英國生物質耦合發電的先驅性項目:Fiddler's Ferry 2*500MW*20%

2020-12-17 生物質耦合燃燒發電

英國Fiddler's Ferry電廠位於Warrington, Cheshire。該電廠於1962年提出規劃,1971年第一臺機組併網運行,1973年4臺機組全部投產。全廠4*500MW機組,合計2000MW,每臺煤粉爐有六臺磨煤機對應48個燃燒器。

Fiddler's Ferry電廠-2019年5月

大型燃煤電廠生物質耦合發電被認為是一種可大幅降低溫室氣體排放的有效方式。生物質耦合發電以生物質燃料比如林業廢棄物的木片、樹皮,農業廢棄物的玉米杆、小麥稈等秸稈等替代部分煤;同時生物質耦合發電的燃料利用還防止了這些生物質原料被廢棄後產生和釋放甲烷等溫室氣體。生物質耦合發電還是一種低成本的、無需對現有燃煤電廠基礎設施進行重大改動的、可以產生綠色電能的發電途徑。與風能和太陽能等其它可再生能源不一樣的是,生物質燃料可以通過存儲和隨用隨取來實現可控的能源,尤其沒有風電的間歇性問題。

由於英國承諾在2025年實現零煤化,其境內的燃煤電廠也面臨著去煤生產或者被關閉的選擇。2020年初,在經過近50年的運行和向英國電網供應了3930億度電量之後,Fiddler's Ferry終於走完了自己的一生(註:2020年英國用煤發電的電廠僅剩2個)。不難理解,對於Fiddler's Ferry這個到2025年壽命將達到54年歲高齡的電廠來講,實現100%的清潔燃料轉換有些強人所難,但這並不意味著Fiddler's Ferry電廠沒有做出清潔燃燒的努力。2005年,Fiddler's Ferry 4*500MW燃煤電廠實現了2號機和4號機兩臺500MW機組的生物質耦合發電改造,每臺機組生物質比例為20%(按熱值,下同)。

Fiddler's Ferry電廠生物質耦合燃燒圖

在Fiddler's Ferr生物質耦合發電改造之前,英國及歐洲已有經驗可以證明,生物質燃料在磨煤機耦合技術路線中表現出磨煤機電耗顯著升高、磨損明顯加大、制粉產能低等負面影響,所以該項目採用了生物質耦合發電技術路線中的爐膛耦合(註:技術路線原理可參照本公眾號的生物質耦合發電技術路線系列文章)。

由於生物質燃料與煤在燃燒特性與灰分特性等方面的差異,燃煤電廠生物質耦合燃燒作為燃料變化燃燒相關的各方面都會有所表現,比如積垢、結焦、蒸汽溫度、吹灰、除塵、脫硫、送風等。在開展生物質耦合燃燒的可行性研究時,結合生物質燃料特徵數據和電廠燃煤鍋爐設計,對燃煤鍋爐進行生物質耦合的燃燒仿真分析,得出該鍋爐對設計生物質燃料的最大耦合上限比例,並概要設計出生物質耦合的技術路線。在這個上限比例的生物質耦合燃燒範圍內,通常無需對鍋爐燃燒系統進行改動或明顯的改動。根據英國、荷蘭和德國的研究,一般認為木類生物質燃料的耦合比例上限在40%左右,純草類生物質燃料的耦合比例上限在8%左右可以不對燃煤鍋爐進行改動或明顯改動。在實際改造案例中,由於生物質耦合燃燒的高比例要求並不迫切,早期的木類生物質耦合比例一般控制在20%,草類生物質耦合比例控制在5%-6%(參照英國Drax電廠第一階段5%生物質耦合比例)。

生物質耦合燃燒仿真示意-格林奔科

Fiddler's Ferry的生物質燃料主要是木類,其生物質耦合發電的熱值比例控制在20%,由於生物質燃料的熱值低於煤,其重量比例為25%,最大生物質粉輸送量為每臺鍋爐60tph(設計燃料51tph時可達20%熱值比例)。

經過30萬噸生物質燃料燃燒後(>5000利用小時),對Fiddler's Ferry電廠的生物質耦合發電進行性能測試及總結如下:

1,鍋爐燃燒效率

在滿負荷工況下,Fiddler's Ferry電廠20%的生物質耦合燃燒導致鍋爐效率最大降低值不超過0.4%。這是因為生物質燃料中的水分含量高於煤且氫元素含量較高,以及生物質燃料熱值低於煤導致滿負荷工況下耦合燃燒的混合燃料總量增加。煙氣量的增加使得煙氣流速加快,尾部排煙溫度提升了約5度,排煙溫度的損失導致鍋爐效率略微降低。如果電廠有需要,這種排煙溫度升高導致的效率略微降低可以通過增加尾部煙道空預器或者省煤器得到改善。

2,固體不完全燃燒損失

由於生物質燃料的揮發份遠高於煤,以及生物質燃料中碳的活性更高,生物質耦合燃燒的固體不完全燃燒損失有所減少。

3,結焦和積垢

在長達一年的時間裡,沒有觀察到因為生物質耦合燃燒引起的結焦或積垢。

4,除塵

由於生物質燃料的灰分含量遠低於煤,生物質耦合燃燒的飛灰含量也低於煤燃燒,所以生物質耦合燃燒對除塵系統沒有產生不良影響。

5,風機

性能沒有受到影響

6,NOx排放方面

生物質耦合燃燒並沒有對NOx排放方面產生顯著的影響,這是因為Fiddler's Ferry項目採用的生物質燃料棕櫚殼有高達2.5%的氮元素。由於NOx的排放由燃料型N和燃燒性N合併組成,所以NOx的排放並不能直接通過計算混合燃料的N元素來預測。生物質耦合燃燒的溫度低於煤燃燒,燃燒型NOx排放有所降低,抵消掉棕櫚殼的燃料型NOx排放,在鍋爐滿負荷時,NOx的排放大致降低了5%。值得一提的是,在鍋爐低負荷時,NOx排放的降低會更加明顯。

7,SOx排放

SOx的排放取決於燃料中的全硫含量。由於生物質燃料中的S含量極低,生物質耦合燃燒的SOx排放也有明顯的降低。

8,飛灰再利用

生物質耦合燃燒的飛灰與煤燃燒具有一定的差異,但飛灰的可銷售性沒有因為生物質耦合燃燒而受到影響。

儘管Fiddler's Ferry電廠已經關閉,而英國的大型燃煤電廠生物質耦合發電也早已進入100%純生物質燃料轉換的時代,但這毫不影響Fiddler's Ferry電廠作為英國生物質耦合發電的先驅項目之一而被記錄。

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