通过将生物质燃料燃气轮机与现有的燃煤发电厂相结合，实现了一种高效的混合动力发电系统

时间：2026年1月29日

来源：Energy

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生物质气化与燃煤电厂耦合的混合发电系统研究，提出通过回收燃气轮机排气和粗合成气显热预热给水，提升系统能效和碳减排效果，能量与熵效率达54.28%和45.82%，修改后效率分别提高0.51%和0.42%，经济性分析显示度电成本降低5.43美元/MWh。

Tuantuan Xin|Yiwen Kuai|Long Wan|Weifeng Li|Cheng Xu

教育部电站能量转换与系统重点实验室，华北电力大学，北京，102206，中国

摘要

为了提高生物质能的利用效率并减少碳足迹，本文提出了一种新型混合发电系统，该系统创新地将生物质气化与燃气轮机和现有的燃煤电厂相结合。在所提出的系统中，通过将生物质气化产生的原始合成气的热量传递给燃煤单元的给水流来冷却合成气。清洁后的合成气被燃气轮机用于发电，其废气进一步用于级联加热二次空气和给水。对所提出系统进行了全面的能量和熵分析，结果表明，生物质能转化为电能的等效能量效率和熵效率分别达到了54.28%和45.82%。此外，通过进一步系统改进，相应的效率分别提高了0.51%和0.42%。考虑到生物质本身的碳中性特性，混合系统的二氧化碳排放强度降低了265.23克/千瓦时（34.83%）。经济分析显示，与参考的生物质集成气化联合循环系统相比，混合系统的平准化电力成本降低了5.43美元/兆瓦时，并且具有更高的净现值和更短的动态回收期。这项工作为高效生物质发电提供了一种新的方法，并强调了生物质作为减少煤炭消耗的潜在替代燃料的作用。

引言

目前，大多数电力生产仍然依赖化石燃料，燃烧煤炭会向环境中释放大量二氧化碳（CO₂），大约为0.7–1千克CO₂/千瓦时[1]。与此同时，生物质是一种稳定、碳中和且丰富的可再生能源，占全球初级能源消耗的14%[2]，是热力发电的理想燃料[3]。因此，将生物质与基于煤炭的发电相结合提供了一种实际的过渡方案，以减少化石燃料的消耗并降低电力行业的CO₂足迹[4]。

直接燃烧、热解和气化是转化生物质能量的主要方法[4]。早期研究主要集中在直接燃烧和热解上。然而，传统生物质发电厂的效率相当低，约为25%[5]。即使从理论角度来看，正如Chen等人[6]所报告的，发电效率也只有30.47%。此外，生物质热解主要用于生产生物油[7]。目前，气化技术在基于生物质的发电方面展示了更大的潜力[7]。因此，生物质集成气化联合循环（BIGCC）系统引起了研究人员的关注，被认为是一种环保且高效的发电方法[8]。世界上第一个BIGCC电厂位于Varnamo，采用加压流化床（CFB）气化器，产生了6兆瓦的电力，净电效率为32%[9]。Baratieri等人[10]优化了BIGCC电厂的配置以最大化发电量，结果显示平均电效率可达40.7%。Fu等人[11]优化了BIGCC系统燃烧室中的反应条件，并报告称最大熵效率可高达49.48%。Jin等人[12]基于先进的MS7001FB燃气轮机模拟了两个BIGCC系统，其中一个设计使用低压间接加热气化器，净电效率达到48.60%；另一个设计采用加压氧气鼓风气化器，净电效率可达49.50%。总之，早期的生物质发电效率较低。尽管BIGCC系统的实施具有潜力，但随之而来的是更复杂的布局和大量的资本投资[13]。

目前，许多提出的基于生物质的混合系统逐渐从单一用途的发电转向减少碳排放和扩展生物质利用途径。Huo等人[14]提出了一种结合生物质和风能的发电系统，以改善发电效果并减少CO₂排放。结果表明，该混合发电系统的碳排放强度为0.601千克/千瓦时，平准化电力成本为64.25美元/兆瓦时。Dong等人[15]评估了一个多联产系统，该系统结合了生物质燃料的固体氧化物燃料电池和燃气轮机循环，在最佳状态下实现了60.03%的熵效率，回收期为1.45年。在结合太阳能方面，Hajimohammadi等人[16]研究了一种新型的太阳能-生物质混合系统，用于生产电力、热能和氢气，结果表明整体能量效率和熵效率分别为78.67%和60.41%。此外，一些研究人员还研究了生物质和天然气的混合利用。Ghiami等人[17]研究了一种技术上可行的分段合成气和天然气共燃系统，结果表明在某些条件下可实现负CO₂排放。

与此同时，燃煤电厂仍然是碳排放最高的发电技术之一，仍占现有装机容量的很大比例，因此脱碳和效率提升是一个紧迫的挑战。在这种背景下，将生物质（作为一种绿色能源）与现有的燃煤电厂相结合，通过部分替代煤炭来减少煤炭消耗和碳排放强度，同时通过与成熟的燃煤电厂集成来提高生物质能的利用效率。目前，生物质和煤炭的混合利用主要依赖于共燃。Farajollahi等人[18]评估了一个木质生物质和煤炭共燃的化学循环发电厂，发现共燃的净电效率约为43.94%，并且随着生物质比例的增加而略有提高。Kim等人[19]研究了在循环流化床系统中煤炭、生物质和氨的共燃，发现与燃煤电厂相比，共燃显著降低了CO₂排放。Zhang等人[20]研究了秸秆气和煤炭共燃对耦合系统性能的影响，发现耦合系统的效率对各种负荷和共燃比例非常敏感。

如上所述，尽管生物质和煤炭的共燃可以减少CO₂排放，但燃煤电厂的发电效率受到低操作参数（约600°C[21]）的限制，大多数效率在42–45%之间[21]。值得注意的是，由生物质气化驱动的燃气轮机可以显著提高循环温度，但燃气轮机废气的热回收通常依赖于底部循环，效率较低，约为36%或更低[22]。如果利用废气预热燃煤锅炉的二次空气，可以通过提高主循环的效率来提高效率。同时，随着进入锅炉的空气温度的提高，燃烧不可逆性也可能降低，这将在第5.2节中详细说明。此外，中温和低温烟气（约400°C）与再生系统结合以预热给水，这可以替代部分抽汽并增加电力产量。因此，混合概念可以实现生物质能量的级联利用：生物质气化产生的合成气用于驱动约1300°C的燃气轮机[23]，废气（约600°C）用于加热燃煤电厂的二次空气，剩余的热量（约400°C）用于预热给水。

基于此，本研究提出了一种新型的基于生物质气化的混合发电系统。本工作的创新点和贡献可以总结如下：

(1)

该系统将生物质燃料的燃气轮机与现有的燃煤电厂相结合，利用生物质气化产生的合成气驱动燃气轮机单元。燃气轮机废气和原始合成气中的显热在燃煤电厂中被回收，这比传统的底部循环更高效。

(2)

进行了热力学分析和碳减排评估，以验证所提出概念的可行性。此外，采用了一种详细的“过程分离”方法来构建“净生物质能量-熵转换系统”，以量化混合系统中生物质的贡献。

(3)

在一致的假设下，系统地研究并比较了两种集成方案，包括多点合成气/给水集成和专注于合成气自热的简化配置。此外，还从热力学和经济性能方面比较了典型的BIGCC系统和混合系统。

系统概述

系统提案

图1展示了所提出的基于生物质气化的混合发电系统，该系统包括生物质气化过程、燃气轮机单元和燃煤电厂。在所提出的系统中，生物质与氧气和蒸汽一起气化以产生合成气，所需的蒸汽来自蒸汽轮机的抽汽，氧气由空气分离单元（ASU）提供。为了充分回收原始合成气中的显热，采用了多种

过程模拟

在本研究中，使用EBSILON Professional软件和内置的质量/能量平衡模型及属性曲线模拟了生物质气化和发电的整个过程，该软件具有全面的组件和材料数据库[24]。此外，模型的热物理特性（如换热器、涡轮机、压缩机、泵等）确保了根据初始条件和状态方程准确地进行能量和质量平衡

评估标准

建立了质量和能量平衡方程，以说明系统组件的能量传递和转换特性。采用系统能量、熵和生物质利用效率作为评估所提出混合系统热力学性能的标准。

能量分析

表9展示了混合系统的能量性能和碳减排情况。混合系统以1770.25兆瓦的煤炭和796.96兆瓦的生物质为原料运行，燃煤电厂和燃气轮机的输出功率分别为1000.00兆瓦和258.12兆瓦。在参考系统中，煤炭转化为电能的效率计算为45.66%。相应地，在混合系统中，煤炭和生物质对总功率输出的贡献为

结论

提出了一种创新的基于生物质气化的发电系统，并对其热力学性能进行了全面分析，以说明混合概念的优势。本研究的一个关键优势在于它直接关联到大型燃煤电厂的脱碳，因为混合配置代表了减少CO₂排放强度、延长化石能源资源寿命并同时提高效率的途径

CRediT作者贡献声明

Tuantuan Xin：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、资金获取、概念化。Yiwen Kuai：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、方法论、资金获取、数据管理。Long Wan：撰写——审稿与编辑、软件。Weifeng Li：撰写——审稿与编辑、软件。Cheng Xu：监督、资源管理、项目协调、资金获取。