生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展探討

陸 智1 ，李雙江2 ，鄭 威3

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

　　摘要：聯(lián)系生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，分別對生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)與煤混合直燃發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入分析，并對比生物質(zhì)直燃技術(shù)和生物質(zhì)氣化技術(shù)的優(yōu)劣勢。

　　生物質(zhì)能是唯一可儲存的可再生能源，其利用過程環(huán)境友好，且可替代化石能源減排CO2，因而是一種頗具產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；们熬暗目稍偕茉?，對我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化意義重大。發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，是構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全能源供應(yīng)體系，突破經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展資源環(huán)境制約的重要途徑。秸稈發(fā)電變無序焚燒為集中燃燒并發(fā)電、造肥，節(jié)省了大量煤炭資源，并增加農(nóng)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(fā)展生物質(zhì)發(fā)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(huán)境效益。

　　1生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電利用技術(shù)

　　生物質(zhì)直燃發(fā)電就是將生物質(zhì)直接作為燃料進(jìn)行燃燒，用于發(fā)電或者熱電聯(lián)產(chǎn)。生物質(zhì)直接燃燒具有以下特點(diǎn)［1］：

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

　?。?）生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；

　?。?）生物質(zhì)燃料可與礦物質(zhì)燃料混合燃燒，既可以減少運(yùn)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(zhì)燃燒設(shè)備可以最快速度實(shí)現(xiàn)各種生物質(zhì)資源的大規(guī)模減量化、無害化、資源化利用，而且成本較低，因而生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)潛力。

　　1.1單燃生物直燃技術(shù)

　　在歐美發(fā)達(dá)國家主要燃燒的生物質(zhì)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(zhì)基本局限于秸稈等草本類植物。

　　據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對秸稈的燃燒機(jī)理進(jìn)行的研究，秸稈等生物質(zhì)與常規(guī)燃料的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)［2］：

　?。?）秸稈的含水量較大，約20％，是常規(guī)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(guī)燃料的1.5～2倍。在鍋爐受熱面布置時，要充分考慮這一情況。

　?。?）秸稈的堆積密度較小。秸稈投入爐內(nèi)燃燒時，先落在爐床上，隨著水分蒸發(fā)，開始漂浮在爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。因此，在這類鍋爐設(shè)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(nèi)有足夠的停留時間，得以完全燃燼。

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

　　（4）逸出揮發(fā)份后的秸稈變黑成為暗紅色焦炭粒子，未見明顯的火焰，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(shù)

　　層燃爐燃燒技術(shù)主要以爐排爐為代表，燃料在固定或者移動的爐排上實(shí)現(xiàn)燃燒，空氣從下方透過爐排供應(yīng)上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態(tài)，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(jié)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(huán)流化床燃燒技術(shù)

　　循環(huán)流化床鍋爐獨(dú)特的流體動力特性和結(jié)構(gòu)使其具備很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如燃料適應(yīng)性廣，低溫燃燒，燃燒效率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好等。

　　瑞典、丹麥、德國等發(fā)達(dá)國家在流化床燃用生物質(zhì)燃料技術(shù)方面具有較高的水平。美國愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出燃生物質(zhì)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(shù)研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)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(jì)80～90年代初投入商業(yè)運(yùn)行。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業(yè)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(dá)到80％［4］；瑞典和丹麥正在實(shí)行利用生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。

　　1.2生物質(zhì)與煤混合直燃技術(shù)

　　混合燃燒的技術(shù)優(yōu)勢［5］：

　　（1）生物質(zhì)是可再生能源，煤粉爐中生物質(zhì)共燃，可以利用現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，也是一種最好（廉價而低風(fēng)險）的利用可再生能源發(fā)電的技術(shù)。

　?。?）煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達(dá)35％以上，生物質(zhì)共燃正是借用其高效率的優(yōu)點(diǎn)，這是現(xiàn)階段其它生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)難以比擬的。

　?。?）生物質(zhì)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。

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

　?。?）我國生物質(zhì)資源豐富，可利用未被利用的生物質(zhì)折合近4億t標(biāo)準(zhǔn)煤，且分布廣泛，可就地利用；另一方面，大量利用生物質(zhì)發(fā)電可增加農(nóng)民收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

　?。?）生物質(zhì)共燃技術(shù)簡單，投資和運(yùn)行費(fèi)用低。生物質(zhì)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(yīng)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(zhì)發(fā)電設(shè)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(zhì)的水分含量用超聲波測定，控制在25％左右［6］。

　　2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)氣化是在高溫下部分氧化的轉(zhuǎn)化過程。該過程是直接向生物質(zhì)通氣化劑（空氣、氧氣或水蒸汽），使之在缺氧的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿涌扇細(xì)怏w的過程［7］。

　　目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)大體上可按2大類進(jìn)行分類：①按氣化劑分類，②按設(shè)備運(yùn)行方式分類。

　　2.1按氣化劑類型分類

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化劑類型分類如圖2。其中，干餾氣化其實(shí)是熱解氣化的一種特例。且由于干餾是吸熱反應(yīng)，應(yīng)在工藝中提供外部熱源以使反應(yīng)進(jìn)行。氧氣氣化則不需要提供外部熱源，產(chǎn)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?xì)獬煞趾拷档停瑹嶂狄搽S之降低在5000kJ/m3左右，為低熱值氣體。氫氣氣化反應(yīng)條件苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進(jìn)行，其氣化氣為熱值高達(dá)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(yùn)行方式分類

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化裝置的運(yùn)行方式分類如圖3［9］。

　　國內(nèi)外已投入商業(yè)運(yùn)行的氣化方法主要有：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。其中下吸式氣化爐應(yīng)用最廣。

　　圖4是下吸式固定床氣化爐的基本結(jié)構(gòu)和氣化反應(yīng)示意圖。生物質(zhì)原料由爐頂?shù)募恿峡谕度霠t內(nèi)，氣化劑（空氣、氧氣）可以由頂部進(jìn)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(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)。

　　下吸式氣化爐主要特點(diǎn)是氣化強(qiáng)度高（相對于上吸式），工作穩(wěn)定性好，可隨時加料；由于燃燒區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過燃燒區(qū)，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(jié)構(gòu)和氣化過程，可將流化床氣化爐分為循環(huán)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(huán)流化床由于其眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于大型商業(yè)化運(yùn)行。

　　循環(huán)流化床是唯一在恒溫床上反應(yīng)的氣化爐。氣化反應(yīng)在床內(nèi)進(jìn)行，焦油也在床內(nèi)裂解。流化介質(zhì)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?xì)猓m合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)燃料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點(diǎn)是入料需要預(yù)處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好的凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。

　　圖5是意大利Ensyn Engineering研究的上流式循環(huán)流化床反應(yīng)器的工藝流程圖。典型操作條件為溫度600℃，加工能力100kg/h，以楊木為原料時產(chǎn)氣率可達(dá)65％。優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)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］。

　　氣化產(chǎn)生的可燃?xì)庵饕脕戆l(fā)電。生物質(zhì)氣化的發(fā)電技術(shù)有以下3種方法：帶有氣體透平的生物質(zhì)加壓氣化、帶有透平或者引擎的常壓生物質(zhì)氣化、帶有朗肯循環(huán)的傳統(tǒng)生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)（BIGCC）包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電及蒸汽輪機(jī)發(fā)電［11］。

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)猓衫每扇細(xì)馔苿尤細(xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。氣化發(fā)電工藝包括3個過程：①生物質(zhì)氣化，把固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；②氣體凈化，氣化出來的燃?xì)舛紟в幸欢ǖ碾s質(zhì)，包括灰分、焦炭和焦油等，需要經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行；③燃?xì)獍l(fā)電。目前，國際上有很多發(fā)達(dá)國家開展提高生物質(zhì)發(fā)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(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。

　　針對我國廣大農(nóng)村的現(xiàn)狀，浙江大學(xué)熱能工程研究所開發(fā)的生物質(zhì)中熱值氣化集中供氣新型生物質(zhì)能源利用技術(shù)，它將秸稈高效利用和解決農(nóng)村用能問題有機(jī)結(jié)合起來，即將豐富的秸稈資源轉(zhuǎn)化為高品位、中熱值的清潔煤氣供民用或發(fā)電。同時，產(chǎn)生的半焦灰和其它副產(chǎn)品又可作為有機(jī)復(fù)合肥料還田，從而實(shí)現(xiàn)秸稈資源綜合利用。

　　該技術(shù)以農(nóng)業(yè)廢棄物為氣化原料，特別適用于稻稈、麥稈等軟質(zhì)秸稈，采用先進(jìn)高效的干餾加熱系統(tǒng)將燃料燃燒和氣化相結(jié)合，同時通過控制運(yùn)行參數(shù)等方式解決秸稈結(jié)團(tuán)問題，使燃料中固體和氣體成分得到合理利用，實(shí)現(xiàn)較高的燃料利用率。在基本完成氣化機(jī)理試驗(yàn)之后，浙江大學(xué)熱能工程研究所又開展了生物質(zhì)熱解制氣的中試試驗(yàn)研究和生物質(zhì)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(xué)以生物質(zhì)中熱值熱解氣化集中供氣技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的整套生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備不但技術(shù)簡單、適應(yīng)性好，而且啟動速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，并已于2000年5月獲國家實(shí)用新型專利（專利號：ZL992121914）,它具有以下顯著特點(diǎn)：

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

　?。?）生物質(zhì)煤氣熱值高。產(chǎn)生的中熱值煤氣熱值可達(dá)2500kcal/Nm3，最高可達(dá)3000kcal/Nm3；

　　（3）氣體中焦油含量小于50mg/Nm3。因采用爐內(nèi)焦油裂解催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，煤氣中焦油含量大大降低，符合農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T443-2001的規(guī)定。

　　3生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)與生物質(zhì)氣化技術(shù)的比較

　　生物質(zhì)直接用來燃燒簡化了環(huán)節(jié)和設(shè)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(zhì)分布分散，成為大規(guī)模利用生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)發(fā)電較大障礙。然而秸稈類生物質(zhì)因?yàn)楹休^多的K、Cl等無機(jī)物質(zhì)，在燃燒過程中很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的積灰、結(jié)渣、聚團(tuán)和受熱面腐蝕等堿金屬問題，堿金屬問題是秸稈大規(guī)模燃燒利用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這些還需要進(jìn)一步研究解決問題的方法。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)能夠一定程度上緩解中國對氣體燃料的需求，生物質(zhì)被氣化后利用的途徑也得到相應(yīng)的擴(kuò)展，提高了利用效率。

　　4結(jié)語

　　面對資源和環(huán)境的雙重壓力，過去以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)的弊端逐漸顯現(xiàn)，我國能源形勢面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大力發(fā)展可再生能源被廣泛認(rèn)為是解決能源匱乏和環(huán)境問題最可行的方法，而在可供發(fā)展的可再生能源種類中，生物質(zhì)能無疑占據(jù)了很重要的位置，生物質(zhì)能具有可再生性、廣泛分布性、低污染等特點(diǎn)。合理開發(fā)生物質(zhì)能源，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，改善能源結(jié)構(gòu)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

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