利用热电联产技术解决某基地生物质废弃物的路径探讨

利用热电联产技术解决某基地生物质废弃物的路径探讨

陈源强

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建福州 350001）

摘要 文章首先介绍了某地生物质资源情况及生物质废弃物产生的问题，提出了利用热电联产处理生物质废弃物的设想。其次对生物质热电联产的装机方案进行分析，并且计算了热电联产热经济指标。利用背压式热电联产技术可以提供生物质废弃物处理的解决思路。

关键词 背压 生物质 热电联产 经济指标

中图分类号：TK6 文献标志码：A 文章编号：

1 背景概述

某地为食用菌生产基地，规划建设2000亩。生产食用菌的生物质原料主要用到木屑、棉籽壳等原材料，分装后用蒸汽进行杀菌消毒，冷却后形成无菌的培养基。接着对培养基进行接种，使食用菌在恒温的厂房内生产。成熟的食用菌进行采摘并使用蒸汽进行烘干处理，采摘后的培养基作为生物质废料。这样形成了完整的生产周期，产品的生产周期为40天，产业园区年产废弃菌棒3.5亿根，年产废弃菌棒约17.5万吨。经初步测定，废弃的生物质菌棒的热值约为2700kcal/kg。根据初步统计，基地内杀菌、烘干所需的用热负荷约为100t/h，蒸汽参数为低压蒸汽，供热半径不超过5km。

现状基地内菌棒生产企业自建锅炉焚烧废弃菌棒产生蒸汽用于灭菌及烘干；同时农户为种植反季节菌类使用废弃菌棒、煤炭进行加温，从而排放大量的氮氧化物、二氧化硫、颗粒物、一氧化碳、二噁英、烟尘等，对环保产生巨大压力。废弃菌棒随意丢弃，严重污染水质、环境。

生物质应用的其中一种方式是利用生物质进行发电。当前，利用生物质发电占全国总发电量中很小的比重。如果生物质能仅用于发电，则热能利用效率大概在30%～40%；如果实现生物质的热电联产，则生物质能的利用效率可以达到80%以上。根据国家能源局发布的《生物质能发展“十三五”规划》，预计到2020年，我国生物质能年利用量大约5800万吨标准煤的当量，用生物质作为燃料发电的装机总容量达1500万千瓦，生物质年发电量大约900亿千瓦时。然而传统的生物质废弃物在实际应用过程中，实现生物质的热电联产还存在许多问题[1,2]，主要体现在以下几个方面：

1）生物质燃料的热值通常低于标准煤，在获得相同锅炉能量的情况下，生物质锅炉要比普通燃煤锅炉的容量大；

2）生物质燃料收集范围大，导致生物质燃料的运输成本大；

3）生物质燃料往往具有季节性因素，冬季生物质燃料收集比其他季节更为困难，增加了热电联产的风险。

为了解决上述生物质利用的问题，本文针对现有技术的不足之处而提供一种减少运输距离、降低运输成本的背压式热电联产系统。通过在农业生产厂房附近布置生物质热电联产项目，在食用菌基地内利用生产后的食用菌棒废弃物作为热电联产的燃料，热电联产亦可为食用菌生产厂房提供蒸汽用于生产。并且热电联产配套烟气处理装置经除尘、脱硫、脱销处理，烟气排放达到国家标准，废弃菌棒经直燃后排放的灰渣主要用作生物质肥料，形成循环经济效应，可以有效解决当地生物质废弃物的利用问题。

2 装机方案分析

热电联产是建立在能量梯级利用的基础上，集成了供热、发电能量供应形式的系统。实施热电联产可以提高能源利用率，节约能源，减少环境污染。根据生物质原料的产生量及热值，匹配热电联产装机。根据《热电联产管理办法》[3]，工业热电联产项目优先采用高压及以上参数背压热电联产机组，本项目采用高温高压背压机组方案。

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作者简介：陈源强（1969年6月），男，大学本科，学士学位，高级工程师，现从事火电厂设计方面的工作。

通过热平衡计算，可以采用3×75t/h高温高压生物质CFB锅炉+2×8.5MW高温高压背压式汽轮发电机组的装机方案。生物质锅炉采用三台锅炉并排布置，每台生物质锅炉的出口蒸汽温度均为540℃，出口蒸汽压力均为9.81MPa，锅炉额定蒸发量均为75t/h。

根据GB 50049-2011 《小型火力发电厂设计规范》要求，热电厂当1台容量最大的锅炉停用时，其余锅炉处理应满足热用户连续生产所需的生产用汽量。因此正常工况下三台生物质锅炉其中两台生物质锅炉运行，一台生物质锅炉作为备用锅炉。三台生物质锅炉采用母管制并联两台背压式汽轮机，每台汽轮机的额定进汽压力为8.83MPa，额定进汽温度为535℃。每台背压式汽轮机连接一台发电机，蒸汽通过背压式汽轮机做功后推动汽轮机叶片转动做功，接着带动发电机发电。其中背压式汽轮机采用高效率的冲动式或者反动式的汽轮机，级效率可达75%～85%，每台发电机的转速为3000rpm，额定发电功率为8.5MW，实际平均出力为8.17MW。背压式汽轮机排汽出口蒸汽温度为220℃，压力为1.0MPa，通过与每台汽轮机出口相连的管道分别进入蒸汽联箱对农业生产厂房供热。到达农业生产厂房的蒸汽温度>180℃，压力>0.8MPa，并保证蒸汽为过热蒸汽。

3 热经济性分析

热经济指标计算可根据《热电联产机组经济指标评价方法》[4]，其中热电比可表示为：

(1)

式中R为热电比， 为供热量， 为供电量。

供热煤耗可表示为：

(2)

式中 为供热煤耗， 为供热标准煤耗。

供电煤耗可表示为：

(3)

式中 为供电煤耗， 为发电煤耗， 为厂用电率。

机组热经济指标如下表所示，为简化计算，管道效率取98％，锅炉效率90%。机组“以热定电”，年发电利用小时数与设计热负荷年供热小时数一致，取5500小时。

生物质废料产生后不断通过皮带转运至生物质干燥机，进行脱水处理。经脱水处理的生物质经过皮带运输至生物质筛选机，筛选出合适大小和形状的生物质颗粒并通过皮带运输至生物质研磨机，将生物质颗粒研磨至锅炉燃烧允许的大小。最后经过栈桥运输至生物质锅炉进行燃烧反应。根据估计，生物质燃料的热值约为2700 kcal/kg，而标准煤的热值约7000 kcal/kg。因此，测算生物质锅炉每年消耗的生物质燃料量大约为17万吨，产生的生物质废料大部分可以被热电联产利用，并可以保证对农业生产厂房供热的安全性，产生循环经济效益。

4 结论

本论文通过背压式热电联产装机方案和热经济指标的分析研究，利用背压式生物质热电联产技术可以有效的匹配农业生产厂房产生的生物质废料，并且为农业生产厂房提供可靠的蒸汽来源，为生物质废弃物利用提供解决思路。

参考文献

1. 戴婷婷, 张曙光. 生物质热电联产的相关问题分析[J]. 电工技术, 2018, No.478(16):105-106.

2. 樊峰鸣, 傅玉清. 生物质成型燃料技术及其热电联产应用探讨[J]. 中国建设动态(阳光能源), 2007(03):56-59.

3. 发改能源〔2016〕617号,热电联产管理办法[S].

4. DB35/T 1757-2018, 热电联产机组经济指标评价方法[S].