生物質成型燃料及其發(fā)電技術

李英麗1，2，王建3，程曉天4

（1.河南農業(yè)大學機電工程學院，鄭州450002；2.鄭州職業(yè)技術學院，鄭州450121；3.中國華水水電開發(fā)總公司，北京100069；4.河南省產品質量監(jiān)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(fā)電技術，闡述了生物質成型燃料直燃發(fā)電、混燒發(fā)電和氣化發(fā)電等技術特點，指出了生物質成型燃料發(fā)電技術存在的問題和解決方案，展望了生物質成型燃料及其發(fā)電技術在中國的發(fā)展前景，總結了其在經濟、環(huán)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(huán)境友好和減碳零排放等特點，在6種可再生能源中占有重要地位。通常所說的生物質能原料，包括農業(yè)剩余物、林業(yè)剩余物、畜禽糞便、能源作物（植物）、工業(yè)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(guī)模應用。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(huán)節(jié)，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(jié)約運輸和儲存費用，擴大應用范圍，提高燃燒效率，同時可以減少替代的煤燃燒所帶來的環(huán)境污染。生物質發(fā)電技術是目前世界上總體技術最成熟、發(fā)展規(guī)模最大的現(xiàn)代生物質能利用技術，主要包括生物質直燃發(fā)電、混燃發(fā)電和氣化發(fā)電。生物質成型燃料發(fā)電是生物質發(fā)電技術的重要發(fā)展方向之一，可解決生物質發(fā)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(fā)電的持續(xù)穩(wěn)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。

　　生物質成型在加工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產生的熱量，使得生物質中木質素產生塑化粘接。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。根據(jù)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包含干燥、粉碎、成型等環(huán)節(jié)，主要流程如圖1所示。

　　1.2生物質成型燃料技術發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，生物質成型燃料技術發(fā)展最成熟的為歐洲，主要以木質生物質為原料生產顆粒燃料。其相關標準體系也比較完善，形成了從原料收集、儲藏、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業(yè)鏈的成熟技術體系和產業(yè)模式。歐洲生產的顆粒燃料除通過專門運輸工具定點供應發(fā)電和供熱企業(yè)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加工廠幾十家，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(yè)剩余物成型燃料的生產國家，截至2010年，這幾個國家的成型燃料生產量達到了1000萬t以上。

　　我國主要以農業(yè)剩余物為原料生產成型燃料，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生產、燃料加工、配套燃燒爐及營銷企業(yè)投入運營，政府的環(huán)保、能源主管部門也開始給予支持和幫助。截至2010年，我國不同生產規(guī)模的成型燃料企業(yè)200多個，年產生物質成型在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(yè)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(fā)電技術

　　生物質成型燃料發(fā)電技術是生物質成型燃料技術和生物質發(fā)電技術的重要結合，是我國《可再生能源法》鼓勵發(fā)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(yōu)先領域。生物質成型燃料可應用于生物質直燃發(fā)電、混燒發(fā)電和氣化發(fā)電。生物質成型燃料應用于發(fā)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(yè)化的生物質成型燃料供應系統(tǒng)，保證成套設備運行的穩(wěn)定性、可靠性和經濟性。系統(tǒng)可使生產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、存儲及加工體系，形成一套持續(xù)穩(wěn)定的成型燃料生產運作模式，保證生物質發(fā)電燃料穩(wěn)定供應。

　　2.1生物質成型燃料直燃發(fā)電技術

　　生物質成型燃料直燃發(fā)電主要是指循環(huán)流化床燃燒發(fā)電，采用生物質成型燃料成型技術及設備，根據(jù)生物質成型燃料燃燒特性，在現(xiàn)有小火電廠基礎上，對循環(huán)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(fā)電。根據(jù)生物質成型燃料的燃燒及流化特性，選取適宜的流化床鍋爐運行工藝參數(shù)，對流化床鍋爐進行改造，解決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(xiàn)有燃煤火力發(fā)電廠的燃煤發(fā)電機組，建設成能利用生物質成型顆粒燃燒系統(tǒng)，并使該技術工程化、產業(yè)化。系統(tǒng)是在我國眾多的小型火力發(fā)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(fā)電，具有投資少和技術要求不高的特點，同時可解決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(fā)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(fā)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(fā)電（見圖3）既解決了常規(guī)能源的不可再生及短缺問題，又克服了生物質資源季節(jié)性變化導致電廠運行不穩(wěn)定的難題。生物質和煤混合燃燒發(fā)電技術經濟性較好，規(guī)模靈活，可充分利用燃煤電廠的原有設施和系統(tǒng)；根據(jù)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(fā)展前景。該技術可用于電廠、工業(yè)鍋爐等各種利用循環(huán)流化床鍋爐的行業(yè)，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(fā)電技術

　　針對生物質秸稈等就地燃燒帶來的環(huán)境污染問題以及生物質成型發(fā)電和混燒發(fā)電過程中存在的結焦問題，研發(fā)技術靈活、環(huán)保潔凈和經濟實用的生物質成型燃料氣化發(fā)電成為生物質能利用的一個重要發(fā)展方向。高效率的生物質成型燃料氣化發(fā)電采用生物質氣化—燃氣內燃機發(fā)電—余熱蒸汽輪機發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)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(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的技術難度和造價，以較低的代價解決焦油問題和二次污染的難題，并實現(xiàn)廢水的循環(huán)使用。低熱值生物質氣化產出氣能夠滿足內燃式燃氣發(fā)電機的運行要求，只是在能夠實現(xiàn)的最大輸出功率方面受到限制；生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)的尾氣排放能夠滿足環(huán)保的要求，但氣化發(fā)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(fā)電的問題及發(fā)展前景

　　3.1存在的問題及建議

　　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(wěn)定等致命問題。以上問題是生物質成型燃料的生產成本居高不下的重要原因之一。

　　建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(fā)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(yè)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(xiàn)設備生產規(guī)?；a業(yè)化，降低人工成本，減少生產中間環(huán)節(jié)消耗，實現(xiàn)更加的穩(wěn)定運行，滿足大規(guī)模生物質利用工程的要求。

　　3.1.2生物質發(fā)電方面

　　近幾年，我國生物質發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅速，但生物質直燃和混燒發(fā)電中存在的結焦、結渣及堿金屬腐蝕問題依然嚴重；氣化發(fā)電過程中存在著焦油和灰塵處理不完全、效率低、規(guī)模小等缺點。

　　混燒發(fā)電方面：研發(fā)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加工；研究設計出生物質原料輸送及給料系統(tǒng)，開發(fā)出生物質與煤混燒時生物質的計量檢測方法和數(shù)據(jù)遠程傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)；研發(fā)大型生物質與煤循環(huán)流化床鍋爐，提高燃燒效率，降低污染排放。

　　直燃發(fā)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(xiàn)象；應加強模仿創(chuàng)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(fā)電成套設備和關鍵技術。

　　氣化發(fā)電方面：研發(fā)大型生物質氣化、新型燃氣凈化系統(tǒng)、焦油污水處理和大型低熱值燃氣內燃機等關鍵技術，開發(fā)計算機全程監(jiān)控系統(tǒng)和優(yōu)化模型，優(yōu)化技術集成系統(tǒng)；研制與小型發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電的發(fā)展前景

　　面臨能源資源枯竭及其利用帶來的環(huán)境污染，調整能源結構、積極開發(fā)利用新能源和可再生能源是能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。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(fā)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(yè)剩余物每年的生產量達到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(yè)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(fā)改委頒發(fā)的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中，把生物質固體成型燃料和生物質發(fā)電作為重點發(fā)展領域，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(fā)電總裝機容量要達到2400萬kW。生物質成型燃料發(fā)電技術的推廣運行是實現(xiàn)生物質成型燃料和生物質發(fā)電等目標的重要保障之一，對于增加農民的收入、美化農村環(huán)境、減少一次能源消耗和污染等意義重大，具有明顯的經濟、環(huán)境和社會效益。

　　4結語

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

　　2）環(huán)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直接或間接地減少了化石燃料發(fā)電帶來的污染。

　　3）社會方面：生物質成型燃料發(fā)電技術可解決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(guī)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(fā)電等中小型電力系統(tǒng)可彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足，是大型發(fā)電系統(tǒng)的有效補充。