胡治國，肖 波，張承建，杜一敬，李建芬

(湖北能源東湖燃機熱電有限公司，湖北 武漢 430074)

隨著中國經(jīng)濟不斷的大步向前發(fā)展，電力的需求也愈發(fā)旺盛。燃煤熱電廠作為穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝能為國民提供穩(wěn)定廉價的電力保障[1]。但由于化石燃料的日益短缺，且對環(huán)境帶來了嚴重的影響。為了積極響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，降低能耗，可再生能源受到了越來越多的關(guān)注。其中霄燃料作為新型高效的生物質(zhì)能源應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。從國內(nèi)外來看，能源耦合熱電聯(lián)產(chǎn)更是為生物質(zhì)等可再生能源在燃煤電廠中應(yīng)用起到了推動性作用，“虛擬電廠VPP”從低壓配電網(wǎng)概念開始進軍到燃煤電廠碳減排核心領(lǐng)域，全新概念的“生物質(zhì)虛擬電廠”[2]將成為燃煤電廠實現(xiàn)碳減排的強有力實施策略。

1 鄂州電廠的運行現(xiàn)狀

湖北能源集團旗下總裝機容量406萬kW的鄂州電廠，已成為湖北省最大的火電企業(yè)。鄂州電廠三期工程2臺1 050 MW超臨界燃煤機組，5號機組于2018-12-20日成功并網(wǎng)，6號機組將在2019年上半年實現(xiàn)投產(chǎn)。三期工程設(shè)計采用目前世界上最先進的近零排放技術(shù)，環(huán)?？偼顿Y達14.21億元，約占工程總投資的20%。煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度設(shè)計限值分別為5、35 mg/m3和50 mg/m3，遠低于現(xiàn)有標準要求的30、100 mg/m3和200 mg/m3，堪稱世界最嚴標準。

鄂州電廠一期工程(2臺300 MW全進口燃煤機組)，是湖北省首家利用外資向國外招標的大型電站項目，2臺機組分別于1999年1月和4月投產(chǎn)發(fā)電，鄂州電力工業(yè)從此崛起。所選用的鍋爐是美國福斯特·惠勒(FW)公司生產(chǎn)的自然循環(huán)燃煤汽包爐，采用W型火焰爐，雙進雙出球磨機，正壓直吹燃燒系統(tǒng)。鍋爐容量1 072 t/h，18.17 MPa，541℃，一次再熱，配300 MWe機組。鍋爐設(shè)計燃用60%晉城無煙煤和40%臨汾煙煤的混煤，煤粉在爐內(nèi)的停留時間可達3.5 s左右，具有較高的燃燒效率，設(shè)計保證未燃燼損失2.46%，鍋爐熱效率91.37%；該W型火焰爐燃燒穩(wěn)定指標為28.73%，一般電站鍋爐為40%到50%。鍋爐除灰、除渣系統(tǒng)是由美國聯(lián)合輸送機公司(UCC)提供的。除灰系統(tǒng)采用負壓氣力除灰，除渣系統(tǒng)采用水力除渣。機組自動化程度高、能耗低、調(diào)峰性能好、運行穩(wěn)定、安全可靠，在湖北省電力行業(yè)享有較高的聲譽。W型火焰鍋爐能在鍋爐最大連續(xù)出力負荷下正常運行，負擔調(diào)峰任務(wù)，表現(xiàn)出穩(wěn)燃能力強、燃燒效率高、對負荷變化適應(yīng)性強的優(yōu)勢；但也存在一些問題——爐膛內(nèi)煤粉燃燒溫度約在1 200℃以上(1 300℃～1 700℃)帶來鍋爐煙氣脫硫脫硝難度較高，且偶有發(fā)生如爐膛結(jié)渣、滅火、撈渣機故障、水冷壁高溫腐蝕爆管等事件。美國FW公司的W型火焰鍋爐采用FW型旋風分離式高煤粉濃度燃燒器，拱部只送入少量的一次風，大量的二次風從前后墻逐級水平均勻送入，這對分級供氧來滿足無煙煤的燃燒和燃盡是有利的，但是如果配風不當，極易引起爐內(nèi)氣流短路，造成飛灰含碳量增加，甚至出現(xiàn)爐膛出口結(jié)渣等問題，在實際運行中已經(jīng)出現(xiàn)了這種問題。鄂州電廠一期工程2臺機組已技改增容為330 MW，綜合廠用電率約為7%；每年發(fā)電燃燒原煤130萬余噸(年利用小時數(shù)約在4 200余小時)，產(chǎn)生40萬t左右的粉煤灰。

鄂州電廠二期工程2臺600 MW國產(chǎn)超臨界燃煤機組，由湖北能源集團引入戰(zhàn)略合作伙伴安徽淮南礦業(yè)集團合資組建，機組采用東方電氣集團有限公司先進的技術(shù)和設(shè)備，已經(jīng)于2009年底投產(chǎn)發(fā)電。

鄂州電廠一、二期工程循環(huán)經(jīng)濟的一大亮點是“火電廠中的水電廠”——尾水發(fā)電。電廠一二期工程全部開機后，尾水流量達到每秒60 m3，利用尾水排水口和長江水平面平均10 m的落差修建了1座尾水電站——電站采用軸伸貫流式水輪機，每年可節(jié)約廠用電近2 000萬kW·h，節(jié)約標煤7 000多t，工業(yè)水循環(huán)利用率也達到了國家發(fā)改委火電清潔生產(chǎn)標準。

2 鄂州電廠的節(jié)能減排措施

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

按照國家能源政策“鼓勵采用30萬kW及以上集中供熱機組的熱電聯(lián)產(chǎn)，以及熱、電、冷多聯(lián)產(chǎn)”，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)勢在必行[3]。分散小鍋爐供熱的標準煤耗率為55～62.1 kg/ GJ，33萬kW凝汽機組的發(fā)電標準煤耗率為333 g/kW·h，熱電聯(lián)產(chǎn)能有效地節(jié)約能源降低CO2排放。電力、熱力及熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)所計電量為綜合發(fā)電量，計算公式為：綜合發(fā)電量=發(fā)電量+供熱量/熱電折算系數(shù)；其中，熱電折算系數(shù)為36百萬千焦/萬千瓦時。通常亞臨界燃煤火力發(fā)電機組實際運行熱效率僅有35%左右，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)后，熱效率可達80%以上，不僅節(jié)能環(huán)保，而且供熱穩(wěn)定性高。對于服役超過10年且維護良好、年運行時間5 500 h但未經(jīng)重大升級改造的標稱330 MW亞臨界機組，通常CO2年排放量為150萬t(煤含碳量70%)，經(jīng)技改后其凈效率可恢復(fù)到接近36%～39%的原設(shè)計值(每度電的供電標準煤耗350～333 g)，初略估算每年CO2減排量可達10～11萬t，即CO2減少6%到7%[4]。對于可以轉(zhuǎn)換到熱電聯(lián)產(chǎn)模式運行的機組，年CO2減排量會更大，具體減排量根據(jù)需熱量而得出。如果以每小時100 t，全年蒸汽供應(yīng)255 d，相對于單獨供熱鍋爐而言，每年可以減排的CO2總量是31.3萬t；相比于冷凝機組而言每年可以減排CO27.34萬t。另外，33萬kW機組采用等離子點火，可以替代每次機組冷啟動所需的50 t燃油。

2.2 鄂州電廠一期工程對外供熱有益于碳減排

臨近鄂州電廠的武漢化工新城園區(qū)，預(yù)測到2020年供熱負荷每小時將達到500 t，每年所需供熱量將達到400萬t。鄂州電廠于2012年5月快速啟動了熱電供熱工程，首期工程最大供熱量每小時可達205 t(中壓蒸汽每小時104 t，低壓蒸汽每小時100 t)；遠期規(guī)劃最大供熱量每小時可達500 t(中壓蒸汽每小時200 t，低壓蒸汽每小時300 t)，完全可以滿足化工區(qū)的供熱需求。2014-10-12日下午5時，鄂州電廠一期330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程通過長約17 km的輸熱管線，正式向武漢化工園區(qū)供熱(供應(yīng)蒸汽平均每小時100 t)，吹響了“湖北綠色供熱沖鋒號”。此項供熱改造后，鄂州電廠一期工程供電煤耗已由原來的333 t/kW·h(純發(fā)電工況)降低到316 g/kW·h，每年可節(jié)約標煤5萬t以上，極大的提高了機組效率。通過對武漢化工園區(qū)和葛店經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的集中供熱，取代效率低的幾十臺小鍋爐，每年可減少1 765 t SO2、770 t氮氧化物和68 844 t粉塵及灰渣的排放。湖北能源集團目前正擬議總投資3億元新建總長25 km的蒸汽熱力管網(wǎng)(供熱負荷每小時將達到300 t)，將鄂州電廠一期工程供熱項目與“光谷.東湖燃機”供熱項目并網(wǎng)運行，本次新一輪供熱改造后，全年平均每小時對外供應(yīng)300 t蒸汽(全年約255 d)，鄂州電廠一期工程供電煤耗將降低到290 g/kW·h上下，每年可節(jié)約標煤15萬t以上。

國務(wù)院2016年11月印發(fā)《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》，提出到2020年，碳排放總量得到有效控制。大型發(fā)電集團單位供電CO2排放控制在550 g CO2/kW·h以內(nèi)——相當于(度電)供電標準煤耗200 g標煤以內(nèi)[5]。依據(jù)湖北省電力行業(yè)燃煤機組“碳排放”標桿值(2017)，鄂州電廠一期工程2臺33萬kW機組“單位綜合發(fā)電量碳排放”標桿值為每萬度電8.125 4 t CO2，相當于供電標準煤耗295 g標煤。

表1 電力行業(yè)燃煤機組“碳排放”標桿值(2017)

3 燃煤與霄燃料能源耦合及熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用前景

3.1 工程當前熱電聯(lián)產(chǎn)技改規(guī)劃與碳減排潛力

電力系統(tǒng)的大型電廠則要遠距離輸電(線路損失率為8.06～8.73%)，而燃煤熱電廠建在熱負荷中心，區(qū)域熱電廠的上網(wǎng)電量就近消化，燃煤熱電廠引起供電減少的線路損失也很可觀[5]。鄂州電廠一期工程通過熱電聯(lián)產(chǎn)對外供應(yīng)蒸汽，2018年度“供電煤耗”為306 g/kW·h。在實現(xiàn)武漢化工園區(qū)、葛店經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、未來科技城與光谷生物城“四園聯(lián)動”——蒸汽管網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行并實現(xiàn)總供應(yīng)(最大供熱量)每小時800 t蒸汽消納之后，如按照平均以每小時400 t，全年蒸汽供應(yīng)255 d，全年供應(yīng)蒸汽245萬t，相對于單獨供熱鍋爐而言，每年可以減排的CO2總量是125萬t；相對于冷凝機組來說則CO2減排量為29萬t。鄂州電廠一期工程純發(fā)電工況供電煤耗333 g/kW·h，全年發(fā)電5 500 h(36.3億kW·h)，全年折合121 萬t標煤，則全年CO2排放總量332.5萬t。實施熱電聯(lián)產(chǎn)全年供汽245萬t則可減排CO2125萬t(相對于單獨供熱鍋爐而言)，供電煤耗為304 g/kW·h(相對于冷凝機組而言)。經(jīng)“四園聯(lián)動”，全年供汽如再增大一倍達到490萬t，則可減排CO2250萬t(相對于單獨供熱鍋爐而言)，相對于冷凝機組來說則CO2減排量為58萬t——鄂州電廠一期工程2臺33萬kW燃煤火電機組的供電煤耗將由原設(shè)計值的333 g/kW·h(純發(fā)電工況)降低到275 g/kW·h(相對于冷凝機組而言)。經(jīng)“四園聯(lián)動”，全年供汽490萬t，每年可節(jié)約標煤21萬t(相對于冷凝機組而言)。

3.2 燃煤耦合農(nóng)林廢棄殘余物發(fā)電技改項目已列入國家試點

2017-12-04日，國家能源局和環(huán)保部發(fā)布《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點工作的通知》，試圖破解“度電煤耗”居高不下、碳減排、秸稈田間直焚等環(huán)境治理難題，并一舉降低秋冬季節(jié)的大氣污染強度。其中：燃煤耦合農(nóng)林廢棄殘余物發(fā)電技改項目、燃煤耦合垃圾發(fā)電和燃煤耦合污泥發(fā)電技改項目三種技術(shù)均入選此試點專項。

3.3 霄燃料的應(yīng)用

3.3.1 霄燃料的介紹

霄燃料是華中科技大學環(huán)境學院肖波教授對生物質(zhì)材料微米化的能源技術(shù)的系統(tǒng)研究。首先根據(jù)粉塵爆炸的理論，能夠產(chǎn)生粉塵爆炸的生物質(zhì)顆粒的粒徑在400微米以下。為此，2002年華中科技大學開始了將生物質(zhì)纖維材料工業(yè)化制備成為具備粉塵爆炸式燃燒能力的細小粒徑研究，把粒徑目標定位在250微米以下的粉體燃料，簡稱為微米燃料，即霄燃料。

3.3.2 霄燃料的優(yōu)勢

霄燃料具有替代燃煤、助燃與降污的特性，每噸霄燃料(4 200大卡)，可發(fā)電1 856度電(每度電脫硫標桿電價0.405元或生物質(zhì)上網(wǎng)電價0.75元)，還可以提供2 t蒸汽(平均每噸蒸汽240元)，根據(jù)其與動力煤的混燃實際情形，提供2～4 t不等的CO2減排量，總計獲得1 250到2 500元不等的清潔能源收益。5%燃煤替代，15萬t霄燃料可以發(fā)出2.78億度清潔電能(相當于60 MW生物質(zhì)直燃電站年發(fā)電總量)，可獲得1.875億元(“生物質(zhì)燃煤替代及熱電聯(lián)產(chǎn)”及碳市場交易)到3.75億元(“生物質(zhì)(綠煤)虛擬熱電廠”及高碳價)的清潔能源收益。相對于60 MW生物質(zhì)直燃電站接近4億元的總投資而言，鄂州電廠一期工程與霄燃料復(fù)合生物質(zhì)能源耦合相關(guān)的工程投資——燃煤機組2×330 MW生物質(zhì)混燒(5%)改造工程總投資5 000萬元，如能在國家有關(guān)混燒生物質(zhì)的激勵政策下該投資可在不到2年或3年的時間里即全部回收。

摻燒生物質(zhì)微米燃料“霄”，在煤粉爐環(huán)節(jié)，技術(shù)上完全沒有障礙。國內(nèi)不少燃煤電站，在煤價高漲的2011年前后，就曾在煤粉中直接摻燒石油焦粉(高硫燃料)，但摻燒石油焦粉與煤粉混燃，很容易造成環(huán)境污染。燃煤電站，在煤粉中，摻燒生物質(zhì)微米燃料“霄”，與摻燒石油焦粉一樣，都簡單易行。

3.4 霄燃料能源耦合在熱電聯(lián)產(chǎn)項目中的應(yīng)用潛力

通過燃煤(亞臨界技改)與生物質(zhì)能源耦合及熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)化運行項目，開發(fā)利用15萬t生物質(zhì)霄燃料做燃煤替代(相當于9萬t標煤)，鄂州電廠一期工程未來可望實現(xiàn)度電CO2排放687.5 g(相當于“供電煤耗”250 g/kW·h)，從而一舉達到與超超臨界機組供電煤耗(純發(fā)電工況)碳指標的同等要求。采取的關(guān)鍵技術(shù)措施為：通過總熱值5%的生物質(zhì)霄燃料(15萬t熱值4 200大卡的霄燃料)，直接替代煤粉，在W型火焰鍋爐中直接與煤粉混燒。此技改措施，可讓鄂州電廠一期工程熱電聯(lián)產(chǎn)項目低碳減排與綠色電力調(diào)度優(yōu)先運行持續(xù)經(jīng)營到2029年。

在實踐上，電站煤粉，在磨粉環(huán)節(jié)就摻雜生物質(zhì)一起磨制，或者煤粉、生物質(zhì)細顆粒分別單獨磨制，再實現(xiàn)混燒，國外項目(英國)已有不少成功案例。比如，英國FerrybridgeC電廠4×500 MW煤粉爐改裝與生物質(zhì)混燒：該燃煤電廠有4×500 MW Babcock & Wilcox的單爐膛前墻燃燒自然循環(huán)煤粉爐，前墻配48臺低NOx煤粉燃燒器，其中2×500 MW鍋爐于2004年改成同磨生物質(zhì)混燒，由于采用煤和生物質(zhì)同磨同燃燒器，限制了生物質(zhì)的混燒比，生物質(zhì)混燒比不能超過3%，否則就影響磨煤機的性能(出力、細度和正常運行)。另外2×500 MW鍋爐于2006年改成單獨的生物質(zhì)燃料處理和磨制系統(tǒng)，同時在鍋爐后墻安裝了6臺專門研制的燃燒生物質(zhì)的旋流預(yù)燃室燃燒器，效果良好，其混燒生物質(zhì)比例可達20%。該電廠混燒的生物質(zhì)燃料包括壓制的廢木屑顆粒燃料、橄欖核、煉制橄欖油的廢品等，每臺鍋爐每天燃用1 440 t生物質(zhì)燃料。該電廠生物質(zhì)混燒改造后，其生物質(zhì)混燃比例為鍋爐總輸入熱量的20%，每年減少CO2排放100萬t。在混燃20%的生物質(zhì)燃料時，鍋爐可用率達95%,鍋爐效率只降低0.4%。生物質(zhì)燃料可為每臺機組連續(xù)穩(wěn)定地提供100 MW的電力輸出，運行以來沒有出現(xiàn)結(jié)渣和積灰的問題。其生物質(zhì)燃料處理系統(tǒng)適用于水分低于15%的各種生物質(zhì)燃料。該電廠4×500 MW生物質(zhì)混燒改造工程總投資5 000萬英鎊，在英國政府有關(guān)混燒生物質(zhì)的激勵政策下該投資在不到1年的時間里即全部回收。又如，英國Drax電廠，世界上容量最大的生物質(zhì)混燒燃煤電廠[6]。Drax電廠是英國最大的火電廠，容量為400萬kW，位于英國Selby，電廠裝機包6×660 MW前后墻對沖燃燒鍋爐，前3臺機組1974年投運，后3臺1986年投運。現(xiàn)在全部6臺鍋爐均改造成有單獨生物質(zhì)磨制和燃燒的混燒鍋爐，是世界上容量最大的采用單獨生物質(zhì)處理、磨制和燃燒的生物質(zhì)混燒煤粉爐電廠。其生物質(zhì)的混燒份額為10% MCR6×600 MW熱輸入，生物質(zhì)混燒每年減排CO2量為200萬t，相當于500座最大的風電機達到的CO2減排量。該電廠生物質(zhì)混燒每年用于混燒的生物質(zhì)為150萬t。該電廠生物質(zhì)混燒改造工程于2008年下半年啟動，現(xiàn)已完成全部生物質(zhì)混燒改造工程。該工程包括建1座12 000方的生物質(zhì)燃料儲倉、以及燃料卸載、輸送、過篩、分離、除金屬、磨粉直到爐前燃料倉和燃燒系統(tǒng)。改電廠的生物質(zhì)混燒改造后，不但每年可減排CO2200萬t，而且經(jīng)濟效益顯著，2015年，Drax電廠的總收入是26.38億英鎊，其中由于混燒生物質(zhì)而得到的零碳排放發(fā)電量的獎勵和上網(wǎng)電價優(yōu)惠的收入為4.518億英鎊，占總收入的17%。

4 未來展望

4.1 采用CFB大幅度提高“混燒比”

未來的幾十年內(nèi)，煤炭仍然是中國的主要能源，洗選加工、分級按質(zhì)利用是煤炭高效清潔利用的主要途徑，煤炭的洗選加工，將產(chǎn)生大量的煤泥、煤矸石、洗中煤等低熱值煤副產(chǎn)品[7]。根據(jù)國家能源局《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015-2020年)》的要求，到“十三五”末，原煤平均入洗率將達80%左右，煤泥、煤矸石及洗中煤等低熱值煤產(chǎn)量將大幅提高，低熱值煤炭的綜合利用宜采取分類利用原則，熱值較低的煤矸石直接填埋綠化或用于生產(chǎn)利廢建材，熱值較高的煤矸(>1 200 kcal/kg)和煤泥、洗中煤主要應(yīng)用于發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)。到2020年之后，全國每年產(chǎn)生可用于發(fā)電的煤泥、煤矸石、洗中煤等低熱值煤達到8～10億t以上。循環(huán)流化床(以下簡稱“CFB”)發(fā)電技術(shù)是近30年來發(fā)展起來的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一，該技術(shù)以其良好的燃料適應(yīng)性、低成本爐內(nèi)高效脫硫抑氮、具備“慢調(diào)峰”卓越能力等優(yōu)越性能得到了較快發(fā)展，且為全國每年10億t級的劣質(zhì)煤及洗煤廢物規(guī)模化利用開辟了路徑，且可以便利地實現(xiàn)燃煤與生物質(zhì)能源耦合，混燒比例可達50%到100%。截止到2018年12月，國內(nèi)已投產(chǎn)的超臨界CFB機組已達到20余臺。

4.2 提高機組參數(shù)(超超臨界)

先進超臨界循環(huán)流化床鍋爐(AUSC)——比如：350 MW CFB爐型，已列入國家“十三五”規(guī)劃和“中國制造2025”，為國家清潔能源政策所鼓勵的未來機型，將在“十四五”期間得到項目示范及推廣應(yīng)用，且將成為33萬kW以下各類亞臨界機組的升級換代主流機型。350 MW先進超超臨界(AUSC)350 MW CFB鍋爐——蒸汽溫度700℃(蒸汽參數(shù)36.8 MPa/705℃/737℃)，采用緊湊型氣動換熱床，共布置有4級過熱器，再熱器系統(tǒng)分3級布置，將實現(xiàn)發(fā)電效率45%～51%的巨大提升。與之對應(yīng)(如鄂州電廠一期工程2臺33萬kW機組)“亞臨界”供電效率35%的實際表現(xiàn)，“超超臨界CFB”全新機組將實現(xiàn)“噸標煤”800～1 300 kW·h的增發(fā)收益，按照0.40元的當前標桿電價，可以實現(xiàn)320～520元的增值收益。

4.3 實現(xiàn)“煤廢”與霄燃料復(fù)合生物質(zhì)能源耦合“慢調(diào)峰”智能電網(wǎng)主力機組(電源)及熱電聯(lián)產(chǎn)

鄂州電廠一期工程到2025年之后再著手“2臺350 MW超超臨界CFB”全新機組新一輪技改(預(yù)計項目總投資30億元)：通過新一輪技改，讓更新后的新機組，妥善利用國內(nèi)的劣質(zhì)煤及洗煤廢物，實現(xiàn)燃煤與霄燃料復(fù)合生物質(zhì)能源耦合(混燒比例可在30%到100%之間)與“6G版熱電聯(lián)產(chǎn)”并讓“供電煤耗”降低到200 g/kW·h以下(甚至降低到180 g/kW·h)，逐步成為華中地區(qū)智能電網(wǎng)“慢調(diào)峰”主力電源。