金叙冕25MW生物质发电厂设计.docx
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金叙冕25MW生物质发电厂设计
25MW生物质发电厂设计
25MW生物质发电厂设计
摘要
随着世界工业和经济进入快速发展时期，对能源的消耗和需求逐渐增长。
而生物质能发电能够利用闲置的农业废弃物或秸秆资源，在一定程度上能有效缓解能源短缺问题。
本文主要是进行25MW生物质发电厂的初步设计，针对目前生物质发电厂存在的不足，如原料的收集、储运与预处理，生物质发电厂布局不合理等问题进行了一定的改进：
对原料进行了固化成型处理，提高密度，使其更便于储存、运输；引进了丹麦BWE公司的生物质蒸汽锅炉技术，提高生物发电厂的经济效益；并按照国家标准进行合理规划布局，避免了原料恶意竞争局面。
本设计在参考了目前生物质发电项目的实际情况基础上，制定了工艺方案，并进行设备选型以及物料衡算，得出设备的生产能力，科学合理地进行设备配套；根据甘蔗渣在国内的种植分布情况将厂址选在了广东省湛江市；同时为了能使在生产过程中符合目前绿色制造的理念，对生产中的一些废气废物制定了相关的处理流程设计。
关键词：
生物质发电；生物质成型燃料；固化成型
Designof25MWbiomasspowerplant
Abstract
Withtherapiddevelopmentofworldindustryandeconomy,theconsumptionanddemandofenergyareincreasinggradually.Biomasspowergenerationcanutilizeunusedagriculturalwasteorstrawresources,toacertainextentcaneffectivelyalleviatetheproblemofenergyshortage.
Thispapermainlycarriedoutthepreliminarydesignof25MWbiomasspowerplant,aimingattheproblemsofthecollection,storage,transportationandpretreatmentofrawmaterialsexistinginthecurrentbiomasspowerplant,andtheunreasonablelayoutofbiomasspowerplant,someimprovementsweremade.Therawmaterialswerecuredandmoldedtoincreasethedensityandmakeitmoreconvenientforstorageandtransportation.IntroducedthebiomasssteamboilertechnologyofDanishBWEcompanytoimprovetheeconomicbenefitofbiologicalpowerplant;Andaccordingtothenationalstandardreasonableplanninglayout,avoidtherawmaterialmaliciouscompetitionsituation.
Thedesigninreferencetothecurrentbiomasspowerprojectonthebasisoftheactualsituation,developedaprocessplan,andequipmentselectionandmaterialaccounting,theproductioncapacityoftheequipment,scientificandreasonableequipmentsupporting.AccordingtothebagasseplantingdistributioninChina,thefactorywaslocatedinzhanjiangcity,guangdongprovince.Atthesametime,inordertomaketheproductionprocessinlinewiththecurrentconceptofgreenmanufacturing,somewastegasintheproductionoftherelevantprocessdesign.
Keywords：
Biomasspowergeneration;Biomasspelletfuel;Curingmolding
1前言
随着我国经济的高速发展、城市化进程速度的加快，对能源的消耗和需求也在不断增加，因而大规模发展新型可再生能源发电成为了缓解能源供需矛盾、促进能源结构清洁化转型的关键环节。
目前最具有代表性的新能源发电主要有风电、光伏发电、生物质发电等，由于风电、光伏发电易于受到风速、光照强度等自然条件的影响，相比于生物质发电有着明显的不确定性和难可控性。
而生物质能发电主要是通过有效地利用闲置的农业废弃物或秸秆资源等来进行发电，其电能质量好、电力供应的安全可靠性高；比起风电、光伏发电，生物质发电还可以无间歇性发电，具有很高经济价值。
表1.1主要的新能源发电优缺点
类型
优点
缺点
风力发电
风力发电技术日臻完善，成本不断下降，并呈现规模化的商业应用；清洁，环境效益好；基建周期短，装机规模灵活
噪声、视觉污染大，占用土地多，风量不稳定、不可控，建设成本较高
太阳能光伏发电
资源丰富、免费使用、无需运输、无污染；设备故障率低，维护简单；应用场合广泛灵活；建站周期短，规模大小随意
能量密度低，成本较高，占地面积大，地面应用时有间歇性和随机性，储能困难，转化率低
生物质能发电
可无间歇性发电，电能质量好、电力供应可靠性高，可实现分布式发电，具有较高的环保效益和经济效益
原料收集、储存、运输较困难；能量密度低；原料具有区域性、季节性
生物质发电与传统的集中式能源系统最大的不同就是，生物质发电是一种典型的分布式电力，它既可以离网独立运行，也可以并网运行，不需要通过大型电网来进行远程高压或超高压地输电，减少了线路损耗和对电网的投资，并且很好地解决了集中单一供电系统所带来的诸多问题。
生物质发电更为有效地利用秸秆资源，避免了秸秆的任意焚烧、丢弃等现象，减少了利用传统方法燃烧这些秸秆资源时所带来的环境及安全问题，改善城乡环境，同时还可以带动农林业产业的发展。
因此生物质发电有着广阔的发展前景，是目前各大电力投资主体的投资热点。
1.1生物质发电
生物质发电是一种新型的可再生能源发电形式，主要是以生物质资源作为原料，采取直接燃烧或者转化为可燃气再燃烧的方式，利用燃烧过程中所产生的热量进行发电。
目前在众多的生物质能技术当中，生物质发电是未来发展前景良好的形式之一，拥有一定的市场需求，有着明显的经济效益和环保效益。
1.1.1生物质直燃发电
生物质直燃发电是在传统的内燃机发电技术基础上进行设备改型而实现的一种新型技术，其原理主要是将预先加工处理过的生物质燃料直接输送入锅炉中，燃烧后产生过热蒸气并推动汽轮机膨胀做功，从而带动发电机发电，而其所产生的低压电则可以经变电装置后并入电网。
生物质直燃发电的关键技术主要是原料的预处理技术、送料技术、生物质直燃锅炉技术、锅炉对各种生物质燃料的适应性、烟气高温腐蚀等。
图1.1生物质直燃发电流程
1.1.2生物质混合燃烧发电
生物质混合燃烧发电是指将生物质与煤混合后燃烧发电，或生物质气化后的燃气在燃煤锅炉中与煤一起燃烧发电；其主要是将生物质和煤燃料中的化学能转变成热能后，锅炉内的水吸热汽化成饱和蒸汽，又在过热器内继续加热升温形成过热蒸汽，从而驱动汽轮发电机组发生旋转，将蒸汽的内能转化成为机械能，最终通过发电机将机械能转化为电能[1]。
生物质混合燃烧发电是在燃煤电厂基础上辅以生物质燃料进行发电的技术，主要利用了煤炭和生物质燃料在不同特性上的协同效应；并且在掺烧比例较低（低于20%）的情况下，生物质燃料的转化效果还会更为显著。
此外，生物质混燃发电厂在根据燃料成本的一些变动以及供求情况下还可以实时作出调整，从而更好地保证燃料的供应。
图1.2混合燃烧发电流程
1.1.3生物质气化发电
生物质气化发电是指将生物质原料预处理后送入气化炉中，在一定条件下将原料中的可燃部分转化为可燃性气体，再而利用已经净化处理后的可燃气体去带动燃气发电系统，从而产生电能。
生物质气化发电过程主要包括三方面[2]：
一是生物质气化，采用气化技术将固态的生物质原料转化为气态燃料；二是气体净化，为确保燃气发电设备能够正常运行，气化后的燃气需要通过净化系统进行净化处理，将其可能含有的杂质去除；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，而在某些情况下为了能够提高发电效率，还可以在生产过程中增加余热锅炉和蒸汽轮机。
气化发电是最有效、最清洁的生物质能利用方法之一，它既能解决生物质难于燃用和分布分散的缺点，又可充分发挥燃气发电技术设备紧凑而污染少的优点。
图1.3生物质气化发电工艺示意图
图1.4生物质气化发电系统流程图
1.2国内外生物质发电厂设计概况
生物质发电最早开始于20世纪70年代，随着丹麦大力推行秸秆等生物质发电，欧美许多发达国家和地区也开始了大规模的发展。
在2009年全球生物质能装机容量为61.8GW；至2018年达到了117.8GW；同时全球的生物质能综合发电量也从2009年的277.1GWh迅速增长到2017年的495.4GWh。
图1.52009-2018年全球生物质能总装机容量
1.2.1国外概况
目前国外利用生物质资源进行发电的设备及技术已经基本成熟，并且建设了许多大型的生物质发电厂，其中英国的Tees再生能源发电厂是目前世界上已知的最大的生物质发电厂，其发电功率为295MW，所发电量足以支撑60万个家庭的需要。
为了能够更进一步地发展生物质发电产业，许多学者还进行了一系列的相关研究：
Lee[3]（2005）在了解、分析了日本林木资源发电的现状后，研究发现使用蒸汽锅炉进行发电可大幅提高发电过程中生物质资源的能量利用，并且还以此开发出了一套循环流化床式生物质气化系统；
Caputo[4]等（2005）系统分析了相关生物质发电厂的经济效益，表明生物质发电厂利润下降的主要原因在于其原料的收集和储运方面的成本增加，以及运输车辆所能装载原料重量的减少；
Montgomery[5]（2011）通过比较生物质直接燃烧发电和混合燃烧发电两种形式对不同型号锅炉的腐蚀程度，分析探讨了如何减少对锅炉的腐蚀及可采取措施；
MuthJr.[6]（2013）通过分析生物质能发电厂的运营成本，研究发现燃料的收集、运输及处理等这类可变动成本是影响生物质发电厂经济效益的重要原因。
1.2.2国内概况
我国的生物质发电相对而言是较晚发展的，但是到目前也已经有将近30多年的发展历史了。
2006年我国首个生物质直接燃烧发电建设项目——国能单县生物质发电厂正式投产建设，规模为1×25MW单级抽凝式汽轮发电机配1×135t/h振动炉排式高温高压蒸汽锅炉，采用了贝加莱APROLDCS系统[7]；而后截止至2008年的8月份，我国成功并网发电的农林生物质发电建设项目已经有足足130多个了。
生物质发电厂的快速发展，为节能减排开辟了一条新的道路；但由于我国的生物质发电产业目前仍处于起步阶段，还依然存在着许多的不足之处。
李飞[8]等（2006）分别介绍了瑞典、意大利、英国和美国BIGCC发电厂的工艺流程和运行经验，并指出我国目前发展BIGCC系统需要解决的关键技术问题；王胜曼[9]（2008）研究表明我国具有丰富的秸秆资源，在发展秸秆发电产业具有很大优势，但同时也指出秸秆发电成本较高，还为此提出秸秆收集过程的物流设计方案；孙静春[10]等（2008）对安徽宿州市的秸秆发电厂进行研究后发现，造成该地区发电厂原料严重不足的根源在于布局的不合理，导致同一区域发电厂过于密集，形成了原料的恶性竞争；张兰[11]（2010）对阿尔山和奈曼旗两个林木生物质发电项目进行了实证研究和比较分析，研究表明缩短收集半径，简化分工和采用更先进的削片和运输设备是降低原料成本的重要手段；刘钢[12]等（2011）对9家生物质发电厂进行调研分析后发现，原料的收集半径一旦由30km增加到50km，发电厂将会发生亏损；黄少鹏[13]（2014）以五河凯迪生物质发电厂的案例为研究对象进行分析，研究表明需要大量秸秆燃料才能保证发电厂的连续运行，但由于原料的堆积密度低，并不利于收集和运输，且其还存在着季节性的限制，因此导致每年在原料的收购上需要投入大量的人力物力，制约了秸秆发电厂的发展；金山[14]（2015）对生物质锅炉在给料过程中的堵料、结焦、结灰等问题进行研究分析后，对生物质锅炉进行了优化设计并提出改进措施。
1.2.3生物质发电厂存在的问题
综合分析国内外已建成生物质发电厂的设计概况，总结得出了目前生物质发电厂还存在的主要问题有：
1、生物质的收集、储运与预处理；
2、生物质发电厂布局不合理，出现了无序、集中建设；
3、其他行业对原料的争夺；
4、锅炉容量盲目求大。
1.3本设计研究目的、意义及主要内容
《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施对可再生资源的发展提供了许多的政策支持，其中发电领域更是其发展的重点对象，这在很大程度上保证了发电厂的盈利能力，并且促进了生物质发电产业的迅速发展。
生物质能源作为一种新型的清洁能源，在各个方面都得到了广泛的关注和认可。
发展生物质资源发电产业，不仅可以解决供电紧张的问题，还可以缓解目前我国能源短缺的问题；同时还有着明显的环境效益，节能减排，对促进经济增长和社会的可持续发展有着重要的作用。
目前我国生物质发电产业已基本成熟，但生物质发电厂仍旧存在许多不足之处，阻碍了其发展。
因此，本设计针对目前生物质发电厂所存在的主要问题，在已成熟的生产工艺基础上进行了改进、完善，很好地解决了目前生物质发电厂在原料运输、储存等方面上的难题，提高了生物质发电厂的经济效益，为今后建设生物质发电项目提供了参考。
本设计主要进行了以甘蔗渣为原料的生物质发电厂设计，其主要研究内容如下：
1、分析国内外生物质发电厂设计概况；
2、比较分析了目前我国所普遍采用的几种生物质发电技术，找出各自优缺点；
3、结合生物质发电厂的发展现状，制定生产工艺流程方案，进行原材料的选择、物料衡算、设备选型等；
4、按照国家标准设计三废治理措施；
5、根据生物质资源分布情况进行选址，并综合规划、合理布局。
2工艺的选择
生产工艺方案的选择，应该从多个方面来进行考虑：
原料的供应是否有保障；生产工艺技术和主要生产设备的成熟程度；生产能力的合理性；节能减排情况等。
2.1工艺技术方案的比较与选择
目前我国普遍采用的生物质发电技术有直燃发电、混燃发电和气化发电三种。
表2.1生物质发电技术综合比较表
发电方式
直燃发电
气化发电
直接混燃发电
气化混燃发电
主要优点
技术成熟、规模较大、设备可靠、运行成本较低
污染排放较低、小规模效率较高、规模灵活、投资较少
技术简单、使用方便；不改造设备情况下投资最省
通用性较好、对原燃煤系统影响较少；经济效益较明显
主要缺点
污染排放较高、小规模效率较低、原料单一、投资较大
设备较复杂、大规模的发电系统仍未成熟、设备维护成本高
生物质与处理较严、对原系统有影响
增加气化设备、管理较复杂；有一定金属腐蚀问题
应用条件
大型发电系统
（＞20MW）
中小型发电系统
木材类原料、特种锅炉
要求处理大量生物质的发电系统
综上分析对比可知，生物质直燃发电是生物质资源被开发利用中最早采用的一种方式，同时也是生物质原料需求量最大、最直接、最容易产业化的能源利用方式；生物质直接燃烧发电技术是从国外直接引进的，并且在国外不少发达国家已经获得成功运用，此外该技术在规模化情况下，效率较高，单位投资也较为合理。
生物质混合燃烧在工厂实际运转中，混合燃烧发电机组中的燃煤用量难以做到准确监测，在节能减排方面的效益也并不明显，而且与其他两种发电技术相比污染更为严重；生物质气化发电技术则是由国内自主研发，目前还没能够达到商业化的程度，且相对比于直接燃烧工艺，生物质气化的系统更为复杂，其单机容量小且工程所需投资资金高；又由于气化发电的小型低值燃汽轮机技术还尚未成熟，因此对10MW以上的生物质发电系统来说，选择直接燃烧发电技术会更为有利；而气化——余热发电系统则更多的应用于规模在5—6MW左右的生物质发电系统上。
本设计是25MW生物质发电厂的设计，因此选择直接燃烧发电技术更为适合。
2.2原材料的选择
我国的糖料作物资源相当丰富，其中甘蔗每年就有大约为7000多万吨的产量，是世界上仅次于巴西和印度两个国家的第三甘蔗种植大国，全国拥有的良种繁育面积达到了6000多km2，其中广西北海、南宁和云南开远、弥勒及广东湛江已成为全国重要的甘蔗良种繁育基地。
甘蔗渣是制糖工业的主要副产品（占24%-27%），是在经过榨糖之后剩余的纤维残余物。
糖厂在使用甘蔗制糖后每年能够产生大约2000万吨的废弃甘蔗渣，这是一笔非常集中而又数量庞大的资源，且甘蔗渣的成分相对稳定、性质均一，可以很好地为生物质发电产业连续、集中地提供原料；而且甘蔗渣中的纤维素和半纤维素含量相比于其他作物秸秆来说更高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少，木质化程度较高[15]。
因此，选择甘蔗渣作为生产生物质颗粒燃料的原料。
表2.2甘蔗渣成分（烘干后）
成分
纤维素
半纤维素
木质素
淀粉
灰分
可溶性糖
粗蛋白
糠醛酸
含量（%）
35.4
20.6
18.6
1.5
8.3
2.8
3.8
3.3
表2.3甘蔗渣的成分分析
序号
项目
单位
数据
1
收到基低位发热量Q
KJ/Kg
7700
2
收到基含水量Mar
%
50
3
收到基含灰量Aar
%
1.5
4
收到基含碳量Car
%
23.5
5
收到基含氢量Har
%
3.25
6
收到基含氧量Oar
%
21.6
7
收到基含氮量Nar
%
0.1
8
收到基含硫量Sar
%
0.05
注：
其中灰分1.5%~8%，最大10%，水分按最大55%考虑
2.3生物质固化成型
由于生物质资源的季节性、质地的散拋性和储存等问题影响了发电厂的实际运行，因此为了更好地满足发电厂的需求，需要对原料进行相应的预处理，而目前生物质发电厂中对生物质原料的预处理方式主要以固化成型和打捆、粉碎技术应用较多。
由于我国农业生产的分散性和机械化程度相较于国外发达国家来说较低，故生物质的打包效率低下；而固化成型后的成型燃料更便于储存、运输，提高了单位体积的能量密度，有利于提高炉温改善燃烧，因此在考虑了生物质发电厂的运行特点和燃料成型设备的情况下，采用对原料进行固化成型预处理后再燃烧的方式更为合适[16]。
生物质固化成型技术是生物质的一种物理转换方式，其主要流程是在特定的温度和湿度条件下，将按工艺要求进行加工处理后的生物质原料压制成致密颗粒。
在生物质固化成型过程中，颗粒表面通过克服摩擦力及弹塑性变形做功后，以内能的形式储存在成型燃料中，使得成型燃料的能量密度增加，提高燃烧值[17]。
2.3.1生物质成型燃料
生物质成型燃料（即BMF）在原料与产品上都具有多样性，不仅能够生产出具有高附加值的化学品，形成新型生物化工产业链；还能够替代化石能源进行供热发电。
生物质成型燃料还具有燃烧特性好、燃烧后残渣少、燃尽率高、粉尘少、化学污染排放低的优势。
表2.4BMF的特性
序号
特性
1
实现温室气体CO2的“零”排放：
生物质成型燃料燃烧时CO2的排放量与其在生长过程中CO2的吸收量是相同的，其替代了化石能源，减少了净排放；
2
低碳能源：
成型燃料的燃烧以挥发份为主，其固定碳含量仅为15%左右；
3
减少SO2的排放：
成型燃料的含硫量极低，仅为燃料油的1/20左右，可以在不用采取任何脱硫脱硝措施的情况下达到环保要求；
4
粉尘排放达标：
成型燃料灰份低，约为3%~5%，是煤基燃料的1/10左右，只要采用常规的除尘装置便可以达到环保要求；
5
减少氮氧化物的生成
6
作为高质量的均质燃料，成型燃料在输送、储存、传输和燃烧方面都可以自动控制，其方便程度完全可以跟轻质燃油相媲美。
表2.5BMF的性能指标表
项目
单位
指标
热值
kcal/kg
＞4000
密度
t/m3
＞1.1
外观
cm
φ1-4；方（圆）柱型
灰分
%
≤7
水分
%
≤13
燃烧率
%
≥95
热效率
%
≥81
排烟黑度（林格曼级）
/
＜1
排尘浓度
mg/m3
≤80
2.3.2生物质成型燃料的工艺选择
生物质成型燃料所采取的生产工艺会因为生物质成型方式的不同而有所不同，其成型技术的综合比较见表2.6。
其中根据生物质原料进行压缩成型的加工方式，可以分成常温湿压成型、热压成型、常温成型和炭化成型等几个成型工艺。
冷压成型工艺是指生物质原料在常温条件下被高压挤压成型的过程。
该工艺不用额外再进行加热，其固化成型的机制是生物质原料在湿度一定的情况下，通过摩擦产生热量软化生物质中的木质素，以达到粘结的作用，最后压缩成型。
该工艺不仅仅有高生产率，还对物料的含水率要求低、适应范围广。
冷压成型工艺中主要采用的成型设备是压辊式成型机，该设备对生物质原料的含水量适应范围广，且不用外部再进行加热。
其中环模挤压式成型机能够自动化生产，设备能够持续稳定地运行，具有高的生产率；又因为采用的是双压辊结构，制粒过程中物料能够更好地均匀受力，压制出来的颗粒产品质量也相对更好，密度大且成型率高；可实现工业化自动上料，最为受企业青睐。
因此，本设计采用环模压辊技术进行固化成型制粒。
表2.6生物质成型技术综合比较一览表
技术类型
原料要求
发展现状
主要优缺点
发展趋势
螺旋热压成型
要求原料含水量在8%-12%以内，粒度小于40mm
技术进入半商业阶段
产品耐储存、密度高，可加工成各种形状；套筒易磨损，维修成本高，对原料的湿度要求严格，易发生“放炮”现象
适宜中小规模生产
环模压辊成型
要求原料含水量在15%-20%以内，粒度小于10mm
技术比较成熟，进入商业化发展阶段
生产能力较高，产品质量好；模具易损、堵塞，维修成本高
降低成本，实现规模化生产
平模压辊成型
要求原料含水量在15%-20%以内，粒度小于10mm
技术比较成熟，进入商业化发展阶段
设备简单，制造成本低；生产能力较低
适宜小规模生产
对辊挤压成型
要求原料含水量在10%-35%以内，粒度小于10mm
技术处于研发阶段
对原料的适应性强，能耗、机器损耗较低；生产能力较低
提高生产能力，适宜中小规模生产
机械活塞成型
要求原料含水量在20%以内，粒度小于40mm
技术处于半商业化、商业化阶段
能耗较低，产
升级会员 