李 娜

(華北水利水電學(xué)院 電力學(xué)院, 河南 鄭州 450011)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，人們對能源的需求和依賴程度也急劇增長，然而煤炭、石油、天然氣等化石燃料正在逐漸接近枯竭[1].在我國，雖然能源資源豐富多樣，但由于人口眾多，目前人均能源資源相對不足.我國人均煤炭探明儲量只相當(dāng)于世界平均水平的50%，人均石油可采儲量僅為世界平均值的10%.中國能源消耗總量僅低于美國居世界第二位.同時，化石燃料的消耗也伴隨著大量CO2等溫室氣體的排放，致使全球氣候變暖[2].能源短缺和環(huán)境惡化是人類當(dāng)前共同面對的兩大問題.目前，生物質(zhì)作為一種重要的可再生能源，正引起世界各國的重視.

生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機(jī)載體，它是存儲太陽能的可再生能源，資源豐富且含硫量和灰分低，而含氫量較高，被稱為綠色煤炭[3].同時，在燃燒過程中產(chǎn)生的CO2和生物質(zhì)再生需吸收的CO2是動態(tài)平衡，實現(xiàn)了CO2的零排放.我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源主要分布在廣大農(nóng)村地區(qū)，因此我國生物質(zhì)儲存量非常大，全國每年可利用的生物質(zhì)資源總量估計可達(dá)7億噸，大約相當(dāng)于3.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.生物質(zhì)是替代煤、石油和天然氣等礦物燃料的重要能源.在農(nóng)村，隨著生活水平的提高人們絕大部分采用煤炭、天燃?xì)饽茉?，農(nóng)作物的大量秸稈等其他生物質(zhì)被遺棄或在田間焚燒[4]，既浪費了資源又污染了環(huán)境.因此通過各種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能，既可以緩解我國化石能源的壓力，緩解煤電緊張的局面，又滿足了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需求并保護(hù)了環(huán)境.在生物質(zhì)來源中秸稈占絕大部分且集中易收集，如玉米秸稈、小麥秸稈、稻稈、棉花秸稈等等，所以探索農(nóng)作物秸稈作為能源發(fā)電具有很大的現(xiàn)實意義.

1 秸稈發(fā)電技術(shù)

20世紀(jì)70年代的世界石油危機(jī),促使一直依賴石油作為唯一能源的丹麥推行能源多樣化政策.丹麥BWE公司率先研發(fā)秸稈生物燃燒發(fā)電技術(shù)，在這家歐洲著名能源研發(fā)企業(yè)的努力下，丹麥于1988年誕生了世界上第一座秸稈生物燃燒發(fā)電廠.目前國土面積只有我國山東省面積1/4的丹麥已建立了130家秸稈發(fā)電廠，秸稈發(fā)電等可再生能源占到全國能源消費量的24%以上.秸稈發(fā)電技術(shù)現(xiàn)已走向世界，被聯(lián)合國列為重點推廣項目.瑞典、芬蘭、西班牙等多個歐洲國家由BWE公司提供技術(shù)設(shè)備建成了秸稈發(fā)電廠.

我國秸稈發(fā)電起步晚，目前仍屬起步階段.2005年，河北省石家莊市建立了我國第一座秸桿燃燒發(fā)電廠，該項目將采用丹麥BWE公司秸桿燃燒發(fā)電技術(shù)建設(shè)一個2×1.2 萬千瓦的秸稈發(fā)電廠，每年可燃燒秸稈20多萬噸，發(fā)電1.2 億千瓦時，年可節(jié)約煤炭 16 萬噸，減少二氧化硫排放量60多噸，減少煙塵排放量 400 噸.按照每噸秸稈 100 元的收購價測算，通過收購秸稈，每年可使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收2 000 萬元.河南省目前已經(jīng)有多個秸稈發(fā)電項目，主要分為兩種模式，一種是新建項目，目前主要在鶴壁、?？h、南陽、周口等地，大多采用進(jìn)口技術(shù)，散裝運儲上料，適用于麥秸稈；另一種是小火電改造，已實施的有長葛和新密，大多采用常溫固化技術(shù)，即壓塊和造粒，適用于玉米秸稈.

2 秸稈發(fā)電技術(shù)

秸稈生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是利用秸稈轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù).從燃燒技術(shù)上劃分，秸稈發(fā)電可分為與煤直接混合燃燒技術(shù)、秸稈氣化燃燒技術(shù)和并聯(lián)燃燒技術(shù)3種.其中，直接混燃技術(shù)，是將秸稈燃料送入爐內(nèi)燃燒發(fā)電，這種方式比較適合對運行電廠，增加設(shè)備少、燃燒效率高、改造簡單、投資少.由于草本生物質(zhì)灰分中K和Cl含量較高，當(dāng)摻燒比例較大時，會引起鍋爐積灰及其腐蝕[5]，因此秸稈的摻燒比例不易太大.秸稈氣化燃燒是將秸稈原料在氣化爐中缺氧條件下進(jìn)行氣化，產(chǎn)生可燃?xì)怏w(主要成分CO、CH4、H2和CmHn等)熱值較低[6].

2.1 秸稈與煤直接混燃發(fā)電的預(yù)處理

無論哪種燃燒方式，秸稈原料的預(yù)處理都是重要的環(huán)節(jié)，將秸稈原料處理成符合對應(yīng)的燃燒要求.盡管生物質(zhì)資源量非常大，但由于體積和能量密度小，如一般農(nóng)作物秸稈的自然堆積密度一般小于120 kg/m3，而褐煤為 560～600 kg/m3、煙煤為 800～900 kg/m3、無煙煤達(dá) 1 400～1 900 kg/m3，因此如何提高生物質(zhì)的體積能量密度也很重要.目前采用的主要技術(shù)有打包制作成高壓成型塊生物質(zhì)，高壓成型塊體密度高達(dá)450～650 kg/m3，熱值達(dá) 800～2 800 kWh/m3，這樣有利用農(nóng)作物秸稈的收集、運輸和存儲.秸稈在進(jìn)料前，為了燃燒的充分和送料的均勻性，需要經(jīng)過干燥，含水量應(yīng)低于18%，再經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎至小于2 cm的小段，然后和煤按照一定比例均勻混合.

2.2 秸稈燃燒發(fā)電工藝流程

秸稈燃燒發(fā)電系統(tǒng)是一個以秸稈和煤為混合燃料的火力發(fā)電，其生產(chǎn)過程概括起來是先將秸稈加工成適合鍋爐燃燒形式的粉狀或塊狀和煤一起送入鍋爐進(jìn)行充分燃燒，使秸稈和煤中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，鍋爐的水吸熱后產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽在過熱器內(nèi)繼續(xù)加熱進(jìn)入汽輪機(jī)，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)，經(jīng)蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變成電能，其生產(chǎn)過程如圖1所示.

圖1 秸稈和煤直接混合燃燒發(fā)電生產(chǎn)過程框圖

3 秸稈與煤混合燃燒鍋爐熱效率計算及分析

秸稈與煤直接混燃是一種簡單易行潛力巨大的發(fā)電方式，是將秸稈粉碎后和煤按照一定比例拌勻在鍋爐內(nèi)混合燃燒發(fā)電.通過建立秸稈和煤混合燃燒的模型，對秸稈和煤混合燃燒過程中鍋爐燃燒熱效率進(jìn)行計算和分析.

3.1 秸稈與煤混燃基于的模型

混燃鍋爐的模型是基于濟(jì)南鍋爐廠生產(chǎn)的130 t/h CFB鍋爐其參數(shù)見表1，冷空氣溫度為20 ℃.設(shè)計混燃煤的元素分析和工業(yè)分析如表2.由于水稻在我國種植廣泛，本文選取稻稈作為混燃燃料的研究對象.稻稈的元素分析和工業(yè)分析如表3所示.

表1 濟(jì)南130 t/hCFB鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

燃料中C、H、S等為有效組分，N為惰性組分，水分、灰分等為雜質(zhì).C、H、O、N、S 和ASH的收到基為碳、氫、氧、氮、硫和灰分的質(zhì)量百分比，M的收到基為水分含量.熱值是指單位體積氣體燃料所包含的化學(xué)能，是衡量燃料品質(zhì)的重要指標(biāo).煤的工業(yè)分析和元素分析如表2[7].

表2 煤的工業(yè)分析和元素分析(質(zhì)量百分比)

表3 常見秸稈的工業(yè)分析和元素分析

3.2 秸稈與煤混燃熱量計算分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，指熱力系內(nèi)物質(zhì)的能量可以傳遞，其形式可以轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中各種形式能的總量保持不變，可以簡單的表述為：輸入總熱量=有效熱量+損失熱量.鍋爐的熱平衡方程式為：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

(1)

式中：Q為鍋爐輸入總熱量，kJ/kg；Q1為鍋爐有效利用熱量，kJ/kg；Q2為排煙熱損失，kJ/kg；Q3為化學(xué)不完全燃燒熱損失，kJ/kg；Q4為物理不完全燃燒熱損失，kJ/kg；Q5為鍋爐散熱熱損失，kJ/kg；Q6為灰渣熱損失，kJ/kg.

鍋爐效率的確定有兩種方法.一種稱為正平衡法，即有效利用熱量與輸入總熱量之比.如下式：

(2)

另一種是在鍋爐設(shè)計或熱效率試驗時常用的反平衡法，通過測定鍋爐的各項熱損失，從而計算出鍋爐熱效率的方法，通常在鍋爐熱力計算中，由于q3、q5和q6這三個數(shù)值非常小，因此在實際計算中大多根據(jù)設(shè)計情況取用或為實測值.同時，玉米秸稈的摻燒對這些參數(shù)影響也非常小，故在此可忽略.由下式可求得鍋爐的熱效率：

η=1-q2-q3-q4-q5-q6≈1-q2-q4

(3)

鍋爐的正平衡試驗法雖然簡單易行，但用于熱效率較低的工業(yè)鍋爐，一般在η<80%時比較準(zhǔn)確.反平衡法比較復(fù)雜，但通過各項熱損失的測定和分析，可以找出提高鍋爐效率的途徑.反平衡法適用于大容量、高效率的現(xiàn)代化電站鍋爐.故本文采用反平衡法計算鍋爐效率.

(1)對于鍋爐的輸入熱量包括有燃料應(yīng)用基低位發(fā)熱量、燃料的物理顯熱、外來熱源加熱空氣時帶入的熱量.鍋爐的輸入總熱量Q為各類燃燒物質(zhì)完全燃燒時釋放的熱能總和，計算公式如下：

Q=Qar,net+ir+Qwr

(4)

式中，Qar,net為燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；ir為燃料物理顯熱，kJ/kg；Qwr為外來熱源加熱空氣時帶入的熱量，kJ/kg.

(2)鍋爐有效利用的熱量Q1由下式計算：

(5)

(3)鍋爐排煙熱損失Q2是指由于排煙所擁有的熱量隨煙氣排入大氣中而沒有被利用的熱量，Q2可由排煙焓和冷空氣焓來計算，其值由下式計算：

(6)

(7)

式中：hpy和hlk分別為排煙焓和冷空氣的焓，排煙溫度為150 ℃，冷空氣溫度取20 ℃，kJ/kg；αpy為過量空氣系數(shù)；q2和q4分別為排煙熱損失百分?jǐn)?shù)和物理不完全燃燒損失百分?jǐn)?shù)，%.

燃料經(jīng)過燃燒氧化反應(yīng)C+O2=CO2、S+O2=SO2、2H2+O2=2H2O后，如過量空氣系數(shù)αpy=1，又達(dá)到完全燃燒，則煙氣中只含有CO2、SO2、水蒸氣、N2四種氣體，這時煙氣的體積稱為理論煙氣量.

每1 kg設(shè)計用煤燃燒所需理論空氣量如下：

(8)

同理，每1 kg稻稈燃燒所需理論空氣量計算方法相同.

稻稈摻燒時理論空氣的焓計算得：

(9)

式中：(ct)k為1 m3干空氣連同其攜帶的水蒸氣在溫度t=20 ℃時的焓，kJ/kg.

每1 kg煤燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量如下式：

(10)

其中理論水蒸氣的產(chǎn)生由3部分組成：

a.燃料中氫完全燃燒產(chǎn)生的水蒸氣

b.燃料中水分形成的水蒸氣

c.燃料中氫完全燃燒產(chǎn)生的水蒸氣

同理，可得每1 kg稻稈燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量.

生物質(zhì)和煤混合燃燒的排煙的主要成分包括：RO2、N2、水蒸氣及飛灰.

例如，當(dāng)?shù)径捘芰繐綗日?%時，按照鍋爐的設(shè)計參數(shù).每千克混合燃料中含煤為0.919 kg，含0.081 kg的稻稈.

理論煙氣的焓為：

(11)

式中：(ct)RO2、(ct)N2、(ct)H2O分別為三原子氣體、氮氣、水蒸氣在t℃時的焓值，kJ/kg.其中由于VCO2?VSO2且兩者的比容比較接近，所以取(ct)RO2=(ct)CO2.

燃燒時飛灰的焓為：

(12)

式中：(ct)h為1 kg灰在t℃時的焓值，kJ/kg；Aar為灰分基；αfh為飛灰中灰分的份額.其中，實際煙氣的焓為：

(13)

式中，α為空氣過量系數(shù)，這里取α=1.20.

當(dāng)?shù)径捘芰繐綗龝r的q2：

(4)物理不完全燃燒熱損失，有一部分沒有參與燃燒或未燃盡而被排出爐外所造成的損失.主要由灰渣損失、飛灰損失組成.

其中q4的計算公式如下所示：

q4=(327.29Aar/Qar、net){[αfhrfh/(100-rfh)]

+[αhzrhz/(100-rhz)]}×100%

(14)

式中：Aar為燃料收到基灰的含量，%；αfh和αhz分別表示飛灰和爐渣占灰渣總量的份額，且αfh+αhz=1；rfh和rhz分別表示飛灰和爐渣中可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

3.3 秸稈與煤不同混燃比例時熱效率的分析

選取稻稈的能量混燃比例分別為0%、5%、10%、15%和20%，這里采用的稻稈燃燒占單位質(zhì)量燃料的能量比例，經(jīng)計算可以得到混燃所需稻稈質(zhì)量，以及代替煤的質(zhì)量.選用煤燃燒工況下，煤的低位發(fā)熱量為22 902 kJ/kg.

用部分稻稈來代替煤，定義輸入鍋爐的熱量占完全燃煤燃燒輸入鍋爐的熱量的百分比為混燃比例.完全燃煤燃燒額定工況下鍋爐燃煤量為16.82 t/h，煤的低位發(fā)熱量為22 902 kJ/kg，額定工況下輸入鍋爐的總熱量約為3.851 6×108kJ/h.混燃比例5%意味著稻稈提供給鍋爐的熱量為3.851 6×108kJ/h的5%，如表4所示.

表4 燃料質(zhì)量隨混燃比例的變化

在稻稈與煤混合燃燒的問題上，從稻稈與煤混合燃燒比例著手，計算不同混燃比時排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失、物理不完全燃燒熱損失、灰渣熱損失的大小及對鍋爐熱效率的影響.本文對稻桿占混合燃料能量比例為0%、5%、10%、15%到20%的情況進(jìn)行數(shù)值計算，得出混燃比例的變化對鍋爐熱效率的影響趨勢如圖2所示.

圖2 稻稈摻燒比例對鍋爐熱效率的影響

經(jīng)計算分析可知，隨著稻稈在混合燃料中能量比例的增加，q2先增大后減小，這是因為隨著稻稈的增加每千克混合燃料的低位發(fā)熱量減少，同時由于稻稈燃燒產(chǎn)生的煙氣量減少，故排煙焓損失也在減少.在不摻燒稻稈時q2=4.9%，稻稈能量比占5%時，q2為5.1%，隨著稻稈的摻燒比例增加q2又逐漸減小.在稻稈的摻燒比例不同時，其中灰分及煙氣含量的變化和物理不完全燃燒損失對燃燒熱效率的影響較大.物理不完全燃燒熱損失率q4，隨著稻稈摻燒比例的增加，飛灰和爐渣內(nèi)物理未燃燒部分也增加，q4逐漸變大，但在此過程中稻稈摻燒比例q4變化對鍋爐熱效率的整體影響較小.其中，鍋爐熱力計算中，由于q3、q5和q6這3個數(shù)值非常小，因此稻稈的摻燒對3個數(shù)值的影響也很小，這里可忽略稻稈混燃對3個數(shù)值的計算.

通過稻稈混燃比例的變化對鍋爐熱效率綜合影響的數(shù)值計算，得出了隨著稻稈比例的增加，混燃熱效率呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，在稻稈能量比占10%左右時，混燃熱效率較低，后又逐漸增加，在稻稈摻燒能量比為15%左右時其鍋爐燃料效率較高，其后又逐漸降低.但同時，稻稈灰的化學(xué)成分與煤灰的化學(xué)成分有很大差異，受稻稈的灰熔融特性和對鍋爐腐蝕的影響，稻稈與煤混燃的熱量分?jǐn)?shù)不易超過20%[8].

4 結(jié)束語

本文通過對稻稈和煤混合燃燒的數(shù)學(xué)模型的建立，對稻稈的不同摻燒比例的鍋爐熱效率進(jìn)行數(shù)值計算，找出稻稈摻燒比例對燃燒效率的影響，得到了稻稈與煤混燃的較合理的比例，這對稻稈直接混燃發(fā)電方面具有參考意義.同時，在稻稈摻燒對熱效率的影響忽略一些方面會給熱效率計算帶來一些誤差，本文僅計算分析了稻稈摻燒比例對熱效率影響，不同的生物質(zhì)對熱效率的影響會存在差異，這些方面仍需進(jìn)一步探索.

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