生物質發電量的計量方案

張伶

(湖北省緣達化工工程有限公司，湖北 武漢 430070)

中國是農業大國，農作物秸稈量約為7×108t/a，居世界首位。隨著經濟的發展，作為可再生的生物質能源受到高度重視，目前，生物質工業化利用主要方式為直燃發電和利用工業鍋爐燃燒供熱，雖然國內生物質直燃發電已取得長足的發展，但排渣含碳量過高，生物質能轉換效率不高，制約了生物質發電的發展，生物質氣化混燃發電技術是一種高效利用生物質發電的方法。

生物質氣化混燃發電是將生物質在氣化裝置中氣化，產生的可燃氣體通過管道送至電站鍋爐燃燒室與煤混合燃燒的發電技術。它利用了現有大型發電機組的高效性，能提高生物質能轉化為電能的效率，氣化產生的還原性氣體進入電站鍋爐再燃區，會對氮氧化物等氧化性氣體污染物起到還原作用，同時又能降低機組污染物排放量和飛灰含量。

國家能源局《電力發展“十三五”規劃(2016—2020年)》要求開展燃煤與生物質耦合發電示范與應用。鑒于生物質發電與燃煤發電產業政策的不一致，就需要單獨計量耦合發電中生物質能所產生的發電量，本文介紹一種生物質與煤混燃發電的生物質電量計量方式。

1 工藝流程

生物質原料以稻殼、秸稈為主，經過破碎、壓塊后，通過帶式輸送機送至爐前料倉，螺旋給料機將爐前料倉內生物質原料送至氣化爐氣化。原料在氣化爐內經歷熱解和氣化過程，生成高溫燃氣，主要成分為： CO，H2，CO2，N2，CH4。攜帶固體顆粒的高溫燃氣通過旋風分離器進口煙道，切向進入旋風分離器，粗顆粒即再循環顆粒從燃氣中分離出來并通過底部的返料器送回氣化爐，以維持氣化爐內較高的顆粒濃度，保證燃料在多次循環中較完全的氣化，從而提高氣化效率；經分離后的燃氣進入旋風除塵器進一步去除燃氣中的細顆粒成分，使燃氣的灰塵質量濃度低于15 g/m3。來自旋風除塵器的高溫燃氣進入導熱油燃氣換熱器換熱冷卻。為防止導熱油燃氣換熱器管外壁表面積灰，設置蒸汽吹灰器。蒸汽吹灰器采用低壓過熱蒸汽進行吹灰，有自動、手動兩種吹灰方式。經導熱油燃氣換熱器冷卻后的燃氣經燃氣增壓風機增壓后送至原電廠鍋爐4個角對應的4個燃燒器與煤粉進行混燒。

氣化爐和旋風分離器底部灰渣在停爐時排放，通過兩級高溫灰渣閥人工排渣。旋風除塵器分離下來的飛灰先進入緩沖倉，再經一級水冷螺旋冷灰器、二級水冷螺旋冷灰器用工業冷卻水冷卻后，送至固體儲運裝置的氣力輸灰系統中間倉。

當現場出現緊急情況需要燃氣放空排放時，放空氣經放空管、分子密封進入放散裝置燃燒器，通過催化式拌燒器引燃放空氣并燃燒，燃燒處理后的放空氣滿足相關的環保要求。

導熱油自循環油泵送至燃氣換熱器下部換熱管組的集箱入口，依次進入中部和上部導熱油換熱管組和燃氣進行換熱，換熱后的導熱油進入導熱油冷凝水換熱器管側，用凝結水冷卻，降溫后進入循環油泵，導熱油在設備和管道系統中循環運行；系統中膨脹的導熱油進入高位膨脹槽。在導熱油換熱器系統中，經燃氣加熱后的導熱油把熱量傳給發電機組凝結水，進入電站熱力系統，用于整體熱量的回收利用。

生物質氣化混燃發電工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質氣化混燃發電工藝流程示意

2 計量方法

大型燃煤發電機組是通過將煤的化學能轉換為電能的機械設備，對于整套機組的熱轉換效率有固定的算法，通過計量進入整個發電機組的熱量與機組對應發電量的比值確定其可轉換的電量。即上網電量采用“燃氣熱量折電量”法間接計量，上網電量計算如式(1)所示：

(1)

進入整個發電機組的熱量為氣化產物所攜帶的化學能與高溫燃氣的顯熱，化學能是可燃氣體成分總的低位發熱量，顯熱是高溫燃氣為相態不變情況下冷卻至室溫所放出的熱量。

可燃氣體成分總的低位發熱量通過單位體積熱值與流量的乘積求得，而單位體積熱值與燃氣的組分相關。燃氣流量采用德爾塔巴流量計準確測量，而組分通過色譜儀進行監測。

進入燃煤鍋爐的燃氣雖然經過換熱降溫，但該部分熱量也全部通過凝結水進入熱力系統，所以氣化爐出口的顯熱基本全部進入大機組系統，中間存在部分散熱損失和換熱損失，通過安裝在氣化爐出口管道上的熱電偶即可測出該處的溫度，通過燃氣組分與流量，即可算出總的顯熱量。

整個測量系統分為以下四步：

1)生物質燃氣輸送管道上安裝成分分析儀，根據測得的各組分含量能夠計算出生物質燃氣標況下的熱值，計算式如式(2)所示，再根據測量的實際體積流量，以及溫度、壓力修正計算出燃氣的標態流量，即得到生物質燃氣所攜帶的化學能，即生物質燃氣體積流量與標況下生物質燃氣單位體積熱值的乘積。

(2)

式中：φi——混合氣體中各組分的體積分數，%；Hi——各組分在標況下的熱值，kJ/m3。

2)根據燃氣組分分析可以計算出燃氣的平均比熱容c平均，再根據燃氣溫度t和體積流量qV可得到生物質燃氣所攜帶的顯熱Q，計算如式(3)所示：

Q=qVc平均t

(3)

其中，c平均計算如式(4)所示：

(4)

式中：ci——各組分在標況下的比熱容，kJ/(m3·K)。

3)生物質燃氣所攜帶的化學能與生物質燃氣所攜帶的顯熱之和即為生物質燃氣所攜帶的總熱量。

4)然后再根據燃煤機組供電煤耗計算得到生物質氣化發電上網電量，計算公式同式(1)。

該方案的所有在線儀表需采用本安型或隔爆型，防爆等級不得低于對應危險介質的爆炸性物質分級和分組，且均需通過物價、電力部門檢測，所有電子分析設備設專門的設備間，并將所有數據網傳并在線監測，以達到實時監控的目的。

生物質氣化發電項目上網電量計量方法原理如圖2所示。

圖2 生物質氣化發電項目上網電量計量方法原理示意

3 計量效果的有效性

該方案中由燃氣熱值組分分析儀、燃氣流量計、熱電偶測出實際參數值，三類計量儀表均需取得計量器具型式批準證書，并在相同或相似工況下擁有成熟應用業績，保證測量結果的真實有效性。該方案在某電廠的生物質氣化混燃發電項目中得到成功應用。

4 結束語

生物質能是以自然界中生物質為媒介存儲的太陽能，是由綠色植物通過光合作用將太陽能以化學能形式存儲在生物質中的能量形式，屬于典型的可再生能源。利用生物質代替煤炭、天然氣等不可再生的化石燃料產生電力，其一能夠減輕對化石燃料的依賴，保障國家能源安全，有利于建設安全高效、清潔低碳的能源體系；其二能夠減少排放、保護環境，有效地為地方和電廠帶來經濟和環境效益。