生物质与燃煤耦合发电系统的质量平衡计算

8.1.7.1　耦合系统质量平衡计算方法

生物质耦合燃煤发电系统模型的质量平衡是基于整体质量守恒进行计算的，因此在计算过程中可忽略系统质量损失。为了全面探究不同混燃方式下生物质耦合燃煤发电系统的性能，本节分析了以不同混燃比例（5%、10%、15%、20%）掺烧不同种生物质时生物质耦合燃煤发电系统的性能。其中，混燃比例R是以输入系统能量比定义的：

为了有效对比不同工况特性，本计算模型假设每种工况下锅炉主蒸汽参数和再热蒸汽参数保持不变，通过改变输入锅炉系统的给煤量和生物质量来调节混燃比例。生物质直燃耦合燃煤发电时，生物质燃料全部进入锅炉和煤混燃；生物质气化耦合燃煤发电时，生物质气化产生的气体产物进入锅炉与煤混燃，产生的固体产物生物质炭则作为副产品进行收集；生物质热解耦合燃煤发电时，生物质热解产生的液体和气体产物进入燃煤锅炉与煤混合燃烧，热解产生的固体产物生物质炭同样作为副产品进行收集。

8.1.7.2　质量平衡计算

图8-12所示是混燃比例为10%时不同混燃方式下生物质燃料的消耗量，可以看出：生物质种类相同时，不同混燃方式所需的生物质量也不相同，热解混燃和气化混燃消耗的生物质燃料量明显高于直接燃烧混燃，这是因为热解和气化混燃产生的高热值副产品焦炭没有进入锅炉混燃，带走了大量热量；同种混燃方式下掺烧不同种生物质时，生物质燃料的消耗量也不尽相同，以直接燃烧混燃为例，混燃比例为10%时，煤的消耗量减少了28.4 t/h，木屑、玉米秸秆、稻谷壳的消耗量依次是33 t/h、37 t/h、41.6 t/h。这主要是因为不同生物质发热量不同，消耗量也不同，热值越高的生物质燃料消耗量越小，热值越低的生物质燃料消耗量越大，这也与表8-9中所列生物质燃料的发热量数据相符。

图8-12　不同混燃方式下生物质燃料消耗量

8.1.7.3　生物质耦合燃煤发电系统热平衡计算

1.热平衡计算方法

生物质耦合燃煤发电系统模型是基于吉布斯自由能原理建立的，因此系统整体能量守恒，计算所需的全流程数据由模拟计算给出。在稳定工况下，锅炉热平衡方程式可写为

式中：mR为燃料的质量流率，kg/h；hR为燃料发热量，kJ/kg；mP为蒸汽流量，kg/h；ΔhP为蒸汽焓增，kJ/kg；Q为锅炉散热损失，kJ/h；QAsh为灰渣物理热损失，kJ/h；Qfluegas为排烟热损失，kJ/h。

锅炉效率可表示为

式中：mc和mb分别是燃煤消耗量和生物质燃料消耗量，kg/h；LHVc和LHVb分别是煤和生物质燃料的发热量，kJ/kg；Dgr、Dzr分别为过热蒸汽流量、再热蒸汽流量，kg/h和分别是过热蒸汽焓值和再热蒸汽焓值，kJ/kg；hgs和分别是给水焓和再热蒸汽入口焓，kJ/kg。

2.热效率分析

系统热效率的计算结果显示，没有混燃生物质时，传统燃煤锅炉的热效率为91.04%。图8-13给出了不同运行参数下，混燃生物质对锅炉热效率的影响。从图中可以看出，以传统燃煤锅炉热效率为基准，对应三种不同的混燃方式，混燃生物质后锅炉热效率都有明显的降低，且生物质混燃比例越大，锅炉热效率越低。以直接混燃秸秆为例，混燃比例为5%、10%、15%、20%时对应的锅炉热效率分别为90.74%、90.46%、90.15%、89.89%。此外，对比混燃三种不同生物质的锅炉热效率可以发现，在所选的三种生物质中混燃稻谷壳对锅炉热效率产生的影响最大，混燃木屑对锅炉热效率产生的影响最小。以气化混燃10%生物质为例，混燃木屑、玉米秸秆、稻谷壳对应的锅炉热效率分别下降了0.71%、0.81%、0.98%。对比前文生物质元素分析和工业分析数据发现，这是因为木屑的热值最高，和煤的性质最为相近，所以影响较小，稻谷壳的热值最低，和煤的性质相差最大，所以影响最大。通过锅炉热平衡计算可知，锅炉热效率的下降主要是排烟热损失增大引起的，由于生物质与煤相比热值较低，同等发热量下折算水分较高，且生物质原料氢碳比较高，混燃生物质后燃烧产生的烟气中水蒸气含量较高，带走更多热量，使锅炉排烟热损失大大增加。和传统燃煤锅炉相比，混燃生物质比例越大，锅炉尾气中水分容积份额越大，使锅炉排烟损失越大，锅炉热效率越低。

图8-13　不同运行参数下的锅炉热效率对比

图8-14所示是不同运行参数下锅炉排烟中水蒸气容积份额的对比。从图中可以看出，生物质混燃比例达到20%时，直接混燃、气化混燃、热解混燃稻谷壳时，排烟中水蒸气容积份额分别增加了0.017、0.028、0.037。燃煤锅炉混燃生物质后锅炉排烟中水蒸气的容积份额明显增大，且随着生物质混燃比例的增大而增大，这与图8-13所示的结果一致。

图8-15所示是不同混燃方式下锅炉热效率的对比。对三种不同生物质而言，三种混燃方式中，生物质直接混燃时锅炉热效率最高，其次是气化混燃，热解混燃时，锅炉热效率最低。以混燃10%秸秆为例，直接混燃、气化混燃、热解混燃对应的锅炉热效率分别为90.46%、90.23%、86.93%，其中热解混燃时，锅炉热效率下降最为明显，这主要是因为生物质热解产生的高热值生物质炭作为副产物没有进入炉膛混燃，而是直接进行收集，这相当于进一步降低了生物质燃料的热值，也增大了生物质燃料的氢碳比，从而进一步增加了锅炉排烟中水蒸气含量，增大了锅炉排烟热损失。

图8-14　不同运行参数下锅炉排烟中水蒸气容积份额对比

图8-15　不同混燃方式下锅炉热效率对比

8.1.7.4　生物质耦合燃煤发电系统㶲平衡分析

1.㶲平衡计算方法

以给定的环境为基准，任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量，称之为该能量的㶲，对应地，不能转变为有用功的那部分能量称为该能量的㷻。因此，可以用㶲来衡量能量的品质。一个系统中㶲越大，系统能量品质越高；㶲越小，系统能量品质越低。进一步地，可采用㶲分析来评价锅炉的能量品质。

锅炉的㶲分析以整台锅炉为热力系统，通过对比分析进入与离开该系统的㶲，从而计算系统的㶲损失。对于生物质耦合燃煤发电系统，进入该系统的有燃料、给水、空气、入口再热蒸汽，离开系统的有烟气与灰渣、过热蒸汽、出口再热蒸汽。锅炉系统主要分为锅炉炉膛和换热部件。换热部件包括省煤器、水冷壁、过热器、再热器以及空气预热器。对于锅炉炉膛来说，稳定流动工质的㶲不包含做功，所以动能㶲和势能㶲忽略不计。那么，根据热力学第二定律，系统㶲平衡方程如下：

式中：mR、eR、mP、ΔeP、Eboiler、Eheater、Efluegas分别代表锅炉燃料流率、燃料㶲、蒸汽流率、蒸汽㶲增、炉膛不可逆损失引起的㶲损、对流或辐射换热引起的损失、锅炉排烟㶲损。锅炉㶲效率可以表示如下：

式中：Edel表示系统的获得㶲；Ein表示系统的输入㶲；mc表示锅炉的给煤量；ec表示煤的燃料㶲；Eb表示生物质燃料供给锅炉的㶲，直接混燃时它表示进入锅炉的生物质的化学㶲，气化混燃时表示进入锅炉的气化燃气的物理㶲和化学㶲，热解混燃时表示热解产生的生物油和不可凝气体的㶲。

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式中：Dgr、Dzr分别为过热蒸汽流量、再热蒸汽流量，kg/h；egr和egs分别为过热蒸汽㶲和给水㶲，kJ/kg；和分别为再热蒸汽出口㶲和再热蒸汽入口㶲，kJ/kg。

前文计算中涉及的燃料的物理㶲的计算公式如下：

式中：h和s分别表示对应流股的焓和熵，可以从流程模拟的结果中获取；T表示温度；下标0代表环境状态。

前文计算中涉及的燃料的化学㶲的计算公式如下：

式中：LHVf是燃料的低位发热量；系数βf由数学关系式计算所得，煤和生物质对应的系数表达式分别为

式中：mH、mO、mN、mC分别表示燃料元素分析中氢、氧、氮、碳的质量分数。

假设固定床气化炉产生的燃气为理想气体，则燃气的单位化学㶲可以用下式计算：

式中：xi、和Ru分别表示组分的摩尔分数、标准温度下的摩尔㶲和气体常数。各物质的标准摩尔㶲eCH和标准摩尔焓h0如表8-13所示。

表8-13　各组分标准摩尔焓和标准摩尔㶲

续表

对于生物质热解产生的有机混合物，因为生物油是液体混合物，所以生物油的单位化学㶲的计算公式如下：

参考温度下的摩尔㶲可以由标准温度下的摩尔㶲计算得到：

式中：和T0分别表示标准摩尔化学㶲、标准焓、标准温度和参考温度。

2.㶲损分析

燃煤锅炉系统㶲损主要包括炉膛燃料燃烧时的㶲损和换热器换热时的㶲损。燃料燃烧过程中的㶲损主要是指储存在燃料内的化学能转化成烟气热能时产生的㶲损；换热器㶲损主要是高温烟气流经各级换热器，与水蒸气进行换热时的温差引起的㶲损。没有混燃生物质时，传统燃煤锅炉各部分㶲损计算结果如表8-14所示。经计算可知，传统燃煤锅炉㶲效率为50.8%，而由前文利用热力学第一定律对锅炉进行的热平衡分析可知锅炉热效率为91.04%，这主要是因为热力学第一定律只计算了锅炉散热损失、排烟热损失等外部热损失，而不能对锅炉内部能量的品质变化进行评价。基于热力学第二定律的㶲平衡计算则能考虑锅炉内部能量品质的变化，可以弥补热力学第一定律的不足。从锅炉系统热平衡分析可知，锅炉热损失最大部分为锅炉尾气排烟热损失，排烟热损失为6.35%，排烟热量为94.3 MW，但是锅炉排烟损失对应的㶲损系数只有1.7%，这是因为锅炉排烟温度相对较低，虽然烟气量很大，带走的热量很大，但是烟气温度很低，导致这部分能量的㶲损很小，能量品位很低，所以其对应的㶲损系数很小。相较而言，锅炉热平衡分析中炉膛不完全燃烧热损失为2.37%，但是在㶲平衡分析中，炉膛㶲损占锅炉总㶲损的50.5%，炉膛是锅炉㶲损最大的部位，这是因为燃料化学能的品位较高，转化成烟气中的热能后，变成了低品位的能量，因此㶲损较大。

表8-14　传统燃煤锅炉㶲损分布

3.㶲效率分析

图8-16所示是不同运行参数下的锅炉㶲效率对比。传统燃煤锅炉㶲效率为50.8%，以传统燃煤锅炉㶲效率为基准，三种混燃方式下，以不同比例混燃不同种生物质时，锅炉㶲效率均有不同程度的下降，并且，随着生物质混燃比例的增大，锅炉㶲效率是不断降低的。以直接混燃木屑为例，生物质混燃比例为5%、10%、15%、20%时对应的锅炉㶲效率分别下降到50.20%、49.82%、49.42%、49.05%。同时，对比相同运行情况下三种不同生物质对锅炉㶲效率的影响，可知混燃木屑对锅炉㶲效率的影响明显小于混燃稻谷壳和玉米秸秆的。以混燃比例为20%为例，混燃木屑时对应三种混燃方式下锅炉㶲效率分别为49.05%、48.27%和47.57%，同等情况下混燃稻谷壳的锅炉㶲效率分别比混燃木屑时降低了0.30%、0.11%、3.16%。这说明，燃煤锅炉混燃生物质时，生物质的燃料特性对锅炉㶲效率有显著影响，燃料热值越高，对锅炉㶲效率的影响越小，燃料热值越低，对锅炉㶲效率影响越大。由锅炉㶲平衡计算可知，混燃生物质后锅炉㶲效率下降主要是炉膛不可逆㶲损增大引起的。与单烧煤相比，混燃生物质后，燃料消耗量增大，且生物质含水量较高，导致炉膛绝热火焰温度降低，增大了炉膛不可逆㶲损。图8-17所示是不同运行参数下炉膛绝热火焰温度的对比，由图可知混燃生物质后炉膛绝热火焰温度有明显的降低，且混燃比例越大，绝热火焰温度越低。对比图8-16和图8-17可以发现，锅炉㶲效率和炉膛绝热火焰温度的变化趋势基本保持一致。

图8-16　不同运行参数下的锅炉㶲效率对比

图8-17　不同运行参数下炉膛绝热火焰温度对比

图8-18所示是混燃比例为10%时，不同混燃方式下锅炉㶲效率的对比。对比三种混燃方式，我们可以看到热解混燃时，锅炉㶲效率下降最为明显，其次是气化混燃，而直接混燃对锅炉㶲效率的影响最小。同时，相比直接混燃和热解混燃，气化混燃时，不同种生物质引起的锅炉㶲效率的差异几乎可以忽略不计。

图8-18　不同混燃方式下锅炉㶲效率对比（混燃比例为10%）