第 41 卷 第 2 期 發(fā) 電 技 術(shù) Vol 41 No 2 2020 年 4 月 Power Generation Technology Apr 2020 DOI 10 12096 j 2096 4528 pgt 18047 中圖分類號 TK 6 生物質(zhì)直燃電廠余熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 任少輝 1 胡曉煒 2 胡燦 2 趙淵 2 李躍峰 1 1 武漢凱迪綠色能源開發(fā)運營有限公司 湖北省 武漢市 430074 2 武漢凱迪電力工程有限公司 湖北省 武漢市 430074 Waste Heat Utilization of Biomass Direct Fired Power Plant in Agriculture REN Shaohui 1 HU Xiaowei 2 HU Can 2 ZHAO Yuan 2 LI Yuefeng 1 1 Wuhan Kaidi Green Energy Development and Operation Co Ltd Wuhan 430074 Hubei Province China 2 Wuhan Kaidi Electric Power Engineering Co Ltd Wuhan 430074 Hubei Province China 摘要 生物質(zhì)直燃電廠能夠清潔集中利用生物質(zhì)能 降 低電廠排煙溫度 充分利用電廠余熱將有效提高生物質(zhì) 能的利用效率或為電廠開辟新的經(jīng)濟增長點 結(jié)合生物 質(zhì)直燃電廠在農(nóng)村區(qū)域的特點 探討將電廠煙氣余熱充 分應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中的可能性 結(jié)果表明 因地制宜地將生 物質(zhì)直燃電廠余熱應(yīng)用于生活供熱 種植 養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè) 領(lǐng)域 將促進農(nóng)民收入的增長和保護生態(tài)環(huán)境 關(guān)鍵詞 生物質(zhì)直燃電廠 余熱利用 農(nóng)業(yè) ABSTRACT Biomass direct fired power plant is a clean and concentrated way to utilize bioenergy Reducing the flue gas temperature and making full use of the waste heat of the power plant will effectively improve the utilication efficiency of bioenergy or open up a new economic growth point for the power plant Based on the characteristics of biomass direct fired power plants in rural areas the possibilitie of applying waste heat of flue gas from power plants to agriculture was discussed The results show that it would promote farmers income and protect ecological environment by applying waste heat from biomass direct fired plants to domestic heating planting breeding and other agricultural fields KEY WORDS biomass direct fired power plant waste heat utilization agriculture 0 引言 生物質(zhì)能是一種優(yōu)秀的可再生能源 具有量 大 易得 燃燒產(chǎn)物對環(huán)境友好等一系列優(yōu)點 目前我國耕地面積 15 855 億畝 其中農(nóng)林廢棄物 約 11 38 億 t 折合標(biāo)準(zhǔn)煤約 5 6 億 t 1 生物質(zhì)直 燃電廠是能夠?qū)⒔斩?林業(yè)廢棄物中的生物質(zhì)能 高效清潔轉(zhuǎn)化為電能的方式之一 由于其清潔利 用的性能 生物質(zhì)直燃電廠在國內(nèi)得到了大力發(fā) 展 2 6 從 2007 年我國第一個農(nóng)林廢棄物發(fā)電項 目在山東單縣開工建設(shè) 至 2016 年 農(nóng)林生物質(zhì) 直燃發(fā)電項目達 254 個 并網(wǎng)裝機容量約為 640 萬 kW 7 預(yù)計到 十三五 結(jié)束 全國農(nóng)林生物 質(zhì)直燃發(fā)電裝機總量將達到 700 萬 kW 8 1 生物質(zhì)電廠余熱在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的意義 由于燃料是分散的農(nóng)業(yè)或林業(yè)廢棄物 與燃 煤電廠相比 生物質(zhì)電廠具有其特殊性 其主要 特點如下 1 燃料成本占據(jù)了生物質(zhì)電廠運營成本的 50 以上 2 為了收購燃料方便 控制燃料成本 生物 質(zhì)電廠大多都建設(shè)在農(nóng)林廢棄物相對較多的農(nóng)村 區(qū)域或城鄉(xiāng)接合部 3 現(xiàn)有生物質(zhì)電廠的排煙溫度相對較高 按 某生物質(zhì)電廠排煙溫度為 150 考慮 與大型燃 煤電廠的排煙溫度相比 有充分的可利用空間 生物質(zhì)電廠的排煙損失是鍋爐損失中最大的 一項 因此 為降低燃料成本 保證生物質(zhì)直燃 電廠的經(jīng)濟運行 首先應(yīng)該關(guān)注的是降低生物質(zhì) 電廠的排煙溫度 本文針對生物質(zhì)電廠處于農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)領(lǐng)域附近的特點 提出將生物質(zhì)直燃電廠的 余熱因地制宜地應(yīng)用到周邊居民生活或農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 范圍內(nèi)的方法 不僅符合國家生物質(zhì)能供熱的指 第 41 卷 第 2 期 發(fā) 電 技 術(shù) 207 導(dǎo)意見 也加快了生態(tài)農(nóng)村的發(fā)展和建設(shè) 同時 將生物質(zhì)直燃電廠的低溫?zé)煔?變廢為寶 提 高了生物質(zhì)能的利用效率 為生物質(zhì)電廠帶來部 分經(jīng)濟效益 2 生物質(zhì)直燃電廠煙氣余熱應(yīng)用的潛力 煙氣余熱應(yīng)用的潛力受到煙氣中 SO 2 H 2 O 等成分的制約 一旦煙氣溫度降低到酸露點以下 就會造成煙氣管道的酸腐蝕 因此本文首先計算 生物質(zhì)電廠煙氣的酸露點 再選用合適的設(shè)施防 止酸析出對煙氣管道的影響 充分利用生物質(zhì)直 燃電廠的余熱潛力 由于燃料收集半徑在 100 km 以內(nèi) 電廠的裝 機容量一般不超過 30 MW 煙氣流量約在 150 000 m 3 h 按某生物質(zhì)直燃電廠的設(shè)計數(shù)據(jù) 設(shè)計燃料的元素和工業(yè)分析如表 1 所示 各項成 分的體積分?jǐn)?shù)如表 2 所示 表 1 某生物質(zhì)電廠燃料成分分析 Tab 1 Analysis of fuel components in a biomass power plant 元素分析 收到基 工業(yè)分析 收到基 C H O N S M A V FC Q 低位 MJ kg 28 74 3 37 23 29 0 50 0 03 40 24 3 83 45 04 10 89 9 63 表 2 各項成分的體積分?jǐn)?shù) Tab 2 Volume ratio of components CO 2 N 2 O 2 H 2 O SO 2 w HCl mg m 3 飛灰 份額 2 277 62 924 3 856 20 938 0 005 100 80 生物質(zhì)煙氣中的硫酸露點暫沒有相關(guān)文獻報 道 本文中生物質(zhì)煙氣的硫酸露點暫按燃煤電廠 煙氣中酸露點的計算方法進行 根據(jù)蘇聯(lián) 1973 鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法 計算 其中水露 點 t H 2 O 的計算公式 9 如下 222 2 HO HO HO 2 3 HO 0 474 9 0 010 1 201 2 8 40 42 64 62 25 t 1 將燃料收到基的灰分和硫分進行折算 并帶 入水露點的計算數(shù)值可得硫酸露點 t H 2 SO 4 24 2 3 HSO HO 125 89 83 1 05 n n A S tt 2 式中 H 2 O 為水蒸氣的體積分?jǐn)?shù) S n 為燃料 低位熱值折算到 4 186 kJ kg 時的硫分 A n 為燃料 低位熱值折算到 4 186 kJ kg 時的灰分 為飛灰 份額 生物質(zhì)中氯元素比煤中氯元素含量大 因此 有必要考察鹽酸露點的影響 根據(jù)李小龍 10 的研 究 鹽酸的酸露點也與煙氣中的水分和 HCl 的質(zhì) 量濃度有關(guān) 暫時將煙氣中 HCl 質(zhì)量濃度按 100 mg m 3 計算 并根據(jù)下列鹽酸露點計算公式 得 到該煙氣的鹽酸露點為 2 2 0 408 0 141 0 408 0 1 HCl HCl H O H 1 Cl H 4 O 188 38 90 01 1 566 63 4 081 8 t 3 式中 HCl 為 HCl 的體積分?jǐn)?shù) 10 6 為充分利用該生物質(zhì)電廠煙氣的余熱 建議 利用方式可以通過兩級換熱器 第一級換熱器選 用燃煤電廠目前常用的煙氣冷卻器 材質(zhì)采用 ND 鋼 Corten 鋼等具有一定抗低溫腐蝕性能的 金屬 11 出口煙氣溫度在硫酸露點的 5 左右 如本電廠可采用 95 1 考慮到生物質(zhì)電廠煙 氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)大于燃煤電廠煙氣中水蒸 氣的體積分?jǐn)?shù) 二級換熱器采用以 PE FEP 等為 材質(zhì)的氟塑料耐腐蝕換熱器 12 氟塑料換熱器有 其特有優(yōu)勢 1 氟塑料是已知固體材料中表面自 由能最低的材料之一 幾乎所有材料不能黏附在 其表面 由于其表面分子對其他分子吸引力小 因而摩擦因數(shù)非常小 靜 動摩擦因數(shù)與鋼的比值 均為 0 04 對流體產(chǎn)生的流動摩擦阻力也較小 2 根據(jù)已經(jīng)采用的氟塑料換熱器的經(jīng)驗 氟塑料 換熱器中每個模塊都設(shè)有沖洗母管 獨立控制 會采用定期以及人工的方式清洗換熱器中積灰 3 也可以采用兩路氟塑料換熱器模塊 一用一備 更好地清洗內(nèi)部 該方式能有效解決受熱面積灰 問題 氟塑料換熱器也在燃煤電廠中被用于提取 電廠煙氣中的凝結(jié)水 如在大唐國際錫林浩特電 廠煙氣冷凝提水工程中的氟塑料冷凝裝置最大冷 凝水回收量為 78 8 t h 結(jié)合生物質(zhì)電廠煙氣中水 分含量較高的特點 將煙氣溫度降低到酸露點以 下 充分利用煙氣的顯熱及部分水蒸氣冷凝的潛 熱 如本條件下可以考慮將最終煙氣溫度降至度 55 如圖 1 所示 根據(jù)上述煙氣成分計算 每小時煙氣通過一 208 任少輝等 生物質(zhì)直燃電廠余熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 Vol 41 No 2 150 95 55 120 空氣或水 除塵器 引風(fēng)機 第一級 換熱器 第二級 換熱器 煙氣 圖 1 生物質(zhì)直燃電廠余熱利用示意圖 Fig 1 Diagram of biomass direct fired power plant waste heat utilization 級換熱器可釋放熱量約 11 703 906 64 kJ 通過二 級換熱器可釋放顯熱 8 466 709 94 kJ 55 時水 蒸氣飽和分壓為 15 84 水蒸氣冷凝 6 140 kg h 釋放潛熱 14 459 700 kJ h 13 因此 如果充分回收 一臺 30 MW 生物質(zhì)直燃機組的余熱 可新增供熱 能力約 9 000 kW 3 生物質(zhì)直燃電廠煙氣余熱應(yīng)用的途徑 采用兩級換熱器 可將電廠煙氣的余熱用 來加熱空氣和熱水 可根據(jù)需要通過將熱風(fēng)或熱 水串聯(lián)的方式得到最高溫度約為 120 的熱產(chǎn) 品 根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的特色 可以將余熱最終應(yīng)用 于家用生活熱水 干燥 種植 畜牧及沼氣發(fā)酵 等行業(yè) 1 農(nóng)村供暖 廣大農(nóng)村地區(qū)在冬季仍以燒散 煤的方式取暖 這也是霧霾產(chǎn)生的主要原因之一 鋪設(shè)供暖管道為廣大農(nóng)戶實行集中供暖 是目前 能改造傳統(tǒng)供暖方式的有效途徑 生物質(zhì)發(fā)電廠 建設(shè)在農(nóng)村附近 是優(yōu)質(zhì)清潔的集中熱源 在生 物質(zhì)直燃電廠鄰近的城鎮(zhèn) 鄉(xiāng)鎮(zhèn) 新農(nóng)村建設(shè)中 短供熱管道 形成局部供熱管網(wǎng)系統(tǒng) 采用生物 質(zhì)電廠蒸汽為農(nóng)戶提供供熱和生活熱水 用煙氣 余熱的深度利用提供補充 不僅管道鋪設(shè)成本低 沿途熱量損失少 同時利用清潔生物質(zhì)能資源也 可以優(yōu)化農(nóng)村環(huán)境 按照供熱指標(biāo)為 80 W m 2 計 算 采用電廠煙氣余熱可以為約 11 萬 m 2 的住宅 提供集中供暖 因此這種高效利用生物質(zhì)電廠余 熱的手段 可改善農(nóng)民的生活環(huán)境 提高農(nóng)民的 生活質(zhì)量 為實現(xiàn)社會主義新農(nóng)村建設(shè)添磚加瓦 2 農(nóng)產(chǎn)品干燥 干燥是農(nóng)產(chǎn)品重要的保藏方 法之一 通過將農(nóng)產(chǎn)品中的部分水分除去 降低 其水分活度 從而有效地抑制微生物的生長繁殖 達到食品長期保藏的目的 熱風(fēng)干燥是最為傳統(tǒng) 和最常用的干燥方法之一 果蔬 14 香菇 15 魚 類 16 等的熱風(fēng)干燥也得到了不少學(xué)者的關(guān)注 目 前常用的熱風(fēng)干燥機都是采用外加熱源或電加熱 的方式 如果將干燥機房建在生物質(zhì)直燃電廠旁 邊 充分利用生物質(zhì)電廠煙氣余熱產(chǎn)生的熱量 將會大大降低干燥成本 以 30 MW 的生物質(zhì)電廠 煙氣余熱估算 可節(jié)省標(biāo)煤用量約 1 000 kg h 采 用電廠的余熱也可以使干燥設(shè)備 24 h 連續(xù)運轉(zhuǎn) 不但使生產(chǎn)過程連續(xù)進行 而且通過降低設(shè)備運 轉(zhuǎn)成本及產(chǎn)品的生產(chǎn)量 可以更快回收前期投入 3 溫室供暖 溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑設(shè) 施 它可以改變植物生產(chǎn)環(huán)境 為植物生長創(chuàng)造 最佳條件 避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ湓?成不利影響 目前常用的溫室加熱方式有燃煤 燃油熱水或少量的熱風(fēng)鍋爐 依托生物質(zhì)直燃電 廠周邊的供熱管道 加鋪少量的管道到溫室中 并根據(jù)種植的作物分配溫室內(nèi)的熱水管道 與傳 統(tǒng)的熱水溫室相比 不需要加設(shè)鍋爐房等附屬措 施 降低了設(shè)備投資 同時也比熱風(fēng)溫室中溫度 分布更均勻 對農(nóng)作物的生長條件更有優(yōu)勢 按 照上海某采用燃煤熱水機組的現(xiàn)代化大棚 供熱 指標(biāo)按 45 W m 2 估算 采用生物質(zhì)電廠余熱熱水 的供暖方式可供約 20 萬 m 2 的大棚使用 并節(jié)省 燃煤機組投資約 50 萬元 溫水浸泡也同樣會提升 種子的發(fā)芽率和育苗的成功率 因此從生物質(zhì)余 熱獲得的熱水可以推動高檔的跨季節(jié)果蔬 花卉 和菌類的種植和育苗 為社會提供高品質(zhì)蔬菜或 花卉資源 對農(nóng)業(yè)種植也有很好的促進作用 4 技術(shù)養(yǎng)殖 生物質(zhì)電廠無論是從地理位置 還是從盈利模式上都更貼近農(nóng)戶 熱水養(yǎng)殖是近 些年興起的一種增加養(yǎng)殖種類 加快成熟速度的 新型養(yǎng)殖方式 其中美國更是從 20 世紀(jì) 70 年代 就開始通過電廠余熱發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖 幾乎所有的 魚類 甲殼類均能通過電廠余熱來養(yǎng)殖 國內(nèi)也 是利用電廠余熱水養(yǎng)殖羅氏沼蝦 17 鱘魚 18 以及 甲魚等具有高經(jīng)濟優(yōu)勢的種類 據(jù)報道 某電廠 余熱水養(yǎng)殖場充分利用電廠排放的余熱水 通過 流水化 高密度養(yǎng)殖淡水白鯧 羅非魚等暖水性 第 41 卷 第 2 期 發(fā) 電 技 術(shù) 209 魚類 年產(chǎn)鮮魚 75 萬 kg 以上 年產(chǎn)值 650 多萬 元 依照美國電廠利用余熱養(yǎng)殖的經(jīng)驗 每年能 收回整個投資額的 15 20 19 如果生物質(zhì)直 燃電廠在動物禽類養(yǎng)殖廠附近 余熱熱水可以提 供人工孵化的熱水 保證孵化的成功率 20 動物 糞便也可以送往生物質(zhì)電廠燃燒 或者是由生物 質(zhì)電廠余熱熱水提供溫度以實現(xiàn)糞便的高溫發(fā) 酵 增加沼氣的產(chǎn)率 21 實現(xiàn)生態(tài)循環(huán) 因此 采用生物質(zhì)電廠的余熱熱水發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)是同時為 電廠和農(nóng)戶創(chuàng)收的干凈 清潔方式 4 結(jié)論 通過回收生物質(zhì)直燃電廠煙氣中余熱 實現(xiàn) 農(nóng)村供暖 農(nóng)產(chǎn)品干燥 溫室供暖 技術(shù)養(yǎng)殖等 多途徑應(yīng)用 具有節(jié)能 環(huán)保 創(chuàng)收的優(yōu)點 如 果按照生物質(zhì)余熱只在冬季應(yīng)用計算 年節(jié)省標(biāo) 煤約 4 000 t 相當(dāng)于減排二氧化硫 76 t 煙塵 6 3 t 氮氧化物 36 t 二氧化碳 7 200 t 渣 249 t 因此 非常有必要因地制宜地推廣生物質(zhì)直燃電廠余熱 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 參考文獻 1 中華人民共和國國家統(tǒng)計局 2017 年中國統(tǒng)計年鑒 M 北京 中國統(tǒng)計出版社 2017 17 20 2 向鵬 吳躍明 祁超 等 生物質(zhì)氣化 燃煤耦合發(fā) 電氣化模型研究 J 分布式能源 2018 3 1 1 6 3 龍輝 黃晶晶 十三五 燃煤發(fā)電設(shè)計技術(shù)發(fā)展方 向分析 J 發(fā)電技術(shù) 2018 39 1 13 17 4 劉久斌 朱紅霞 崔曉波 我國電廠熱工自動化的 回顧 現(xiàn)狀和展望 J 發(fā)電技術(shù) 2018 39 1 18 22 5 潘寧 陳祎 劉蔚 等 生物燃氣發(fā)電項目控制系 統(tǒng)的分散控制與集中管理 J 華電技術(shù) 2018 40 2 7 9 6 紀(jì)曉軍 王雨晴 電改新形勢下新能源消納市場機 制設(shè)計 J 電網(wǎng)與清潔能源 2018 34 6 76 79 7 中國生物質(zhì)能聯(lián)盟 2016 中國生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)排名 報告 R 北京 中國生物質(zhì)能聯(lián)盟 2017 8 國家能源局 生物質(zhì)能發(fā)展 十三五 規(guī)劃 R 北 京 國家能源局 2016 9 蔣安眾 王罡 石書雨 等 鍋爐煙氣酸露點溫度 計算公式的研究 J 鍋爐技術(shù) 2009 40 5 11 14 10 李小龍 生物質(zhì)煙氣低溫特性及生物質(zhì)干燥特性實 驗研究 D 濟南 山東大學(xué) 2013 11 王榮 張建成 童立根 ND 鋼熱管壽命實驗及與碳 鋼熱管對比實驗研究 J 南京化工大學(xué)學(xué)報 1995 17 4 88 93 12 胡清 孫少鵬 田鑫 等 氟塑料換熱器技術(shù)的應(yīng) 用進展研究 J 化工新型材料 2016 44 4 23 25 13 李慧君 王樹眾 張斌 等 冷凝式燃氣鍋爐煙氣 余熱回收可行性經(jīng)濟分析 J 工業(yè)鍋爐 2003 2 1 5 14 張建軍 王海霞 馬永昌 等 辣椒熱風(fēng)干燥特性 的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2008 24 3 298 301 15 郭凱 芮漢明 周禮娟 香菇熱風(fēng)干燥過程中香氣 形成機理初探 J 食品與發(fā)酵工業(yè) 2007 33 10 62 65 16 段振華 張慜 湯堅 鳙魚的熱風(fēng)干燥規(guī)律研究 J 水 產(chǎn)科學(xué) 2004 23 3 29 32 17 王興禮 電廠余熱水養(yǎng)殖羅氏沼蝦技術(shù) J 淡水漁 業(yè) 2003 33 4 39 40 18 趙西才 蔣效祥 余熱水工廠化養(yǎng)殖史氏鱘技術(shù)研 究 J 漁業(yè)現(xiàn)代化 2006 4 8 10 19 鄒立忠 美國利用電廠余熱水發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖 J 世 界農(nóng)業(yè) 1982 2 47 48 20 李崢嶸 劉遞多 劉凱 冷凝熱熱回收技術(shù)在孵化 設(shè)備中的應(yīng)用分析 J 中國家禽 2015 12 65 67 21 浦紹瑞 錢紅亮 馬春燕 等 畜禽糞便高溫發(fā)酵 與秸稈熱化學(xué)處理工藝的耦合 J 化工學(xué)報 2015 6 2220 2226 收稿日期 2019 10 09 作者簡介 任少輝 1988 男 碩士 工程師 主 要從事生物質(zhì)發(fā)電機組高效低能耗技術(shù)研 究與污染物控制 renshaohui 任少輝 責(zé)任編輯 尚彩娟