電池知識

鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源

生物質發電技術發展探討

2021-04-27 ryder

陸智1，李雙江2，鄭威3

（1廣西電力工業勘察設計研究院，廣西南寧530023；2河北省電力勘測設計研究院；3中南電力設計院）

摘要：聯系生物質發電技術的發展趨勢，分別對生物質筆直燃燒發電技術、生物質與煤混合直燃發電技術和生物質氣化發電技術進行深入分解，并對比生物質直燃技術和生物質氣化技術的優劣勢。

生物質能是唯一可儲存的可再生能源，其利用過程環境友好，且可替代化石能源減排CO2，因而是一種頗具產業化和規模化利用前景的可再生能源，對我國能源結構的優化意義重大。發展生物質發電，是構筑穩定、經濟、清潔、安全能源供應體系，沖破經濟社會發展資源環境制約的緊要途徑。秸稈發電變無序焚燒為聚集燃燒并發電、造肥，節省了大量煤炭資源，并增加農民收入。秸稈在生長和燃燒中不增加大氣中CO2量，且含硫量極低，僅為0.1%。發展生物質發電，替代煤炭，可顯著減少CO2等溫室氣體和SO2的排放，有巨大的環境效益。

1生物質筆直燃燒發電利用技術

生物質直燃發電就是將生物質筆直作為燃料進行燃燒，用于發電或者熱電聯產。生物質筆直燃燒具有以下特點［1］：

（1）生物質燃燒所放出的CO2大體相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，因此可以認為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應；

（2）生物質的燃燒產物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；

（3）生物質燃料可與礦物質燃料混合燃燒，既可以減少運行成本，提高燃燒效率，又可以降低SO2、NOx等有害氣體的排放濃度；

（4）采用生物質燃燒設備可以最快速度實現各種生物質資源的大規模減量化、無害化、資源化利用，而且成本較低，因而生物質筆直燃燒技術具有良好的經濟性和開發潛力。

1.1單燃生物直燃技術

在歐美發達國家主要燃燒的生物質是木本植物，在我國，由于特殊的國情使得我們用于燃燒的物質基本局限于秸稈等草本類植物。

據有關文獻對秸稈的燃燒機理進行的研究，秸稈等生物質與常規燃料的區別主要有以下幾點［2］：

（1）秸稈的含水量較大，約20％，是常規燃料的8～10倍。因此，在鍋爐相同出力的情況下，其煙氣量約是常規燃料的1.5～2倍。在鍋爐受熱面布置時，要充足考慮這一情況。

（2）秸稈的堆積密度較小。秸稈投入爐內燃燒時，先落在爐床上，隨著水分蒸發，開始漂浮在爐內進行燃燒。因此，在這類鍋爐設計時，一定要考慮到燃燒室的體積要大一些，使得燃料在爐內有足夠的停留時間，得以完全燃燼。

（3）從燃料的燃燒過程來看，大多數秸稈（除甘蔗渣外）在干燥后，揮發份快速脫離母體迅猛燃燒，揮發份不附著在秸稈表面燃燒，這與煤的燃燒機理是完全不同的。

（4）逸出揮發份后的秸稈變黑成為暗紅色焦炭粒子，未見分明的火焰，而且在爐膛高溫火焰的輻射下，緩慢地燃燒，燃燼時間也較長。

1.1.1層燃爐燃燒技術

層燃爐燃燒技術主要以爐排爐為代表，燃料在固定或者移動的爐排上實現燃燒，空氣從下方透過爐排供應上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態，燃料入爐后的燃燒時間可由爐排的移動或者振動來控制，以灰渣落入爐排下或者爐排后端的灰坑為結束。圖1給出了丹麥正在使用的一種很典型的活動爐排爐。

1.1.2循環流化床燃燒技術

循環流化床鍋爐神奇的流體動力特性和結構使其具備很多神奇的優勢，如燃料適應性廣，低溫燃燒，燃燒效率高，負荷調節性能好等。

瑞典、丹麥、德國等發達國家在流化床燃用生物質燃料技術方面具有較高的水平。美國愛達荷能源產品公司已經開發加工出燃生物質流化床鍋爐，鍋爐蒸汽出力為4.5～50t/h，供熱鍋爐出力為36.67MW；美國CE公司利用魯奇技術研制的大型燃廢木循環流化床發電鍋爐出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa；美國B&W公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20世紀80～90年代初投入商業運行。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達到80％［4］；瑞典和丹麥正在實施利用生物質熱電聯產的計劃，使生物質能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。

1.2生物質與煤混合直燃技術

混合燃燒的技術優點［5］：

（1）生物質是可再生能源，煤粉爐中生物質共燃，可以利用現役電廠提供一種快速而低成本的生物質發電技術，也是一種最好（廉價而低風險）的利用可再生能源發電的技術。

（2）煤粉燃燒發電效率高，可達35％以上，生物質共燃正是借用其高效率的優勢，這是現階段其它生物質發電技術難以比擬的。

（3）生物質燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SO2和NOx排放。

（4）對于煤粉燃燒電廠，共燃生物質意味著CO2排放的降低，被公認為是現役燃煤電廠降低CO2排放的最有效措施。

（5）我國生物質資源豐富，可利用未被利用的生物質折合近4億t標準煤，且分布廣泛，可就地利用；另一方面，大量利用生物質發電可增加農民收入，促使農業和農村經濟的可繼續發展。

（6）生物質共燃技術簡單，投資和運行費用低。生物質相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應性，降低燃料成本。

丹麥哥本哈根AVEDORE電廠，2002年增加了熱功率為105MW的生物質發電設備，采用天然氣（油）與麥秸混合燃燒工藝，每小時秸稈消耗25t，秸稈主要來源于芬蘭和丹麥。生物質的水分含量用超聲波測定，控制在25％左右［6］。

2生物質氣化發電技術

生物質氣化是在高溫下部分氧化的轉化過程。該過程是筆直向生物質通氣化劑（空氣、氧氣或水蒸汽），使之在缺氧的條件下轉變為小分子可燃氣體的過程［7］。

目前，生物質氣化技術大體上可按2大類進行分類：①按氣化劑分類，②按設備運行方式分類。

2.1按氣化劑類型分類

生物質氣化技術按氣化劑類型分類如圖2。其中，干餾氣化其實是熱解氣化的一種特例。且由于干餾是吸熱反應，應在工藝中提供外部熱源以使反應進行。氧氣氣化則不需要提供外部熱源，產品為熱值為15000kJ/m3的中熱值氣化氣。空氣氣化由于N2的加入，使其可燃氣成分含量降低，熱值也隨之降低在5000kJ/m3左右，為低熱值氣體。氫氣氣化反應條件苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進行，其氣化氣為熱值高達22260～26040kJ/m3的高熱值氣化氣。表1給出幾種氣化劑氣化性能［8］。

2.2按氣化裝置運行方式分類

生物質氣化技術按氣化裝置的運行方式分類如圖3［9］。

國內外已投入商業運行的氣化辦法主要有：固定床氣化爐、流化床氣化爐。固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式。其中下吸式氣化爐使用最廣。

圖4是下吸式固定床氣化爐的基本結構和氣化反應示意圖。生物質原料由爐頂的加料口投入爐內，氣化劑（空氣、氧氣）可以由頂部進入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動，在高溫喉管區發生氣化反應。

下吸式氣化爐主要特點是氣化強度高（相對于上吸式），工作穩定性好，可隨時加料；由于燃燒區在熱解區與還原區之間，因而干餾和熱解的產物都要經過燃燒區，在高溫下裂解H2和CO，使得氣化中焦油含量大為減少。

流化床氣化爐按氣化爐結構和氣化過程，可將流化床氣化爐分為循環流化床、雙流化床和攜帶床四種類型。按吹入氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐又可分為常壓流化床和加壓流化床。其中循環流化床由于其眾多優勢，適用于大型商業化運行。

循環流化床是唯一在恒溫床上反應的氣化爐。氣化反應在床內進行，焦油也在床內裂解。流化介質一般選用惰性材料（沙子）或非惰性材料（石灰或催化劑），可增加傳熱及清洗可燃氣，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質燃料。循環流化床氣化爐的主要缺點是入料需要預解決，產氣中灰分需要很好的凈化解決和部件磨損嚴重。

圖5是意大利Ensyn Engineering研究的上流式循環流化床反應器的工藝流程圖。典型操作條件為溫度600℃，出產能力100kg/h，以楊木為原料時產氣率可達65％。優勢在于結構緊湊、傳熱速率高、氣相停留時間短、有效抑制裂化，但是載氣需求量大［10］。

氣化萌生的可燃氣主要用來發電。生物質氣化的發電技術有以下3種辦法：帶有氣體透平的生物質加壓氣化、帶有透平或者引擎的常壓生物質氣化、帶有朗肯循環的傳統生物質燃燒系統。傳統的生物質氣化聯合發電技術（BIGCC）包括生物質氣化、氣體凈化、燃氣輪機發電及蒸汽輪機發電［11］。

生物質氣化發電技術的基本原理是把生物質轉化為可燃氣，可利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。氣化發電工藝包括3個過程：①生物質氣化，把固體生物質轉化為氣體燃料；②氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質，包括灰分、焦炭和焦油等，需要經過凈化系統把雜質除去，以保證燃氣發電設備的正常運行；③燃氣發電。目前，國際上有很多發達國家開展提高生物質發電效率方面的研究，如美國Battelle（63MW）項目，歐洲英國（8MW）和芬蘭（6MW）的示范工程［12］。圖6給出了生物質氣化發電系統。

針對我國廣大農村的現狀，浙江大學熱能工程研究所開發的生物質中熱值氣化聚集供氣新型生物質能源利用技術，它將秸稈高效利用和處理農村用能問題有機結合起來，即將豐富的秸稈資源轉化為高品位、中熱值的清潔煤氣供民用或發電。同時，萌生的半焦灰和其它副產品又可作為有機復合肥料還田，從而實現秸稈資源綜合利用。

該技術以農業廢棄物為氣化原料，特別適用于稻稈、麥稈等軟質秸稈，采用先進高效的干餾加熱系統將燃料燃燒和氣化相結合，同時通過控制運行參數等方式處理秸稈結團問題，使燃料中固體和氣體成分得到合理利用，實現較高的燃料利用率。在基本完成氣化機理實驗之后，浙江大學熱能工程研究所又開展了生物質熱解制氣的中試實驗研究和生物質熱解焦油的催化裂解凈化研究工作并取得了一定的成果。

浙江大學以生物質中熱值熱解氣化聚集供氣技術為基礎開發的整套加工系統設備不但技術簡單、適應性好，而且啟動速度快、運行穩定，并已于2000年5月獲國家實用新型專利（專利號：ZL992121914）,它具有以下顯著特點：

（1）原料適應性廣。不僅可利用硬質秸稈，而且可利用南方豐富的軟質秸稈（稻草、麥稈）氣化；

（2）生物質煤氣熱值高。萌生的中熱值煤氣熱值可達2500kcal/Nm3，最高可達3000kcal/Nm3；

（3）氣體中焦油含量小于50mg/Nm3。因采用爐內焦油裂解催化轉化技術，煤氣中焦油含量大大降低，符合農業部標準NY/T443-2001的規定。

3生物質筆直燃燒技術與生物質氣化技術的比較

生物質筆直用來燃燒簡化了環節和設備，減少了投資，但利用率還比較低，利用的范圍還不是很廣。由于中國生物質分布分散，成為大規模利用生物質筆直燃燒技術發電較大障礙。然而秸稈類生物質因為含有較多的K、Cl等無機物質，在燃燒過程中很容易出現嚴重的積灰、結渣、聚團和受熱面腐蝕等堿金屬問題，堿金屬問題是秸稈大規模燃燒利用面臨的嚴峻挑戰，這些還需要進一步研究處理問題的辦法。

生物質氣化技術能夠一定程度上緩解中國對氣體燃料的需求，生物質被氣化后利用的途徑也得到相應的擴展，提高了利用效率。

4結語

面對資源和環境的雙重壓力，過去以煤電為主的電力結構的弊端逐漸顯現，我國能源形勢面臨著嚴峻挑戰。大力發展可再生能源被廣泛認為是處理能源匱乏和環境問題最可行的辦法，而在可供發展的可再生能源種類中，生物質能無疑占據了很緊要的位置，生物質能具有可再生性、廣泛分布性、低污染等特點。合理開發生物質能源，應和國家節能減排政策，改善能源結構，為經濟發展提供穩定的電力供應。

參考文獻

1張明，袁益超，劉聿拯.生物質筆直燃燒技術的發展研究.能源研究與信息,2005,21(1)

2曹建峰.秸稈的綜合利用技術分解.能源研究與分解,2006,22(1)

3秸稈筆直燃燒供熱發電項目,資源可供性調研和相關問題的研究.太陽能,2006,(2)

4別如山，李炳熙，陸慧林，等.燃燒生物質廢料流化床鍋爐.熱能動力工程，2000，15(4)

5盛昌棟，張軍.煤粉鍋爐共燃生物質發電技術的特點和優點.熱力發電,2006(3)

6袁振宏.歐洲生物質發電技術掠影.可再生能源，2004(4)

7雒廷亮，許慶利，劉國際，等.生物質能的使用前景分解.能源研究與信息，2003，19(4)

8中國生物質能技術開發中心.生物質氣化及相關技術的技術經濟評價，1996

9農業部生物質氣化技術研究探測培訓中心.生物質氣化技術及其使用，1999

10董良杰.生物質熱解實驗與機理研究，沈陽農業大學博士學位論文，1997

11米鐵等.生物質氣化技術比較及其氣化發電技術進展.新能源及工藝，2004(5)