中國煤電機(jī)組轉(zhuǎn)型改造的兩大技術(shù)方向
“深度調(diào)峰”和“生物質(zhì)耦合發(fā)電”
清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系
毛健雄
前言
在“3060”雙碳目標(biāo)的宏大愿景下,“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”這一具體的電力轉(zhuǎn)型方向進(jìn)一步明確,以風(fēng)電和太陽能發(fā)電為代表的新能源將逐步成為我國的主體電源。但由于風(fēng)電和太陽能發(fā)電是間歇性的不穩(wěn)定電源,其電量保證需要有具有調(diào)節(jié)能力的火電給予支持和保障,這一新形勢對于現(xiàn)有煤電形成了前所未有的巨大挑戰(zhàn),這意味著碳排放最高的煤電,不但要轉(zhuǎn)型發(fā)展成為低碳電源,而且必須從電量保證型的主體電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)型電源。面對這一轉(zhuǎn)型目標(biāo),現(xiàn)有的存量煤電機(jī)組應(yīng)該如何進(jìn)行轉(zhuǎn)型改造?筆者認(rèn)為,應(yīng)該抓住“深度調(diào)峰”和“生物質(zhì)耦合發(fā)電”這兩個(gè)技術(shù)方向,通過技術(shù)創(chuàng)新,加強(qiáng)國際合作,拿出“抓鐵有痕、踏石留印”的勁頭,明確時(shí)間表、路線圖、施工圖,持之以恒, 不斷推進(jìn)。
“深度調(diào)峰”
根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,到2030年,可再生的風(fēng)電和太陽能發(fā)電的總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上,從裝機(jī)容量上看,將成為我國最主要的電源。根據(jù)預(yù)測,2050年的非化石能源發(fā)電量的比重提高至90%,風(fēng)電與太陽能發(fā)電的裝機(jī)容量占比還要提高。但是,由于風(fēng)電和太陽能發(fā)電的短板是“不可控”,裝機(jī)的發(fā)電能力嚴(yán)重受限于天氣、季節(jié)、風(fēng)力等自然氣象條件的限制。據(jù)報(bào)道,2019年在全國非化石能源發(fā)電量占比僅為32.6%情況下,風(fēng)電和光電就已經(jīng)普遍面臨并網(wǎng)難、消納難、調(diào)度難等問題。在今后風(fēng)光電源更加高速發(fā)展的新形勢下,越來越高比例的間歇性電源介入電網(wǎng)的情況下,電力系統(tǒng)對調(diào)節(jié)電源容量的需求更是非常巨大。因此,大力發(fā)展安全可靠,并具有深度靈活調(diào)節(jié)特性的電源勢在必行,這也是煤電今后必須而且應(yīng)該有能力承擔(dān)的歷史性責(zé)任。
燃煤火電機(jī)組的調(diào)峰能力,取決于鍋爐對低負(fù)荷的適應(yīng)能力,所謂調(diào)峰能力,就是機(jī)組最大和最小穩(wěn)燃負(fù)荷之比。所謂“深度調(diào)峰”,就是煤電機(jī)組的鍋爐最低穩(wěn)燃能力能夠達(dá)到的比例,一般認(rèn)為,具有20%的超低負(fù)荷下的調(diào)峰能力,使調(diào)峰深度能夠達(dá)到80%, 就是“深度調(diào)峰”。因此,深度調(diào)峰改造的重點(diǎn)應(yīng)該是采用創(chuàng)新技術(shù),解決煤粉爐如何在20%的負(fù)荷下達(dá)到穩(wěn)定著火和燃燒。深度調(diào)峰改造技術(shù)的關(guān)鍵和難度是解決鍋爐20%的超低負(fù)荷下的安全性和穩(wěn)定著火與燃燒性能,同時(shí),還應(yīng)該在20%負(fù)荷下能夠?qū)崿F(xiàn)污染物超低排放。煤電今后作為調(diào)節(jié)性電源,其運(yùn)行特點(diǎn)應(yīng)該首先保證風(fēng)電和太陽能發(fā)電電力的消納和調(diào)節(jié),因此,今后煤電機(jī)組的運(yùn)行將會(huì)是長時(shí)間處于中低負(fù)荷或深度調(diào)峰的運(yùn)行狀態(tài), 因此,鍋爐的改造應(yīng)該同時(shí)考慮機(jī)組在中低負(fù)荷及深度調(diào)峰時(shí)如何能夠保持盡可能高的效率和盡可能低的供電煤耗。在此基礎(chǔ)上,如何保證鍋爐機(jī)組在中低負(fù)荷和深度調(diào)峰時(shí)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放,這也是煤電機(jī)組深度調(diào)峰改造時(shí)必須考慮解決和達(dá)到的目標(biāo)。
根據(jù)我國煤電機(jī)組電廠深度調(diào)峰改造的經(jīng)驗(yàn),對深度調(diào)峰技術(shù)改造應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)要求,提出以下的建議:
1. 對于純凝機(jī)組的深度調(diào)峰能力要求:
(1)深度調(diào)峰負(fù)荷范圍:100-20%;
(2)機(jī)組不投用輔助能量(油/等離子等)助燃的條件下,能夠確保鍋爐穩(wěn)定燃燒, 并能在滿足超低排放的要求下,其最低運(yùn)行穩(wěn)燃負(fù)荷達(dá)到20%;
(3)機(jī)組從50%負(fù)荷調(diào)整至最低負(fù)荷用時(shí)不超過1.5小時(shí),從最低負(fù)荷調(diào)整至50%負(fù)荷用時(shí)不超過1小時(shí)(參考《江蘇電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)規(guī)范》)。
2. 對于熱電比小于15%的抽凝式供熱機(jī)組,應(yīng)該將熱電解耦并滿足上述深度調(diào)峰要求;
3. 深度調(diào)峰的考核試驗(yàn),不得采用開啟機(jī)組旁路等嚴(yán)重耗能的方式實(shí)現(xiàn)上述負(fù)荷調(diào)節(jié)目標(biāo);
4. 對于機(jī)組更優(yōu)秀的靈活性指標(biāo)還應(yīng)評價(jià)啟動(dòng)時(shí)間,鍋爐冷態(tài)啟動(dòng),從點(diǎn)火到汽輪機(jī)進(jìn)汽沖轉(zhuǎn)及發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的總耗時(shí)不超過 6小時(shí)。
我國煤電實(shí)現(xiàn)“深度調(diào)峰”需要政策推動(dòng),為了使煤電轉(zhuǎn)型能夠可持續(xù)發(fā)展,必須對“深度調(diào)峰”的改造和運(yùn)行進(jìn)行政策推動(dòng),才能促進(jìn)煤電深度調(diào)峰改造。
1. 火電機(jī)組作為我國的主要調(diào)峰電源,應(yīng)該從政策上能夠得到合理且具激勵(lì)性的調(diào)峰輔助 服務(wù)補(bǔ)償。風(fēng)光電等可再生能源并網(wǎng)容量的迅速增長, 我國現(xiàn)在亟需具有深度調(diào)峰能力的電源,由于深度調(diào)峰電源不足,因此導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰問題突出,調(diào)峰困難已成為限制風(fēng)光電等可再生能源電力并網(wǎng)的主要原因之一。火電機(jī)組作為我國的主要調(diào)峰電源,應(yīng)該從政策上能夠得到合理且具激勵(lì)性的調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償,以有力推動(dòng)燃煤電廠積極進(jìn)行深度調(diào)峰改造,充分挖掘火電機(jī)組調(diào)峰潛力,這對緩解我國當(dāng)前調(diào)峰壓力消納更多可再生能源電力,促進(jìn)我國電力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。
2. 建議相關(guān)部門根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步核算調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用,適當(dāng)提高補(bǔ)償電價(jià)。為鼓勵(lì)火電機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰改造,以便更多機(jī)組能夠參與深度調(diào)峰,不少地區(qū)對參與調(diào)峰的機(jī)組給予一定電價(jià)補(bǔ)償。但在多數(shù)補(bǔ)償測算中,由于降低機(jī)組出力和利用小時(shí)數(shù)對每度電的成本分?jǐn)傎M(fèi)用增加產(chǎn)生較大的影響,而調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用遠(yuǎn)不足以彌補(bǔ)深度調(diào)峰給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失,因此,希望相關(guān)部門能夠進(jìn)一步核算調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用,適當(dāng)提高補(bǔ)償電價(jià)。
3.建議補(bǔ)償階梯電價(jià)中給出負(fù)荷率低于30%時(shí)調(diào)峰的可行補(bǔ)償電價(jià)范圍,據(jù)了解,當(dāng)調(diào)峰補(bǔ)償電價(jià)下限低于30%負(fù)荷率的每度電成本值時(shí),電廠深度調(diào)峰虧損較大,而且調(diào)峰時(shí)間越長虧損越大。考慮不同容量和機(jī)組類型深度調(diào)峰的補(bǔ)償差異,建議補(bǔ)償階梯電價(jià)中應(yīng)給出負(fù)荷率為30%以下時(shí)可行的補(bǔ)償電價(jià)范圍,適當(dāng)提高補(bǔ)償電價(jià),盡量減少發(fā)電企業(yè)因承擔(dān)維護(hù)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所付出的成本。
“生物質(zhì)耦合發(fā)電”
煤電的低碳發(fā)展, 應(yīng)該是能夠在發(fā)出相同電量的情況下, 大幅度減少煤炭的使用量, 這靠蒸汽循環(huán)煤電系統(tǒng)本身通過提高效率和降低煤耗是達(dá)不到的, 必須采用低碳燃料進(jìn)行部分或全部燃料替換, 也就是生物質(zhì)燃料與煤耦合混燒,在可能條件下不斷增加生物質(zhì)燃料混燒比, 直至最后實(shí)現(xiàn)完全的生物質(zhì)燃料替換。生物質(zhì)發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源電力一樣,都是(近)零碳排放的電力生產(chǎn)方式,而且前者具有風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電所沒有的優(yōu)勢,即在自然界,年度循環(huán)產(chǎn)生的農(nóng)林固體剩余物資源量比較穩(wěn)定,燃料可以運(yùn)輸儲(chǔ)存以便常年比較均衡地使用。利用大型高效燃煤機(jī)組混燒生物質(zhì)燃料發(fā)電,是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電的一種先進(jìn)技術(shù),不僅可以大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電的效率,節(jié)約生物質(zhì)資源,而且可以明顯降低煤電機(jī)組的碳排放量,提高煤及生物質(zhì)耦合發(fā)電的靈活性,從而加強(qiáng)燃煤發(fā)電的可持續(xù)性,是煤電走向低碳化一條現(xiàn)實(shí)可行的路徑。而且, 需要強(qiáng)調(diào)的是,現(xiàn)在生物質(zhì)燃料在大型高效的煤電機(jī)組中與煤混燒,并不是煤電低碳發(fā)展的權(quán)宜之計(jì)或過渡技術(shù), 因?yàn)樯镔|(zhì)是可再生能源,生物質(zhì)混燒發(fā)電是高效率低排放并具有靈活性的火力發(fā)電,其本質(zhì)是可再生能源發(fā)電的一種先進(jìn)形式,和不可控的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電不同,對于電網(wǎng)安全和可靠的電力供應(yīng),支持和消納風(fēng)光電力起著調(diào)節(jié)和保障作用。
國際經(jīng)驗(yàn)
在大型燃煤發(fā)電廠中采用生物質(zhì)混燒技術(shù)是源于1997年12月在日本京都通過的《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》,該議定書的目的是限制發(fā)達(dá)國家二氧化碳的排放量以抑制全球氣候變化。自那時(shí)以來,發(fā)達(dá)國家,尤其是歐盟國家就開始在法規(guī)政策和技術(shù)上采取各種措施以降低煤電的碳排放。其采用的主要技術(shù)就是燃煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電,并且逐步使生物質(zhì)混燒技術(shù)成熟起來,得到了很好的推廣和應(yīng)用。《巴黎協(xié)定》則是繼《京都議定書》后成為推動(dòng)全球達(dá)到零碳排放的動(dòng)員令,也是中國制定“30碳達(dá)峰和60碳中和”目標(biāo)的推動(dòng)力。從《京都議定書》到《巴黎協(xié)定》,歐盟等國家積累了20多年的燃煤耦合生物質(zhì)混燒發(fā)電的經(jīng)驗(yàn),完全可以成為我國的借鑒。以英國為例,根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn),發(fā)展燃煤火電向生物質(zhì)燃燒發(fā)電轉(zhuǎn)換,以實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)變首要推動(dòng)力是政策,這是推動(dòng)煤電生物質(zhì)混燒發(fā)展的關(guān)鍵,這些政策的主要是:
1. “綠色”發(fā)電指標(biāo),即規(guī)定所有發(fā)電公司必須完成一定指標(biāo)的碳零排放發(fā)電量;
2. 混燒獎(jiǎng)勵(lì)政策,即混燒生物質(zhì)份額(按照熱值)的發(fā)電量實(shí)行高價(jià)的上網(wǎng)電價(jià),優(yōu)先收購和減免稅政策;
3. 完不成“綠色”發(fā)電“指標(biāo)的懲罰政策;
4. 碳排放交易政策。
英國的經(jīng)驗(yàn)是,經(jīng)過20多年的煤電實(shí)施生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電的實(shí)踐,證實(shí)了在強(qiáng)有力的激勵(lì)政策推動(dòng)下,煤電生物質(zhì)混燒在英國得到巨大的發(fā)展,最后英國所有的大型燃煤電廠均改造成為生物質(zhì)混燒, 其中最典型的是英國裝機(jī)容量最大的Drax電廠,該電廠共裝有6臺(tái)66萬千瓦燃煤機(jī)組,他們從2003年在一臺(tái)機(jī)組上混燒5%的生物質(zhì)開始,不斷增加生物質(zhì)混燒比, 至2010年,實(shí)現(xiàn)了6臺(tái)煤電機(jī)組均改造成生物質(zhì)混燒,2012年決定將其中4臺(tái)機(jī)組改造成100%燃燒生物質(zhì)燃料(其余2臺(tái)機(jī)組改造為燃燒天然氣),到2018年,4臺(tái)燃煤機(jī)組全部完成改造成100%燃燒生物質(zhì)顆粒燃料,集15年之努力,這4臺(tái)66萬千瓦的煤電機(jī)組完成從混燒高碳燃料向低碳燃料的完全轉(zhuǎn)換,成為世界上最大的生物質(zhì)燃料火電廠。與此同時(shí), 他們通過國內(nèi)外兩個(gè)市場,解決了年需1000萬噸生物質(zhì)顆粒燃料的供給問題,保證了其4臺(tái)大型生物質(zhì)火電的生物質(zhì)燃料供應(yīng)。英國從生物質(zhì)混燒到生物質(zhì)燃料替換,從政策推動(dòng)、改造技術(shù)和顆粒燃料供應(yīng), 在各個(gè)方面均為我們提供了以下可貴的經(jīng)驗(yàn),值得我們學(xué)習(xí)和借鑒:
1. 可以用最短的時(shí)間和最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)煤電的低碳轉(zhuǎn)換;
2. 原煤粉爐轉(zhuǎn)換成燃燒生物質(zhì)燃料的技術(shù)可靠性已經(jīng)在英國的經(jīng)驗(yàn)中得到證實(shí),100%生物質(zhì)轉(zhuǎn)換已在Drax電廠的4臺(tái)66萬千瓦燃煤機(jī)組和其它幾個(gè)煤粉爐和CFB電廠實(shí)現(xiàn);
3. 利用國內(nèi)外兩個(gè)市場,生物質(zhì)顆粒燃料的供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)性可得到保障;
4. 由于火電技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性,作為基礎(chǔ)性和調(diào)節(jié)性電源,它可以支持和配合日益增長的風(fēng)電和太陽能發(fā)電這些間歇式不穩(wěn)的電源的發(fā)展。
5. 由于英國實(shí)現(xiàn)了火電燃料從煤到生物質(zhì)的轉(zhuǎn)換, 因此具備了在2025年徹底關(guān)閉全部其現(xiàn)有燃煤機(jī)組的條件。
因此, 中國煤電如果要發(fā)展生物質(zhì)耦合混燒以大幅度減煤,需要加強(qiáng)國際合作, 吸取如英國等發(fā)達(dá)國家積累了20多年發(fā)展煤電與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電的經(jīng)驗(yàn),包括政策、技術(shù)和生物質(zhì)燃料供應(yīng)市場。
與煤、石油、天然氣的資源富集程度和燃料獲得方式不同,生物質(zhì)資源分散,收集、處理加工、運(yùn)輸鏈條多樣且不易規(guī)?;?,其燃料成本(進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電成本)比煤炭高得多,也比風(fēng)電、太陽能發(fā)電的成本高。因此,在電力市場不同主體的互相競爭發(fā)展中,只靠市場力量的自然推動(dòng)來利用生物質(zhì)能源,以求得低碳煤電的發(fā)展、推廣和應(yīng)用,幾乎是不可能的,而必須要像當(dāng)年國家支持風(fēng)電和太陽能發(fā)電那樣,在法規(guī)、稅收、財(cái)政等多方面的綜合政策的大力支持。根據(jù)歐盟和英國的經(jīng)驗(yàn),燃煤火電廠要實(shí)現(xiàn)通過煤—生物質(zhì)混燒達(dá)到低碳發(fā)展的目的,必須具備以下三個(gè)條件:
1.制定國家法規(guī)政策對燃煤電廠混燒生物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)和支持;
2.建立可靠的包括國內(nèi)和國際這兩個(gè)生物質(zhì)顆粒燃料的供給市場;
3.學(xué)習(xí)借鑒和開發(fā)先進(jìn)可行的生物質(zhì)與煤混燒,乃至100%燃燒生物質(zhì)的可靠技術(shù)。
生物質(zhì)燃料市場
實(shí)現(xiàn)大型煤電機(jī)組生物質(zhì)混燃發(fā)電的一個(gè)前提條件是必須有足夠而且比較穩(wěn)定的生物質(zhì)燃料供應(yīng)。中國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)作物秸稈和農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物資源豐富;雖然天然林業(yè)資源相對較少,但果樹、人工綠化植樹、薪柴林很多。據(jù)測算,中國現(xiàn)有農(nóng)作物秸稈和農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物資源量和林果木材加工業(yè)剩余物資源量約相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤10億噸/年,這些生物質(zhì)資源量為煤電機(jī)組混燒提供了生物質(zhì)燃料來源的保障。然而有生物質(zhì)資源并不等于有生物質(zhì)燃料市場。上述資源分布于廣袤的農(nóng)村田間地頭、山區(qū)林地和城鎮(zhèn)綠化空間,要建立其收集、運(yùn)輸、處理加工、倉儲(chǔ)物流體系并非易事。由于生物質(zhì)燃料資源分散和形態(tài)各異的特點(diǎn),生物質(zhì)燃料的生產(chǎn)供應(yīng)鏈在我國還遠(yuǎn)沒有形成。特別是由于生物質(zhì)是一種能量密度低的燃料,形狀不規(guī)則、初始狀態(tài)一般含水量高等特性, 其收集、運(yùn)輸和燃料處理均較困難。因而在生物質(zhì)燃料的生產(chǎn)、收集、處理、輸送、儲(chǔ)存, 以及燃燒過程及對燃燒設(shè)備的影響均與煤炭有所不同。因此終端使用的生物質(zhì)燃料的成本(按熱量計(jì))一定高于化石燃料。為了發(fā)展煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電,形成生物質(zhì)燃料市場,所以對于生物質(zhì)燃料市場的發(fā)展,則需要國家像支持糧食生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械銷售、鮮活農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸那樣,出臺(tái)持之以恒的適當(dāng)?shù)馁Y金補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策。同時(shí),在建立生物質(zhì)顆粒燃料供求市場方面,我國也應(yīng)實(shí)行兩個(gè)市場雙循環(huán)的方針,在以國內(nèi)循環(huán)為主的同時(shí),借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),合理利用國外資源,開展國際合作,進(jìn)行一定程度的外部循環(huán),以滿足我國煤電低碳發(fā)展的需要。
主要用于大型高效燃煤電廠
生物質(zhì)耦合混燒改造應(yīng)主要用于大型高效燃煤電廠。對于大型燃煤電廠的煤粉爐,由于鍋爐容量大,生物質(zhì)燃料發(fā)熱量較低,即使采用較小的生物質(zhì)摻燒比(按燃料熱量計(jì)),其每年消耗的生物質(zhì)燃料量也是相當(dāng)可觀的。以一臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組鍋爐為例,其供電煤耗大約為290g(標(biāo)煤)/kWh,若以10%生物質(zhì)摻燒比實(shí)現(xiàn)混燃發(fā)電,生物質(zhì)燃料應(yīng)用基發(fā)熱量為14.7MJ/kg(草木本混合燃料),年運(yùn)行4500小時(shí),則每年供電(約3000億千瓦時(shí))需要的生物質(zhì)燃料約為17.2萬噸。由于660MW超超臨界機(jī)組供電效率高,供電煤耗低,這個(gè)燃料量如果用于現(xiàn)有的小型生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組,其供電量只有大約一半左右,可見大型高效煤電機(jī)組混燒生物質(zhì)發(fā)電的能效優(yōu)越性?,F(xiàn)在中國已有小型生物質(zhì)燃料發(fā)電裝機(jī)容量共2952萬千瓦,2020年新增加生物質(zhì)裝機(jī)容量243萬千瓦,增長率為22.6%,因?yàn)樾C(jī)組效率低、煤耗高,因而小機(jī)組的生物質(zhì)燃料發(fā)電與大型先進(jìn)高效燃煤機(jī)組混燒發(fā)電相比,應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展大型燃煤機(jī)組與生物質(zhì)混燒發(fā)電。
對于大型燃煤電廠的生物質(zhì)混燒,如此大量的生物質(zhì)燃料,不可能以散料形式直接運(yùn)至布置緊湊、自動(dòng)化程度高的燃煤電廠,而必須在生物質(zhì)原料產(chǎn)地預(yù)先壓制成顆粒狀的燃料再供應(yīng)電廠使用。生物質(zhì)顆粒燃料的密度能達(dá)到與動(dòng)力煤接近(1.1g/cm3以上),形狀規(guī)則,因而便于運(yùn)輸,在電廠的儲(chǔ)存、輸送和磨制成粉(對煤粉鍋爐)將全部進(jìn)行機(jī)械化、自動(dòng)化操作。根據(jù)生物質(zhì)與煤粉混燒的方式和燃燒器的不同,要將到廠的生物質(zhì)顆粒磨制成細(xì)粉,其平均粒徑可從0.1毫米左右的細(xì)顆粒到大于10毫米的粗顆粒。在發(fā)達(dá)國家,固體生物質(zhì)成型燃料制造和使用,已有30多年的發(fā)展歷史,生物質(zhì)顆粒燃料的主要特點(diǎn)是:
1. 密度大(1.1~1.4 g/cm3,比散料大5~10倍);
2. 便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存;
3. 便于組織生物質(zhì)燃料的處理和與煤混燒,適合于各種燃燒設(shè)備,特別是煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐的生物質(zhì)和與煤混燒。
農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)燃料與煤有不同的燃燒特性,主要是:
1. 揮發(fā)分高達(dá)~70%,著火溫度低;
2. 固定碳含量低;
3. 總碳成分低(<50%),因而熱值低;
4. 含氧量高( >30%),燃燒理論空氣量?。?/p>
5. 一般含硫、含灰量、含汞量低,木質(zhì)生物質(zhì)的含氮量也低,有利于對 煙氣中SO2、NOx、煙塵、汞等污染物的處理。
6. 灰中含金屬元素K、Na和非金屬元素Cl,導(dǎo)致生物質(zhì)燃料的灰融點(diǎn)低,容易腐蝕受熱面。
上述生物質(zhì)燃料的特性,導(dǎo)致煤和生物質(zhì)燃料燃燒特性也存在區(qū)別,主要是:
1. 生物質(zhì)的熱解過程比煤發(fā)生得早;
2. 生物質(zhì)中揮發(fā)物的熱值(千焦/公斤)比煤低;
3. 生物質(zhì)中揮發(fā)物的熱值占70%,而一般煤(煙煤)中揮發(fā)物的熱值占36%;
4. 生物質(zhì)焦炭中氧的含量比煤高;
5. 生物質(zhì)焦炭熱解析出的多為CO、CO2、H2O;
6. 生物質(zhì)灰分中堿和氯的含量較高,容易引起積灰、結(jié)渣和腐蝕問題。
生物質(zhì)燃料的這些燃燒特性,使生物質(zhì)與煤耦合混燒發(fā)電,總的來說能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn),克服其缺點(diǎn)。如揮發(fā)分高、著火點(diǎn)低,有利于爐膛火焰的穩(wěn)定;在生物質(zhì)/煤混合比不太高(一般不超過30%)的情況下,生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)低和灰的腐蝕性對鍋爐運(yùn)行安全性的不利影響將大大降低;生物質(zhì)灰的吸附性強(qiáng),有利于清除煤燃燒釋放出的重金屬(汞)元素;生物質(zhì)燃料熱值低、含氧量高,在同樣的燃料輸入熱量下,輸入的生物質(zhì)燃料量將增加,因而對燃料輸送管道和燃燒器的設(shè)計(jì)提出了特殊的要求。
對大型電站燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒改造的基本要求是:
1. 保持鍋爐效率基本不變;
2. 保持鍋爐出力不變;
3. 滿足排放要求;
4. 保證生物質(zhì)燃料燃燒的安全要求;
5. 滿足生物質(zhì)轉(zhuǎn)換后運(yùn)行壽命的要求。
根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn),對于單機(jī)容量為300MW及以上的燃煤機(jī)組,現(xiàn)在采用的最主要的耦合混燒方式即生物質(zhì)燃料的輸送、粉碎、送粉管道和燃燒器完全和煤粉分開,生物質(zhì)燃燒器與在爐膛里的布置采用特殊設(shè)計(jì)。此方案投資成本高但對鍋爐的正常運(yùn)行干擾最小。在異磨異燃燒器混燒方式中,最有利的是將生物質(zhì)粉作為再燃的二次燃料,以燃料分級燃燒的方式送入布置在煤粉爐膛上部適當(dāng)位置的生物質(zhì)燃燒器,以控制NOx的生成和排放。
因此,對現(xiàn)有大型燃煤鍋爐實(shí)行與生物質(zhì)混燒,主要是對電廠的燃料的儲(chǔ)運(yùn)研磨系統(tǒng)、生物質(zhì)燃燒器等進(jìn)行改造,對爐膛受熱面和環(huán)保設(shè)備的設(shè)計(jì)雖然要充分考慮生物質(zhì)的燃燒特性,但總的來說變動(dòng)不大。應(yīng)該說,生物質(zhì)與煤耦合混燒發(fā)電,在技術(shù)上不存在很大的問題,只要注意不同的生物質(zhì)燃料的不同特性,在燃料的輸送、儲(chǔ)存、磨制和燃燒系統(tǒng)方面考慮到其特點(diǎn),注意其高揮發(fā)分燃點(diǎn)低易著火的特性,在改造燃料系統(tǒng)時(shí)注意防火防爆措施,注意高堿含量容易引起積灰、結(jié)渣和腐蝕等問題,積累經(jīng)驗(yàn),相信煤與生物質(zhì)燃料混燒是完全可以大規(guī)模推廣的。
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