本发明涉及一种生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统及其工艺方法，属于生物质处理技术领域。
背景技术：
全球每年产生的生物质总量仅次于每年消耗的石化能源总量，且是可再生清洁资源。能源问题和环境问题是全球共同面临的两个重大问题，随着常规能源煤、石油、天然气等化石能源的开采消耗速度提升，这些能源逐渐被消耗，传统化石能源的消耗对环境的影响逐渐显现，厄尔尼诺现象频繁加剧影响，极地冰川消融，生态环境遭受史无前例的挑战。中国政府对世界承诺，到2020年非化石能源占一次能源消费比重将达到15％左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％，在2030年达到二氧化碳排放峰值，到2030年非化石能源占一次能源消费比重将达到20％左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60％～65％。因此，在这样的综合环境下，可再生资源的利用随着环境保护意识的提升得到快速发展，是推进能源供应多元化和清洁化发展的重要途径。
生物质作为可再生资源，具有资源产量丰富、地域分布广阔和能量储量稳定的特点。国内外对生物质的利用主要采用直接燃烧、热解等方式，但是由于生物质能量密度相对较低，高水分、高挥发分和高碱金属含量等特点，直接燃烧容易结渣、结焦。而生物质热解过程挥发分的释放主要以焦油形态出来，可以进行焦油深加工制油品，但是生物质热解残渣仍具有较高的热值，能量利用不充分。国内一度兴起生物质和煤掺烧发电，但是由于生物质结渣结焦特性，导致锅炉局部结焦工况出现，影响燃煤锅炉的出力和正常运行。此外，生物质先气化后燃烧发电的技术近几年得到了一定的工业化示范，并取得了较大进展，例如国电荆门电厂，利用生物质流化床气化日处理生物质约200t/d，气化后合成气经冷却后用引风机送入600mw等级燃煤锅炉再燃实现发电，可降低原燃煤锅炉煤耗，生物质气化燃烧发电折合发电量约为10.8mw。但是，该项目从2008年开始建设，历时8年左右尚未实现正常运行，主要由于生物质原料与煤存在较大差异，流化床气化过程复杂，粗煤气冷却过程条件苛刻，工艺控制难度较大，生物质气化粗煤气在冷却过程中焦油析出等影响换热设备和风机的正常运转，系统稳定性和可靠性有待进一步提高。以上问题均为工程设计问题和工艺优化问题，需要进行创造性的优化设计进行解决。
综上所述，生物质气化-燃烧发电技术已成为生物质利用的重要发展方向，但是如何实现生物质气化和燃烧过程的耦合问题也是摆在工程应用面前跨不过去的一道坎。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是如何实现生物质气化和燃烧过程的耦合。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统，其特征在于，包括：
用于将收集的生物质原料进行规整后存储，并将存储的生物质原料经过切割破碎后送出的生物质储存输送单元；
用于将切割破碎后的生物质颗粒通过循环流化床气化炉气化，生成粗煤气的生物质循环流化床气化单元；
用于采用燃煤锅炉的高温省煤器出来的锅炉给水作为冷却工质，将所述粗煤气降温，回收利用所述粗煤气显热的生物质高温燃气废热回收单元；
用于将降温后的粗煤气克服沿程阻力、并以可计量的方式送入所述燃煤锅炉燃烧的粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元；
所述生物质储存输送单元、生物质循环流化床气化单元、生物质高温燃气废热回收单元、粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元依次连接。
优选地，所述生物质储存输送单元包括生物质储仓，切割破碎机设于生物质储仓下方，料斗设于切割破碎机下方，输送皮带的两端分别连接料斗和原料仓，原料仓连接给料仓，给料仓通过变频螺旋给料机连接所述生物质循环流化床气化单元。
优选地，所述生物质循环流化床气化单元包括循环流化床气化炉，所述变频螺旋给料机连接循环流化床气化炉的进料口，送风机连接循环流化床气化炉底部的气化剂进口，循环流化床气化炉的顶部出口连接旋风分离器，旋风分离器的底部出口通过回料腿连接回料器，回料器连接循环流化床气化炉的回料口；旋风分离器的顶部出口连接所述生物质高温燃气废热回收单元。
优选地，所述生物质高温燃气废热回收单元包括高温废锅，所述旋风分离器的顶部出口连接高温废锅的粗煤气进口管道，高温废锅的粗煤气出口管道连接所述粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元；高温废锅的进水管连接高温省煤器的出水口，高温废锅的出水管连接高温省煤器的进水口。
优选地，所述粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元包括燃煤锅炉，所述高温省煤器设于燃煤锅炉的尾部烟道内；所述高温废锅的粗煤气出口管道连接燃煤锅炉的燃气烧嘴，高温废锅的粗煤气出口管道与燃气烧嘴连接的管路上设有粗煤气流量计。
优选地，所述生物质循环流化床气化单元采用床料与生物质颗粒在流化床内流化；
所述床料为1mm～5mm粒径的煤灰颗粒、5mm～8mm粒径的石灰石颗粒、1mm～3mm粒径的河砂细粉中的一种或几种的混合物；
所述生物质颗粒为稻壳、玉米芯、水稻秸秆、麦秆、林业废弃物或废旧木质家具中的一种或几种制作成的成型颗粒或切碎后的散料颗粒；作为成型颗粒时，颗粒密度为800～1000kg/m3，颗粒粒径按照球形当量直径范围为5mm～30mm。
优选地，所述循环流化床气化炉将变频螺旋给料机送来的生物质在设定温度条件下及气化剂的作用下气化，气化后的粗煤气夹带颗粒物出循环流化床气化炉，并在旋风分离器的作用下分离颗粒物后去所述生物质高温燃气废热回收单元；旋风分离器分离下来的颗粒物经过回料腿和回料器在回料器流化风的作用下返回循环流化床气化炉再气化，气化后的灰渣从循环流化床气化炉底部的排渣管排出，经过冷却后去渣池。
优选地，所述高温废锅采用火管式设计，即：粗煤气走管程，锅炉给水走壳程；所述管程采用内径为40mm～80mm的管道，管道内煤气流速为8～20m/s。
优选地，所述高温省煤器出水口的锅炉给水温度为280℃～330℃、压力为10～30mpag，所述锅炉给水进入高温废锅后与旋风分离器通入的粗煤气进行换热升温，锅炉给水温度升高至310℃～360℃后重新回高温省煤器的进水口，粗煤气降温至350℃～500℃。
本发明还提供了一种生物质气化耦合燃煤锅炉发电方法，其特征在于：采用上述的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统，步骤为：
步骤1：通过循环流化床气化炉底部燃烧燃料产生的热烟气或引自燃煤锅炉的热烟气进行循环流化床气化炉的烘炉升温，升温至达到生物质原料投料温度；
步骤2：将生物质原料经过切割破碎或成型处理后，输送进循环流化床气化炉；向循环流化床气化炉内送入气化剂，并控制生物质原料给料量与气化剂的摩尔当量比保持恒定；
步骤3：实现生物质循环流化床气化，同时循环流化床气化炉升温，通过床料的流化使生物质原料与气化剂充分接触，并在传热均匀的情况实现充分气化；
步骤4：循环流化床气化炉内生物质气化后产生的粗煤气经过分离颗粒物后去生物质高温燃气废热回收单元，采用燃煤锅炉尾部烟道内的高温省煤器出口的锅炉给水作为冷却介质给所述粗煤气降温；
步骤5：降温后的粗煤气经过计量后送入燃煤锅炉燃烧，热量完全传递给燃煤锅炉的水冷壁内的工质水后产生水蒸汽去发电利用，实现生物质气化、燃烧和发电过程。
本发明提供的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统采用了生物质气化、余热回收、燃烧三过程的耦合，实现了生物质的间接发电。通过循环流化床气化转化生物质为燃料气，直接利用燃煤锅炉高温省煤器出口高温高压水进行间接冷却，通过计量后的燃气最终在燃煤锅炉内燃烧，在不影响燃煤锅炉系统情况下替代一部分燃煤负荷，节省燃煤的同时高效利用了生物质，并在一定程度上降低燃煤锅炉nox排放。
本发明系统运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本发明还具有如下有益效果：
(1)本发明采用气化与高温废锅耦合、气化与燃烧耦合，实现了双耦合过程，最终达到了生物质发电的目的，作为可再生资源的生物质实现了清洁、高效的利用；
(2)本发明采用燃煤锅炉高温省煤器出口高温水作为可燃气降温冷源，可将煤气降温的同时回收煤气显热间接用于发电，且高温水的有益效果是不至于产生较大温差，可防止火管侧低温积灰结渣，达到了一举多得的目的；
(3)本发明生物质经过气化、热回收，实现了生物质间接燃烧，全过程不涉及灰水和飞灰的排放，不会造成水和粉尘的二次污染，整体环保性较高，且系统设计紧凑，整体投资低，建设和运维管理方便；
(4)本发明所述的生物质气化耦合燃煤发电系统中的可燃气为还原性气体，进燃煤锅炉燃烧过程形成局部还原性气氛对降低燃煤锅炉的nox排放起到有益效果，可在一定程度上降低总体nox的排放，尤其在锅炉低负荷运行时效果更为明显。
附图说明
图1为本实施例提供的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统示意图；
附图标记说明：
1-生物质原料；2-生物质储仓；3-切割破碎机；4-料斗；5-输送皮带；6-原料仓；7-给料仓；8-变频螺旋给料机；9-循环流化床气化炉；10-空气流化风；11-除盐水进水；12-螺旋冷渣器；13-除盐水出水；14-渣池；15-旋风分离器；16-回料器；17-回料腿；18-回料器流化风；19-高温废锅的进水管；20-高温废锅的出水管；21-高温省煤器；22-锅炉给水；23-燃气烧嘴；24-水冷壁；25-粗煤气流量计；26-高温废锅；27-燃煤锅炉；28-烟气；29-底渣；30-水蒸汽；31-送风机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统示意图，所述的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统主要包括生物质储存输送单元、生物质循环流化床气化单元、生物质高温燃气废热回收单元、粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元等设备。
如图1所示，生物质储存输送单元主要包括生物质储仓2、切割破碎机3、料斗4、输送皮带5、原料仓6、给料仓7、变频螺旋给料机8和配套管道仪表。切割破碎机3设于生物质储仓2下方，料斗4设于切割破碎机3下方，输送皮带5的两端分别连接料斗4和原料仓6，原料仓6、给料仓7、变频螺旋给料机8依次连接。
生物质储仓2内的生物质原料1经过切割破碎机3破碎后，进入料斗4，再通过输送皮带5输送至原料仓6内，然后进入给料仓7，最后通过变频螺旋给料机8送至生物质循环流化床气化单元。生物质储存输送单元用于将收集的生物质原料进行规整后存储，生物质原料经过切割破碎达到一定的粒径(小于20mm)，通过变频螺旋给料机送生物质循环流化床气化单元进行气化。
如图1所示，生物质循环流化床气化单元主要包括循环流化床气化炉9、送风机31、旋风分离器15、回料器16、回料腿17、螺旋冷渣器12和渣池14等。所述变频螺旋给料机8连接循环流化床气化炉9的进料口，送风机31连接循环流化床气化炉9底部的气化剂进口，循环流化床气化炉9的顶部出口连接旋风分离器15，旋风分离器15的底部出口通过回料腿17连接回料器16，回料器16连接循环流化床气化炉9的回料口。旋风分离器15的顶部出口连接生物质高温燃气废热回收单元。
循环流化床气化炉9将变频螺旋给料机8送来的生物质在700℃左右温度条件下、在底部的送风机31送入的空气流化风10的作用下气化，气化压力0～100kpag，气化后的粗煤气夹带一定量颗粒物出循环流化床气化炉9，并在旋风分离器15的作用下分离颗粒物后去生物质高温燃气废热回收单元。旋风分离器15分离下来的颗粒物经过回料腿17和回料器16在回料器流化风18的作用下返回循环流化床气化炉9再气化，气化后的灰渣从循环流化床气化炉9底部的排渣管排出，经过间接式的螺旋冷渣机12冷却后去渣池14。
螺旋冷渣机12通过除盐水对灰渣进行冷却，图1中，11、13分别表示除盐水进水和除盐水出水。
生物质循环流化床气化采用一定量的床料与生物质颗粒在流化床内流化，床料主要用于强化流化床内的热质传递过程，该床料可选用粒径1mm～5mm粒径的煤灰颗粒，或5mm～8mm粒径石灰石颗粒，或1mm～3mm粒径的河砂细粉，或三者混合物。
生物质颗粒包括稻壳、玉米芯、水稻秸秆、麦秆、林业废弃物和废旧木质家具等制作成的成型颗粒或切碎后的散料颗粒，作为成型颗粒时，颗粒密度800～1000kg/m3，颗粒粒径按照球形当量直径范围5mm～30mm，平均当量直径优选值15mm～25mm。
循环流化床气化炉9、旋风分离器15、回料腿17、回料器16等均采用耐火防磨内衬材料设计，可有效避免磨损和腐蚀问题。
循环流化床气化过程采用空气或者富氧空气或者纯氧作为气化剂。
如图1所示，生物质高温燃气废热回收单元主要包括高温废锅26、高温省煤器21、高温废锅进水管19、高温废锅出水管20和粗煤气进、出口管道等。旋风分离器15的顶部出口连接高温废锅26的粗煤气进口管道，高温废锅26的粗煤气出口管道连接粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元。高温废锅26的进水管19连接燃煤锅炉27尾部烟道内的高温省煤器21的出水口，高温废锅26的出水管20连接所述高温省煤器21的进水口。
高温废锅26采用高温省煤器21出来的高温锅炉给水作为冷却工质，将旋风分离器15通入的～700℃的高温粗煤气降低至350℃～500℃，并使粗煤气显热得到回收利用。降温后的粗煤气进入粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元。
高温省煤器21出口的高温锅炉给水通常温度为280℃～330℃，压力10～30mpag，进入高温废锅26后与高温的粗煤气进行换热升温，温度升高至310℃～360℃后重新回高温省煤器21的进口，粗煤气降温至350℃～500℃。
高温废锅26采用火管式设计，即粗煤气走管程，锅炉给水走壳程，并将管程选用大口径管40mm～80mm，保证管道粗煤气较高烟气流速8～20m/s情况下尽可能缩短管道长度，可有效防止高温火管内的积灰结渣，高温废锅26整体可采用卧式或立式设计。
如图1所示，粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元主要包括粗煤气流量计25、送风机31、燃气烧嘴23、燃煤锅炉27等。高温废锅26的粗煤气出口管道连接燃煤锅炉27的燃气烧嘴23，高温废锅26的粗煤气出口管道与燃气烧嘴23连接的管路上装有粗煤气流量计25。粗煤气计量送风单元以及配套燃烧单元主要用于生物质气化后的粗煤气的精确计量，以及克服沿程阻力将粗煤气送入燃煤锅炉27进行稳定燃烧。高温废锅26出口粗煤气进入燃煤锅炉27燃烧，水冷壁24内的水吸热蒸发为水蒸汽31，产生的底渣29从燃煤锅炉27底部的排渣口排出，产生的烟气28经高温省煤器21加热锅炉给水22后排出。
上述生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统使用时的具体步骤如下：
第一步，通过循环流化床气化炉9底部燃烧燃料产生的热烟气或引自燃煤锅炉27的热烟气进行循环流化床气化炉9的烘炉升温，升温至400℃～600℃达到生物质原料投料温度；
第二步，经过晾晒控制水分小于20％的储存在生物质储仓2的生物质原料，经过切割破碎或成型处理，控制生物质颗粒当量粒径，并通过输送皮带5输送至原料仓6，再进入给料仓7，经过变频螺旋给料机8输送进循环流化床气化炉9进行气化，变频螺旋给料机8实现生物质给料量与空气中氧气量的摩尔当量比保持基本恒定；
第三步，空气由送风机31送入循环流化床气化炉9底部布风板和风帽实现生物质循环流化床气化，同时循环流化床气化炉9将升温至720℃左右，通过床料的流化使生物质原料颗粒与空气中氧气充分接触并在传热均匀的情况得到充分气化；
第四步，循环流化床气化炉9内生物质气化后产生的粗煤气经过旋风分离器15分离后去高温废锅26，温度降为350℃～500℃，采用燃煤锅炉27尾部烟道内的高温省煤器21出口的高温锅炉给水作为冷却介质；
第五步，粗煤气经过流量计、温度计和在线燃气抽样组分分析后送入燃煤锅炉27的燃气烧嘴23燃烧，热量完全传递给燃煤锅炉27的水冷壁24内工质水后产生水蒸汽31去发电利用，实现生物质气化、燃烧和发电过程。
以上过程中没有生物质飞灰排放，所有生物质灰均形成气化底渣排出循环流化床气化炉9，并作复合肥还田或回收加工成复合肥，实现了生物质充分高效环保燃烧发电过程。
下面以一套20mw等级的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统为例进行说明。生物质采用玉米秸秆(50％)和稻壳、稻秆(50％)。气化反应装置的设计参数如下：
生物质原料特性如下：
匹配燃料气发电功率：＞20mw；
进料生物质含水：20％；
进料生物质成型颗粒平均粒径：15mm；
循环流化床气化温度：720℃；
高温废锅出口燃气温度：400～450℃；
气化炉操作压力：30kpag；
点火方式：循环流化床气化炉床下燃油点火；
气化剂：常温空气。
性能参数指标：
从以上数据可以得出，本实施例采用生物质气化耦合燃煤锅炉发电设计，在生物质原料多样化条件下依然实现了生物质气化、热解和燃烧全过程的安全稳定长期优质化设计，其中不涉及飞灰排放和污水排放，环境友好性非常高，与生物质直燃发电相比，有效避免生物质燃烧导致炉膛结渣风险，且生物质燃烧过程的波动将大大影响燃煤锅炉整体性能；与单一循环流化床生物质气化结合导热油换热器方案相比，本发明设计可降低系统整体投资5％，提高热效率5％以上，尤其是生产相同品质燃气前提下，系统简化，不再设计导热油存储和管理功能，直接采用水工质解决燃气降温问题，安全、高效。
综上所述，本发明提供的生物质气化耦合燃煤锅炉发电系统及方法具有明显的技术创新优势，适用于生物质的集中处理，与电厂进行匹配后实现间接生物质发电，即作为可再生的生物质资源发电，应用前景十分广阔。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。