摘要：生物质发电就是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种。具有资源分布广、环境影响小、可以永续利用等显著特点，具有较好的经济、生态和社会效益。本文分析了生物质发电厂的设计优化研究。
关键词：生物质能；生物质发电厂；设计优化
生物质能，听起来颇为生僻，实际上就在我们身边。农业生物质能资源包括油料作物、秸秆、稻草、稻壳和棉秆以及农业生产、收获和加工中的废弃物；林业生物质能资源包括树枝、木屑、锯末、果壳等森林生物质能源、木材采运和加工过程中的废弃物以及林业副产品的废弃物等。
一、慨况
对于生物质电厂来说，生物质能直接或间接来自植物的光合作用，一般都是取材于生活污水与工业有机废水、农林资源和城市有机固体废物及畜禽粪便等，具有环境友好、来源广泛、储量丰富、可再生及可储存等特点。生物质能还可通过物理转换（固体成型燃料）、化学转换（直接燃烧、气化、液化）、生物转换（如发酵转换成甲烷）等形式转化为不同燃料类型，满足各种形式的能源需求。目前，随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国积极投入对新型可再生能源的开发和利用。提高非化石能源利用比重也是当前有效缓解我国资源环境约束和应对气候变化的主要路径。据相关数据表明，我国计划到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%，2030年这一比例继续提高至30%。这意味着需尽快打破以煤为主体的一次能源消费结构格局，大力发展可再生能源是最现实的出路。随着技术进步及产业化应用不断突破，生物质能作为世界第四大能源，正以其优越性，已成为各国关注的热门之一。其中，生物质直燃发电是生物质能规模化利用的重要形式，与风电、光伏发电等都属于我国战略新兴产业。生物质发电做为最近几年新兴产业；在国家大力支持下有着很大的发展，装机容量不断扩大，为解决电力紧张起到一定作用，同时缓解了传统煤炭、石油的发电压力，在当下全球能源紧张追求可持续发展的大环境下，利用生物质可再生能源做为燃质发电，是一个非常有前景的产业，是值得我们关注发展的新兴行业。目前全球面临着能源紧缩，作为发电厂传统能源；煤炭、石油、天然气这些不可再生能源日益减少，为了缓解能源问题，人类开始探索新能源；太阳能、风能、氢能、天然气，生物质能源等。做为新能源家族中重要成员之一的生物质能源在火电厂中得到了广泛应用，由此也衍生了一个新的行业———生物质发电行业。生物质发电是一种利用稻壳、秸秆、废木材、粪蓄等植物燃料直接燃烧或发酵成沼气后燃烧，利用燃烧产生的热量来加热介质水产生蒸汽带动汽轮机发电。整体工艺的流程是生物质源料送入锅炉燃烧加热介质水产生蒸汽，蒸汽带动汽轮机由机械能转化为电能，并入电网后送给用户。在整个过程中需要三个特殊设备：锅炉、汽轮机、发电机。其中最重要的技术是完全把燃质的热能充分利用，整个过程全靠锅炉的运行工况和燃料的水分，热值等指标的参数来控制负荷的多少，所以提高资源的整体利用率是行业的技术关键点。从全球发展生物质能源来看燃料的合理掺配燃烧是达到额定负荷的决定因素，但是传统发电行业的锅炉特性而言并不适合燃烧再生能源的燃质，所在运行时会发生堵料，结焦，灭火等问题，电厂的事故率增加不利于设备的长期稳定运行。锅炉的运行工况的改造和创新需要整个新能源行业的自我探索和优化。国内近几年生物质能源电厂发展迅速，优化锅炉的运行工况几乎是所有生物质电厂的共同课题。从生产厂家到生物质能源电厂，从有到无探索出适合我国各方面条件的锅炉设备，慢慢走向全球生物质能源的前列，为国内自然环境，电厂就业，用户供电提供可靠的稳定支持。生物能源燃料通过采收农业废弃的稻壳、秸秆、废木材、粪蓄等植物燃料直接燃烧或发酵成沼气后燃烧，可谓是变废为宝，即解决了农户随意燃烧造成的环境污染及野外燃烧引起的火灾，同时还能给农户带来一定收益，解决了大规模养殖企业高类排污物处理的问题，可以说生物质发电厂为全球环境保护起到重要作用。随着能源的缺失与环境污染的问题日益严重，受到全人类的关注及重视，而生物质发电这种对电力行业，农业，就业都可以提供可观帮助。生物能源行业也受到国家的大力支持，最近几年生物质发电在这种环境下得到很大发展，装机容量扩大生产工艺更加成熟，建厂辐射面积更广。既解决了废弃农作物的回收利用，又对农户的实际收入增产创收提供新的途径，又增加消耗蓄类排泄物的处理方式，也减少了氢氧化物、硫氧化物的排放及对大气的二次污染。对不可再生能源的消耗可以进行优化处理，摆脱对不可再生能源的过度依赖。生物能源的发展对各个行业而言都有贡献，所以大力发展生物质能源已成为国家级发展重点项目。
二、生物质发电厂的优化设计
1电厂规模优化。我国生物质发电厂以2×12 MW中温中压凝汽式规模居多，这个规模容量偏小，热效率仅27%左右。我们知道，生物质能源属于可再生能源，不受电力消纳的限制，优先上网。从图1的热耗率曲线可以看出，机组容量的增大，机组参数由中温中压向次高压次高温和高温高压发展，热耗率呈陡峭式下降。因此，生物质发电厂应尽可能采用高温高压机组，至少应采用次高压次高温机组。机组容量以采用1×50 MW或1×25 MW的容量为宜。汽轮机宜采用单台以促进单机容量的提高，锅炉则可以采用1台或2台，即两炉配一机的模式或者一炉配一机模式。因为现在机组的制造工艺水平有很大提高，可用率都较高，检修周期较长，不宜用烧煤电厂的思路来对待生物质发电厂。从图1可以看出，生物质电厂机组容量增大后，电厂热经济性大幅度增加，从12 MW机组增加到50 MW机组，热效率可以增加约10个百分点，生物质的热能将得到较充分的利用。
2锅炉的优化锅炉的优化。着眼点在于提高锅炉的热效率。链条炉、炉排炉、沸腾炉和循环流化床都能很好地适应燃烧生物质燃料。由于秸杆和林木燃料的含硫量很低，因而烟气的露点较低，锅炉排烟温度可以选得较低，以充分利用烟气的余热。锅炉受热面要选择合适的接近点温差和节点温差，来提高锅炉的吸热量。依据传热学理论的推导，锅炉受热面的优化关系是：
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式中：Δt为水在受热面中的温升；ΔT为烟气进口处的温差；GS为被加热水的流量；CP为水的定压平均比热；K为传热系数。根据式（1）就可以进行受热面的技术经济优化，其趋势见图1。
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图1温差Δt与相对受热面关系
必须注意的是，生物质燃料由于土壤的关系，有的含有氯元素，必须注意氯的腐蚀，比如采用烟气不通过空气预热器而用给水来加热空气，另外设置烟气冷却器来吸收烟气的余热，降低排烟温度，提高锅炉效率；有的生物质燃料如印尼的造纸废料树皮不含氯元素则可按常规锅炉设计；还有，当燃用稻壳时由于灰中SiO2含量较高，灰粒硬度较大则应注意炉内灰的磨损，采取相应的防磨措施和选择适当的烟气流速。
3.CDM收益测算及SO2减排收益测算。生物质焚烧发电属清洁能源和可再生能源项目，利用废弃的秸杆、林木剩余物，变废为宝，其社会效益和环境效益十分明显。但由于受规模的限制，单位容量投资还偏高。因此，应充分利用生物质发电的特点，提高其经济效益。除了国家规定的优先上网和电价补贴0.25元/（kW·h）外，利用清洁发展机制（cleande-velopmechanism，CDM）和SO2减排的经济效益可获得相当的经济效益补偿。
生物质发电厂属清洁、可再生能源项目，环境效益十分显著，技术比较成熟，在我国已有一些实践经验，受到企业和农民的欢迎。及时总结实践经验，以不断提高生物质发电厂的设计、建设和运行管理水平。
参考文献：
[1]李固.GB13223-2011火电厂污染物排放标准.北京：中国标准出版社，2018.
[2]刘国荣.生物质直接燃烧过程特性的分析[J].东北农业大学学报，2018（9）：290-294.
论文作者:马军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/8
标签：生物质能论文; 生物论文; 锅炉论文; 发电厂论文; 电厂论文; 燃料论文; 能源论文; 《基层建设》2019年第32期论文;