清潔能源的生物質(zhì)能特性分析與應(yīng)用建議

呂巖巖

上海工業(yè)鍋爐研究所有限公司

0 前言

生物質(zhì)能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油和天然氣。據(jù)查，中國(guó)不含太陽能的清潔能源年資源量為21.5 億tce，其中生物質(zhì)占54.5%。生物質(zhì)原料資源量是水電的2倍，或是風(fēng)電的3.5倍[1]。生物質(zhì)能源的年生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全世界總能源需求量,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都會(huì)產(chǎn)生十幾億噸的農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物，其中無法處理的剩余農(nóng)作物秸稈在田間焚燒的要超過幾億噸，造成了嚴(yán)重的空氣污染和資源浪費(fèi)，若能合理轉(zhuǎn)化利用這些生物質(zhì)能源，將有效緩解能源緊張的問題。生物質(zhì)能源可以散料、壓縮成型固體燃料、沼氣氣化生產(chǎn)燃?xì)?、氣化發(fā)電、生產(chǎn)燃料酒精、熱裂解生產(chǎn)生物柴油等形式存在，應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，通過生物質(zhì)鍋爐合理利用農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的大量生物質(zhì)能源，將會(huì)取得巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 生物質(zhì)能定義

生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存于生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生的碳源[2]。

2 生物質(zhì)資源分類

生物質(zhì)能根據(jù)來源的不同，適合能源利用的可分為農(nóng)作物剩余物、林業(yè)剩余物、能源林、生活污水與工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢棄物及畜禽糞便五大類，用于鍋爐燃燒的主要是前三類[2]。

2.1 農(nóng)作物剩余物

1)農(nóng)作物剩余物種類

農(nóng)作物剩余物包括農(nóng)作物秸桿，其中有玉米秸、麥秸、稻秸、棉秸、豆秸等。

另外，還有農(nóng)作物產(chǎn)品初加工剩余物，其中有玉米芯、稻殼、花生殼等。

2)農(nóng)作物剩余物產(chǎn)量

農(nóng)業(yè)部和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量近年來穩(wěn)定提高，整體呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（見圖1）。2016-2018 年，秸稈產(chǎn)量略有波動(dòng)，但是穩(wěn)定超過11 億 t，2018 年我國(guó)秸稈產(chǎn)量接近11.35 億t。總體來看，我國(guó)秸稈產(chǎn)量巨大，這為生物燃料提供了充足的原材料市場(chǎng)，也為燃料提供了廣闊的發(fā)展空間。

圖1 2012-2018年我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量

3)農(nóng)作物剩余物的用途

農(nóng)作物剩余物可以用來制作纖維板、造紙?jiān)?如玉米秸、麥秸、棉秸等，還可以作為飼料，如玉米秸、豆秸、花生秧、薯滕、稻殼、花生殼等，還可以作為木糖醇、糠醛等華工產(chǎn)品的原料，如玉米芯等，也可還田作為肥料，可作為生活和工業(yè)燃料，如燃生物質(zhì)鍋爐。

我國(guó)農(nóng)作物秸桿的用途比例見圖2，用于肥料化約占47.2%，用于飼料化約占17.99%，用于能源化11.19%，用于原料化2.47%，用于基料化2.23%，未利用的農(nóng)作物秸桿約為18.32%。

圖2 我國(guó)秸稈綜合利用情況

以2018 年農(nóng)作物秸桿產(chǎn)量為例，未利用的農(nóng)作物秸稈量約為2.08 億t，用于鍋爐燃料的秸稈約占 82%。2018 年 10 月，農(nóng)業(yè)部提出：“到 2020 年，全國(guó)秸稈綜合利用率達(dá)到85%以上；力爭(zhēng)到2030年，全國(guó)建立完善的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)用體系，形成布局合理、多元利用的秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化格局，基本實(shí)現(xiàn)全量利用?！眹?guó)家多項(xiàng)政策的頒布，對(duì)于秸稈綜合利用行業(yè)提出了明確的方向和目標(biāo)，也推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。

2.2 林業(yè)剩余物

林業(yè)剩余物是指樹林種植、生長(zhǎng)和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的剩余物及林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物。

我國(guó)森林面積為14 297萬hm2，其中薪炭林面積約 303.44 萬 hm2、灌木林地總面積約 4 529.7 萬hm2、經(jīng)濟(jì)林面積約2 140萬 hm2、竹林484萬 hm2、四旁樹和散生生疏林約230 億株、城市森林園林木折算面積約400萬hm2、每年造林約600萬hm2，森林生物量約180億t，每年可獲得的資源量約9億t，其中可能源化利用的資源約2.97 億t，可用于鍋爐燃料。

如上二種可供鍋爐燃燒的生物質(zhì)有：

2.48 +2.97=5.45(億 t/年)

2.3 能源林

能源林是指以生產(chǎn)生物質(zhì)能源為主要培養(yǎng)目的的林木。以利用林木所含油脂為主，將其轉(zhuǎn)化為生物柴油或其它替代產(chǎn)品的能源林稱為“油料能源林”；以利用木質(zhì)為主，將其轉(zhuǎn)化為固體、液體、氣體燃料或直接發(fā)電的能源林稱為“木質(zhì)能源林”。

木質(zhì)能源林具有一次造林，多次采伐利用的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約有9 億畝未利用地可供種植能源林，其主要分布在新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古、甘肅、云南五省區(qū)。

充分發(fā)展利用能源林，實(shí)行能源林的集約化經(jīng)營(yíng)，將為燃料加工企業(yè)提供更加可靠的木質(zhì)原料，有效地保證生物質(zhì)燃料的穩(wěn)定供給。

3 生物質(zhì)成分分析

生物質(zhì)是由多種可燃質(zhì)、不可燃的無機(jī)礦物質(zhì)及水分混合而成的。生物質(zhì)種類繁多、形狀也各異，不同的生物質(zhì)元素及成分含量不一樣。

3.1 元素成分

生物質(zhì)可燃質(zhì)是多種復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物的混合物，主要由 C、H、O、N、S 等元素組成，C、H、O 是生物質(zhì)的主要成分。在 C、H、O、N、S 五中元素中，占的比例見表1。

3.2 工業(yè)成分

工業(yè)利用好生物質(zhì)能源需要對(duì)其進(jìn)行工業(yè)成分分析與研究。其中，工業(yè)分析見表2[3]。

3.3 生物質(zhì)成型燃料

生物質(zhì)成型燃料是以農(nóng)業(yè)、林業(yè)及其廢料為原料，用機(jī)械加工（如切割、破碎等）、致密成型等技術(shù)，加工成具有一定形狀（多數(shù)為規(guī)則形狀）及尺寸、堆積密度大、利于運(yùn)輸及燃燒的成型燃料。目前，生物質(zhì)燃料的成型化主要有顆粒狀、塊狀、實(shí)心棒狀、空心棒狀等。成型后生物質(zhì)燃料的尺寸一般小于25 mm 直徑，真密度為600～1 400 kg/m3,自然堆積密度為 600 kg/m3，比較適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸。

3.4 生物質(zhì)秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤的對(duì)比

生物質(zhì)秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤的成分對(duì)比見表3。

表1 生物質(zhì)的元素分析

表2 生物質(zhì)的工業(yè)分析

表3 生物質(zhì)秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤、褐煤的對(duì)比

從表3 可以看出，生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)是“三高三低”，即揮發(fā)分、氧、氫的含量高，碳、硫、灰的含量比較低。其燃料中含碳量較少，相當(dāng)于年輕的褐煤，固定碳明顯低于Ⅱ類煙煤。因此，生物質(zhì)燃料熱值低，燃燒時(shí)間短。

4 生物質(zhì)的特性

4.1 能量密度低

生物質(zhì)的分布、自然形狀、尺寸、堆積密度等特性影響生物質(zhì)的收集、運(yùn)輸?shù)萚4]。表4給出玉米秸桿與原煤的特性比較。

從表2 可以看出，生物質(zhì)散料由于能量密度低并且分散，生物質(zhì)的收集與運(yùn)輸是影響生物質(zhì)燃料利用的主要影響因素，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸自然生物質(zhì)燃料不可取，必須要成型化才能有更好的用途。成型后生物質(zhì)燃料的尺寸一般小于25 mm 直徑，真密度為600～1 400 kg/m3,自然堆積密度為600 kg/m3，比較適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸使用。

4.2 灰熔點(diǎn)低

生物質(zhì)燃料中鉀(K)含量高，灰的軟化溫度較低，其灰的軟化溫度在860～900 ℃，在鍋爐設(shè)計(jì)中要考慮到此特點(diǎn)[5]。

4.3 低污染、低排放

生物質(zhì)燃料不同于煤、油及天然氣等化石燃料，根據(jù)第3部分對(duì)生物質(zhì)燃料的元素分析，可以看出生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)是“三高三低”，由于碳、硫、灰的含量比較低，所以生物質(zhì)能是低污染、低排放的燃料，是可再生的清潔型循環(huán)燃料，主要原因如下：

在中考作文評(píng)閱中常常遇到許多作文，語言表達(dá)很深刻，但內(nèi)容與標(biāo)題銜接不緊密，即扣題不嚴(yán)，也就是審題出現(xiàn)失誤。如2010年中考作文《不會(huì)變的是 》，許多學(xué)生是敘述了一件事然后文末強(qiáng)調(diào)“不會(huì)變”，而沒有扣住“變”中“不變”，即事件環(huán)境“變”而人的情感“不變”。

1) 燃燒過程中CO2排放不增加(生長(zhǎng)過程中光合作用吸收CO2，與燃燒過程中排放CO2近于平衡)；

2)生物質(zhì)燃料的S 含量很低，燃燒過程中排放的SO2很低；

3) 低NOx 排放。生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分、氧及氫的含量高，決定了生物質(zhì)燃料易著火，可以實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，減少NOx 的排放。生物質(zhì)的著火溫度在250 ℃左右，而煤在450 ℃左右，因此當(dāng)燃燒溫度在850～950 ℃時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較高的燃燒效率。生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高，著火點(diǎn)低，可以實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，這樣可以大大降低熱力型NOx 的生成，而熱力型NOx 可占總NOx 比重達(dá)95%,所以能控制總體NOx的排放。

5 生物質(zhì)能在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用

生物質(zhì)鍋爐是以生物質(zhì)作為燃料的鍋爐，按照鍋爐用途，生物質(zhì)鍋爐分為生物質(zhì)發(fā)電鍋爐、生物質(zhì)工業(yè)鍋爐及燃燒生物質(zhì)燃料的特種鍋爐三大類。生物質(zhì)發(fā)電鍋爐是指將生物質(zhì)在鍋爐中直接燃燒，生產(chǎn)蒸汽帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)發(fā)電的鍋爐，包括熱電聯(lián)產(chǎn)的生物質(zhì)鍋爐。生物質(zhì)工業(yè)鍋爐是指燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生熱能的鍋爐，按照熱能攜帶介質(zhì)的形式分為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。燃燒生物質(zhì)燃料的特種鍋爐是指熱能攜帶介質(zhì)是非蒸汽和熱水，包括生物質(zhì)熱風(fēng)爐、生物質(zhì)導(dǎo)熱油爐等。

生物質(zhì)鍋爐常見的燃燒方式有層狀燃燒、流化床燃燒、生物質(zhì)氣化后室燃等。

5.1 生物質(zhì)層狀燃燒鍋爐

層狀燃燒是目前生物質(zhì)鍋爐應(yīng)用最為廣泛的一種燃燒方式，層狀燃燒適合破碎后的生物質(zhì)燃料及顆粒成型燃料。生物質(zhì)燃料以一定的厚度鋪設(shè)在爐排上，并以一定的行進(jìn)速度推進(jìn)，在爐排上的生物質(zhì)燃料以確定的區(qū)段燃燒特性完成燃燒進(jìn)程。目前，生物質(zhì)層狀燃燒技術(shù)包括鏈條爐排、往復(fù)爐排、水冷振動(dòng)爐排、小型生物質(zhì)鍋爐采用固定爐排。采用層燃技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能，鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、投資與運(yùn)行費(fèi)用都相對(duì)較低。鍋爐的爐排面積較大，爐排速度可以調(diào)整，并且爐膛容積有足夠的空間，能延長(zhǎng)生物質(zhì)在爐內(nèi)燃燒的停留時(shí)間，沿著爐排上床層的高度及長(zhǎng)度分成不同的燃燒階段，有利于生物質(zhì)燃料的完全燃燒，但層燃鍋爐的爐內(nèi)溫度很高，可以達(dá)到1 000 ℃以上，灰熔點(diǎn)較低的生物質(zhì)燃料很容易結(jié)渣。同時(shí)，鍋爐對(duì)配風(fēng)的要求比較高，難以保證生物質(zhì)燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。目前，國(guó)內(nèi)生物質(zhì)鍋爐的燃燒方式主要采用流化床、聯(lián)合爐排、水冷振動(dòng)爐排，部分容量35 t/h 以下的發(fā)電鍋爐采用鏈條爐排、往復(fù)爐排[7]。

5.2 生物質(zhì)流化床燃燒鍋爐

流化床燃燒是指燃料在流化床內(nèi)處于流化狀態(tài)進(jìn)行燃燒反應(yīng)和熱交換。對(duì)于水分含量比較高的生物質(zhì)燃料，適合采用流化床技術(shù)，利用砂子、高鋁磚屑或爐渣等作為流化介質(zhì)，形成蓄熱量大、溫度高的床層，為高水分的生物質(zhì)燃料提供適宜的燃燒條件。床層劇烈的傳熱過程以及燃料可以在床內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留，有利于生物質(zhì)的完全燃燒，提高燃燒效率。流化床對(duì)燃料的粒度有較嚴(yán)格要求，因此需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行破碎等預(yù)處理，以保證生物質(zhì)燃料的正常流化[8]。

目前，運(yùn)行的流化床生物質(zhì)鍋爐參數(shù)基本是中溫中壓或次高溫次高壓，今后會(huì)逐步向高參數(shù)方向發(fā)展，這是鍋爐發(fā)展的必然趨勢(shì)，因?yàn)樘岣哒羝麉?shù)是提高發(fā)電效率的最有效途徑。目前，生物質(zhì)流化床燃燒鍋爐隨著生物質(zhì)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)中飛灰聚團(tuán)和高溫腐蝕兩大技術(shù)難題在實(shí)踐中不斷克服，已具備了高溫高壓循環(huán)流化床秸稈鍋爐技術(shù)條件，即將進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

5.3 生物質(zhì)氣化后室燃鍋爐

生物質(zhì)氣化是在一定的熱力學(xué)條件下，借助于空氣部分(或者氧氣)、水蒸氣的作用，使生物質(zhì)的高聚物發(fā)生熱解、氧化、還原重整反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為H2、CO 和CH4等低分子烴類可燃?xì)怏w的過程。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)(BGPG)可以在較小的規(guī)模下實(shí)現(xiàn)較高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特別適合于農(nóng)村、發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)。我國(guó)對(duì)各種氣化方式都有研究，已完成了多種氣化爐的研制，目前研究完成并正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要有三種，即敞口下吸式、下吸式及循環(huán)流化床，發(fā)電功率可以從幾千瓦到幾千千瓦，這為氣化發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件。

氣化后的燃?xì)庑杞?jīng)凈化處理后才能用于發(fā)電或供熱，燃?xì)鈨艋ǔ龎m、除灰和除焦油等過程。氣體凈化是中國(guó)生物質(zhì)氣化最薄弱的環(huán)節(jié)，目前都采用水洗的辦法，既降低系統(tǒng)效率，又產(chǎn)生含焦油的污水，所以是今后研究的主要課題。按現(xiàn)在的技術(shù)看來，進(jìn)行焦油裂解減少焦油和水處理使廢水循環(huán)使用是氣體凈化的兩個(gè)關(guān)鍵問題。目前，生物質(zhì)氣化的焦油問題由于仍未解決，為避免二次污染，必須投入資金建設(shè)污水處理設(shè)備，對(duì)不同的系統(tǒng)處理污水的投入不同，來說，功率越小，比例越大，這也是小功率BGPG 難以推廣的主要原因，而且由于污水處理占地較大，很多用戶為了節(jié)省投入和降低運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)污水不進(jìn)行處理，引起環(huán)境問題。

由于能量密度低并且分散，生物質(zhì)的收集與運(yùn)輸是生物質(zhì)成本的主要部分，而生物質(zhì)的預(yù)處理必須增加相應(yīng)的設(shè)備和投資，這兩部分都會(huì)增加生物質(zhì)氣化發(fā)電的運(yùn)行成本。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)(BGPG)可以在較小的規(guī)模下實(shí)現(xiàn)較高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特別適合于農(nóng)村、發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)，所以是利用生物質(zhì)的一種重要技術(shù)，是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

6 生物質(zhì)能利用的意見和建議

生物質(zhì)能在國(guó)際上被稱為CO2零排放，也稱為碳中性[6]。生物質(zhì)燃料在燃燒過程中排放的CO2是植物生長(zhǎng)期所吸收的，不增加大氣的CO2總量。燃燒過程中排放的SO2很低，并且低NOx 排放，能滿足當(dāng)前國(guó)家的環(huán)保要求，因此生物質(zhì)能源有很大的發(fā)展空間。本文對(duì)生物質(zhì)能作為鍋爐燃料提供以下意見和建議：

1）生物質(zhì)燃料多種多樣，只要適合燃燒，對(duì)大型鍋爐，只要做好尾部的顆粒物的凈化工作，也可以考慮散料燃燒。

2）生物質(zhì)成型燃料適合運(yùn)輸、儲(chǔ)存，燃燒效果也好，但成型燃料制作過程需要消耗能源，成本高，適合小型鍋爐使用。

3）生物氣化爐，總體效果不理想，焦油較難處理，多數(shù)是前置爐膛直燃，高溫?zé)煔膺M(jìn)鍋爐，有待進(jìn)一步規(guī)范與提高。

4）生物質(zhì)種類復(fù)雜，不同種類生物質(zhì)之間形態(tài)、組分、物性和燃燒性能各不相同，因此需要根據(jù)不同種類生物質(zhì)燃料的燃燒特性選擇不同的燃燒技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備。

5）生物質(zhì)燃料本是清潔燃料，不管散料還是成型燃料，只要能燃燒，均可因料、因地給予支持，不能從表面上理解氣化燃燒就符合環(huán)保要求，固體燃燒就不符合環(huán)保要求，同時(shí)對(duì)生物質(zhì)燃料管理及設(shè)計(jì)、使用等有待進(jìn)一步規(guī)范。

6）保證生物質(zhì)能原料供應(yīng)。加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)資源的管理，科學(xué)規(guī)劃，優(yōu)化布局，促進(jìn)建立健全生物質(zhì)燃料的收集、預(yù)處理和配送體系，通過發(fā)展科學(xué)的能源農(nóng)業(yè)，形成持續(xù)不斷、高質(zhì)量、低成本的原料供應(yīng)體系。

7）生物質(zhì)燃料與鍋爐實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換，應(yīng)從系統(tǒng)總體考慮環(huán)保與節(jié)能。只從燃料、鍋爐或環(huán)保設(shè)備單方面考慮，不利于生物質(zhì)能源的開發(fā)與提高，一定要結(jié)合自身生物質(zhì)原料的特點(diǎn)，制定出合理的、符合當(dāng)?shù)貤l件的發(fā)展模式。