竹廢料用于分布式生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展前景

周承杰 張 旺

(宜賓市啟迪竹創(chuàng)園科技有限公司 四川宜賓644000)

中國(guó)是全球竹資源最豐富的國(guó)家。 近年來(lái)，中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速， 竹材消耗量逐年上升， 同時(shí)產(chǎn)生了越來(lái)越多的竹廢料沒(méi)有得到有效的利用。 與其他植物相比， 竹類植物具有品種多、 生長(zhǎng)速度快、 再生能力強(qiáng)、 一次造林成功即可持續(xù)利用等特點(diǎn)。 竹材的熱值明顯高于常見(jiàn)草本植物和農(nóng)作物秸稈， 是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料。 在當(dāng)前全球面臨著能源短缺和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下， 大力開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。 竹材作為生物能源產(chǎn)業(yè)的新原料， 必將成為當(dāng)?shù)刂癞a(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長(zhǎng)點(diǎn)和帶動(dòng)當(dāng)?shù)孛撠氈赂坏男峦緩健?/p>

1 生物質(zhì)能源發(fā)展前景

1.1 生物質(zhì)能是新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分

生物質(zhì)是地球上存在最廣泛的物質(zhì)， 具有取之不盡、 用之不竭的優(yōu)勢(shì)。 生物質(zhì)能源是重要的可再生能源， 具有高效、 低碳、 節(jié)能、 惠農(nóng)等優(yōu)點(diǎn)， 是除石油、 煤炭、 天然氣之后的第4 大能源， 在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。 隨著全球變暖趨勢(shì)加劇、環(huán)境保護(hù)壓力增加和化石能源日益匱乏， 可再生能源發(fā)電將逐步替代不可再生能源發(fā)電， 成為人類社會(huì)發(fā)展所依賴的主要能源。 將生物質(zhì)原料用于發(fā)電也是目前生物質(zhì)能源應(yīng)用中最普遍、 最有效的方式之一， 在減少碳排放、 改善能源供需、 保護(hù)生態(tài)環(huán)境、 增加農(nóng)民收入等方面發(fā)揮著重要作用， 是國(guó)家發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

1.2 生物質(zhì)發(fā)電是節(jié)能減排重要手段

自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)， 生物質(zhì)發(fā)電成為我國(guó)控制碳排放的主要手段， 對(duì)生物質(zhì)電站的建設(shè)越來(lái)越重視。 特別是近年來(lái)， 國(guó)家越來(lái)越注重低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 將生物質(zhì)能的綜合利用作為新能源開(kāi)發(fā)的重要途徑， 加大了對(duì)生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)的政策支持和資金投入。 隨著《中華人民共和國(guó)可再生能源法》 和相關(guān)能源電價(jià)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)和實(shí)施， 吸引了大量資本流入生物質(zhì)能源行業(yè)。 但相對(duì)于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的生物質(zhì)發(fā)電利用水平和在能源中的占比， 我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走， 具有廣闊的市場(chǎng)空間。

1.3 生物質(zhì)發(fā)電有利于降低農(nóng)村和農(nóng)業(yè)污染

相比石油化工燃料， 生物質(zhì)資源種類繁多、 儲(chǔ)藏量巨大、 廣泛分布。 其主要有竹木廢料、 農(nóng)林秸稈廢棄物、 牲畜糞便、 能源植物、 城市垃圾等， 目前生物質(zhì)發(fā)電是大規(guī)模處理農(nóng)林廢棄物的有效方式。 生物質(zhì)發(fā)電有2 大好處： 首先， 秸稈熱值高， 平均值約為1.5 萬(wàn)kJ/kg， 相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%， 可以有效替代煤電， 加快改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)； 其次， 生物質(zhì)發(fā)電環(huán)保， 可以有效避免農(nóng)民焚燒秸稈造成的嚴(yán)重空氣污染， 發(fā)電過(guò)程中的一氧化碳排放量為零、 硫氧化物僅為46 mg/m3、 煙塵少于127 mg/m3， 均遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)對(duì)農(nóng)林廢棄物發(fā)電采用了“以能源補(bǔ)貼為主、 輔以環(huán)境效益補(bǔ)助(綜合利用稅收優(yōu)惠)、 并允許其無(wú)限制電量上網(wǎng)” 的鼓勵(lì)機(jī)制。 如果能在農(nóng)村地區(qū)廣泛開(kāi)展直燃秸稈電站建設(shè)， 對(duì)廣大農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和資源環(huán)境保護(hù)意義重大。

2 竹材作為生物質(zhì)能原料的優(yōu)勢(shì)

2.1 竹資源豐富， 產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)

中國(guó)是全球主要的產(chǎn)竹國(guó)， 是竹資源最豐富的國(guó)家， 享有“竹子王國(guó)” 之譽(yù)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 中國(guó)有竹類植物39 屬500 多種， 分布廣泛， 以珠江流域和長(zhǎng)江流域最多； 全國(guó)16 個(gè)主要產(chǎn)竹省(區(qū)) 的竹林面積約672.73 萬(wàn)hm2， 占全世界竹林總面積的21%， 占全國(guó)土地總面積的0.70%， 占森林面積的3.48%[1]。

自20 世紀(jì)末起， 中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，竹產(chǎn)品類型日益豐富， 除傳統(tǒng)的竹筍、 竹材、 竹工藝品和竹漿造紙外， 竹纖維紡織、 竹提取物制藥等新興產(chǎn)品已進(jìn)入日常生活中。 同時(shí)， 竹產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展也拉動(dòng)了下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化， 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)竹產(chǎn)品的需求日益加大， 竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很大的空間。

中國(guó)目前約有6 000 萬(wàn)人直接從事竹產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)， 其中從事加工商貿(mào)的有755 萬(wàn)人， 竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的省份有浙江、 福建、 江西、 四川、 湖南等， 產(chǎn)業(yè)特色比較明顯的縣市有浙江安吉、 龍游，福建南平、 三明， 湖南桃江， 江西宜春， 四川宜賓等地。 中國(guó)已開(kāi)發(fā)出竹家具、 竹建材、 竹類生活用品、 竹纖維制品、 竹炭和竹醋液、 竹食品、 竹景觀等10 大類幾千個(gè)品種的竹產(chǎn)品[2]。

2.2 竹材是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能原料

與其他植物相比， 竹類植物具有品種多、 生長(zhǎng)速度快、 再生能力強(qiáng)、 一次造林成功即可持續(xù)利用等特點(diǎn)。 研究表明， 竹材的平均燃燒熱值達(dá)19 331.26 kJ/kg， 其中毛竹熱值為18 996.60 kJ/kg，明顯高于常見(jiàn)的草本植物和農(nóng)作物秸稈， 是生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料[3]。 而且， 以竹類為原料發(fā)電還具有相對(duì)農(nóng)作物秸稈組成更簡(jiǎn)單、 熱值更穩(wěn)定、 對(duì)環(huán)境污染更低等優(yōu)點(diǎn)。

目前， 我國(guó)在竹材加工環(huán)節(jié)的利用率較低， 不足40%， 形成了大量的加工廢料， 從而為生物質(zhì)能源提供了優(yōu)質(zhì)原料。 同時(shí)， 竹種的多樣性和豐富的竹林資源為竹材用于生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的物質(zhì)保證[3]。

以四川主要竹產(chǎn)區(qū)宜賓市為例， 楠竹材、 雜竹材、 竹筍的采集量分別僅占可采集量的41.0%、36.2%、 35.3%， 有大量竹資源閑置， 無(wú)人砍伐，利用不充分。 2017 年宜賓市有竹片加工廠132 家，合計(jì)產(chǎn)能90 萬(wàn)t， 每天消耗竹材約2 500 t[4]。 竹材生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中約有60%為加工剩余物， 隨著國(guó)內(nèi)竹產(chǎn)業(yè)的快速增長(zhǎng)， 這部分廢料數(shù)量也越來(lái)越龐大。竹材資源全方位綜合利用必須有效利用這些竹廢料。因此， 拓展竹材作為生物能源產(chǎn)業(yè)的新原料， 也成為當(dāng)?shù)刂癞a(chǎn)業(yè)發(fā)展的增長(zhǎng)點(diǎn)和帶動(dòng)當(dāng)?shù)孛撠氈赂坏男峦緩健?/p>

2.3 竹產(chǎn)業(yè)集中區(qū)發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電具有成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)

1) 減少運(yùn)輸成本， 提高生物質(zhì)電廠效益。 可就近收集竹林砍伐階段的旁支、 筍殼、 自然枯死的竹材等廢料加工成生物質(zhì)顆粒， 收集竹材加工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類廢料。 生物質(zhì)發(fā)電的成本主要源于原材料的成本， 而原材料的運(yùn)輸成本在其中占很大比例。 所以， 降低原料的運(yùn)輸距離， 是提高生物質(zhì)電廠效益的有效途徑。

2) 污染物排放少， 發(fā)電成本低。 竹廢料的熱值高于多數(shù)草本植物和農(nóng)作物秸稈。 竹廢料燃燒后的灰分含鉀較高可以直接回田作為肥料， 也可出售給農(nóng)肥加工企業(yè)。 相比現(xiàn)有的垃圾發(fā)電排放的污染物更少， 發(fā)電成本更低。

3) 減少環(huán)境污染。 在竹產(chǎn)業(yè)集中區(qū)域建設(shè)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目可以為周邊的加工企業(yè)提供供電和供熱服務(wù)， 也可以吸收消化周邊村莊的其他農(nóng)林廢料， 解決秸稈散亂焚燒污染環(huán)境的問(wèn)題。

3 生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1 傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目能源利用率低， 占地面積大， 裝機(jī)容量較大， 設(shè)備投資巨大， 往往電站周邊的生物質(zhì)原料不能滿足生產(chǎn)， 需要從較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸生物質(zhì)原料， 這也是目前傳統(tǒng)的生物質(zhì)發(fā)電電價(jià)較高的重要原因。

1) 原材料成本高。 相比風(fēng)能、 光能直接獲取利用的便利性， 生物質(zhì)能其原料不能直接利用， 需要再次加工轉(zhuǎn)化。 在生物質(zhì)原料的獲取和加工過(guò)程中需要額外投入人力和物力， 導(dǎo)致原料成本較高。

2) 單位造價(jià)高。 傳統(tǒng)的生物質(zhì)電站的特點(diǎn)決定了其項(xiàng)目投資巨大和建設(shè)周期長(zhǎng)。 目前單位千瓦投資超過(guò)1 萬(wàn)元以上， 首個(gè)投產(chǎn)的國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目——國(guó)能單縣項(xiàng)目單位千瓦造價(jià)高達(dá)1.3 萬(wàn)元。

3) 原料距離遠(yuǎn)， 物流成本高。 與傳統(tǒng)工業(yè)原料不同， 生物質(zhì)原料除了購(gòu)買成本外， 原材料分散在農(nóng)村的千家萬(wàn)戶， 加工、 儲(chǔ)運(yùn)和損耗成本占燃料總成本的比重較大。 以秸稈發(fā)電為例， 經(jīng)濟(jì)收購(gòu)半徑不宜超過(guò)50 km， 否則在遠(yuǎn)距離收購(gòu)過(guò)程中車損、 燃油及人力消耗會(huì)大大增加原料成本。 另外， 目前尚未形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈， 缺少專業(yè)的原材料收購(gòu)和運(yùn)輸從業(yè)人員。 生物質(zhì)電站的大部分原材料是定點(diǎn)收購(gòu)， 少部分是直接向分散的農(nóng)戶收購(gòu)[5]。

3.2 竹廢料用于生物質(zhì)發(fā)電的現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)90 年代， 直燃式生物質(zhì)項(xiàng)目在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家備受推崇。 在丹麥和瑞典等歐洲國(guó)家，以生物質(zhì)為燃料的小型熱電聯(lián)產(chǎn)已成為重要的發(fā)電和供熱方式， 但歐美國(guó)家竹資源并不豐富， 所使用的生物質(zhì)原料多為農(nóng)作物秸稈和果木枝等原料。 巴西、 印度和部分東南亞國(guó)家， 根據(jù)氣候條件和自身情況使用甘蔗渣、 稻殼、 棕櫚殼等為燃料發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電[6]。 非洲地區(qū)竹資源豐富， 加納和埃塞俄比亞將竹類資源作為可再生能源的重要部分， 這2 個(gè)國(guó)家竹產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了非洲其他國(guó)家對(duì)竹類生物質(zhì)燃料的投資和開(kāi)發(fā)[6]。 但目前尚未有建成使用竹廢料為生物質(zhì)原料的分布式熱電聯(lián)供發(fā)電站。

目前我國(guó)建成的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目多數(shù)以農(nóng)作物秸稈、 果木等為原材料， 主要集中在水稻、 小麥、 花生等農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)。 由于發(fā)電設(shè)備技術(shù)沒(méi)有新的突破，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模都較大， 生物質(zhì)原料需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸供給， 導(dǎo)致生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)推廣較慢， 也無(wú)使用竹廢料用于分布式熱電聯(lián)供。

4 生物質(zhì)發(fā)電新技術(shù)的研發(fā)

為了解決目前生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目存在的弊端， 啟迪控股旗下公司研發(fā)了一種直燃式熱氣機(jī)。 該熱氣機(jī)可依靠燃燒農(nóng)林廢料和竹林廢棄物等釋放的熱量直接發(fā)電， 適用于村鎮(zhèn)級(jí)的分布式熱電聯(lián)供能源站的建設(shè)， 為打造村級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)支持。

熱氣機(jī)原理及結(jié)構(gòu)基于美國(guó)NASA 自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1)， 主要參數(shù)見(jiàn)表1。 該機(jī)型有效降低了氣體泄漏率， 大幅降低了制造難度和制造成本。 目前已擁有包括活塞制造工藝、 動(dòng)密封技術(shù)、 多缸非均勻加熱的穩(wěn)定輸出等多項(xiàng)核心技術(shù)專利。 設(shè)備經(jīng)過(guò)2 000 h 不間斷運(yùn)行， 性能穩(wěn)定可靠。

圖1 10 千瓦級(jí)清潔熱氣機(jī)

表1 熱氣機(jī)技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

4.1 技術(shù)攻關(guān)

直燃式熱氣機(jī)(斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)) 攻克了以下技術(shù)難點(diǎn)：

1) 發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)。 為保證發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出， 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性要求十分苛刻。

2) 活塞制造工藝。 為提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率， 需要讓活塞在28 MPa 的高壓下盡可能做到輕量化， 活塞一般為因科鎳合金制造的多孔介質(zhì)材料， 制造工藝復(fù)雜。

3) 燃燒工藝。 由于燃燒過(guò)程不可控， 造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸表面溫度分布極不均勻， 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸缸壓不平均， 影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率和壽命。

4) 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和調(diào)試工藝。 裝配和調(diào)試工藝直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)， 是發(fā)動(dòng)機(jī)制造的核心技術(shù)，需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累才能掌握。

4.2 直燃式熱氣機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1) 成本低。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 零件數(shù)量比其他發(fā)動(dòng)機(jī)減少了60%， 采用模塊化設(shè)計(jì)， 大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本， 比同類產(chǎn)品制造成本下降50%。

2) 壽命長(zhǎng)。 活塞和氣缸有0.2 mm 的氣隙， 避免氣缸和活塞之間的摩擦， 延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。

3) 可靠性高。 多缸聯(lián)動(dòng)技術(shù)可以確保缸體受熱不均勻時(shí)各氣缸內(nèi)缸壓相同， 提高了設(shè)備可靠性。

4) 效率高。 活塞輕量化設(shè)計(jì)， 活塞質(zhì)量減輕80%， 提升了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

4.3 行業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

直燃式熱氣機(jī)應(yīng)用與生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)， 區(qū)別于大型汽輪機(jī)組， 可實(shí)現(xiàn)100 千瓦級(jí)的小規(guī)模發(fā)電，從而大幅降低燃料運(yùn)輸成本， 降低電站運(yùn)維費(fèi)用，因?yàn)槿剂铣杀久孔兓?0%， 運(yùn)維成本即變化15%；且無(wú)需水源， 對(duì)場(chǎng)地要求低， 特別適合于沙漠干旱地區(qū)或者生物質(zhì)原料集中地區(qū)做分布式生物質(zhì)電站。

5 小結(jié)

在竹產(chǎn)區(qū)建設(shè)分布式熱電聯(lián)供能源站， 不僅可以收集處理周邊竹加工企業(yè)產(chǎn)生的竹廢料， 還能通過(guò)燃燒竹廢料為竹加工企業(yè)提供生產(chǎn)所需的電能和蒸汽。 直燃式熱氣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用能夠避免傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電中的原料運(yùn)輸成本較高的問(wèn)題， 將竹廢料變廢為寶轉(zhuǎn)化為清潔能源。 此外， 一個(gè)分布式電站的運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)需要多名具有一定相關(guān)知識(shí)或?qū)W習(xí)能力的勞動(dòng)力， 可以為當(dāng)?shù)赝宋檐娙恕??？茖W(xué)校畢業(yè)生等提供新的工作機(jī)會(huì)。 在產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中， 能源轉(zhuǎn)型類項(xiàng)目的應(yīng)用和推廣將有效地吸納就業(yè)， 特別是農(nóng)村人口、 退伍軍人等重點(diǎn)群體； 在資源綜合利用、低碳減排等生態(tài)方面， 更是做到了充分的實(shí)踐和引領(lǐng)作用， 有利于推動(dòng)區(qū)域竹產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展， 帶動(dòng)當(dāng)?shù)刂褶r(nóng)增收致富。