupled biomass power generation on flue gas volume

從表2生物質(zhì)燃料的元素分析結(jié)果可以看出，由于生物質(zhì)中的氧含量遠(yuǎn)高于原煤，燃燒時所需的理論空氣量較少，隨著負(fù)荷降低，燃料中生物質(zhì)的比例逐漸增大，燃料的理論空氣量降低十分明顯。全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對理論空氣量的影響如圖7所示。全負(fù)荷下燃料所需的標(biāo)態(tài)理論空氣量為5.00～5.19 m3/kg(花生殼顆粒)和5.06～5.21 m3/kg(鋸末顆粒)，原有的送風(fēng)系統(tǒng)可以滿足耦合生物質(zhì)發(fā)電的需求。

圖7 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對理論空氣量的影響Fig.7 Effect of directly coupled biomass power generation on theoretical air volume

2.1.3 對機(jī)組環(huán)保特性的影響

已有的研究結(jié)果表明[21-22]，生物質(zhì)原料燃燒時生成的含氮中間產(chǎn)物以NH3為主，NH3可以作為還原劑降低原煤燃燒時產(chǎn)生的NOx。摻燒生物質(zhì)后燃料原始生成的NOx含量會有所降低，但同時生物質(zhì)灰分中的堿金屬及堿土金屬會沉積在催化劑表面導(dǎo)致催化劑活性下降，從已有的數(shù)據(jù)來看[23-24]，耦合比例較低時其對催化劑的活性影響很小。生物質(zhì)成型燃料的硫分和灰分均遠(yuǎn)低于原煤，雖然生物質(zhì)燃燒后的灰分會產(chǎn)生大量亞微米級的顆粒，但由于摻燒比例較低，不會影響原有機(jī)組的環(huán)保性能。

2.1.4 對機(jī)組CO2排放的影響

由于生物質(zhì)中的碳元素來自于生長過程中吸收的大氣中的CO2，因此被認(rèn)為是燃燒后不排放CO2的零碳燃料。全負(fù)荷下直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對CO2排放值的影響如圖8所示。耦合生物質(zhì)發(fā)電后，機(jī)組CO2排放量顯著降低，全負(fù)荷下機(jī)組的發(fā)電CO2排放值為748.5～765.4 g/kWh(花生殼顆粒)和740.4～762.0 g/kWh(鋸末顆粒)。取機(jī)組年利用時間4 500 h、生物質(zhì)耦合系統(tǒng)設(shè)備所需功率1 200 kW計算，每年可減排CO2約1.3×105t(花生殼顆粒)和1.4×105t(鋸末顆粒)。

圖8 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電對發(fā)電CO2排放值的影響Fig.8 Effect of directly coupled biomass power generation on CO2 emission

2.2 直接耦合生物質(zhì)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析

本文提出的經(jīng)濟(jì)分析模型基于以下假設(shè)：

a)生物質(zhì)的消耗量為20 t/h，忽略因生物質(zhì)耦合后對原有機(jī)組不利影響帶來的維護(hù)成本。

b)除燃料成本之外的發(fā)電成本為固定值，不隨燃料成本及上網(wǎng)電量變化。

c)項目成本由生物質(zhì)燃料成本，生物質(zhì)處理電費(fèi)、水費(fèi)，系統(tǒng)運(yùn)行修理費(fèi)，人工成本，耦合發(fā)電后的燃煤增量成本和因灰渣量減少的銷售收入構(gòu)成。

d)生物質(zhì)燃料價格不隨標(biāo)煤價格變化波動。

e)項目收入由生物質(zhì)燃料替代標(biāo)煤收入、CO2減排收入和電量補(bǔ)貼收入構(gòu)成。

f)項目總投資8 500萬元，貸款比例為70%，貸款利率為4.9%，按照10年等額本息法償還貸款。

g)項目折舊采用10年平均年限折舊法，固定資產(chǎn)殘值取5%。

本項目經(jīng)濟(jì)模型的參數(shù)和基準(zhǔn)值見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)模型的參數(shù)和基準(zhǔn)值Tab.3 Parameters and reference values of economic model

經(jīng)濟(jì)模型中的標(biāo)煤價格為項目所依托機(jī)組2018—2020年采購價格平均值，生物質(zhì)價格為當(dāng)?shù)爻尚蜕镔|(zhì)的到廠價格，碳稅價格為項目所在地2021年交易價格平均值，灰渣收入損失按照每噸飛灰銷售收入40元考慮，電量補(bǔ)貼時長為項目所在省份政策性文件中規(guī)定的年累計補(bǔ)貼時長上限。

我國現(xiàn)階段的碳稅價格較低，僅占項目總收入的5%～6%，因此對項目收益影響較大的因素主要為生物質(zhì)燃料價格、標(biāo)煤價格和補(bǔ)貼時長。本文分析上述3種主要因素對稅前內(nèi)部收益率(internal rate of return，IRR)、靜態(tài)投資回收期Pt和產(chǎn)能盈虧平衡點(diǎn)(capacity break-even point，CBEP)的影響。

2.2.1 生物質(zhì)燃料價格對項目經(jīng)濟(jì)性的影響

生物質(zhì)燃料價格對項目IRR的影響如圖9(a)所示，隨著生物質(zhì)燃料價格的增加，項目IRR分別從29.5%(花生殼顆粒)和27.4%(鋸末顆粒)降低至5.5%(花生殼顆粒)和2.7%(鋸末顆粒)，單位熱值的生物質(zhì)成本越低，項目IRR越高。生物質(zhì)燃料價格對Pt的影響如圖9(b)所示，生物質(zhì)燃料價格與項目靜態(tài)投資回收期基本呈指數(shù)關(guān)系，隨著生物質(zhì)燃料價格的增加，Pt分別從4.4 a(花生殼顆粒)和4.6 a(鋸末顆粒)增加至10.9 a(花生殼顆粒)和13.8 a(鋸末顆粒)。圖9(c)反映了生物質(zhì)燃料價格對CBEP的影響，隨著生物質(zhì)燃料價格的提高，需要將CBEP分別從83.5%(花生殼顆粒)和86.0%(鋸末顆粒)提高至104.8%(花生殼顆粒)和107.3%(鋸末顆粒)才能保證盈虧平衡。

圖9 生物質(zhì)價格對項目經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.9 Effect of biomass price on project economics

2.2.2 標(biāo)煤價格對項目經(jīng)濟(jì)性的影響

標(biāo)煤價格對項目IRR的影響如圖10(a)所示，隨著標(biāo)煤價格的增加，項目IRR分別從27.0%(花生殼顆粒)和24.1%(鋸末顆粒)降低至20.8%(花生殼顆粒)和19.4%(鋸末顆粒)。標(biāo)煤價格對IRR的影響小于生物質(zhì)燃料價格的影響，這是因?yàn)橐环矫鏄?biāo)煤價格上漲后，生物質(zhì)燃料替代標(biāo)煤的收入增加，但另一方面機(jī)組發(fā)電收入隨之下降。標(biāo)煤價格對Pt的影響如圖10(b)所示，標(biāo)煤價格與項目靜態(tài)投資回收期基本呈線性關(guān)系，隨著標(biāo)煤價格的增加，Pt分別從4.6 a(花生殼顆粒)和5.0 a(鋸末顆粒)增加至5.5 a(花生殼顆粒)和5.8 a(鋸末顆粒)。圖10(c)反映了標(biāo)煤價格對CBEP的影響，隨著標(biāo)煤價格的提高，需要將項目產(chǎn)能分別從86.3%(花生殼顆粒)和89.2%(鋸末顆粒)提高至91.5%(花生殼顆粒)和93.1%(鋸末顆粒)才能保證盈虧平衡。對于項目經(jīng)濟(jì)性而言，標(biāo)煤價格的變化影響小于生物質(zhì)燃料。

圖10 標(biāo)煤價格對項目經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.10 Effect of standard coal price on project economics

2.2.3 補(bǔ)貼時長對項目經(jīng)濟(jì)性的影響

補(bǔ)貼時長對項目IRR的影響如圖11(a)所示，隨著補(bǔ)貼時長的減少，項目IRR分別從24.0%(花生殼顆粒)和21.8%(鋸末顆粒)降低至7.4%(花生殼顆粒)和4.7%(鋸末顆粒)，補(bǔ)貼時長對IRR的影響較大，基本與生物質(zhì)燃料價格相當(dāng)。補(bǔ)貼時長對Pt的影響如圖11(b)所示，補(bǔ)貼時長與項目靜態(tài)投資回收期基本呈線性關(guān)系，隨著補(bǔ)貼時長的減少，Pt分別從5.0 a(花生殼顆粒)和5.4 a(鋸末顆粒)增加至9.7 a(花生殼顆粒)和11.5 a(鋸末顆粒)。圖11(c)反映了補(bǔ)貼時長對CBEP的影響，隨著補(bǔ)貼時長的減少，需要將CBEP分別從88.8%(花生殼顆粒)和91.1%(鋸末顆粒)提高至103.8%(花生殼顆粒)和106.3%(鋸末顆粒)才能保證盈虧平衡。對于項目經(jīng)濟(jì)性而言，補(bǔ)貼時長的變化影響大于標(biāo)煤價格的變化，與生物質(zhì)燃料價格的影響相當(dāng)。

圖11 補(bǔ)貼時長對項目經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.11 Effect of subsidized hours on project economics

3 結(jié)論

本文針對某在建生物質(zhì)直接耦合發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行了熱力校核計算和經(jīng)濟(jì)性分析，得到結(jié)論如下：

a)本項目的生物質(zhì)耦合比例較低，對機(jī)組的影響很小，全負(fù)荷下鍋爐排煙溫度升高了0.38～2.10 ℃，鍋爐熱效率變化了-0.05%～-0.17%。原有的送、引風(fēng)系統(tǒng)無需改造就可滿足要求。

b)生物質(zhì)耦合發(fā)電后，機(jī)組滿負(fù)荷下的發(fā)電CO2排放值從811.1 g/kWh降低至765.4 g/kWh(花生殼顆粒)和762.0 g/kWh(鋸末顆粒)，可年減排CO2約(1.3～1.4)×105t。

c)本項目的基準(zhǔn)IRR為24.0%(花生殼顆粒)和21.8%(鋸末顆粒)，基準(zhǔn)Pt為5.0 a(花生殼顆粒)和5.4 a(鋸末顆粒)，基準(zhǔn)CBEP為88.8%(花生殼顆粒)和91.1%(鋸末顆粒)，生物燃料價格和補(bǔ)貼時長對項目經(jīng)濟(jì)性的影響大于標(biāo)煤價格的影響。

d)考慮到我國的碳稅價格短期內(nèi)很難大幅度提高，建議生物質(zhì)耦合發(fā)電項目從降低生物質(zhì)燃料價格、提高設(shè)備國產(chǎn)化率、降低投資成本和爭取補(bǔ)貼政策等方面著手提高項目經(jīng)濟(jì)性。