英国Fiddler's Ferry 2*500MW*20%生物质耦合发电案例

Posted 2021-04-30 生物质耦合发电

   英国Fiddler's Ferry电厂位于Warrington, Cheshire。该电厂于1962年提出规划，1971年第一台机组并网运行，1973年4台机组全部投产。全厂4*500MW机组，合计2000MW，每台煤粉炉有六台磨煤机对应48个燃烧器。

英国Fiddler's Ferry电厂，拍于2019年5月

   大型燃煤电厂生物质耦合发电被认为是一种可大幅降低温室气体排放的有效方式。生物质耦合发电以生物质燃料比如林业废弃物的木片、树皮，农业废弃物的玉米杆、小麦秆等秸秆等替代部分煤；同时生物质耦合发电的燃料利用还防止了这些生物质原料被废弃后产生和释放甲烷等温室气体。生物质耦合发电还是一种低成本的、无需对现有燃煤电厂基础设施进行重大改动的、可以产生绿色电能的发电途径。与风能和太阳能等其它可再生能源不一样的是，生物质燃料可以通过存储和随用随取来实现可控的能源，尤其没有风电的间歇性问题。   

   由于英国承诺在2025年实现零煤化，其境内的燃煤电厂也面临着去煤生产或者被关闭的选择。2020年初，在经过近50年的运行和向英国电网供应了3930亿度电量之后，Fiddler's Ferry终于走完了自己的一生（注：2020年英国用煤发电的电厂仅剩2个）。不难理解，对于Fiddler's Ferry这个到2025年寿命将达到54年岁高龄的电厂来讲，实现100%的清洁燃料转换有些强人所难，但这并不意味着Fiddler's Ferry电厂没有做出清洁燃烧的努力。2005年，Fiddler's Ferry 4*500MW燃煤电厂实现了2号机和4号机两台500MW机组的生物质耦合发电改造，每台机组生物质比例为20%（按热值，下同）。

英国Fiddler's Ferry电厂20%生物质耦合发电系统示意图-格林奔科Greenbank Group UK

    由于生物质燃料与煤在燃烧特性与灰分特性等方面的差异，燃煤电厂生物质耦合燃烧作为燃料变化燃烧相关的各方面都会有所表现，比如积垢、结焦、蒸汽温度、吹灰、除尘、脱硫、送风等。在开展生物质耦合燃烧的可行性研究时，结合生物质燃料特征数据和电厂燃煤锅炉设计，对燃煤锅炉进行生物质耦合的燃烧仿真分析，得出该锅炉对设计生物质燃料的最大耦合上限比例，并概要设计出生物质耦合的技术路线。在这个上限比例的生物质耦合燃烧范围内，通常无需对锅炉燃烧系统进行改动或明显的改动。根据英国、荷兰和德国的研究，一般认为木类生物质燃料的耦合比例上限在40%左右，纯草类生物质燃料的耦合比例上限在8%左右可以不对燃煤锅炉进行改动或明显改动。在实际改造案例中，由于生物质耦合燃烧的高比例要求并不迫切，早期的木类生物质耦合比例一般控制在20%，草类生物质耦合比例控制在5%-6%(参照英国Drax电厂第一阶段5%生物质耦合比例)。

生物质耦合燃烧仿真示意-格林奔科

   Fiddler's Ferry的生物质燃料主要是木类，其生物质耦合发电的热值比例控制在20%，由于生物质燃料的热值低于煤，其重量比例为25%，最大生物质粉输送量为每台锅炉60tph（设计燃料51tph时可达20%热值比例）。

   经过30万吨生物质燃料燃烧后（>5000利用小时），对Fiddler's Ferry电厂的生物质耦合发电进行性能测试及总结如下：

1，锅炉燃烧效率

    在满负荷工况下，Fiddler's Ferry电厂20%的生物质耦合燃烧导致锅炉效率最大降低值不超过0.4%。这是因为生物质燃料中的水份含量高于煤且氢元素含量较高，以及生物质燃料热值低于煤导致满负荷工况下耦合燃烧的混合燃料总量增加。烟气量的增加使得烟气流速加快，尾部排烟温度提升了约5度，排烟温度的损失导致锅炉效率略微降低。如果电厂有需要，这种排烟温度升高导致的效率略微降低可以通过增加尾部烟道空预器或者省煤器得到改善。

2，固体不完全燃烧损失

   由于生物质燃料的挥发份远高于煤，以及生物质燃料中碳的活性更高，生物质耦合燃烧的固体不完全燃烧损失有所减少。

3，结焦和积垢

  在长达一年的时间里，没有观察到因为生物质耦合燃烧引起的结焦或积垢。

4，除尘

  由于生物质燃料的灰份含量远低于煤，生物质耦合燃烧的飞灰含量也低于煤燃烧，所以生物质耦合燃烧对除尘系统没有产生不良影响。

5，风机

  性能没有受到影响

6，NOx排放方面

  生物质耦合燃烧并没有对NOx排放方面产生显著的影响，这是因为Fiddler's Ferry项目采用的生物质燃料棕榈壳有高达2.5%的氮元素。由于NOx的排放由燃料型N和燃烧性N合并组成，所以NOx的排放并不能直接通过计算混合燃料的N元素来预测。生物质耦合燃烧的温度低于煤燃烧，燃烧型NOx排放有所降低，抵消掉棕榈壳的燃料型NOx排放，在锅炉满负荷时，NOx的排放大致降低了5%。值得一提的是，在锅炉低负荷时，NOx排放的降低会更加明显。

7，SOx排放

  SOx的排放取决于燃料中的全硫含量。由于生物质燃料中的S含量极低，生物质耦合燃烧的SOx排放也有明显的降低。

8，飞灰再利用

  生物质耦合燃烧的飞灰与煤燃烧具有一定的差异，但飞灰的可销售性没有因为生物质耦合燃烧而受到影响。

   尽管Fiddler's Ferry电厂已经关闭，而英国的大型燃煤电厂生物质耦合发电也早已进入100%纯生物质燃料转换的时代，但这毫不影响Fiddler's Ferry电厂作为英国生物质耦合发电的先驱项目之一而被记录。