嚴 鑫 ， 吳明鋒

（1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001；2.山西意迪光華電力勘測設計有限公司，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，化石能源的消耗量不斷增長。我國的能源形式日益嚴峻，石油、煤炭、天然氣等化石燃料依賴進口，這不僅對我國的經(jīng)濟社會發(fā)展形成制約，還可能引起國家安全等問題。

地球每年接受太陽的輻射能是地球上已知煤、石油、天然氣資源所含能量的10倍，植物通過光合作用可捕捉其中的1%。全球每年生物質產(chǎn)量約為1 200億t，是全球每年能源消耗總量的6～10倍。據(jù)統(tǒng)計，生物質資源潛力可達100億t，僅森林、草原和耕地3項產(chǎn)量就達50億t干生物質，相當干20億t標準煤。當前技術條件下，僅能利用生物質產(chǎn)量的7%。

1 生物質能利用的意義

生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包含所有的動植物和微生物，生物質能是以生物質為載體的能量。

1.1 有利于緩解能源緊張的局面

自20世紀70年代的“石油危機”后，作為可再生能源的生物質能源的開發(fā)利用引起了世界各國政府和科學家的關注。許多國家都制定和實施了相應的開發(fā)研究計劃，如美國的能源農(nóng)場，日本的“陽光計劃”，印度的“綠色能源工程”以及巴西的酒精能源計劃等。發(fā)達國家和新興國家通過已制定能源技術路線圖等一系列的能源發(fā)展戰(zhàn)略，在化石能源開采和利用強化的同時，大力開發(fā)可再生能源，減少有害物質和溫室氣體排放，以實現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展。近幾年，我國越來越重視可再生能源的開發(fā)利用，頒布了《可再生能源法》，出臺了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了未來我國生物質能發(fā)展的主要任務和發(fā)展目標，這為生物質能發(fā)電技術的發(fā)展提供了政策保障。

我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質資源中農(nóng)作物秸稈是主體，可以占到全部生物質資源的一半以上，這是我國生物質資源的重要特征。我國每年農(nóng)作物秸桿總量約有7.05億t，農(nóng)作物秸稈中稻草、麥秸和玉米秸稈三者之和約占全部農(nóng)作物秸稈的75%。另外，每年尚有農(nóng)業(yè)加工殘余物約為0.84億t，林木資源及林業(yè)加工剩余物約1.58億t，人畜糞便生物質資源總量為4.43億噸。城市生活垃圾污水中有機物約0.56億t[1]。由于種種制約因素，實際可利用生物質能的資源量要遠遠小于理論數(shù)據(jù)。如果能開發(fā)出生物質能高效利用技術，將會顯著緩解我國所面臨的能源緊張局面[2-3]。

1.2 有利于緩解化石能源消耗帶來的環(huán)境問題

傳統(tǒng)能源結構中，化石燃料（如石油、煤炭和天然氣）占據(jù)主體地位?；剂鲜沁h古植物利用光合作用固定碳元素后，經(jīng)過億萬年地下復雜化學與物理作用而保留下來的。由于化石燃料是在短時間內(nèi)將自身長期形成過程中固定的碳釋放出來，因此超出了自然界固定碳的能力，使之無法完成循環(huán)，并以CO2的形式累積于大氣環(huán)境，進而造成溫室效應。自然界存在碳循環(huán)，以綠色植物為例如圖1所示。植物通過光合作用將流動的碳（CO2）合成為有機物固定下來，人們在利用植物獲取能量的過程中又將固定的碳又重新變?yōu)镃O2，從而實現(xiàn)了碳的循環(huán)。如果植物通過光合作用固定CO2的速度和人類社會產(chǎn)生的CO2的速度相互匹配，形成完整循環(huán)，不同形式的碳的分布將會達到平衡狀態(tài)。因此，利用生物質作為燃料釋放的CO2的量與植物固碳的量相當，生物質能中碳元素在循環(huán)過程中不會增多也不會減少，變化的只是碳元素的不同存在形式，整個生物質能循環(huán)能實現(xiàn)CO2零排放，起到保護環(huán)境的作用。

圖1 碳循環(huán)示意圖

1.3 有利于解決農(nóng)村的能源問題

我國現(xiàn)有的農(nóng)作物秸稈利用的方式雖然比較多，既可以秸稈還田作為肥料，用作供暖等的熱源，還可用作飼料、工業(yè)原料、食用菌料等，但實際利用過程中存在著不同程度的浪費現(xiàn)象。如果這些資源通過合理收集，發(fā)展生物質發(fā)電、生物制肥、壓縮成型燃料等項目，不僅可以減少大氣污染，還可以解決就業(yè)，增加農(nóng)民收入。

2 生物質能利用技術及對比分析

2.1 生物質能利用技術

生物質能的利用技術就是以研發(fā)高效轉化生物質能，提高生物質轉化附加值，最大程度地利用生物質中所儲存的能量為目標的技術，最終使生物質能成為一種可廣泛采用的高效、環(huán)保的能源形式。

現(xiàn)有的生物質能的利用技術分為固化方式利用，將生物質壓縮成型或將生物質炭化或者干餾以及生物質燃料電池等；直接燃燒方式利用，如直燃爐，混燃爐等；氣化方式利用，如沼氣、氣化爐；液化方式利用，如利用生物質制造生物柴油、合成柴油、裂解油、甲醇、乙醇等。

生物質是可再生能源中唯一一種可以轉換為高品位液體燃料的能源形式。國內(nèi)外針對生物質液化方式利用的技術均比較多。歐洲是生物柴油領先的市場，2010年約占全球生產(chǎn)份額的50%。結合我國人口眾多，人均耕地面積少的基本國情，對于生物質能的利用一般不考慮專門種植生物燃料。因此，農(nóng)作物秸稈是我國生物質資源的主體。

2.2 生物質燃料特性

秸稈類生物質燃料的利用受到地理、氣候、季節(jié)等的影響。秸稈的水分含量高且多變，質輕軟，并且收集和存儲難度大。秸稈類生物質燃料在送入鍋爐燃燒前需要進行干燥、破碎等預處理環(huán)節(jié)。秸稈含水分過高或者秸稈的顆粒尺寸過大時，秸稈將不能充分燃燒。秸稈燃料的能量密度小，揮發(fā)分高，析出溫度低且析出過程迅速。鍋爐運行過程中需要與燃料特性相適應。大多數(shù)秸稈類生物質富含鉀和氯，燃燒過程中含堿金屬元素的化合物容易析出，當這些化合物流動到溫度較低的區(qū)域時，就會在受熱面沉積，粘結床料顆粒，引起爐膛結渣和高溫腐蝕等問題。

2.3 生物質發(fā)電技術

2.3.1 生物質直接燃燒發(fā)電技術

生物質直接燃燒發(fā)電技術在原理上與傳統(tǒng)火力發(fā)電技術十分相似。是指對生物質燃料進行必要的預處理后送入鍋爐中直接進行燃燒，將生物質儲存的化學能轉化為熱能，釋放出的熱能將鍋爐中的水加熱成合格蒸汽；蒸汽推動汽輪機將熱能轉化為機械能，汽輪機帶動發(fā)電機轉動，將機械能轉化為電能，其基本流程如圖2所示。在北方主要是利用麥秸、玉米秸等秸稈發(fā)電，南方則多以稻草、甘蔗渣為燃料進行發(fā)電。秸稈直接燃燒爐排放的灰渣屬于草木灰鉀肥，可直接供農(nóng)戶利用。借鑒傳統(tǒng)火力發(fā)電技術的成熟經(jīng)驗，該技術在眾多的生物質利用技術中最具產(chǎn)業(yè)化前景，已經(jīng)進入實際工程推廣階段。

圖2 生物質直接燃燒發(fā)電技術

2.3.2 生物質混合燃燒發(fā)電技術

生物質混合燃燒發(fā)電技術是指將生物質和煤經(jīng)粉碎等預處理后按一定比例混合，根據(jù)燃料需求量分配至燃燒器，通過燃燒器送至鍋爐中進行燃燒發(fā)電的技術?；旌先紵梢岳矛F(xiàn)有的燃煤發(fā)電系統(tǒng)，僅對生物質燃料與煤進行合理混合即可實現(xiàn)發(fā)電的技術。當選擇的生物質種類以及與煤的混合比例合理時，可減少傳統(tǒng)的污染物和溫室氣體排放。

混合燃燒技術可以直接利用已有的發(fā)電系統(tǒng)，對于小火電機組比較有利，尤其是當電煤價格比較高的時候，混合燃燒技術較有優(yōu)勢；但對于煤炭資源豐富的地區(qū)，混合燃燒的技術優(yōu)勢并不明顯。已有的發(fā)電系統(tǒng)只需根據(jù)生物質的燃燒特性對其進行必要的改造即可，通過混合燃燒，生物質能向電能的轉化率高，能保持較高的發(fā)電效率，并可以削減污染物的排放（CO2、SO2、NOX）?；旌先紵l(fā)電工程的建設周期短，投資成本和操作成本低。

混合燃燒發(fā)電技術在實際運行中還可能出現(xiàn)一些問題。秸稈與煤的混合比例也需控制在合理的范圍。試驗和研究結果顯示，秸稈與煤混合時，秸稈的熱量配比（秸稈的發(fā)熱量約為煤的50%）應小于20%。如果秸稈配比過高時，會造成制粉系統(tǒng)堵塞，影響鍋爐的正常運行。秸稈較低的發(fā)熱量也會使混合燃燒鍋爐的效率低于原煤粉爐的效率。秸稈等生物質中的堿金屬和氯素含量較高，這會提高鍋爐壁面?zhèn)鳠峁苁幕曳殖练e速度，使得煙氣側的腐蝕速率加快；生物質燃料的燃燒還會改變鍋爐內(nèi)溫度場的分布，影響到鍋爐原有設計的熱量交換，嚴重時會導致鍋爐不能正常運行。另外，秸稈燃燒生成的產(chǎn)物與煤燃燒生成的灰分有較大不同，有可能影響脫硫、除塵和脫硝設備的正常運行。

2.3.3 生物質氣化發(fā)電技術

生物質氣化發(fā)電是一種清潔利用生物質資源的方式，它幾乎不排放任何有害氣體，實現(xiàn)了生物質能的有效、潔凈利用。生物質氣化發(fā)電技術按照燃燒方式的不同可以分為氣化直接燃燒技術和氣化混合燃燒技術。

2.3.3.1 生物質氣化直接燃燒技術

生物質氣化直接燃燒發(fā)電技術是把生物質原料經(jīng)過預處理后由送料系統(tǒng)送入氣化爐，生物質原料在氣化爐內(nèi)不完全燃燒，發(fā)生氣化反應，轉化為帶有一定雜質的可燃氣；在氣化爐的出口處設置旋風分離器將其中的固體雜質去除，如果可燃氣中含有對鍋爐運行有影響的污染成分，在進入鍋爐以前還需要對可燃氣進一步的凈化處理。經(jīng)凈化后將氣體燃料直接送入鍋爐、內(nèi)燃發(fā)電機或者燃氣輪機中燃燒發(fā)電。基本的技術流程如圖3所示。

圖3 生物質氣化發(fā)電技術

2.3.3.2 生物質氣化混合燃燒技術

生物質氣化混合燃燒發(fā)電技術是指將生物質燃料在氣化爐中轉化的可燃氣經(jīng)凈化處理后，再將可燃氣與煤粉通過不同的燃燒器送入鍋爐，可燃氣與煤粉在爐膛中共燃，同時釋放熱量，將給水加熱成高溫、高壓蒸汽；蒸汽再經(jīng)汽輪發(fā)電機對外輸出電能，如圖4所示。這相當于用氣化爐替代粉碎設備，即將氣化過程作為生物質燃料的一種預處理手段。生物質氣化混合燃燒發(fā)電技術同樣可以利用原有的發(fā)電系統(tǒng)，不僅能保持較高發(fā)電效率的優(yōu)點，而且由于送入鍋爐的是合成氣，對原鍋爐燃燒影響較小。氣化爐產(chǎn)生的秸稈灰和鍋爐產(chǎn)生的粉煤灰可以分別利用，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

圖4 生物質氣化與煤混合燃燒發(fā)電技術

2.3.3.3 沼氣燃燒發(fā)電技術

除上述兩種氣化發(fā)電技術外，沼氣燃燒發(fā)電技術也比較常見。沼氣是微生物在厭氧、適宜的溫度、濕度、酸堿度等條件下，將生物質物料（糞便、雜草、作物、秸稈、污泥、廢水、垃圾等）經(jīng)過分解與轉化作用生成的可燃氣體，其主要成分是甲烷和二氧化碳。其中甲烷含量一般為60%～70%，二氧化碳含量為30%～40%，其熱值為21～25 MJ/m3，屬中等熱值燃料。沼氣是性能較好的燃料，具有無煙、灰少、不產(chǎn)生污染等優(yōu)點。

沼氣發(fā)電技術是將微生物產(chǎn)生的可燃氣體經(jīng)過凈化處理后送入鍋爐燃燒發(fā)電的技術。與前述的氣化發(fā)電技術的區(qū)別在于生物質氣化的手段不同。沼氣發(fā)電技術由于其原料等的限制，裝機容量較小，一般采用內(nèi)燃機發(fā)電機組。此外，沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液和沼渣還是很好的有機肥。

2.4 技術對比

生物質發(fā)電技術形式較多，但常見的類型主要是直接燃燒技術、混合燃燒技術、氣化燃燒技術。

直接燃燒技術生產(chǎn)過程比較簡單，可以利用鍋爐直接燃燒生物質進行發(fā)電，技術成熟，電站的規(guī)模可以較大，而且電站規(guī)模越大其發(fā)電成本可隨著降低。直接燃燒生產(chǎn)過程中原料的預處理過程簡單，設備及運行的成本較低。與其他兩種發(fā)電技術相比，其污染物排放較多，原料相對單一，而且機組需要針對生物質燃料進行設計，這可能使投資費用增高。如果利用現(xiàn)有的鍋爐進行改造可能是降低投資成本的一個途徑。生物質直接燃燒發(fā)電技術是一種可大規(guī)模推廣的技術。

直接混合燃燒技術簡單，使用方便，僅需對現(xiàn)有的設備進行改造，可以節(jié)省投資，但是生物質與煤粉的混合需要嚴格處理才能達到較高的效率，對原系統(tǒng)的影響較大，運行較為復雜。直接混燃技術相對于流化床鍋爐、爐排爐具有很好的推廣性。

氣化燃燒發(fā)電技術的污染物排放較低，小規(guī)模效率較高，投資較少；但是生產(chǎn)過程較復雜，設備較多且設備的維護費用較高，大規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)還不成熟，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。

氣化混合技術由于增加了氣化設備，運行較為復雜；但是其通用性要比氣化直接燃燒技術有優(yōu)勢，與直接混合燃燒相比，對于原系統(tǒng)的影響較小，適用于大規(guī)模的電站。隨著機組容量的增大，氣化混合技術生產(chǎn)過程將變得復雜，其優(yōu)勢還需進一步探討。

3 發(fā)展前景

開發(fā)利用清潔可再生能源替代煤炭、石油、天然氣，調(diào)整能源結構是我國近期的重要任務，而利用生物質能、風能等可再生能源發(fā)電正是我國能源結構調(diào)整最現(xiàn)實、最主要的方向。與小水電、風能和太陽能等可再生能源發(fā)電技術相比，生物質發(fā)電技術具有電能質量好、可靠性高等優(yōu)勢。生物質發(fā)電是促進我國能源多元化，保證能源安全的重要舉措。生物質發(fā)電技術種類較多，可以因地制宜選擇最優(yōu)的技術進行生物質能源的高效利用。現(xiàn)有的生物質預處理、混合燃燒比例控制、燃燒過程中防止結渣和金屬腐蝕等技術均有很大的發(fā)展空間。未來，我國生物質發(fā)電技術的發(fā)展趨勢是建立分布式、綜合化能源系統(tǒng)。生物質發(fā)電技術作為生物質資源主要利用方式之一，在我國的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化程度還比較低，但從發(fā)展趨勢來看，生物質發(fā)電在未來的電力生產(chǎn)能源供應中的地位將顯得越來越重要，生物質發(fā)電技術有著廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 張燕.生物質發(fā)電環(huán)境效益及潛力分析［D］.河南：華北水利水電學院，2011.

［2］ 駱仲泱，周勁松，王樹榮，等.中國生物質能利用技術評價［J］.中國能源，2004，26（9）：39-41.

［3］ 孫永明，袁振宏，孫振鈞.中國生物質能源與生物質利用現(xiàn)狀與展望［J］.可再生能源，2006，126（2）：78-82.