生物质发电及能源化综合利用

严 鑫 ， 吴明锋

（1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001；2.山西意迪光华电力勘测设计有限公司，山西 太原 030001；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

能源是经济社会发展的基础，随着经济社会的发展，化石能源的消耗量不断增长。我国的能源形式日益严峻，石油、煤炭、天然气等化石燃料依赖进口，这不仅对我国的经济社会发展形成制约，还可能引起国家安全等问题。

地球每年接受太阳的辐射能是地球上已知煤、石油、天然气资源所含能量的10倍，植物通过光合作用可捕捉其中的1%。全球每年生物质产量约为1 200亿t，是全球每年能源消耗总量的6～10倍。据统计，生物质资源潜力可达100亿t，仅森林、草原和耕地3项产量就达50亿t干生物质，相当干20亿t标准煤。当前技术条件下，仅能利用生物质产量的7%。

1 生物质能利用的意义

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包含所有的动植物和微生物，生物质能是以生物质为载体的能量。

1.1 有利于缓解能源紧张的局面

自20世纪70年代的“石油危机”后，作为可再生能源的生物质能源的开发利用引起了世界各国政府和科学家的关注。许多国家都制定和实施了相应的开发研究计划，如美国的能源农场，日本的“阳光计划”，印度的“绿色能源工程”以及巴西的酒精能源计划等。发达国家和新兴国家通过已制定能源技术路线图等一系列的能源发展战略，在化石能源开采和利用强化的同时，大力开发可再生能源，减少有害物质和温室气体排放，以实现低碳、清洁发展。近几年，我国越来越重视可再生能源的开发利用，颁布了《可再生能源法》，出台了《可再生能源中长期发展规划》，提出了未来我国生物质能发展的主要任务和发展目标，这为生物质能发电技术的发展提供了政策保障。

我国是农业大国，生物质资源中农作物秸秆是主体，可以占到全部生物质资源的一半以上，这是我国生物质资源的重要特征。我国每年农作物秸杆总量约有7.05亿t，农作物秸秆中稻草、麦秸和玉米秸秆三者之和约占全部农作物秸秆的75%。另外，每年尚有农业加工残余物约为0.84亿t，林木资源及林业加工剩余物约1.58亿t，人畜粪便生物质资源总量为4.43亿吨。城市生活垃圾污水中有机物约0.56亿t[1]。由于种种制约因素，实际可利用生物质能的资源量要远远小于理论数据。如果能开发出生物质能高效利用技术，将会显著缓解我国所面临的能源紧张局面[2-3]。

1.2 有利于缓解化石能源消耗带来的环境问题

传统能源结构中，化石燃料（如石油、煤炭和天然气）占据主体地位。化石燃料是远古植物利用光合作用固定碳元素后，经过亿万年地下复杂化学与物理作用而保留下来的。由于化石燃料是在短时间内将自身长期形成过程中固定的碳释放出来，因此超出了自然界固定碳的能力，使之无法完成循环，并以CO2的形式累积于大气环境，进而造成温室效应。自然界存在碳循环，以绿色植物为例如图1所示。植物通过光合作用将流动的碳（CO2）合成为有机物固定下来，人们在利用植物获取能量的过程中又将固定的碳又重新变为CO2，从而实现了碳的循环。如果植物通过光合作用固定CO2的速度和人类社会产生的CO2的速度相互匹配，形成完整循环，不同形式的碳的分布将会达到平衡状态。因此，利用生物质作为燃料释放的CO2的量与植物固碳的量相当，生物质能中碳元素在循环过程中不会增多也不会减少，变化的只是碳元素的不同存在形式，整个生物质能循环能实现CO2零排放，起到保护环境的作用。

图1 碳循环示意图

1.3 有利于解决农村的能源问题

我国现有的农作物秸秆利用的方式虽然比较多，既可以秸秆还田作为肥料，用作供暖等的热源，还可用作饲料、工业原料、食用菌料等，但实际利用过程中存在着不同程度的浪费现象。如果这些资源通过合理收集，发展生物质发电、生物制肥、压缩成型燃料等项目，不仅可以减少大气污染，还可以解决就业，增加农民收入。

2 生物质能利用技术及对比分析

2.1 生物质能利用技术

生物质能的利用技术就是以研发高效转化生物质能，提高生物质转化附加值，最大程度地利用生物质中所储存的能量为目标的技术，最终使生物质能成为一种可广泛采用的高效、环保的能源形式。

现有的生物质能的利用技术分为固化方式利用，将生物质压缩成型或将生物质炭化或者干馏以及生物质燃料电池等；直接燃烧方式利用，如直燃炉，混燃炉等；气化方式利用，如沼气、气化炉；液化方式利用，如利用生物质制造生物柴油、合成柴油、裂解油、甲醇、乙醇等。

生物质是可再生能源中唯一一种可以转换为高品位液体燃料的能源形式。国内外针对生物质液化方式利用的技术均比较多。欧洲是生物柴油领先的市场，2010年约占全球生产份额的50%。结合我国人口众多，人均耕地面积少的基本国情，对于生物质能的利用一般不考虑专门种植生物燃料。因此，农作物秸秆是我国生物质资源的主体。

2.2 生物质燃料特性

秸秆类生物质燃料的利用受到地理、气候、季节等的影响。秸秆的水分含量高且多变，质轻软，并且收集和存储难度大。秸秆类生物质燃料在送入锅炉燃烧前需要进行干燥、破碎等预处理环节。秸秆含水分过高或者秸秆的颗粒尺寸过大时，秸秆将不能充分燃烧。秸秆燃料的能量密度小，挥发分高，析出温度低且析出过程迅速。锅炉运行过程中需要与燃料特性相适应。大多数秸秆类生物质富含钾和氯，燃烧过程中含碱金属元素的化合物容易析出，当这些化合物流动到温度较低的区域时，就会在受热面沉积，粘结床料颗粒，引起炉膛结渣和高温腐蚀等问题。

2.3 生物质发电技术

2.3.1 生物质直接燃烧发电技术

生物质直接燃烧发电技术在原理上与传统火力发电技术十分相似。是指对生物质燃料进行必要的预处理后送入锅炉中直接进行燃烧，将生物质储存的化学能转化为热能，释放出的热能将锅炉中的水加热成合格蒸汽；蒸汽推动汽轮机将热能转化为机械能，汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能，其基本流程如图2所示。在北方主要是利用麦秸、玉米秸等秸秆发电，南方则多以稻草、甘蔗渣为燃料进行发电。秸秆直接燃烧炉排放的灰渣属于草木灰钾肥，可直接供农户利用。借鉴传统火力发电技术的成熟经验，该技术在众多的生物质利用技术中最具产业化前景，已经进入实际工程推广阶段。

图2 生物质直接燃烧发电技术

2.3.2 生物质混合燃烧发电技术

生物质混合燃烧发电技术是指将生物质和煤经粉碎等预处理后按一定比例混合，根据燃料需求量分配至燃烧器，通过燃烧器送至锅炉中进行燃烧发电的技术。混合燃烧可以利用现有的燃煤发电系统，仅对生物质燃料与煤进行合理混合即可实现发电的技术。当选择的生物质种类以及与煤的混合比例合理时，可减少传统的污染物和温室气体排放。

混合燃烧技术可以直接利用已有的发电系统，对于小火电机组比较有利，尤其是当电煤价格比较高的时候，混合燃烧技术较有优势；但对于煤炭资源丰富的地区，混合燃烧的技术优势并不明显。已有的发电系统只需根据生物质的燃烧特性对其进行必要的改造即可，通过混合燃烧，生物质能向电能的转化率高，能保持较高的发电效率，并可以削减污染物的排放（CO2、SO2、NOX）。混合燃烧发电工程的建设周期短，投资成本和操作成本低。

混合燃烧发电技术在实际运行中还可能出现一些问题。秸秆与煤的混合比例也需控制在合理的范围。试验和研究结果显示，秸秆与煤混合时，秸秆的热量配比（秸秆的发热量约为煤的50%）应小于20%。如果秸秆配比过高时，会造成制粉系统堵塞，影响锅炉的正常运行。秸秆较低的发热量也会使混合燃烧锅炉的效率低于原煤粉炉的效率。秸秆等生物质中的碱金属和氯素含量较高，这会提高锅炉壁面传热管束的灰分沉积速度，使得烟气侧的腐蚀速率加快；生物质燃料的燃烧还会改变锅炉内温度场的分布，影响到锅炉原有设计的热量交换，严重时会导致锅炉不能正常运行。另外，秸秆燃烧生成的产物与煤燃烧生成的灰分有较大不同，有可能影响脱硫、除尘和脱硝设备的正常运行。

2.3.3 生物质气化发电技术

生物质气化发电是一种清洁利用生物质资源的方式，它几乎不排放任何有害气体，实现了生物质能的有效、洁净利用。生物质气化发电技术按照燃烧方式的不同可以分为气化直接燃烧技术和气化混合燃烧技术。

2.3.3.1 生物质气化直接燃烧技术

生物质气化直接燃烧发电技术是把生物质原料经过预处理后由送料系统送入气化炉，生物质原料在气化炉内不完全燃烧，发生气化反应，转化为带有一定杂质的可燃气；在气化炉的出口处设置旋风分离器将其中的固体杂质去除，如果可燃气中含有对锅炉运行有影响的污染成分，在进入锅炉以前还需要对可燃气进一步的净化处理。经净化后将气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机或者燃气轮机中燃烧发电。基本的技术流程如图3所示。

图3 生物质气化发电技术

2.3.3.2 生物质气化混合燃烧技术

生物质气化混合燃烧发电技术是指将生物质燃料在气化炉中转化的可燃气经净化处理后，再将可燃气与煤粉通过不同的燃烧器送入锅炉，可燃气与煤粉在炉膛中共燃，同时释放热量，将给水加热成高温、高压蒸汽；蒸汽再经汽轮发电机对外输出电能，如图4所示。这相当于用气化炉替代粉碎设备，即将气化过程作为生物质燃料的一种预处理手段。生物质气化混合燃烧发电技术同样可以利用原有的发电系统，不仅能保持较高发电效率的优点，而且由于送入锅炉的是合成气，对原锅炉燃烧影响较小。气化炉产生的秸秆灰和锅炉产生的粉煤灰可以分别利用，提高了系统的经济性。

图4 生物质气化与煤混合燃烧发电技术

2.3.3.3 沼气燃烧发电技术

除上述两种气化发电技术外，沼气燃烧发电技术也比较常见。沼气是微生物在厌氧、适宜的温度、湿度、酸碱度等条件下，将生物质物料（粪便、杂草、作物、秸秆、污泥、废水、垃圾等）经过分解与转化作用生成的可燃气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳。其中甲烷含量一般为60%～70%，二氧化碳含量为30%～40%，其热值为21～25 MJ/m3，属中等热值燃料。沼气是性能较好的燃料，具有无烟、灰少、不产生污染等优点。

沼气发电技术是将微生物产生的可燃气体经过净化处理后送入锅炉燃烧发电的技术。与前述的气化发电技术的区别在于生物质气化的手段不同。沼气发电技术由于其原料等的限制，装机容量较小，一般采用内燃机发电机组。此外，沼气发酵后产生的沼液和沼渣还是很好的有机肥。

2.4 技术对比

生物质发电技术形式较多，但常见的类型主要是直接燃烧技术、混合燃烧技术、气化燃烧技术。

直接燃烧技术生产过程比较简单，可以利用锅炉直接燃烧生物质进行发电，技术成熟，电站的规模可以较大，而且电站规模越大其发电成本可随着降低。直接燃烧生产过程中原料的预处理过程简单，设备及运行的成本较低。与其他两种发电技术相比，其污染物排放较多，原料相对单一，而且机组需要针对生物质燃料进行设计，这可能使投资费用增高。如果利用现有的锅炉进行改造可能是降低投资成本的一个途径。生物质直接燃烧发电技术是一种可大规模推广的技术。

直接混合燃烧技术简单，使用方便，仅需对现有的设备进行改造，可以节省投资，但是生物质与煤粉的混合需要严格处理才能达到较高的效率，对原系统的影响较大，运行较为复杂。直接混燃技术相对于流化床锅炉、炉排炉具有很好的推广性。

气化燃烧发电技术的污染物排放较低，小规模效率较高，投资较少；但是生产过程较复杂，设备较多且设备的维护费用较高，大规模的发电系统还不成熟，是一种很有发展潜力的技术。

气化混合技术由于增加了气化设备，运行较为复杂；但是其通用性要比气化直接燃烧技术有优势，与直接混合燃烧相比，对于原系统的影响较小，适用于大规模的电站。随着机组容量的增大，气化混合技术生产过程将变得复杂，其优势还需进一步探讨。

3 发展前景

开发利用清洁可再生能源替代煤炭、石油、天然气，调整能源结构是我国近期的重要任务，而利用生物质能、风能等可再生能源发电正是我国能源结构调整最现实、最主要的方向。与小水电、风能和太阳能等可再生能源发电技术相比，生物质发电技术具有电能质量好、可靠性高等优势。生物质发电是促进我国能源多元化，保证能源安全的重要举措。生物质发电技术种类较多，可以因地制宜选择最优的技术进行生物质能源的高效利用。现有的生物质预处理、混合燃烧比例控制、燃烧过程中防止结渣和金属腐蚀等技术均有很大的发展空间。未来，我国生物质发电技术的发展趋势是建立分布式、综合化能源系统。生物质发电技术作为生物质资源主要利用方式之一，在我国的产业化和商业化程度还比较低，但从发展趋势来看，生物质发电在未来的电力生产能源供应中的地位将显得越来越重要，生物质发电技术有着广阔的发展前景。

［1］ 张燕.生物质发电环境效益及潜力分析［D］.河南：华北水利水电学院，2011.

［2］ 骆仲泱，周劲松，王树荣，等.中国生物质能利用技术评价［J］.中国能源，2004，26（9）：39-41.

［3］ 孙永明，袁振宏，孙振钧.中国生物质能源与生物质利用现状与展望［J］.可再生能源，2006，126（2）：78-82.