生物质耦合燃煤发电背景
在我国环境保护力度日益加大的背景下，秸秆等生物质原料采取田间焚烧方式进行处理带来的危害越来越受到人们的重视。首先直接产生大量有毒有害物质，造成严重的大气污染，对人与其他生物的健康形成威胁;其次降低空气能见度，影响道路交通和航空安全；再者引发火灾，对人身和财产安全构成隐患；以及产生大量的CO2，对全球气候产生影响；最后破坏土壤生态结构，影响耕地质量等。根据《中国统计年鉴》2015年数据，我国农作物秸秆年产量达7.91×108 t，其中被焚烧的秸秆量高达1.6×108 t，带来的环境污染和资源浪费可见一斑。与此同时，我国正大力推进建设资源节约型、环境友好型社会，推动可再生能源综合开发利用成为能源系统特别是煤电系统战略创新、转型升级的重要课题和发展方向，此外，煤电系统也面临另一个巨大挑战即如何大幅度地降低CO2排放。
为破解这些难题，利用生物质发电对于环境保护和促进能源系统转型便具有了重要的现实意义。一方面可有效利用火电厂周边生物质，破解生物质田间直焚等环境治理难题，减少有害气体和烟尘的排放量；另一方面可充分利用当地资源、节约煤炭、改善我国能源结构，对增强企业生存能力和经济效益也具有重要意义;而且生物质发电过程中，碳排放是按照“零排放”计算的，这为煤电系统控制CO2排放指明了一个新的解决方向。
在技术发展方面，相较于传统的生物质纯烧(直燃)发电技术，利用大型高效燃煤电厂进行生物质耦合燃煤发电具有投资、占地面积、市场、运行费用、效率和环保等方面的巨大优势，是生物质发电产业的发展方向。
生物质耦合燃煤发电政策
“十三五”期间，国家将力推生物质耦合燃煤发电，积极开展试验示范，探索利用高效清洁燃煤电厂的管理和技术优势消纳秸秆和农林废弃物等燃料的有效途径，鼓励煤电企业因地制宜地开展不同类型的生物质耦合发电改造，加快燃料侧灵活性转变。目前针对生物质耦合燃煤发电有一系列要求与政策：
《国务院关于印发“十三五”控制温室气体排放工作方案的通知》(国发[2016] 61号)指出：“到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%”、”大型发电集团单位供电CO2排放控制在550克CO2/kWh以内”。
《电力发展“十三五”规划》明确提出：“开展燃煤与生物质耦合发电示范与应用”、“在东北等粮食主产区布局一批燃煤与农林废弃残余物耦合发电示范项目”。
《能源技术创新“十三五”规划》将“燃煤耦合生物质发电技术”作为清洁燃煤发电板块的应用推广项目，要求“掌握燃煤耦合生物质发电技术”、“研究现役燃煤电厂耦合生物质发电的改造技术”。
2017年11月27日，国家能源局、环境保护部联合发布《关于开展生物质耦合燃煤发电技改试点工作的通知》，建议发电企业积极参与燃煤锅炉生物质耦合发电工作，尝试破解秸秆田间直燃等环境治理难题，促进电力行业特别是煤电的低碳清洁发展，优化资源配置，促进生态文明，推动经济社会绿色发展。
SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术
国家的指导要求与政策的落地需要两个载体，即项目依托方——发电企业以及技术依托方——生物质耦合燃煤发电技术。自2017年底启动生物质耦合燃煤发电试点工作以来，全国申报试点项目总量多达168个，可见发电企业对此抱有极大热情。为此，开发成熟可靠的生物质耦合燃煤发电技术便成了企业和科研机构义不容辞的社会责任。
作为高效清洁能源解决方案与新能源装备的提供商，上海电气在生物质耦合燃煤发电技术领域做了充分的调研探索，锁定了研发方向——气化耦合。基于理论分析和国内外已有的工程实践来看，相较于直接混烧耦合、蒸汽侧耦合、电力侧耦合等方式，作为燃烧侧耦合的一种，生物质气化耦合燃煤发电具有发电效率高、电量易于监测、对锅炉影响小的特点，代表了生物质耦合燃煤发电产业的发展趋势。
为开发气化耦合燃煤发电技术，上海电气立身于已有技术、装备和成套优势，开展了理论研究、数值模拟、实验研究和中试放大等工作。
(1) 生物质循环流化床气化技术开发
基于雄厚的循环流化床锅炉技术积累，以及100余台不同容量等级循环流化床锅炉产品工程应用的经验，上海电气开发了生物质循环流化床气化技术，并为此开展了以下研究：
引进循环流化床领域专业数值模拟软件平台Barracuda，并进行二次开发，集成了气化反应过程动力学模型，对适用工业级生物质原料的循环流化床气化炉进行了流动、传热及气化反应数值模拟研究。图1为典型的循环流化床气化炉气固两相流数值模拟图。
图1 循环流化床气化炉气固两相流数值模拟图
为进行冷态气固两相流动特性研究，搭建了有机玻璃冷态模拟装置，见图2。采用生物质、河砂、煤灰渣颗粒等不同介质进行了空气动力学实验，利用高速摄像、激光多普勒测速仪等仪器，获得流场的定性和定量结果，以验证数值模拟结果的准确性，并对数学模型进行修正和优化，最终得到可用于热态数值模拟的流态化模型。
图2 循环流化床气化炉冷态气固两相实验装置
在数值模拟及冷态实验的基础上，上海电气进行了循环流化床气化装置的中试放大研究，建立了一套2.5MW等级的循环流化床燃烧-热解-气化多联产中试平台，对生物质、煤等原料的燃烧、热解、气化特性进行了工业规模的实验研究，见图3。
图3 2.5MW循环流化床燃烧-热解-气化多联产中试平台
(2) 生物质固定床热解-气化技术开发
为了对生物质气化耦合燃煤发电技术中生物质发电量进行定量监测，需寻求合适的冷却方式对燃气进行降温提质，以便于燃气流量及组分的测量。为此，上海电气创新思维，与上海交通大学联合搭建了固定床生物质热解-气化联合实验平台，见图4。采用成型生物质颗粒进行了有氧热解、无氧热解和气化实验，研究了生物质挥发分析出特性、焦炭转化特性，并得到了出口燃气温度范围等重要数据，为生物质固定床热解降温的工业化应用打下了坚实基础。
图4 固定床气化-热解联合实验平台
基于以上严谨的开发过程，上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术应运而生，主要工艺过程为：成型生物质原料送至原料仓后分为两部分进行给料，大部分分配去固定床冷却器顶部入口，落入固定床堆料层，在固定床内与生物质气化燃气逆流接触发生无氧热解反应，形成的半焦经减压冷却后输送至气化炉料仓，与剩余的生物质原料一同进入循环流化床气化炉，在和床料、气化剂充分接触的情况下发生气化反应。生成的含固可燃气从气化炉出口进入气化炉旋风分离器，分离下来的颗粒经回料腿重新回气化炉参与气化，分离后的可燃气则输送至固定床冷却器底部，经炉篦向上进入固定床堆料层，与大部分生物质原料逆向接触发生热解反应，使固定床冷却器出口处的可燃气温度降至400℃~420℃后进入固定床旋风分离器，分离下的颗粒物则与固定床半焦颗粒汇合后去气化炉再气化。最终输出的可燃气经计量分析后，送入燃煤锅炉侧耦合燃烧。
上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术具有气化效率高、燃气热值高、安全可靠、易于大型化推广的优势，具体体现在：利用循环流化床高温气化、固定床低温热解，实现了生物质分级气化和燃气余热回收、降温提质的过程，生物质发电效率提高15%以上；采用微正压气化工艺，不设锅炉前燃气引风机，避免了风机结焦、腐蚀带来的安全隐患；采用固定床冷却器降温，可回收燃气高温显热用于生物质原料脱挥发分，使生物质能的利用最大化，燃气热值提高20%，系统效率提高15%；系统内无水-油换热器、气-油换热器以及导热油配套系统，系统控制更简单，避免了燃气降温过程中换热面焦油析出而导致的沾污结渣和堵管等问题；燃气中升华的碱金属K在固定床冷却器内的生物质颗粒表面上析出，通过定排可实现碱金属控制，避免沾污结渣；采用双床设计，可使系统中循环流化床气化炉负荷得到有效分散，耦合燃煤锅炉发电时更易实现单系列的大型化，可实现单套装置当量规模达到50MW以上等级。
SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术评审与推广
2018年3月9日，电力规划设计总院在北京组织召开了上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电系统技术方案专家评审会。与会专家一致认为：系统可将燃气温度降低到400℃左右，能够实现燃气流量的可靠计量和监管;燃气中的焦油和碱金属在固定床中被吸附在生物质半焦中，可以避免焦油和碱金属等造成燃气管道堵塞而对燃煤锅炉受热面产生的不利影响，提高了系统的可靠性;开发基础坚实，技术相对成熟，参数选取合理，气化耦合发电效率相对较高，具备工程实施的条件。图5为技术评审现场。
图5 技术评审现场
2018年6月6~8日，上海电气主办了技术推介会，向与会嘉宾详细介绍SG-生物质双床气化耦合燃煤发电系统技术的优势、前景，并展开了分组讨论，面对面交流跟进用户需求，分析市场动态，为及时优化相关技术路线，提供最佳的技术方案、最好的产品设备和最优的售后服务创造了条件。图6为技术推介现场。
图6 技术推介现场
采用SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术，上海电气已经在国内陆续配合了多家燃煤电厂的可行性研究、项目建议书编制及招投标等前期工作，包括大唐当涂电厂、河南南阳鸭河口电厂、华能日照电厂、浙能嘉兴电厂、四川广安电厂、吉林长山电厂、陕西渭河电厂等10余家。在鸭河口电厂的可行性研究报告中，推荐采用了上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术，来自浙江大学、华东理工大学、浙江省电力设计院等单位的评审专家一致认为技术方案适用于申报项目，具有创新性和先进性。
生物质气化耦合燃煤发电展望
2018年6月21日，国家能源局、生态环境部联合下发的《关于燃煤耦合生物质发电技改试点项目建设的通知》中明确了58个农林生物质耦合项目，说明社会各界对生物质耦合燃煤发电技术的优势和重要意义达到了共识。
根据目前我国生物质发电技术利用现状及国内外技术发展经验来看，生物质气化耦合燃煤发电技术必将成为近几年国内快速发展并建设示范项目的重点方向，其推广应用符合国家能源战略多元化和发展绿色低碳经济的需求，对推动我国生物质资源规模化高效清洁利用具有重大意义。
作为中国装备制造业的领航者，上海电气秉持“与创造者共创未来”的理念，将“电气梦”和“中国梦”结合在一起，以自主创新为灵魂，以集成创新为基础，践行国有企业的使命担当，努力在民族复兴的伟大历程中实现自身的企业价值。SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术的开发即是上海电气致力于为中国和世界提供更高效、更绿色、更经济的能源与工业装备及成套解决方案的又一次有益实践。
现阶段在国内，生物质气化耦合发电技术仍处于培育和示范期，项目初期投资运行成本较高，尤其表现在原料价格及收储运成本远高于燃煤成本，是否能获得长足发展关键在于能否获得合理的生物质发电上网电价。发电企业一方面在解决秸秆焚烧污染、生物质资源浪费等方面积极承担社会责任，另一方面也寄希望于获得相应的上网电价政策，以解决在建设与运行方面面临的实际困难。
值得可喜的是，在是否进行补贴政策的主要争议点——电量监测方面，上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术创新地通过固定床燃气降温实现了对入炉气化燃气流量与组分的综合计量，可实时监测热值，完全可以得出生物质上网电量，为电价补贴提供定量依据。因此，为了满足先行先试项目的快速落地，推动产业发展，亟待政府对生物质气化耦合燃煤发电进行了电价补贴。
相信在相关政策的支持下，在获得合理的生物质发电上网电价的基础上，生物质耦合燃煤发电必将得到更广泛认可和良好的发展。生物质发电在我国能源转型过程中发挥更大作用的同时，上海电气SG-生物质双床气化耦合燃煤发电技术也定能得到越来越多的应用实践，为企业和社会创造更多更大的价值。
