生物质发电技术历程

1 生物质锅炉发展现状 生物质锅炉发展现状 生物质直燃发电和常规燃煤的热电机组相比 生物质直燃电厂在汽轮发电 机组和绝大多数辅机系统上并无区别 设备的选型和运行管理方面可以直接套 用燃煤电厂经验 唯一存在区别的是锅炉部分和燃料储运处理系统 从能源利 用角度看 生物质直燃电厂采用成熟高效的水蒸气动力循环 流程简单 能源 转化效率高且可以很方便地扩大规模 生物质燃料具有高氯 高碱 挥发分高 灰熔点低等特点 燃烧时易腐蚀 锅炉 并产生结渣 结焦等 因此 对锅炉设计有特殊的技术要求 直接燃烧 发电的锅炉主要根据燃烧方式分成固定床或流化床 固定床燃烧方式多采用往 复式炉排 振动式炉排 链条式炉排 马丁炉 多见于垃圾炉 等炉型 流化 床燃烧方式多采用流化床 循环流化床 二级流化床等炉型 在秸秆直燃锅炉 的大型化方面 振动式炉排使用比较合适 往复式炉排及链条式炉排使用较少 因为振动式炉排活动件较少 动作时间短 设备可靠性及自动化水平高 维护 量远远小于往复式炉排及链条式炉排 目前国际上针对秸秆类生物质比较成熟的燃烧技术提供国是丹麦 其燃烧 设备采用水冷振动炉排锅炉 该技术已经由国家电网公司旗下的国能生物发电 有限公司引入国内 并在山东单县 河北威县 河北成安 山东垦利 山东高 唐 江苏射阳 河南羧县 河南鹿邑等几十个生物质发电项目中采用 作为国 际上目前唯一经过实证的秸秆直接燃烧技术 其特殊的炉排设计可以克服秸秆 燃烧过程中低灰熔点造成的排渣困难 炉膛和受热商的设计排布也能较好地缓 解炉壁结渣 管束沉积以及高温受热面金属高温腐蚀问题 从单县等已投产项 目的运行情况可以证实该燃烧技术的可行性 从秸秆发电产业发展的角度来说 拥有具有自主知识产权的秸秆直接燃烧 技术具有重要的意义 基于此 浙江大学 武汉凯迪等企业对秸秆燃烧过程中 的碱金属问题进行了较深入的研究 开展了循环流化床秸秆燃烧技术的研发 该技术路线的提出主要基于两点考虑 首先流态化燃烧可以有效地控制燃烧温 度 从而抑制秸秆灰发生熔融的程度并有效减少活泼的含钾物质进入气相形成 受热面沉积 同时也可降低高温腐蚀发生的危险 其次我国的生物质燃烧储运 制备条件和国外差距极大 人炉生物质燃料的品种品质难以得到保证 流态化 燃烧在燃料适应性上先天地优于炉排炉 在以上思路的指导下 浙江大学 武 汉凯迪等企业结合多年来在流化床锅炉理论研究和工程设计方面的经验 摸索 出一套特殊的锅炉设计方案和燃烧组织原则 通过一系列不同规模的热态实验 验证 基本形成了具有自主知识产权的秸秆流态化燃烧技术 2 秸秆燃料特性 秸秆燃料特性 桉树枝作为一类特定的生物质燃料 具有生物质燃料的一般性质 高挥发 份 低灰份 热值低 元素组成中高氧 低硫 着火温度低 热解迅速且焦炭 反应活性高 部分秸秆中以钾为代表的碱金属以及氯的绝对含量高 性质活跃 灰中硅元素的份额较大等 秸秆的上述特点决定了其燃烧的特殊性 其燃烧的 组织原则也完全不一样 具体说来秸秆燃烧不但要适应常规生物质燃料的燃烧 特点 还必须对秸秆高钾高氯的特点予以充分的考虑 妥善处理这些无机物质 带来的低熔 结渣 沉积 高低温腐蚀以及聚团等问题 为保证电厂高效 稳 定地运行 生物质锅炉必须要适应生物质燃料的上述特点 因而在设计和制造 过程中有比较高的技术要求 3 几种主要秸秆锅炉特点 几种主要秸秆锅炉特点 3 1 水冷振动炉排水冷振动炉排 由龙基电力以引进丹麦 BWE 和百安纳公司技术 自行制造关键水冷振动 炉排设备 并由济锅转化制造的高温高压锅炉本体 目前该产品占据市场主要 份额且运转良好 国能集团投资建设项目均采用此锅炉 目前龙基电力已经收 购丹麦百安纳设计公司和济南锅炉厂 全面掌握整个产业链 国内部分锅炉制 造厂 如无锡华光锅炉厂 杭州锅炉厂 华西能源等 借鉴国外技术或参照 BWE 技术生产制造的水冷振动炉排锅炉 经过五 六年的技术摸索和实践 目前已基本成熟 可靠性大大提高 目前已建成和在建项目有 90 以上是采用 引进丹麦 BWE 技术制造的水冷振动炉排式锅炉 采用丹麦 BWE 技术的振动式炉排锅炉与常规的燃煤锅炉有很多的不同 全钢结构 炉内没有防火涂料 安装完毕马上可以投运 采用振动式炉排 大 量采用光电信号进行燃料位置的判断 上料线设计复杂的消防水系统 单元机 组控制方案采用机跟炉方式进行等 图 1 BWE 锅炉岛的系统图 锅炉采用单锅筒自然循环锅炉 包括振动炉排及 4 个烟气回程 锅炉安装 在锅炉基座上 前 3 个回程的水冷壁及炉排水冷壁共同组成了锅炉的蒸发系统 这些水冷壁包围并形成了布置过热器的封闭空间 锅筒内设置档板 档板位于水 蒸汽连接管的上方 下降管位于底部 用 于水循环的供水 汽水分离器位于顶部 用以保证干燥的饱和蒸汽被输送至过 热器 锅筒通过左右两根下降管向左右两侧水冷壁下集箱和烟井 2 后墙水冷壁下 集箱供水 并分配到炉排水冷壁下集箱和烟井 3 后墙水冷壁下集箱内 通过两 侧水冷壁以及炉排水冷壁 前水冷壁和烟井 2 3 后墙水冷壁的吸热上升到上集 箱最后进入锅筒 在锅炉第 3 回程中 过热器是管束卧式布置 在第 1 回程及第 2 回程中 是屏式垂直布置 第一级过热器及第二级过热器在第 3 回程中 第三级过热器 在第 1 回程即炉膛的上部 第四级过热器位于第 2 回程中 省煤器 烟气冷却器安装在省煤器 烟气冷却器塔内 在锅炉中形成第 4 个回程 锅炉这个部分没有受热面 省煤器和烟气冷却器是由方形鳍片蛇形管 组成 省煤器位于第四回程的上部 分为两级 烟气冷却器位于省煤器的下方 分为五级 空气预热器单独立式布置在炉外 空气预热器是由一组圆形鳍片蛇形管组 成 空气预热器是通过给水与冷空气的热交换 来加热空气的 3 2 循环流化床生物质循环流化床生物质 1 循环流化床锅炉发展历程循环流化床锅炉发展历程 西方发达国家早在20世纪80年代就已经开始进行CFB锅炉燃生物质燃料的 研究开发工作 并且已有多个实际应用项目 我国的一些科研单位和锅炉厂在 早期也进行了比较深入的研究 先后开发出纯烧蔗渣锅炉 蔗渣煤粉混烧锅炉 造纸厂用碱回收锅炉和棕榈锅炉 这些锅炉已经形成系列产品 近几年国家出于节能减排 提高资源利用率的考虑 号召开发生物质能源 的再生利用技术 燃用生物质燃料的CFB锅炉应运而生 中国节能 宿迁 生 物质发电有限公司秸秆直燃发电项目锅炉是国内第一个具有自主知识产权的生 物质CFB锅炉 此后以武汉凯迪为代表的相关科研机构和各锅炉厂陆续研发了 不同参数一系列CFB锅炉产品并有部分项目投入运行 生物质CFB锅炉国产化 摆脱了我国在生物质发电依靠引进国外技术的高成本 技术不适应我国生物质 燃烧的局面 为我国生物质锅炉向低成本 规模化 产业化发展奠定了良好的 基础 据不完全统计 截至目前已投入运行的生物质电厂中用CFB锅炉的项目 超过15个 仅武汉凯迪尚在建设的CFB锅炉项目就达到近30个 运行较好的项 目设备年利用小时数超过7000小时 2 循环流化床锅炉流派循环流化床锅炉流派 生物质燃料由于含有一定量的碱金属无机杂质 燃烧过程中灰颗粒容易在 低温下出现熔融现象 因而容易在高温的炉膛内结焦 在流态化燃烧过程中主 要体现在床层聚团和水冷壁及炉膛内受热面结焦等方面 床层聚团发生的主要原因是局部熔融的生物质半焦或者灰颗粒粘附床料颗 粒之后降低流化质量 由于局部流化不充分会导致局部高温从而加剧灰颗粒的 熔融 从而强化床料颗粒之间的粘结 使流化进一步恶化 最使流化失败 因 此 作为燃用生物质的锅炉系统 要解决的主要难题是 燃料在锅炉中燃烧容 易引起结团 结焦的问题 对流受热面易形成高温粘结灰 产生高温碱金属腐 蚀 锅炉尾部低温氯腐蚀 飞灰搭桥的问题 众多科研机构 或院校 及锅炉厂在研究过程中 对生物质燃料的燃烧特性理 解和认识上基本是一致的 但具体的技术解决方案各有千秋 主要表现在方案 设计 工艺选材 运行调整手段等不同 纵观各家设计方案 依据受热面的布置形式差异可归结为两大技术流派 第一类技术流派主张炉膛内 包括水平烟道内 尽可能少布置对流受热面 这类布置方式尾部需要比较长的烟气流程 以满足更多的受热面的热交换 如图2为65t h高温次高压的生物质CFB锅炉采用了尾部三烟道的设计方案 屏式过热器布置于第一烟道内 低温过热器 高温过热器分别位于第二烟道上 下部 省煤器和空气预热器布置在第三烟道内 除了加长尾部烟气流程 另一 解决方案是将高温过热器布置在外置式换热器中 采用外置式换热器方案通过 调整进入换热器的循环灰量与直接返回炉内循环灰量的比例控制床料温度 使 调整床温更具灵活性 根据需要还可以采用水冷或汽冷旋风分离器 以保证锅 炉足够的受热面积 一般使用在较大容量的CFB锅炉 第二类技术流派是主张在炉膛内多布置受热面 部分厂家除了在炉膛内布 置翼墙式水冷屏外 还将中高温过热器布置炉膛内 或水平烟道内 如图3所示 炉膛内稀相区下部布置水冷管屏 炉膛上部布置中温过热器和 高温过热器蛇形管 受热面通过对流管束悬吊在炉膛内 这类方案主要是靠调 节返料量来调节床内固体颗粒浓度 以改变水冷壁和过热器的换热系数 从而 改变炉内吸热量来控制床温 当然 相对于燃煤锅炉而言 生物质炉膛出口温 度水平降低后其尾部还是应增加一定受热面积 因为结构布置形式的差异 对相同容量的锅炉而言 第一类方案在造价上 略高于第二类方案 技术流派的演变是一个技术发展的过程 毕竟生物质直燃 发电在我国起步较晚 燃生物质CFB锅炉还都是新设备 在短时间内还不能判 断今后实际应用中可能会暴露的各种问题 需要长期运行的检验 不断总结经 验进行优化设计 让锅炉达到更加安全可靠 经济稳定 高效环保运行的目标 下表为国内生产生物质CFB的主要厂家及其技术支持 协作 方 目前国内生物质 CFB 锅炉中 武汉凯迪约占 90 但该企业 CFB 锅炉采 用分包形式 委托不同锅炉厂进行加工制造 且不对外销售 3 3 联合炉排联合炉排 目前 济南锅炉厂吸取国外先进生物质锅炉技术并具有自主知识产权的联 合炉排燃烧技术已经成熟并成功运用 该技术具有燃料品种适应性广 燃烧充 分 适应高水分燃料 性能稳定可靠等特点 同时联合炉排厂用电相对较低约 为 7 左右 该技术采用两套不同的炉排联合使用 前边炉排为倾斜往复炉排 后面为 重型鳞片式炉排 运行中前边的往复炉排做为燃料预燃段并控制燃料量 后边 的链条炉排控制燃尽速度 两者可分别调整 也可相互配合调节 可取得良好 的燃烧效果 全部采用链条炉排的生物质锅炉对生物质形态有一定的要求 也 在一定范围内展开应用 联合炉排在造价上比流化床锅炉高 本工程所用锅炉价格高约 500 万元 同时联合炉排整体效率偏低 比流化床锅炉低 10 约为 80 左右 联合炉排秸秆锅炉目前投产仅有两家 一家位于河南新乡天洁生物质发电 有限公司 一家位于长葛市恒光热电有限责任公司 第一家属于新建项目 第 二家属于改造项目 尚缺乏相对完善的运行经验 因此本工程暂不考虑该炉型 4 炉型比较及结论炉型比较及结论 4 1 技术比较 1 应用情况 水冷振动炉排炉在国内外均有成熟的长期运行经验 使用数量最多 市场 占有率高 生产 安装 调试 运营的经验均较其它炉型丰富 中国第一座生 物质发电厂 单县生物质发电厂即采用我公司的源自丹麦的水冷振动炉排炉技术 而循环流化床锅炉最早是为解决燃煤机组烟气炉内脱硫的问题而在中国采 用 虽然近年开始尝试用于生物质发电 但基于未解决的技术问题较多 且 CDM 指标难申请等因素 还未能广泛应用 2 燃料适应性 水冷振动炉排炉 较好的结合了国外先进技术和中国燃料的实际状况 可 以适应多达 60 多种的农林废弃物 既可纯烧某种燃料 也可掺烧多种燃料 在 燃料水分高达 40 时亦可稳定燃烧 循环流化床仅适用于燃料粒径和密度差别不大的燃料 对燃料的要求较为 苛刻 4 燃料预处理 水冷振动炉排炉基本无需燃料预处理系统 而循环流化床燃烧炉对燃料预处理要求较高 对燃料粒径具有较严格要求 需要将秸秆进行一系列破碎 筛分等处理 使其尺寸 状况均一化 入炉秸秆 尺寸一般要求为 150 到 200mm 该部分投资费用较高 5 磨损情况 炉排炉中由于秸秆燃烧过程均发生在炉排表面上 炉排相对较长 炉型较 大 磨损较轻 循环流化床炉的布风板 周围水冷壁及后面尾部受热面和炉墙的磨损严重 6 安装方案 焊口比较少 水冷振动炉排锅炉 以德普新源公司的产品为例 省煤器和 烟冷器都是模块化的 三四级过热器都是直接跟小集箱焊接在一起的 水冷振动炉排锅炉 以德普新源公司的产品为例 安装方式是底部支撑的 从下往上安装的 CFB 锅炉是吊装的 从上往下安装的 难度较大 表一 优缺点比较 水冷振动炉排炉循环流化床炉 优 点 燃料的适应范围广 秸秆基本无需预处理就可直接入炉 磨损相对较轻 烟气含尘浓度较低 设备厂用电低 设备运行可靠 年发电小时数多 全生命周期发电成本低 SO2 NOx排放浓度较低 初期投资较低 缺 点 SO2 NOx排放浓度较高 但可满 足国家排放标准 初期投资较高 燃料适应范围窄 燃料预处理要求较高 受热面磨损严重 设备厂用电高 烟气含尘浓度相对较高 设备运行停机检修维护时间较 长 年发电小时数少 全生命周期 发电成本高 表二 因素比较 比较因素水冷振动炉排炉循环流化床 生物质燃料的适应性适应燃料范围大适应燃料范围小 燃料预处理简单复杂 结焦情况小一些大一些 燃烧充分性通过炉排按一定频率 振动 可根据燃料调 整 使燃料在炉排上 充分与空气接触 充 分燃烧 要求燃料粒径和密度均一 否则无法充分燃烧 锅炉效率DPCT 专利降低排烟温 度 效率高 效率较低 设备厂用电低高 年运行时间 小7200 6000 时 设备磨损程度低高 后期维护费用低高 市场占有率大小 技术来源DPCT 水冷振动炉排技 术源自丹麦 专为生 物质焚烧开发 源自燃煤锅炉 4 2 经济性比较 经济性比较 水冷振动炉排炉的经济指标明显优于循环流化床锅炉 水冷振动炉排炉与循环流化床炉相比 虽然设备初期投资较大 但考虑到 燃烧效率高使得单位发电量燃料耗量低 设备运行稳定使得年发电小时数多 设备磨损较流化床轻使得日常维修 部件更换费用低 设备厂用电率低使得同 等装机容量的电厂上网电量多等因素 从锅炉设备的整个生命周期综合考虑 水冷振动炉排炉的经济指标明显优于循环流化床锅炉 结合本工程燃料来源相对稳定等实际情况 考虑到目前生物质锅炉技术已 经相对成熟 同时水冷振动炉排锅炉相对较高的运行效率 燃料适应性强等特 点 本工程选择水冷振动炉排锅炉 5 机炉匹配说明机组参数选择机炉匹配说明机组参数选择 通常来说 汽轮机的进汽参数与电站的热经济性 安全可靠性和制造成本 等有关 从理论上讲 机组进汽参数越高 电站的热经济性越高 但同时也伴 随着每千瓦造价的提高 因此 蒸汽的初参数将影响电站的投资的运行维护费 用 每提高一个等级的参数 机组的效率大概可以提高 1 1 5 同时 机组参数应与机组的容量相匹配 通常还应考虑其配