生物質成型燃料及其發電技術

李英麗1，2，王建3，程曉天4

（1.河南農業大學機電工程學院，鄭州450002；2.鄭州職業技術學院，鄭州450121；3.中國華水水電開發總公司，北京100069；4.河南省產品質量監督檢驗院，鄭州450004）

摘要：概括了生物質冷成型、熱成型和常成型等成型技術的原理和種類。結合生物質成型燃料技術與生物質發電技術，闡述了生物質成型燃料直燃發電、混燒發電和氣化發電等技術特點，指出了生物質成型燃料發電技術存在的問題和處理方案，展望了生物質成型燃料及其發電技術在中國的發展前景，總結了其在經濟、環境和社會方面帶來的效益，旨在為生物質資源的高效綜合利用提供參考。

0引言

生物質能是唯一可以儲存、運輸且固定碳的可再生能源，具有儲量大、分布廣、環境友好和減碳零排放等特點，在6種可再生能源中占有緊要地位。通常所說的生物質能原料，包括農業剩余物、林業剩余物、畜禽糞便、能源作物（植物）、工業有機廢水、城市生活污水和垃圾等。生物質能向人類提供了世界能源消費總量的近15%，是僅次于石油、煤炭和天然氣的第四大能源。

我國生物質資源較為豐富，其中農林剩余物占有很大的比例；但農林剩余物等生物質具有資源分散、能量密度低、容重小和儲運不方便等缺點，嚴重地制約了其大規模使用。生物質成型燃料技術是將各類生物質原料（主要是農林剩余物）經粉碎、干燥、成型等環節，使原來分散的、沒有一定形狀的原料壓縮成具有一定幾何形狀、密度較大的成型燃料。成型燃料可以提高生物質的密度，節約運輸和儲存費用，張大使用范圍，提高燃燒效率，同時可以減少替代的煤燃燒所帶來的環境污染。生物質發電技術是目前世界上總體技術最成熟、發展規模最大的現代生物質能利用技術，主要包括生物質直燃發電、混燃發電和氣化發電。生物質成型燃料發電是生物質發電技術的緊要發展方向之一，可處理生物質發電過程中由于原料收集困難、運輸成本高、原料占地面積大而不易保存等問題，從而滿足生物質發電的繼續穩定運行。

1生物質成型燃料技術

1.1生物質成型燃料技術的原理和種類

農林剩余物等生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。木質素為光合作用形成的天然聚合體，具有復雜的三維結構，是高分子物質，在植物中含量約為15%～30%。當溫度達到70～100℃時，木質素開始軟化，并有一定的黏度；當溫度達到200～300℃時，呈熔融狀，黏度變高。此時若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密粘結，使植物體積大大縮小、密度顯著增加；取消外力后，由于非彈性的纖維分子間的相互纏繞，其仍能保持給定形狀，冷卻后強度進一步增加。生物質原料經擠壓成型后，體積縮小，密度為0.7～1.4t/m3，含水率在20%以下。

生物質成型在出產原理上可分為冷成型、熱成型和常溫濕壓成型：

1）生物質冷成型即在常溫下將生物質顆粒高壓擠壓成型的過程。其粘接力主要是靠擠壓過程所萌生的熱量，使得生物質中木質素萌生塑化粘接。冷壓成型工藝一般需要很大的成型壓力，為了降低壓力，可在成型過程中加入一定的粘結劑。

2）熱壓成型工藝的流程為：原料粉碎→干燥混合→擠壓成型和→冷卻包裝。依據原料被加熱的部位不同，將其劃分為兩類：一類是原料只在成型部位被加熱；另一類是原料在進入壓縮機構之前和在成型部位被分別加熱。

3）常溫濕壓成型。纖維類原料經一定程度的腐化后，纖維變得柔軟、濕潤皺裂并部分降解，易于壓縮成型。利用簡單的模具，將部分降解后的農林剩余物中的水分擠出，即可形成低密度的壓縮成型燃料。生物質成型技術在流程上一般蘊含干燥、粉碎、成型等環節，主要流程如圖1所示。

1.2生物質成型燃料技術發展現狀

目前，生物質成型燃料技術發展最成熟的為歐洲，主要以木質生物質為原料加工顆粒燃料。其相關標準體系也比較完善，形成了從原料收集、儲藏、預解決到成型燃料加工、配送和使用的整個產業鏈的成熟技術體系和產業模式。歐洲加工的顆粒燃料除通過專門運輸工具定點供應發電和供熱企業外，還以袋裝的方式在市場上銷售。目前，德國有100多家顆粒成型燃料工廠，主要以木屑、木片、枝椏、邊角料等生物質為原料；瑞典有生物質顆粒成型燃料出產廠幾十家，約有12萬戶使用顆粒燃料鍋爐，2萬多用戶使用顆粒燃燒爐，另外還有4000多個中型鍋爐使用顆粒燃料；加拿大、美國、奧地利、芬蘭、意大利、波蘭、丹麥和俄羅斯，也是生物質成型燃料，尤其是林業剩余物成型燃料的加工國家，截至2010年，這幾個國家的成型燃料加工量達到了1000萬t以上。

我國主要以農業剩余物為原料加工成型燃料，成型技術逐步完善和成熟，目前主要在河南、山東、遼寧、黑龍江、吉林、安徽、河北、廣東和北京等地開始將成型設備進行示范推廣。在各省市都有多家設備加工、燃料出產、配套燃燒爐及營銷企業投入運營，政府的環保、能源主管部門也開始給予支持和幫助。截至2010年，我國不同加工規模的成型燃料企業200多個，年萌生物質成型在300萬t左右。成型燃料主要用于中小型燃煤電廠或改造升級的工業鍋爐、爐窯及其他燃煤和燃油燃燒設備。

2生物質成型燃料發電技術

生物質成型燃料發電技術是生物質成型燃料技術和生物質發電技術的緊要結合，是我國《可再生能源法》鼓勵發展的方向，也是國家科技部可再生能源與新能源國際科技合作計劃的優先范疇。生物質成型燃料可使用于生物質直燃發電、混燒發電和氣化發電。生物質成型燃料使用于發電技術，可形成一套集生物質干燥、粉碎及成型于一體的自動化、工業化的生物質成型燃料供應系統，保證成套設備運行的穩定性、可靠性和經濟性。系統可使加工生物質成型燃料的密度、粒度及燃燒特性指標接近煤，對鍋爐等燃燒設備、氣化爐等氣化設備具有較好的適應性；同時，通過建立健全生物質原料的收集、存儲及出產體系，形成一套繼續穩定的成型燃料加工運作模式，保證生物質發電燃料穩定供應。

2.1生物質成型燃料直燃發電技術

生物質成型燃料直燃發電主要是指循環流化床燃燒發電，采用生物質成型燃料成型技術及設備，依據生物質成型燃料燃燒特性，在現有小火電廠基礎上，對循環流化床鍋爐進行技術改造，利用生物質成型燃料替代煤炭燃燒發電。依據生物質成型燃料的燃燒及流化特性，選取合適的流化床鍋爐運行工藝參數，對流化床鍋爐進行改造，處理生物質在燃燒時的結渣與堿金屬對換熱器的腐蝕問題，合理進行一次風與二次風的進風量比例的調整。利用現有燃煤火力發電廠的燃煤發電機組，建設成能利用生物質成型顆粒燃燒系統，并使該技術工程化、產業化。系統是在我國眾多的小型火力發電廠原有設備的基礎上經改進后使用生物質成型燃料與煤混燒發電，具有投資少和技術要求不高的特點，同時可處理小型火電廠關停的問題，比較適合我國國情。

2.2生物質成型燃料混燒發電技術

生物質是可再生資源中與煤的理化特性最為接近的一種，因此利用生物質成型燃料與煤進行混燒發電是合理利用生物質資源、減少煤燃燒帶來污染的有機結合。生物質成型燃料的摻混比例理論上可達到80%，且生物質與煤混合燃燒發電（見圖3）既處理了常規能源的不可再生及短缺問題，又克服了生物質資源季節性變化導致電廠運行不穩定的難題。生物質和煤混合燃燒發電技術經濟性較好，規模靈活，可充足利用燃煤電廠的原有設施和系統；依據生物質資源的豐富程度，調整混燒生物質的比例，減少原料供應風險，保證電廠順利運行，具有較好的發展前景。該技術可用于電廠、工業鍋爐等各種利用循環流化床鍋爐的行業，與低熱值的煤混燒時，鍋爐的熱利用率與燒煤相比，熱利用率可提高10%左右，SO2的排放量減少50%以上，氮的氧化物的排放量減少30%以上。

2.3生物質成型燃料氣化發電技術

針對生物質秸稈等就地燃燒帶來的環境污染問題以及生物質成型發電和混燒發電過程中存在的結焦問題，研發技術靈活、環保潔凈和經濟實用的生物質成型燃料氣化發電成為生物質能利用的一個緊要發展方向。高效率的生物質成型燃料氣化發電采用生物質氣化—燃氣內燃機發電—余熱蒸汽輪機發電的聯合循環工藝路線（見圖4），避開了要求很高的氣體高溫凈化過程，可顯著降低生物質整體氣化聯合循環系統的技術難度和造價，以較低的代價處理焦油問題和二次污染的難題，并實現廢水的循環使用。低熱值生物質氣化產出氣能夠滿足內燃式燃氣發電機的運行要求，只是在能夠實現的最大輸出功率方面受到限制；生物質氣化發電系統的尾氣排放能夠滿足環保的要求，但氣化發電機與生物質氣化機組間需要具有良好的匹配性。

3生物質成型燃料發電的問題及發展前景

3.1存在的問題及提議

3.1.1生物質成型燃料方面

目前，國內使用的生物質成型燃料技術中螺旋擠壓設備磨損嚴重、維修周期短、耗能高；活塞式壓縮機由于活塞做的是往復運動，有沖擊、產量較小，軸瓦磨損嚴重、壽命短，并且對原料含水率要求較嚴；液壓活塞式成型機雖然克服了往復運動的缺點，但仍存在耗能高、產量低、運行工況不穩定等致命問題。以上問題是生物質成型燃料的加工成本居高不下的緊要原由之一。

提議開展研究機組可靠性強、模具耐磨損性能好和能耗低等關鍵技術，提高設備的運行可靠性、易損件使用壽命和維修方便性等；研發造價低的設備機組及配套的干燥、粉碎、冷卻和篩分等設備，使成型設備及配套設備進人商業化階段；研究并完善成型燃料的一體化、自動化運行技術，實現設備加工規模化、產業化，降低人工成本，減少加工中間環節消耗，實現更加的穩定運行，滿足大規模生物質利用工程的要求。

3.1.2生物質發電方面

近幾年，我國生物質發電產業發展迅速，但生物質直燃和混燒發電中存在的結焦、結渣及堿金屬腐蝕問題仍舊嚴重；氣化發電過程中存在著焦油和灰塵解決不完全、效率低、規模小等缺點。

混燒發電方面：研發適合生物質和煤混合燃燒的特殊材料，對鍋爐內壁等進行特殊出產；研究設計出生物質原料輸送及給料系統，開發出生物質與煤混燒時生物質的計量測試辦法和數據遠程傳輸及監控系統；研發大型生物質與煤循環流化床鍋爐，提高燃燒效率，降低污染排放。

直燃發電方面：研究秸稈等生物質直燃過程堿金屬腐蝕問題，找出合理技術減少氯、鉀、鈉等成分引起的爐膛結渣和結焦等現象；應增強模仿創新，吸收和消化國外先進技術，形成具有自主知識產權的直燃發電成套設備和關鍵技術。

氣化發電方面：研發大型生物質氣化、新型燃氣凈化系統、焦油污水解決和大型低熱值燃氣內燃機等關鍵技術，開發計算機全程監控系統和優化模型，優化技術集成系統；研制與小型發電系統匹配的系列低焦油生物質氣化裝置和小型高效低熱值燃氣內燃機。

3.2生物質成型燃料發電的發展前景

面臨能源資源枯竭及其利用帶來的環境污染，調整能源結構、積極開發利用新能源和可再生能源是能源可繼續發展的緊要途徑。生物質資源具有可再生性及排放污染性小的特點，生物質發電在歐美日等國家已受到廣泛重視。我國生物質資源極為豐富，僅農業剩余物每年的加工量達到7億t，可作燃料利用的有3億～4億t，折合1.5億～2億t標煤；林業剩余物中每年可作燃料利用的有2億～3億t，折合1億～1.5億t標煤；即農林剩余物可利用量折合約3.5億t標準煤，相當于我國每年原煤產量的1/6。2007年9月，我國國家發改委頒發的《可再生能源中長期發展規劃》中，把生物質固體成型燃料和生物質發電作為重點發展范疇，明確要求到2020年生物質成型燃料利用量要達到5000萬t，生物質發電總裝機容量要達到2400萬kW。生物質成型燃料發電技術的推廣運行是實現生物質成型燃料和生物質發電等目標的緊要保障之一，對于增加農民的收入、美化農村環境、減少一次能源消耗和污染等意義重大，具有分明的經濟、環境和社會效益。

4結語

1）經濟方面：生物質成型燃料發電技術的使用可減小電力能源對化石燃料的依靠。利用較為廉價的農林剩余物等生物質資源作為發電原料，壓縮的成型燃料與煤的性能相近，相比生物質原料的保存和運輸成本大大下降，從而節約煤等化石能源，同時可降低中小型電廠的改造費用。

2）環境方面：生物質資源具有的低硫、可再生等特點，使其在電力轉化過程中筆直或間接地減少了化石燃料發電帶來的污染。

3）社會方面：生物質成型燃料發電技術可處理農林剩余物等生物質的分散、能量密度低、儲運不便等問題，使其可以大規模地能源化利用，減少生物質資源的隨意焚燒，提高了生物質資源所在地的農民收入；生物質成型燃料發電等中小型電力系統可彌補大電網在安全穩定性方面的不足，是大型發電系統的有效補充。

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