生物質(zhì)發(fā)電及能源化綜合利用

嚴(yán) 鑫 ， 吳明鋒

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001；2.山西意迪光華電力勘測設(shè)計有限公司，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，化石能源的消耗量不斷增長。我國的能源形式日益嚴(yán)峻，石油、煤炭、天然氣等化石燃料依賴進(jìn)口，這不僅對我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展形成制約，還可能引起國家安全等問題。

地球每年接受太陽的輻射能是地球上已知煤、石油、天然氣資源所含能量的10倍，植物通過光合作用可捕捉其中的1%。全球每年生物質(zhì)產(chǎn)量約為1 200億t，是全球每年能源消耗總量的6～10倍。據(jù)統(tǒng)計，生物質(zhì)資源潛力可達(dá)100億t，僅森林、草原和耕地3項產(chǎn)量就達(dá)50億t干生物質(zhì)，相當(dāng)干20億t標(biāo)準(zhǔn)煤。當(dāng)前技術(shù)條件下，僅能利用生物質(zhì)產(chǎn)量的7%。

1 生物質(zhì)能利用的意義

生物質(zhì)是指通過光合作用而形成的各種有機(jī)體，包含所有的動植物和微生物，生物質(zhì)能是以生物質(zhì)為載體的能量。

1.1 有利于緩解能源緊張的局面

自20世紀(jì)70年代的“石油危機(jī)”后，作為可再生能源的生物質(zhì)能源的開發(fā)利用引起了世界各國政府和科學(xué)家的關(guān)注。許多國家都制定和實施了相應(yīng)的開發(fā)研究計劃，如美國的能源農(nóng)場，日本的“陽光計劃”，印度的“綠色能源工程”以及巴西的酒精能源計劃等。發(fā)達(dá)國家和新興國家通過已制定能源技術(shù)路線圖等一系列的能源發(fā)展戰(zhàn)略，在化石能源開采和利用強(qiáng)化的同時，大力開發(fā)可再生能源，減少有害物質(zhì)和溫室氣體排放，以實現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展。近幾年，我國越來越重視可再生能源的開發(fā)利用，頒布了《可再生能源法》，出臺了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了未來我國生物質(zhì)能發(fā)展的主要任務(wù)和發(fā)展目標(biāo)，這為生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了政策保障。

我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源中農(nóng)作物秸稈是主體，可以占到全部生物質(zhì)資源的一半以上，這是我國生物質(zhì)資源的重要特征。我國每年農(nóng)作物秸桿總量約有7.05億t，農(nóng)作物秸稈中稻草、麥秸和玉米秸稈三者之和約占全部農(nóng)作物秸稈的75%。另外，每年尚有農(nóng)業(yè)加工殘余物約為0.84億t，林木資源及林業(yè)加工剩余物約1.58億t，人畜糞便生物質(zhì)資源總量為4.43億噸。城市生活垃圾污水中有機(jī)物約0.56億t[1]。由于種種制約因素，實際可利用生物質(zhì)能的資源量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論數(shù)據(jù)。如果能開發(fā)出生物質(zhì)能高效利用技術(shù)，將會顯著緩解我國所面臨的能源緊張局面[2-3]。

1.2 有利于緩解化石能源消耗帶來的環(huán)境問題

傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中，化石燃料（如石油、煤炭和天然氣）占據(jù)主體地位。化石燃料是遠(yuǎn)古植物利用光合作用固定碳元素后，經(jīng)過億萬年地下復(fù)雜化學(xué)與物理作用而保留下來的。由于化石燃料是在短時間內(nèi)將自身長期形成過程中固定的碳釋放出來，因此超出了自然界固定碳的能力，使之無法完成循環(huán)，并以CO2的形式累積于大氣環(huán)境，進(jìn)而造成溫室效應(yīng)。自然界存在碳循環(huán)，以綠色植物為例如圖1所示。植物通過光合作用將流動的碳（CO2）合成為有機(jī)物固定下來，人們在利用植物獲取能量的過程中又將固定的碳又重新變?yōu)镃O2，從而實現(xiàn)了碳的循環(huán)。如果植物通過光合作用固定CO2的速度和人類社會產(chǎn)生的CO2的速度相互匹配，形成完整循環(huán)，不同形式的碳的分布將會達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，利用生物質(zhì)作為燃料釋放的CO2的量與植物固碳的量相當(dāng)，生物質(zhì)能中碳元素在循環(huán)過程中不會增多也不會減少，變化的只是碳元素的不同存在形式，整個生物質(zhì)能循環(huán)能實現(xiàn)CO2零排放，起到保護(hù)環(huán)境的作用。

圖1 碳循環(huán)示意圖

1.3 有利于解決農(nóng)村的能源問題

我國現(xiàn)有的農(nóng)作物秸稈利用的方式雖然比較多，既可以秸稈還田作為肥料，用作供暖等的熱源，還可用作飼料、工業(yè)原料、食用菌料等，但實際利用過程中存在著不同程度的浪費(fèi)現(xiàn)象。如果這些資源通過合理收集，發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電、生物制肥、壓縮成型燃料等項目，不僅可以減少大氣污染，還可以解決就業(yè)，增加農(nóng)民收入。

2 生物質(zhì)能利用技術(shù)及對比分析

2.1 生物質(zhì)能利用技術(shù)

生物質(zhì)能的利用技術(shù)就是以研發(fā)高效轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能，提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化附加值，最大程度地利用生物質(zhì)中所儲存的能量為目標(biāo)的技術(shù)，最終使生物質(zhì)能成為一種可廣泛采用的高效、環(huán)保的能源形式。

現(xiàn)有的生物質(zhì)能的利用技術(shù)分為固化方式利用，將生物質(zhì)壓縮成型或?qū)⑸镔|(zhì)炭化或者干餾以及生物質(zhì)燃料電池等；直接燃燒方式利用，如直燃爐，混燃爐等；氣化方式利用，如沼氣、氣化爐；液化方式利用，如利用生物質(zhì)制造生物柴油、合成柴油、裂解油、甲醇、乙醇等。

生物質(zhì)是可再生能源中唯一一種可以轉(zhuǎn)換為高品位液體燃料的能源形式。國內(nèi)外針對生物質(zhì)液化方式利用的技術(shù)均比較多。歐洲是生物柴油領(lǐng)先的市場，2010年約占全球生產(chǎn)份額的50%。結(jié)合我國人口眾多，人均耕地面積少的基本國情，對于生物質(zhì)能的利用一般不考慮專門種植生物燃料。因此，農(nóng)作物秸稈是我國生物質(zhì)資源的主體。

2.2 生物質(zhì)燃料特性

秸稈類生物質(zhì)燃料的利用受到地理、氣候、季節(jié)等的影響。秸稈的水分含量高且多變，質(zhì)輕軟，并且收集和存儲難度大。秸稈類生物質(zhì)燃料在送入鍋爐燃燒前需要進(jìn)行干燥、破碎等預(yù)處理環(huán)節(jié)。秸稈含水分過高或者秸稈的顆粒尺寸過大時，秸稈將不能充分燃燒。秸稈燃料的能量密度小，揮發(fā)分高，析出溫度低且析出過程迅速。鍋爐運(yùn)行過程中需要與燃料特性相適應(yīng)。大多數(shù)秸稈類生物質(zhì)富含鉀和氯，燃燒過程中含堿金屬元素的化合物容易析出，當(dāng)這些化合物流動到溫度較低的區(qū)域時，就會在受熱面沉積，粘結(jié)床料顆粒，引起爐膛結(jié)渣和高溫腐蝕等問題。

2.3 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

2.3.1 生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)在原理上與傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)十分相似。是指對生物質(zhì)燃料進(jìn)行必要的預(yù)處理后送入鍋爐中直接進(jìn)行燃燒，將生物質(zhì)儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，釋放出的熱能將鍋爐中的水加熱成合格蒸汽；蒸汽推動汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其基本流程如圖2所示。在北方主要是利用麥秸、玉米秸等秸稈發(fā)電，南方則多以稻草、甘蔗渣為燃料進(jìn)行發(fā)電。秸稈直接燃燒爐排放的灰渣屬于草木灰鉀肥，可直接供農(nóng)戶利用。借鑒傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)的成熟經(jīng)驗，該技術(shù)在眾多的生物質(zhì)利用技術(shù)中最具產(chǎn)業(yè)化前景，已經(jīng)進(jìn)入實際工程推廣階段。

圖2 生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)

2.3.2 生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電技術(shù)是指將生物質(zhì)和煤經(jīng)粉碎等預(yù)處理后按一定比例混合，根據(jù)燃料需求量分配至燃燒器，通過燃燒器送至鍋爐中進(jìn)行燃燒發(fā)電的技術(shù)。混合燃燒可以利用現(xiàn)有的燃煤發(fā)電系統(tǒng)，僅對生物質(zhì)燃料與煤進(jìn)行合理混合即可實現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)。當(dāng)選擇的生物質(zhì)種類以及與煤的混合比例合理時，可減少傳統(tǒng)的污染物和溫室氣體排放。

混合燃燒技術(shù)可以直接利用已有的發(fā)電系統(tǒng)，對于小火電機(jī)組比較有利，尤其是當(dāng)電煤價格比較高的時候，混合燃燒技術(shù)較有優(yōu)勢；但對于煤炭資源豐富的地區(qū)，混合燃燒的技術(shù)優(yōu)勢并不明顯。已有的發(fā)電系統(tǒng)只需根據(jù)生物質(zhì)的燃燒特性對其進(jìn)行必要的改造即可，通過混合燃燒，生物質(zhì)能向電能的轉(zhuǎn)化率高，能保持較高的發(fā)電效率，并可以削減污染物的排放（CO2、SO2、NOX）。混合燃燒發(fā)電工程的建設(shè)周期短，投資成本和操作成本低。

混合燃燒發(fā)電技術(shù)在實際運(yùn)行中還可能出現(xiàn)一些問題。秸稈與煤的混合比例也需控制在合理的范圍。試驗和研究結(jié)果顯示，秸稈與煤混合時，秸稈的熱量配比（秸稈的發(fā)熱量約為煤的50%）應(yīng)小于20%。如果秸稈配比過高時，會造成制粉系統(tǒng)堵塞，影響鍋爐的正常運(yùn)行。秸稈較低的發(fā)熱量也會使混合燃燒鍋爐的效率低于原煤粉爐的效率。秸稈等生物質(zhì)中的堿金屬和氯素含量較高，這會提高鍋爐壁面?zhèn)鳠峁苁幕曳殖练e速度，使得煙氣側(cè)的腐蝕速率加快；生物質(zhì)燃料的燃燒還會改變鍋爐內(nèi)溫度場的分布，影響到鍋爐原有設(shè)計的熱量交換，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鍋爐不能正常運(yùn)行。另外，秸稈燃燒生成的產(chǎn)物與煤燃燒生成的灰分有較大不同，有可能影響脫硫、除塵和脫硝設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.3.3 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化發(fā)電是一種清潔利用生物質(zhì)資源的方式，它幾乎不排放任何有害氣體，實現(xiàn)了生物質(zhì)能的有效、潔凈利用。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)按照燃燒方式的不同可以分為氣化直接燃燒技術(shù)和氣化混合燃燒技術(shù)。

2.3.3.1 生物質(zhì)氣化直接燃燒技術(shù)

生物質(zhì)氣化直接燃燒發(fā)電技術(shù)是把生物質(zhì)原料經(jīng)過預(yù)處理后由送料系統(tǒng)送入氣化爐，生物質(zhì)原料在氣化爐內(nèi)不完全燃燒，發(fā)生氣化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為帶有一定雜質(zhì)的可燃?xì)猓辉跉饣癄t的出口處設(shè)置旋風(fēng)分離器將其中的固體雜質(zhì)去除，如果可燃?xì)庵泻袑﹀仩t運(yùn)行有影響的污染成分，在進(jìn)入鍋爐以前還需要對可燃?xì)膺M(jìn)一步的凈化處理。經(jīng)凈化后將氣體燃料直接送入鍋爐、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒發(fā)電。基本的技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

2.3.3.2 生物質(zhì)氣化混合燃燒技術(shù)

生物質(zhì)氣化混合燃燒發(fā)電技術(shù)是指將生物質(zhì)燃料在氣化爐中轉(zhuǎn)化的可燃?xì)饨?jīng)凈化處理后，再將可燃?xì)馀c煤粉通過不同的燃燒器送入鍋爐，可燃?xì)馀c煤粉在爐膛中共燃，同時釋放熱量，將給水加熱成高溫、高壓蒸汽；蒸汽再經(jīng)汽輪發(fā)電機(jī)對外輸出電能，如圖4所示。這相當(dāng)于用氣化爐替代粉碎設(shè)備，即將氣化過程作為生物質(zhì)燃料的一種預(yù)處理手段。生物質(zhì)氣化混合燃燒發(fā)電技術(shù)同樣可以利用原有的發(fā)電系統(tǒng)，不僅能保持較高發(fā)電效率的優(yōu)點(diǎn)，而且由于送入鍋爐的是合成氣，對原鍋爐燃燒影響較小。氣化爐產(chǎn)生的秸稈灰和鍋爐產(chǎn)生的粉煤灰可以分別利用，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖4 生物質(zhì)氣化與煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)

2.3.3.3 沼氣燃燒發(fā)電技術(shù)

除上述兩種氣化發(fā)電技術(shù)外，沼氣燃燒發(fā)電技術(shù)也比較常見。沼氣是微生物在厭氧、適宜的溫度、濕度、酸堿度等條件下，將生物質(zhì)物料（糞便、雜草、作物、秸稈、污泥、廢水、垃圾等）經(jīng)過分解與轉(zhuǎn)化作用生成的可燃?xì)怏w，其主要成分是甲烷和二氧化碳。其中甲烷含量一般為60%～70%，二氧化碳含量為30%～40%，其熱值為21～25 MJ/m3，屬中等熱值燃料。沼氣是性能較好的燃料，具有無煙、灰少、不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)。

沼氣發(fā)電技術(shù)是將微生物產(chǎn)生的可燃?xì)怏w經(jīng)過凈化處理后送入鍋爐燃燒發(fā)電的技術(shù)。與前述的氣化發(fā)電技術(shù)的區(qū)別在于生物質(zhì)氣化的手段不同。沼氣發(fā)電技術(shù)由于其原料等的限制，裝機(jī)容量較小，一般采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。此外，沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液和沼渣還是很好的有機(jī)肥。

2.4 技術(shù)對比

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)形式較多，但常見的類型主要是直接燃燒技術(shù)、混合燃燒技術(shù)、氣化燃燒技術(shù)。

直接燃燒技術(shù)生產(chǎn)過程比較簡單，可以利用鍋爐直接燃燒生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電，技術(shù)成熟，電站的規(guī)?？梢暂^大，而且電站規(guī)模越大其發(fā)電成本可隨著降低。直接燃燒生產(chǎn)過程中原料的預(yù)處理過程簡單，設(shè)備及運(yùn)行的成本較低。與其他兩種發(fā)電技術(shù)相比，其污染物排放較多，原料相對單一，而且機(jī)組需要針對生物質(zhì)燃料進(jìn)行設(shè)計，這可能使投資費(fèi)用增高。如果利用現(xiàn)有的鍋爐進(jìn)行改造可能是降低投資成本的一個途徑。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)是一種可大規(guī)模推廣的技術(shù)。

直接混合燃燒技術(shù)簡單，使用方便，僅需對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造，可以節(jié)省投資，但是生物質(zhì)與煤粉的混合需要嚴(yán)格處理才能達(dá)到較高的效率，對原系統(tǒng)的影響較大，運(yùn)行較為復(fù)雜。直接混燃技術(shù)相對于流化床鍋爐、爐排爐具有很好的推廣性。

氣化燃燒發(fā)電技術(shù)的污染物排放較低，小規(guī)模效率較高，投資較少；但是生產(chǎn)過程較復(fù)雜，設(shè)備較多且設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用較高，大規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)還不成熟，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。

氣化混合技術(shù)由于增加了氣化設(shè)備，運(yùn)行較為復(fù)雜；但是其通用性要比氣化直接燃燒技術(shù)有優(yōu)勢，與直接混合燃燒相比，對于原系統(tǒng)的影響較小，適用于大規(guī)模的電站。隨著機(jī)組容量的增大，氣化混合技術(shù)生產(chǎn)過程將變得復(fù)雜，其優(yōu)勢還需進(jìn)一步探討。

3 發(fā)展前景

開發(fā)利用清潔可再生能源替代煤炭、石油、天然氣，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)是我國近期的重要任務(wù)，而利用生物質(zhì)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電正是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整最現(xiàn)實、最主要的方向。與小水電、風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電技術(shù)相比，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)具有電能質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)勢。生物質(zhì)發(fā)電是促進(jìn)我國能源多元化，保證能源安全的重要舉措。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)種類較多，可以因地制宜選擇最優(yōu)的技術(shù)進(jìn)行生物質(zhì)能源的高效利用?，F(xiàn)有的生物質(zhì)預(yù)處理、混合燃燒比例控制、燃燒過程中防止結(jié)渣和金屬腐蝕等技術(shù)均有很大的發(fā)展空間。未來，我國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢是建立分布式、綜合化能源系統(tǒng)。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)作為生物質(zhì)資源主要利用方式之一，在我國的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化程度還比較低，但從發(fā)展趨勢來看，生物質(zhì)發(fā)電在未來的電力生產(chǎn)能源供應(yīng)中的地位將顯得越來越重要，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 張燕.生物質(zhì)發(fā)電環(huán)境效益及潛力分析［D］.河南：華北水利水電學(xué)院，2011.

［2］ 駱仲泱，周勁松，王樹榮，等.中國生物質(zhì)能利用技術(shù)評價［J］.中國能源，2004，26（9）：39-41.

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