生物質(zhì)發(fā)電技術和經(jīng)濟性研究綜述

吳金卓，馬 琳，林文樹

(東北林業(yè)大學工程技術學院，哈爾濱150040)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，常規(guī)能源 (煤、石油和天然氣)的消費量持續(xù)增加，能源供需矛盾日益突出。我國的常規(guī)能源短缺，尤其是石油和天然氣資源嚴重不足，成為影響經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素［1］。以石油為例，我國1993年成為石油凈進口國，2011年我國石油的對外依存度已超過55%，預計到2020年中國石油對外依存度將達到67%［2］。常規(guī)能源的使用，尤其是煤的開發(fā)和利用引發(fā)的各種環(huán)境問題已嚴重影響社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人民的生命健康。因此尋找新的替代能源以保證國家的戰(zhàn)略安全、能源儲備和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展成為亟待解決的問題［3］。生物質(zhì)能是是一種重要的可再生能源，它是太陽能以化學能形式儲存在生物質(zhì)中的能量，被認為是最有發(fā)展前景的可再生能源之一。在眾多的生物質(zhì)利用方式中，生物質(zhì)發(fā)電是我國目前對生物質(zhì)能源應用的最為廣泛、最為普遍的方式。

1 生物質(zhì)能資源

生物質(zhì)能資源種類繁多，來源十分廣泛。根據(jù)來源的不同，可以將生物質(zhì)能資源分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機廢水、城市固體廢物及畜禽糞便等5大類。本文中所涉及的生物質(zhì)能資源主要包括農(nóng)作物秸稈、林木生物質(zhì)和能源作物，不包括工業(yè)有機廢棄物和畜禽糞便等。

1.1 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源包括農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物(如農(nóng)作物秸稈，包括玉米秸稈、高粱秸稈、麥秸和稻草等)和農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過加工后產(chǎn)生的廢棄物(如稻殼、玉米芯、甘蔗渣、花生殼和棉籽殼等加工剩余物)［4］。農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物與農(nóng)作物的產(chǎn)量有密切的關系，農(nóng)作物產(chǎn)量高的地區(qū)，一般具有豐富的農(nóng)產(chǎn)品剩余物資源。

1.2 林業(yè)生物質(zhì)資源

林業(yè)生物質(zhì)資源包括森林生物質(zhì)以及林產(chǎn)品生產(chǎn)和加工過程所產(chǎn)生的剩余物。林業(yè)剩余物主要包括采伐剩余物 (枝丫、樹梢、樹葉、樹皮、樹根及藤條和灌木等)、選材剩余物 (指選材截頭)和加工剩余物 (板皮、板條、木竹截頭、鋸屑、碎單板、木芯、木塊、刨花和邊角余料等)［4－5］。

1.3 能源作物

能源作物是指經(jīng)過專門種植，用以提供能源原料的草本和木本植物［6］。常見的能源作物包括柳樹、楊樹、柳枝稷、蘆葦、甜高粱、油菜、甘蔗、甘薯和木薯等。能源作物的開發(fā)與種植，不僅可以使能源可再生和綜合利用，而且由于這些能源作物對土地的要求不高，只需要種植在邊際農(nóng)業(yè)用地，因此也為農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的契機。

2 生物質(zhì)發(fā)電技術

生物質(zhì)燃料具有松散性、密度低、高揮發(fā)分及低熱值等特點，因此在收集、貯存和使用過程中存在一定的困難和不經(jīng)濟性。傳統(tǒng)的生物質(zhì)資源利用主要是爐灶直接燃燒方式，其能源利用率只有10%～15%，而且在燃燒過程中排放出大量的煙塵。新的生物質(zhì)能源利用方式，如生物質(zhì)發(fā)電技術能夠克服上述的缺點，已經(jīng)成為生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用的重要方式之一。生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)燃燒或生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣體燃燒發(fā)電的技術，主要包括直燃發(fā)電、生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電3種方式。

2.1 生物質(zhì)直燃發(fā)電

生物質(zhì)直燃發(fā)電是指在特定的生物質(zhì)蒸汽鍋爐中通入足夠的氧氣使生物質(zhì)原料氧化燃燒，產(chǎn)生蒸汽，進而驅(qū)動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電的過程［1］。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術中的生物質(zhì)燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒等方式。前者只需將生物質(zhì)原料經(jīng)過簡單處理甚至無須處理就可投入爐排爐內(nèi)燃燒，而后者則要求將生物質(zhì)原料進行破碎、分選等預處理再燃燒，其燃燒效率和強度都比固定床高［7］。單純的生物質(zhì)直燃發(fā)電的效率很低，一般在20%～40%，而且發(fā)電過程中產(chǎn)生大量的熱能不能充分利用。為了增加直燃發(fā)電的能源效率，電廠也可以采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，同時生產(chǎn)熱量和電力，這樣熱效率可以達到80%～90%，既提高了能源的綜合利用效率，又能改善供熱質(zhì)量，增加生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2.2 生物質(zhì)混燃發(fā)電

生物質(zhì)混燃發(fā)電是指在傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電鍋爐中將生物質(zhì)和煤以一定的比例進行混合燃燒發(fā)電的過程。生物質(zhì)與煤混合燃燒的方式有兩種。

(1)生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電。

(2)將生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生的燃氣與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電。

前者的燃燒要求很高，并不適用于所有燃煤發(fā)電廠，而后者的通用性較好，對原燃煤系統(tǒng)的影響也比較?。?］?；旌先紵纳镔|(zhì)可以是林業(yè)生物質(zhì) (木片和鋸末)或者農(nóng)業(yè)生物質(zhì) (如稻殼、麥草和玉米稈等)。生物質(zhì)混燃發(fā)電被認為是一種近期可以實現(xiàn)的、相對低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術。相關研究表明，在生物質(zhì)混燃發(fā)電中，如果將燃料供應系統(tǒng)和燃燒鍋爐稍作修改，生物質(zhì)的能量混合比例可以達到15%，而整個發(fā)電系統(tǒng)的效率能達到33%～37%。受生物質(zhì)資源分布分散，能量密度低、運輸效率低、儲存占地大和儲存安全風險大等因素的影響，采用生物質(zhì)直燃發(fā)電技術的電廠的規(guī)模一般都不大，主要是利用當?shù)氐纳镔|(zhì)資源，運輸距離短。而將生物質(zhì)與常規(guī)的煤炭混合燃燒發(fā)電，既可以充分利用現(xiàn)有的燃煤電廠的投資和基礎設施，又能減少傳統(tǒng)污染物 (SO2和NOx)和溫室氣體的排放，對于生物質(zhì)燃料市場的形成和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展都將起到積極的促進作用。

2.3 生物質(zhì)氣化發(fā)電

生物質(zhì)氣化發(fā)電是指生物質(zhì)原料 (廢木料、秸稈和稻草等)氣化后，產(chǎn)生可燃氣體 (CO、H2和CH4等)，經(jīng)過除焦凈化后燃燒，推動內(nèi)燃機或燃氣輪機發(fā)電設備進行發(fā)電［8］。從發(fā)電規(guī)模上看，生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型 (＜200kW)、中型 (500～3 000kW)和大型 (＞5 000kW)3種。小型氣化發(fā)電系統(tǒng)一般采用內(nèi)燃發(fā)電機組，所需生物質(zhì)數(shù)量少且品種單一，比較適合照明或小企業(yè)用電;中型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)大多采用流化床或循環(huán)流化床的形式，因其可以適用多種不同的生物質(zhì)，技術較成熟，是當前生物質(zhì)氣化技術的主要方式［9］。以1 000kW 的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)為例，在正常運行下，生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)氣化效率大約在75%左右，系統(tǒng)發(fā)電效率在15%～18%之間。大規(guī)模的氣化燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的功率為5～10MW，效率為35% ～40%，但關鍵技術仍未成熟，尚處在示范和研究階段［10－11］。

3 國外生物質(zhì)發(fā)電研究進展

生物質(zhì)發(fā)電在北歐國家經(jīng)過30多年的發(fā)展，技術上已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛的應用［12］。特別是2002年可持續(xù)發(fā)展世界峰會之后，生物質(zhì)能的開發(fā)利用在全球加快推進［13］。

3.1 基于農(nóng)業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電

國外在生物質(zhì)發(fā)電尤其是秸稈發(fā)電方面無論是科學研究還是產(chǎn)業(yè)化都取得了令人矚目的成果。丹麥的BWE公司率先于1988年投入運行世界上的第一家秸稈燃燒發(fā)電廠 (Haslev，5MW)［4］。如今，丹麥已建成130多家秸稈發(fā)電廠，并將秸桿發(fā)電技術成功推廣到瑞典、芬蘭和西班牙等歐洲國家［14］。在研究方面，丹麥ELSAM公司采用兩段式加熱技術對Benson型鍋爐進行改造，設計了4個并行的供料器供給物料。生物質(zhì)原料 (秸稈、木屑等)可在爐柵上充分燃燒，并且爐膛和管道內(nèi)還設置有纖維過濾器以減輕煙氣中有害物質(zhì)對設備的磨損和腐蝕［14］。經(jīng)實踐運行證明，改造后的生物質(zhì)鍋爐運行穩(wěn)定，并取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

歐美一些國家基本都使用熱電聯(lián)合生產(chǎn)技術(Combined heat and power，CHP)來解決生物質(zhì)原料燃燒用于單一供電或供熱在經(jīng)濟上不合算的問題。美國聯(lián)邦政府在20世紀90年代開始注重發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。其中，得克薩斯州和加利福尼亞州是這個領域的佼佼者。這兩個州分別于2001年和2002年制定了州一級的電網(wǎng)接入標準，為熱電廠獲得平等的并網(wǎng)權(quán)提供了保證［15－16］。同時，改進的溫室氣體排放的計算標準，也為熱電企業(yè)在競爭中創(chuàng)造了有利條件。丹麥科學家認為熱電聯(lián)產(chǎn)可以節(jié)約28%的燃料，減少47%的CO2，因而對熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)惠政策最多［17］。丹麥的熱電比例高達50%［18］。1990年，丹麥修訂了熱供應法案 (1979年頒布)，提出盡可能提高熱電聯(lián)產(chǎn)在集中供熱中的比例。在熱力規(guī)劃中，保證熱電聯(lián)產(chǎn)供熱區(qū)域，避免與其他能源競爭。另一方面，建立合理的熱電聯(lián)產(chǎn)－電力定價規(guī)則，確保了其經(jīng)濟性的優(yōu)勢。1988年，荷蘭啟動了熱電聯(lián)產(chǎn)激勵計劃，制定了一系列優(yōu)惠政策。從1987～1998年，荷蘭的熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量由2 700MW猛增到7 000MW，其發(fā)電量占總發(fā)電量的48.2%［19］。

3.2 基于林業(yè)資源的生物質(zhì)發(fā)電

國外開發(fā)木質(zhì)生物質(zhì)能源技術已具有相當?shù)囊?guī)模和一定的運行經(jīng)驗。美國GE公司利用魯奇技術研制的大型燃燒廢木循環(huán)流化床;美國B＆W公司制造的燃燒木柴的流化床鍋爐也于20世紀80年代末至90年代初投入運行［20］。此外，瑞典以樹枝和樹葉等林業(yè)廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達到80%。丹麥采用高倍率循環(huán)流化床鍋爐，利用干草與煤按照6∶4的比例送入爐內(nèi)進行燃燒，熱功率達80MW。

Berndes等［21］(2003)建立了生物能源、食品和材料不同用途相互作用的模型，對促進大規(guī)模生物能源改進，起到了指導性的作用。Gross等［22］(2003)就可再生能源發(fā)展的關鍵問題進行了探索，在每個區(qū)域每個主要類型的可再生能源技術上做出了全面分析，為日后更好的發(fā)展可再生能源奠定了基礎。Venturi等［23］(2003)比較了歐洲3個能源作物鏈，對能量輸出和輸入問題進行了分析，并提出了解決生物質(zhì)能源低收益率的問題。Santisirisomboon等［24］(2003)對不同類型的生物質(zhì)(稻谷外殼、都市固體廢物和燃料木材)燃料進行分析，并將優(yōu)化方法擴展到發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃。

3.3 生物質(zhì)發(fā)電經(jīng)濟性分析

西方國家屬于大農(nóng)場經(jīng)濟，土地管理相對集中，且機械設備先進。在糧食收獲后，秸稈經(jīng)過壓縮打包成型處理后，直接送往電廠或由農(nóng)場主保存一段時間后再送往電廠，因此秸稈發(fā)電成本較低［25］。秸稈經(jīng)過壓縮后，密度增大，體積縮小，便于運輸和儲存，減少了運輸和儲存的費用。此種運作模式便于管理，成本較低。國外關于秸稈收儲運模式及降低收集成本的研究較多，得出的成果也具有一定的應用價值。Caputo等［26］(2005)對生物質(zhì)發(fā)電廠經(jīng)濟性分析結(jié)果表明，車輛運輸價格增加、車容量下降、資源密度降低以及生物質(zhì)購買價格提高將增加運行成本，導致經(jīng)濟效益降低。Thorsell等［27］(2004)利用計算機程序決定哪些具體類型的機械會導致集約化成本的最低化使用，從而確定從材料農(nóng)戶的采購成本以及儲存和運輸成本。Yu等［28］(2009)基于一個持續(xù)、整合、流線型的供應鏈，從農(nóng)場到植物的生物能源與評價的基礎上，提出了一種離散數(shù)學模型，從而合理定位生物量加工廠附近種植密度高的區(qū)域。Kumar等［29］(2003)通過從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物 (谷物秸稈)到整個加拿大的北部森林、森林收獲木材和紙漿存在殘留物的測定，驗證了資本成本的容量能力與運輸成本的關系。

4 我國生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀及研究進展

4.1 我國生物質(zhì)發(fā)電現(xiàn)狀

我國生物質(zhì)能資源非常豐富，農(nóng)作物秸稈是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。按照我國創(chuàng)建節(jié)約型社會的發(fā)展綱要，計劃到2015年生物質(zhì)發(fā)電裝機達到1 300萬kW，發(fā)電量650億kW·h。目前，生物質(zhì)發(fā)電廠已列入國家級示范項目。

我國發(fā)展生物質(zhì)能源具有非常好的原料基礎，現(xiàn)年產(chǎn)能潛力9.32億t標煤，預測2030可增至11.71億t標煤。隨著《可再生能源法》和《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》等的出臺，生物質(zhì)發(fā)電，尤其是秸稈發(fā)電備受關注。秸稈發(fā)電的規(guī)模快速增長，各級政府對秸稈發(fā)電的招商引資工作也十分重視，秸稈發(fā)電概念在資本市場也開始活躍。目前，中石油、中石化、中海油和中糧等大型國有企業(yè)已經(jīng)在生物質(zhì)資源豐富的省區(qū)投資建廠。其中，國能生物質(zhì)發(fā)電集團已投入運營和在建的生物質(zhì)發(fā)電項目近40個，遍布山東、江蘇、黑龍江、內(nèi)蒙古及江西等省和自治區(qū)，總裝機容量達到100萬kW，已有10個30MW機組和7個12MW機組正式投入運營，7個12MW機組在建。我國生物質(zhì)發(fā)電為社會提供綠色電力累計約92億kW·h，累計消耗剩余物近1 000萬t，為農(nóng)民增收累計約32億元，累計減排二氧化碳690萬t。

4.2 我國生物質(zhì)發(fā)電研究進展

盡管我國的生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了一定的發(fā)展，但是，在未來的運行過程中還將面臨很多困難和障礙。

4.2.1 缺乏成熟的核心技術和設備

目前，用于生物質(zhì)發(fā)電的鍋爐及燃料輸送系統(tǒng)的技術和設備絕大部分依靠進口，國內(nèi)還沒有成熟的生產(chǎn)商。我國已經(jīng)針對專門燃燒秸稈的鍋爐開始設計制造，如濟南鍋爐廠通過引進丹麥BWE公司的秸稈發(fā)電鍋爐制造技術，生產(chǎn)的130t/h高溫高壓秸稈鍋爐已經(jīng)在國能生物的10多個生產(chǎn)廠使用，但核心組件仍需整機進口［1］。因此，只有大力發(fā)展國內(nèi)的生產(chǎn)技術和設備，我國的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)才能擺脫這種事業(yè)發(fā)展上的束縛，取得長期的、持續(xù)的進步和發(fā)展。針對這一情況，我國研究人員展開了大量的研究。馬孝琴等［30］(2005)采用雙膽反燒結(jié)構(gòu)設計生物質(zhì)秸稈成型鍋爐，經(jīng)燃燒試驗，表明該爐具有較高的熱效率和環(huán)保效益，燃用秸稈成型燃料燃燒穩(wěn)定，床層不易結(jié)渣且煙氣中飄塵含量達標。由合肥工業(yè)大學教授邢獻軍等人與安徽豐原生物新能源公司聯(lián)合研發(fā)的“生物質(zhì)高溫超焓燃燒發(fā)電鍋爐技術”，通過高溫超焓燃燒技術，解決了生物質(zhì)燃燒鍋爐存在的效率低、堿腐蝕、結(jié)焦和結(jié)渣等問題，從而實現(xiàn)生物質(zhì)高效、經(jīng)濟和規(guī)?；茫?1］。

4.2.2 發(fā)電運營成本偏高

由于生物質(zhì)發(fā)電廠初期投資較高、電機組熱效率低及生物質(zhì)燃料成本高等原因，使生物質(zhì)發(fā)電成本遠高于常規(guī)燃煤發(fā)電成本。2010年7月，國家發(fā)改委發(fā)布了《關于完善農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電價格政策的通知》，制定了全國統(tǒng)一農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電標桿上網(wǎng)電價標準 (0.75元/kW·h)，提高了生物質(zhì)發(fā)電的上網(wǎng)電價。此外，生物質(zhì)發(fā)電還可享受收入減計10%的所得稅優(yōu)惠;秸稈生物質(zhì)發(fā)電享受增值稅即征即退政策［32］。這些舉措固然可以幫助生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)提高經(jīng)濟性，縮小與燃煤電廠的差距，但是要從根本上改變生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)運營成本偏高的問題，還需要對燃料供應物流系統(tǒng)進行充分地、適宜于當?shù)刭Y源狀況的理論研究和實踐分析。為了解決這一問題，丁翔文等［33］(2010)對生物質(zhì)發(fā)電的原材料的收加儲運兩種模式中的4個環(huán)節(jié)(收集、加工、儲藏和運輸)進行了實地實驗研究。針對兩種不同的收加儲運技術路線、運行管理模式、機具配置方案和價格體系進行了綜合分析。劉華財?shù)龋?4］(2011)在秸稈電廠原料收集、運輸、裝卸、預處理和儲存子過程成本計算的基礎上，將原料供應分成5種模式進行成本分析。姜洋［35］(2011)通過文獻分析法從定性和定量兩個角度對生物質(zhì)能源成本問題研究進行了總結(jié)，并提出了運用系統(tǒng)動力學研究方法深入研究生物質(zhì)能源的環(huán)境成本問題的建議。

5 結(jié)束語

本文在介紹3種應用比較廣泛的生物質(zhì)能發(fā)電技術基礎上，深刻剖析了國內(nèi)外生物質(zhì)發(fā)電在技術和經(jīng)濟性上的研究進展，并指出了我國在發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電方面還存在的不足之處。國際市場上原油價格和供應不穩(wěn)定、能源需求持續(xù)增加、常規(guī)能源的使用與氣候變化等可持續(xù)發(fā)展問題始終是國際上討論的熱點話題［36］。因此只有大力發(fā)展包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的可再生能源才是解決我國能源短缺和環(huán)境持續(xù)惡化的可行之策。為了促進我國生物質(zhì)能的開發(fā)和利用，我國頒布的《可再生能源法》在法律上明確了可再生能源在現(xiàn)代能源中的地位，并配套發(fā)布了一系列實施細則，如《可再生能源發(fā)電有關管理規(guī)定》、《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》和《關于發(fā)展生物質(zhì)能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》等。這些政策上的優(yōu)惠和支持將大大地改善生物質(zhì)能發(fā)電的經(jīng)濟性和市場前景。

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