A Scheme Study of Upgrading Small Coal-fired Power Plants to
Biomass-based Combined Heat and Power Plants
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刘婷婷 赵碧光 朱春
（中国电力科学研究院 北京100192） LIU Ting-ting，ZHAO Bi-guang，ZHU Chun
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192,China)
摘 要 本文提出了采用生物质直燃发电技术把燃煤小火电厂改造成热电联产生物质电厂的具体技术方案；对改造工程从技术上和经济上进行了可行性分析；并且指出把将被关停的小火电厂改造成生物质电厂，符合国家能源政策，具有很好的经济效益、环境效益和社会
效益。
关键词 生物质 直接燃烧发电 热电联产 节能减排
ABSTRACT This paper proposes a scheme for upgrading small coal-fired plants to biomass-based combined heat and power plants by using biomass direct combustion generation technology。It also analyzes the technological and economic feasibility for renovation projects。It is concluded that
transforming small coal-fired plants to be closed into biomass plants is well-corresponding to national energy policies，which will creates good benefits in economy，environment and society。
Key words biomass，direct combustion generation，combined heat-power，energy saving and pollutant reduction
1、前言
当前，我国能源消耗高、环境污染严重问题突出，实现“十一五”规划提出的节能减排目标困难很多。切实抓好节能减排工作，是贯彻落实科学发展观的要求，是建设资源节约型和环境友好型社会的任务，是关系经济社会可持续发展全局的课题，也是中国对国际社会应
该承担的责任。
近年来，我国电力工业快速发展，但电力结构不合理，特别是能耗高、污染重的小火电机组比重过高，成为制约电力工业节能减排和健康发展的重要因素。加快关停小火电机组，推进电力工业结构调整，对于促进电力工业健康发展，实现“十一五”时期能源消耗降低和主要污染物排放减少的目标至关重要。早在1998年，原国家经贸委就下发了《关停小火电机组实施意见》，2007年1月国务院又下发了《关于加快关停小火电机组的若干意见》（国发【2007】2号文件），将小火电机组的关停提到议事日程，要求各地区、各有关部门和单位
要从全局的战略的高度，充分认识关停小火电机组的重要性和紧迫性，把关停小火电机组作为一项重要工作抓紧抓好。按照统筹规划、分类实施、明确标准、落实责任、政策配套、积极稳妥的原则，充分发挥市场机制的作用，综合运用经济、法律和行政手段，严格执行电力工业产业政策，加大结构调整力度，确保如期实现“十一五”小火电机组的关停目标，完成电力工业能源消耗降低和污染减排的各项任
务。
采用生物质直燃发电技术，把燃煤小火电厂改造为热电联产生物质能发电厂，既符合建设资源节约型社会的要求，实现节能减排战略目标，又能节省大量建设投资，提高发电厂的经济效益；同时还会使发电厂附近区域内农民增加收入，维持原有电厂职工就业，具有显著的环境
效益和社会效益。
2、生物质直接燃烧发电原理及生产系统
生物质直燃发电技术成熟、经济效益、环境效益和社会效益较好。我国已经建成投产的生物质直燃发电工程的建设和运行实践证明，采用生物质直燃发电技术改造小火电厂无论在技术上还是经济上都是
可行的。
2.1 生物质直接燃烧发电原理及生产过程
生物质直接燃烧发电的原理是：由生物质锅炉设备利用生物质直接燃烧后的热能产生蒸汽推动汽轮机发电系统进行发电；在原理上与
燃煤锅炉火力发电没什么区别。其生产过程如图1所示。
供电供热 大气 汽轮发电机组 预处理 存贮仓库 上料 生物质锅炉 烟囱 生物质原烟气处理系统 灰渣处理 图1 生物质直接燃烧发电生产过程
将生物质原料从附近各个收集点运送至电站，经预处理（破碎、分选）后存放到原料存储仓库，仓库容积要保证可以存放五天的发电燃料；然后由燃料输送系统将预处理后的生物质送入锅炉燃烧，通过锅炉换热将生物质燃烧后的热能转化为蒸汽，为汽轮机发电机组提供汽源进行发电和供热。生物质燃烧后的灰渣落入除灰装置，由输灰机送到灰坑，进行灰渣处置。烟气经过烟气处理系统后由烟囱排放入大
气中。
2.2 生物质直接燃烧发电主要生产系统
生物质直接燃烧发电主要生产系统包括燃烧系统、汽水系统和电
气系统。 2.2.1 燃烧系统
生物质直燃发电燃烧系统由锅炉的燃烧部分、生物质加工及传输
系统和除灰、除尘、除渣等部分组成，见图2.
6 冷空气 大气 热空气 1 2 秸秆粉 输送系统 3 冲灰水 5 4 炉渣 烟气 7 细灰 灰场 8 9 1.生物质现场储存区 2.生物质粉碎系统 3.排粉风机 4.锅炉
5.空气预热器 6.送风机 7.除尘器 8.引风机 9.烟囱
图2 燃烧系统 2.2.2 汽水系统
生物质直燃发电汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵以及
化学水处理和冷却水系统组成，见图3。
汽轮机 过热蒸汽 发电机 锅炉 过热器 炉膛 省煤器 水化学处理系统 补给水 凝汽器 冷 却 给水 高压加热器 给水泵 除氧器 低加热器 凝结水 循环水泵 图3 汽水系统 2.2.3 电气系统
生物质直接燃烧发电电气系统由发电机、变压器、高低压配电装
置等组成，见图4.
励磁系统 发电机 主变压器 输电线 厂用变压器 高压电气设备 厂用低压电气设备 图4 电气系统
上述生产系统除燃料和燃烧系统与一般火力发电厂略有不同，其
余汽水系统及电气系统均与一般火力发电厂相同。
3.改造工程技术方案
改造工程主要是对锅炉燃烧系统和燃料制备输送系统进行改造，
以适应生物质直接燃烧发电生产过程的要求。
3.1生物质直接燃烧发电燃烧系统由锅炉的燃烧部分、生物质加
工及传输系统和除灰、除尘、除渣等部份组成。 生物质直燃锅炉主要有炉排锅炉及循环流化床锅炉两种。
3.1.1 振动炉排锅炉
锅炉采用自然循环汽包锅炉，以小麦秸秆、棉花秸秆、玉米秸秆等生物质为燃料，采用振动炉排的燃烧方式，燃料在炉排上方呈悬浮
燃烧状态。
锅炉主要包括以下几个系统：空气预热系统、蒸汽系统、给料系统、炉膛和风烟系统、给水及蒸发系统，以及启动燃烧器、吹灰器、
除尘器、捞渣机、疏水和消防水系统。
锅炉正常运行时，燃料经过预处理和输送系统（独立系统）进入
到锅炉给料系统，给料系统根据炉膛负荷的要求自动将一定量的燃料
投入到炉膛内部。
空气由送风机送入空气预热系统加热，经过分配以一次炉排风、二次风各播料风的形式进入炉膛。燃料正是由播料风携带均匀分布到炉排之上，炉排周期性的振动，将炉排上的燃料翻滚助其燃烧，同时将燃烬的灰渣送到湿式捞渣机上，捞渣机将渣送入渣池处理。 燃烧后的高温烟气依次通过过热器、省煤器和烟气冷却器逐渐降温，再由旋风除尘器和布袋除尘器净化，最后由引风机送入烟囱排出。 由除氧器和高压加热器（机侧）来的锅炉给水，经给水母管调节阀进入高压空预器、省煤器，进入汽包。汽包、下降管和水冷壁构成自然循环系统，汽包内汽水分离，饱和蒸汽进入过热器，经过四级过热器
的加热成为满足要求的主蒸汽，被送入汽轮机系统。 为了防止炉膛和尾部烟道积灰，炉膛和尾部烟道都设置了吹灰器。其中炉膛为十一个短吹灰器，尾部烟道为十个长吹灰器。 锅炉起动时由启动燃烧器点火帮助燃料燃烧，当炉膛温度达到指定温度时认为炉膛燃烧已经稳定，才可以撤出燃烧器。燃烧器系统由
油枪、油泵和油箱组成。
消防水主要为了保证给料系统安全运行。在炉前筒仓内由于有较多燃料，为避免局部高温引发火灾配置了消防水。在给料机出口和给
料机出口挡板下方，由于比较靠近炉膛，可能温度较高，为了避免燃
料被点燃发生危险配置了消防水。
3.1.2 循环流化床锅炉
循环流化床锅炉技术是上世纪八十年代发展起来的一种新型高效洁净煤燃烧技术。循环流化床锅炉是有大量物料循环的流化床锅炉，其主要特点上有大量的物料被流化并循环燃烧。与常规燃烧方式
相比，循环流化床锅炉燃烧技术具有以下优点。
① 燃料适应性广。 ② 燃烧效率高。 ③ 高效脱硫、低NOX排放。 ④ 燃烧强度高，炉膛截面积小。
⑤ 燃烧稳定，负荷调节范围大，负荷调节快。 ⑥ 节约水资源，易于实现资源综合利用。
⑦ 投资与运行成本较低。
循环流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术，十分适用手秸秆等
生物质发电锅炉。
目前秸秆的流化床燃烧技术已经工业化，美国爱达荷能源产品公
司已生产出燃秸秆的生物质流化床锅炉，蒸汽出力为4.5-50t/h。芬兰的Forum工程有限公司对流化床燃烧生物质进行了长期的研究，专门针对高碱生物质燃料设计了多台鼓泡流化床锅炉。在国内，哈尔滨工业大学研制开发的流化床锅炉先后安装在泰国、马来西亚等地；浙江大学针对秸秆燃烧灰熔点低、易结渣等特点进行研究。不断发行循环流化床燃烧技术，通过采用特殊风分配及组织方式保证秸秆的流化燃烧和顺畅排渣，并优化受热面布置，降低碱金属的腐蚀，解决了一
系列的难题，目前已处于工业化推广阶段。
浙江大学和中节能（宿迁）生物质能发电有限公司在江苏宿迁联合实施了秸秆燃烧的工程示范项目。这是我国自主开发，完全拥有自主核心技术的示范项目，是我国同时也是世界上第一台以稻、麦秸秆为单一燃料的75t/h循环流化床锅炉。本项目设计燃料为麦秆各稻草，但实际运行中可能掺烧棉花秆、玉米秆、杨树技条等，通过精心的设计，该燃烧技术利用流态化低温动力燃烧的特点，最大程度抑制了高碱的秸秆在燃烧中的各种碱金属问题，同时利用高效的物料循环实现了高效的燃烬。得益于流态化燃烧的特性，锅炉对于入炉燃料的品种、水分含量、预处理程度的变化有很强的适应能力，可以最大程
度在适应我国生物质燃料供应的实际情况。
3.2 燃料的制备和输送系统
从国内外的经验来看，燃料的收集、存储和运输是生物质发电产业发展的瓶颈。我国的小农耕作模式、地理环境、道路交通现状使得
秸秆在收、储、运等环节费用高，影响发电厂运行成本和经济效益。建立一个适合我国国情的高效、简洁的燃料收储运模式，打通秸秆从农村田间地头到生物质电厂的锅炉的通道，保证生物质电厂安全经济
稳定运行。
大型生物质直燃发电厂发电在电厂附近地区应设置了若干（一般为4-10个）个秸秆收购网点，每个收购网点占地40亩，配备30多位工作人员，大概能储存秸秆5万吨左右。每个收购网点辐射周围地区半径50公里，每天收购秸秆等生物质能燃料300吨左右。收购站对收购的生物质燃料进行称重，并利用水分测试仪器测定燃料水分，水分超过40%则为不合格燃料。收购站利用秸秆粉碎机对收购来的燃料进行粉碎处理，将燃料粉碎为3-5厘米的小段，之后将其堆积成垛，
并压实贮藏待用。
制备处理好的燃料被运输进入厂区的燃料存储和运输系统。系统主要由以下部分构成：料仓、料斗、斗式提升机、螺旋取料机、移动配仓带、电子汽车衡、双列刮板机、皮带机、带式除铁器和炉前筒仓
（锅炉给料系统）。其中工艺流程包括：
·卸料方式
双列刮板输送机→输送带→料仓前斗式提升机→储料仓
·上料方式
储料仓进主厂房：
储料仓→甲直线螺旋输送机→甲输送带→甲主厂房前斗式提升
机→甲炉前料仓螺旋给料机→炉前料仓
储料仓→乙直线螺旋输送机→乙输送带→乙主厂房前斗式提升
机→乙炉前料仓螺旋给料机→炉前料仓
3.3 热力系统
燃煤小热电厂改造生物质热电厂，应充分利用老厂的供热网络（包括厂区围墙内外的热力网），可省去热力系统投资。如果由单一发电的小火电厂改造为热电联产生物质电厂，除了汽轮机应由凝气机组改成背压机组或抽气背压机组外，还要根据供热负荷、供热范围、
供热参数、供热方式进行热力网设计，建设热力网工程。
4、改造工程的经济分析
为了便于分析对比，本文拟对24MW燃煤热电厂改造为24MW生物
质热电厂的经济指标进行具体分析。
4.1 改造工程投资
燃煤热电厂改造为生物质发电厂可充分利用原有场地、汽轮机、发电机、水处理系统、出线条件、烟囱和厂区内外热力等设施，但其
锅炉、燃料供应系统、除尘系统等均应实施改造，主要改造内容包括：
燃料系统：燃料的运输及储存改造，卸车设施、燃料的破碎及输
送系统均要进行改造。
锅炉本体：锅炉本体及送风系统、燃烧系统、除渣系统均应进行改造。炉型可选用炉排炉，锅炉容量以75t/h为宜。 除尘系统：炉后的引风机、除尘器均须改造。应拆除原有除尘器，采用布袋除尘器。根据目前布袋除尘器的场地需求情况看，原来采用
文丘里水膜除尘器或静电除尘器有均可布置布袋除尘器。 新建24MW生物质电厂与改造同等规模燃煤火电厂工程投资比较
见表1 表1 投资比较
序号 1 2 3 4 5 6 7 项 目 征地（约120亩） 锅炉（2×75t/h） 汽轮机（2×12MW） 发电机（2×12MW） 燃料储存、输送、破碎及上料系统等 新建投资（万元） 改造投资（万元）1200 3000 1200 560 400 200 1200 —— 3000 —— —— 400 200 1200 除灰系统 除尘系统（送风、布袋除尘器等） 8 9 10 11 12 13 烟囱 化水及供水系统 厂内升压站（35KV） 热力网 其它 投资合计
300 1200 500 700 12240 22700 —— —— —— —— 5200 10000 由于改造工程不用新征土地，同时汽轮机、发电机、水处理系统、烟囱、厂内升压站、热力网等设施均可利用原有系统，综合比较，改造工程费用将远低于新建工程。从表1比较结果可知，对于2×12MW机组规模来说，燃煤小火电机组改造为生物质电厂的投资不足新建生
物质电厂的二分之一。 4.2 改造工程经济效益
4.2.1 24MW热电厂改造工程的发电成本分析
①改造工程建设投资
改造工程总投资为1亿元，单位投资约4167元/KW。
②劳动组织及定员
全厂定员编制原则上参照原水电部颁发的“火力发电厂编制定员
标准”。生产人员按4班3运行班制配备，生产岗位主要包括锅炉车间、汽机车间、电子车间、燃料车间以及除灰、化学、供水、油系统等辅助车间。生产人员114人，技术人员11人，行政管理人员9人，
后勤人员5人，备员11人，总计全厂150人。
③发电量及产值
年发电量按7000小时计算，可发电16800万kWh，扣除大约10%的厂用电，年售电量为15120kWh。根据有关政策规定，如果上网电
价0.60元/kWh，则年产值为9000万元。
④生产成本
生产成本由燃料费、水费、材料费、工资及福利费、修理费及其
它管用等构成。
生产成本燃料费2400万元，水费80万元，材料费160万元，工资及福利等800万元，折旧费900万元，大修提纯700万元，摊销费200万元，以及其它费用270万元，总计5240万元，售电单位成本
约0.485元/kWh。 4.2.2 利润及投资回收期
年利税3227万元，大约四年可收回改造工程投资。
热电联产生物质电厂，即发电又供热，可大大提高电厂热效率，
也提高了电厂的经济效益。
CKM项目收益能更进一步提高生物质电厂的经济效益。 生物质发电厂的灰渣，含有较高的钾（氧化钾），灰渣可以出售给肥料场生产高品质的钾肥，也能提高生物质电厂的经济效益。
5、改造工程的环境效益
5.1生物质与煤的两种燃料特性对比分析 生物质与煤两种燃料成分对比分析见表2。
表2 生物质成分与燃煤成分比较
燃料 项目 生物质（小麦秸秆） 1.工业分析 空气干燥基水分 收到基灰分 干燥无灰基挥发份 收到基低位发热量 2.元素分析 收到基碳 39.43% 64.55% 2.36% 6.71% 78.57% 14490kj/kg 0.95% 31.2% 12.66% 22310kj/kg 煤 收到基氢 收到基氧 收到基氮 收到基硫 4.92% 36.88% 0.47% 0.19% 2.28% 2.33% 1.50% 0.58% 表2工业分析可见生物质燃料的灰分比煤低，挥发份比煤高，发热量比煤低；由元素分析可见生物质含碳量和含硫量比煤低。 5.2 24MW生物质直燃发电厂与24MW燃煤小火电厂排污量对比分
析
24MW生物质直燃发电厂与24MW燃煤小火电厂排污量对比分析见
表3。 表3 排污量比较
项目 SO2(t/a) 烟尘（t/a） NO2(t/a) 燃生物质 354 15 444 燃煤 864 504 798 从表3看出，24MW生物质电厂与同规模燃煤电厂排污量大量减
少，具有非常好的环境效益。
6．结 语
采用生物质直燃发电技术改造燃煤小火电厂成为热电联产生物质发电厂，改造工程投资少，效益好，回收期短，是一条切实可行的技术途径。将小火电改造为生物质电厂符合国家产业政策，国家鼓励
支持，百姓欢迎。
节能减排效果显著。24MW生物质电厂年消耗16万吨秸秆，可节省8万吨标准煤。每年可减排CO220万吨、SO2510吨、NO2350吨。
经济效益好。24MW生物质电厂年产值9000万元，年售电利税3200万元，大约4年可收回投资。如果再计入供热收入和CDW项目收益，
项目回收期将更短。
增加当地农民收入和就业机会。24MW生物质电厂年消耗16万吨秸秆，农民出售秸秆，增加收入约2400万元。秸秆收、储、运等环
节用工，可为当地农民提供数百个工作岗位。
关停小火电厂涉及人员安置、债务等问题，用生物质发电技术改造燃煤小火电厂使面临被淘汰的小火电厂获得新生，盘活原有资产，
保证原电厂工人继续就业，免于下岗。有利于社会稳定。
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