趙文慧 胡振東

【摘要】生物質(zhì)燃料是一種可再生能源，采用生物質(zhì)燃料發(fā)電不增加CO2排放，有利于全球氣溫升高的控制。分析了生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)，介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)，闡述了生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電的方式和優(yōu)勢(shì)，展望了生物質(zhì)氣化合發(fā)電的應(yīng)用前景。

中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A

1概述

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基石和動(dòng)力，人類對(duì)能源的需求引領(lǐng)著能源技術(shù)的革新與革命，能源的變革反過來又影響著人類的生產(chǎn)、生活方式和社會(huì)管理等方面，也促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展。目前，世界能源發(fā)展呈現(xiàn)出多元化、智能化、低碳化、分布式等多種特征。

生物質(zhì)能本質(zhì)上是以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的太陽能，在可再生能源中，生物質(zhì)能是獨(dú)特的，即能夠貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，并且具有分布廣、污染小、可再生利用等多方面的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)生物質(zhì)能資源非常豐富，理論上生物質(zhì)能資源約有50億t標(biāo)準(zhǔn)煤【】【】是我國(guó)目前總能耗的1.15倍左右。

2環(huán)保要求

2015年簽署的《巴黎協(xié)定》確定了全球能源低碳發(fā)展的方向，也對(duì)未來煤炭的使用要求提出了嚴(yán)格的限制。就在2018年11月，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的《全球升溫1.5℃特別報(bào)告》中進(jìn)一步提出：要將全球升溫目標(biāo)控制在1.5℃，到2050年要將煤炭在全球電力供應(yīng)中的使用比例降低至接近為零。這對(duì)我國(guó)以煤炭為主的的能源發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，我國(guó)煤電的排放水平約為850-1000g/kWh，盡管通過采用先進(jìn)的兩次再熱等技術(shù)提高機(jī)組效率后，可以將煤電的碳排放降到670g/kWh，但這與巴黎協(xié)定要求的100g/kWh也相差甚遠(yuǎn)，因此，單純依靠提高機(jī)組效率不能夠解決煤電的低碳問題。

在CCS（（Carbon Capture and Storage）技術(shù)能夠在燃煤電廠成熟使用前，通過在大型高效燃煤電廠將燃煤和生物質(zhì)耦合發(fā)電，即能夠保證發(fā)電機(jī)組較高的發(fā)電效率，也能夠?qū)崿F(xiàn)CO2減排，是一種重要過渡手段，同時(shí)也是一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)選擇。

3生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

3.1發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)

生物質(zhì)發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，在世界性的石油危機(jī)爆發(fā)后，丹麥開始積極開發(fā)清潔的可再生能源，大力推行秸稈等生物質(zhì)發(fā)電。自1990年以來，生物質(zhì)發(fā)電在歐美許多國(guó)家開始大力發(fā)展。

20多年來，燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)在歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家得到很好的推廣和應(yīng)用，在政策法規(guī)以及煤和生物質(zhì)在大型燃煤電廠中進(jìn)行混燒的技術(shù)，均取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。目前，煤和生物質(zhì)耦合發(fā)電從技術(shù)上已經(jīng)成熟。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，使用煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐的電廠均可改造成為與生物質(zhì)耦合摻燒發(fā)電，甚至轉(zhuǎn)換成完全燃燒生物質(zhì)的火電廠?，F(xiàn)在全世界已有150多套煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電的大容量燃煤電廠實(shí)例，典型工程為英國(guó)Drax電站，該電站從摻燒開始，逐漸將電站6臺(tái)機(jī)組中的4臺(tái)66萬千瓦燃煤發(fā)電機(jī)組改造成為100%燃用生物質(zhì)的機(jī)組，而且建立和發(fā)展了完整的燃料供應(yīng)鏈以及燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、處理和燃燒等技術(shù)。

發(fā)達(dá)國(guó)家在生物質(zhì)利用方面具有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，約占全球所占份額的80%以上。【】我國(guó)在生物質(zhì)利用方面大大落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，大力發(fā)展我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電迫在眉睫。

3.2生物質(zhì)發(fā)電的形式

生物質(zhì)按照發(fā)電的形式，生物質(zhì)發(fā)電可分為以下三種：

（1）直接燃燒發(fā)電

將生物質(zhì)在鍋爐中直接燃燒，利用生物質(zhì)燃燒釋放的熱量生產(chǎn)蒸汽，然后帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

（2）耦合發(fā)電（也稱為混合發(fā)電）

將生物質(zhì)與煤同時(shí)送入鍋爐燃燒，利用生物質(zhì)與煤共同燃燒釋放的熱量進(jìn)行發(fā)電，稱為生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)。

（3）氣化發(fā)電

首先，在氣化爐中將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料，氣體燃料經(jīng)過凈化處理后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電或進(jìn)入燃料電池發(fā)電。

3.3生物質(zhì)耦合發(fā)電

生物質(zhì)耦合發(fā)電主要分為三種形式。一是直接混燃，即生物質(zhì)經(jīng)處理后直接進(jìn)入燃煤鍋爐混燒，此方式對(duì)于燃料預(yù)處理和燃燒設(shè)備的要求較高，不是所有燃煤電廠都能采用;二是間接混燃，將生物質(zhì)先進(jìn)行氣化或燃燒，然后將產(chǎn)生的燃?xì)馑腿脲仩t燃燒或者將煙氣送入鍋爐以利用其熱量，此方式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)鍋爐的影響小。三是并聯(lián)混燃，生物質(zhì)、燃煤的燃料處理和燃燒分別在獨(dú)立的系統(tǒng)中完成，產(chǎn)生的蒸汽送入同一套汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)

電。

4生物質(zhì)氣化及耦合發(fā)電技術(shù)

4.1生物質(zhì)氣化

生物質(zhì)原料在一定條件下發(fā)生熱解反應(yīng)，將原料中的碳水化合物分解成為H2、CO、CO2、烴類和炭等的混合物。生物質(zhì)氣化工藝流程包括：干燥、熱解、氧化、還原。反應(yīng)物料被送入反應(yīng)塔，在一定溫度條件下，含有水分的物料與加熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵夂髶]發(fā)掉;干燥后的物料、水蒸氣進(jìn)入熱解反應(yīng)區(qū)，在一定溫度下發(fā)生熱分解反應(yīng)。 CHxOy=n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2++n6CH4（1）

生物質(zhì)氣化產(chǎn)物主要為C、H2、水蒸氣、CO、CO2和CH4。隨著塔內(nèi)溫度的升高，氣化產(chǎn)物與氣化劑相互作用，并發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，CO氧為CO2，C與高溫水蒸汽發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生成CO和H2?！尽?/p>

4.2生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電

生物質(zhì)原料在氣化爐內(nèi)氣化，生成含有CO、CH4、H2等的低熱值混合可燃?xì)怏w。從氣化爐內(nèi)出來的燃?xì)鉁囟燃s為730℃，為了便于生物質(zhì)燃?xì)獾目煽坑?jì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用，燃?xì)鈱⒈焕鋮s到400℃～420℃，冷卻后的生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)由輸送管道及加壓系統(tǒng)送入鍋爐的燃燒室與煤混合燃燒。

按照生物質(zhì)氣化耦合工藝流程劃分，生物質(zhì)燃?xì)怦詈舷到y(tǒng)主要為：生物質(zhì)原料處理系統(tǒng)、循環(huán)流化床氣化爐、燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)、燃?xì)饧訅汉洼斔拖到y(tǒng)、燃?xì)獬煞荼O(jiān)測(cè)及計(jì)量系統(tǒng)、燃?xì)怦詈先紵到y(tǒng)等。

4.3生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電優(yōu)點(diǎn)

1）能源利用效率高：可采用大型超臨界或超超臨界燃煤機(jī)組，供電效率接近40%甚至更高。

2）清潔環(huán)保：CO2和污染物的排放量少。

3）初投資低：利用燃煤電廠已有的鍋爐、汽輪機(jī)及其輔助系統(tǒng)，節(jié)省初投資。

4）占地面積少：利用燃煤電廠的現(xiàn)有場(chǎng)地，減少征地。

5）提升燃料采購議價(jià)能力：生物質(zhì)耦合發(fā)電可根據(jù)需要調(diào)整生物質(zhì)部分耦合量，使電廠在生物質(zhì)燃料收集市場(chǎng)有更強(qiáng)的議價(jià)能力和空間。

6）對(duì)鍋爐影響?。哄仩t僅需增加燃?xì)馊紵骱驼{(diào)整部分水冷壁及受熱面，改動(dòng)范圍小。

5.前景及展望

我國(guó)生物質(zhì)資源非常豐富。但在生物質(zhì)能源的利用方面與歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在著起步晚、利用率低、技術(shù)相對(duì)落后等問題。

隨著全球?qū)夂蜃兓闹匾?，?duì)碳減排的要求將更加嚴(yán)格。作為一種CO2中性排放的清潔能源，生物質(zhì)能的開發(fā)利用對(duì)滿足我國(guó)能源需求及加快建設(shè)生態(tài)型經(jīng)濟(jì)社會(huì)及踐行碳減排的承諾都有著非常重要的意義。

作為生物質(zhì)能利用的一項(xiàng)重要技術(shù)，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)具有清潔、高效的特點(diǎn)，生物質(zhì)氣化耦合對(duì)燃煤鍋爐影響小、還能夠?qū)崿F(xiàn)灰渣的綜合利用、而且易于計(jì)量。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)將更加成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)會(huì)更加豐富，初投資和運(yùn)行費(fèi)用也將有所下降。

隨著政府對(duì)清潔可再生能源重視程度的日益增加和相關(guān)的法律法規(guī)及政策的完善，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。在不遠(yuǎn)的將來，生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電將是生物質(zhì)能源利用的一個(gè)重要方向。

參考文獻(xiàn)

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2017，36（3）：62-66

作者簡(jiǎn)介：

趙文慧（1976），男，山西平遙人，1999年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電設(shè)計(jì)與咨詢工作。

胡振東（1979），男，河南信陽人，2003年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能與

動(dòng)力工程專業(yè)，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電設(shè)計(jì)與咨詢工作。

（作者單位：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司）