生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進展與分析

馬洪儒，張運真

（安陽工學院機械系，河南安陽 455000）

　　摘要：介紹了清潔的可再生能源生物質(zhì)秸稈的利用情況，著重論述了生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)外的研究及應用發(fā)展現(xiàn)狀，通過對生物質(zhì)鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電3種工藝的分析和對比，指出生物質(zhì)發(fā)電是我國今后有效利用生物質(zhì)能的發(fā)展方向。

　　0引言

　　生物質(zhì)秸稈是一種潔凈的可再生能源，它包括玉米稈、小麥稈、稻稈、油料作物秸稈、豆類作物秸稈、雜糧作物秸稈、棉花稈等多種作物的莖稈。作為新能源中最具開發(fā)利用價值的一種綠色可再生能源，生物質(zhì)秸稈發(fā)電受到高度重視，世界上許多國家將其作為21世紀發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點和具備發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。秸稈發(fā)電技術(shù)已被聯(lián)合國列為重點項目予以推廣。

　　在歐洲，尤其是北歐的一些國家利用秸稈發(fā)電已經(jīng)有10余年的歷史，世界上第1座生物質(zhì)秸稈發(fā)電廠于1988年在丹麥投產(chǎn)(Haslev，5MW)，如今，丹麥已建成100多家秸稈發(fā)電廠，秸稈發(fā)電量占該國總發(fā)電量的24%。目前，世界上最大的秸稈發(fā)電廠是位于英國坎貝斯的Elyan生物質(zhì)能發(fā)電廠，裝機容量為38MW。

　　我國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富。據(jù)1998～2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算，我國可開發(fā)的生物質(zhì)資源總量約7億t標準煤，其中農(nóng)作物秸稈約3.5億t標準煤。

　　目前我國農(nóng)作物秸稈中大約有1.45億t用作畜牧飼料，0.91億t用作還田肥料，0.14億t用作工業(yè)原料，2.8億t作為農(nóng)民傳統(tǒng)的生活燃料，余下的1億t左右大部分在田間地頭被直接焚燒了。這不僅污染環(huán)境，還造成能源的浪費。近幾年來，隨著農(nóng)村液化氣、煤炭等優(yōu)質(zhì)能源的大量使用，使得農(nóng)作物秸稈、谷殼等農(nóng)作物廢棄物的剩余量越來越大。

　　生物質(zhì)秸稈為低碳燃料，而且含硫量低，是一種較為清潔的燃料。利用秸稈發(fā)電，不僅可為缺電地區(qū)提供寶貴的電力，而且會極大地改善環(huán)境質(zhì)量，對環(huán)境保護非常有利；另外秸稈通常含有3%～5%的灰分，這種灰分以鍋爐飛灰和灰渣/爐底灰的形式被收集，灰分中含有豐富的鉀、鎂、磷、鈣等成分，可用作高效農(nóng)業(yè)肥料。所以，生物質(zhì)秸稈資源是新能源中最具開發(fā)利用價值的一種綠色環(huán)保可再生能源。

　　1生物質(zhì)秸稈能源轉(zhuǎn)換技術(shù)研究進展

　　生物質(zhì)秸稈發(fā)電主要工藝分3類：生物質(zhì)鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電。目前，生物質(zhì)發(fā)電量已占發(fā)達國家可再生能源發(fā)電量的70%。

　　1.1生物質(zhì)秸稈氣化發(fā)電技術(shù)

　　20世紀70年代，Chaly首次提出了將氣化技術(shù)用于生物質(zhì)這種含能密度低的燃料，使氣化技術(shù)成為生物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化過程最新技術(shù)之一。近年來歐洲很多研究人員對生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進行了大量的研究，并取得了相當?shù)某晒Ｉ镔|(zhì)受熱后，在相對較低的溫度下就可使大量的揮發(fā)分物質(zhì)析出，生物質(zhì)原料揮發(fā)分高達70%以上。因此，氣化技術(shù)非常適合生物質(zhì)原料的能量轉(zhuǎn)化。

　　生物質(zhì)秸稈氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理是把生物質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為高品位的燃料氣，再利用燃料氣推動內(nèi)燃機或燃氣輪機發(fā)電，進行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供。這樣既能解決生物質(zhì)秸稈燃燒效率低，分布分散的缺點，又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電設備結(jié)構(gòu)緊湊、污染少的優(yōu)點。所以，氣化發(fā)電是生物質(zhì)秸稈最有效、最潔凈的利用方式之一。

　　氣化發(fā)電工藝主要包括3個方面：一是生物質(zhì)秸稈氣化，在氣化爐中生物質(zhì)秸稈轉(zhuǎn)化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化后的燃氣都含有一定的雜質(zhì)，包括灰焦炭和焦油等，需經(jīng)過凈化系統(tǒng)把雜質(zhì)除去，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；三是燃氣發(fā)電，利用內(nèi)燃機或燃氣輪機進行發(fā)電。有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)是通過熱化學反應，將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。生物質(zhì)秸稈氣化技術(shù)根據(jù)采用的氣化反應爐的不同可以分為固定床氣化和流化床氣化。在氣化過程中使用不同的氣化劑，采用不同的過程運行條件，可以得到3種不同熱值的氣化產(chǎn)品：低熱值——4.6MJ/m3(使用空氣和蒸汽/空氣)；中等熱值——12～18MJ/m3(使用氧氣和蒸汽)；高熱值——40MJ/m3(使用氫氣)。固定床氣化爐與流化床氣化爐有著各自的優(yōu)缺點和一定的適用范圍。其性能比較見表1。

　　可以看出，流化床氣化爐比固定床氣化爐具有更好的經(jīng)濟性，應成為今后生物質(zhì)氣化研究的方向。

　　生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)(BIGCC)作為先進的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)，從1990年開始得到廣泛研究。BIGCC通過2級燃燒方式，利用2種工質(zhì)將勃雷登(Broyton)循環(huán)和朗肯循環(huán)疊加在一起，具有較高的發(fā)電效率和較大的發(fā)電規(guī)模。但由于生物質(zhì)燃氣熱值低，爐子出口氣體溫度較高(800℃以上)，要使BIGCC達到較高效率，需具備2個條件：一是燃氣進入燃氣輪機之前不能降溫，二是燃氣必須是高壓狀態(tài)的。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術(shù)才能使BIGCC的總體效率較高(40%)。目前，歐美一些國家正在開展這方面的研究，也建設了多個生物質(zhì)氣化發(fā)電BIGCC示范項目。但由于焦油處理技術(shù)和燃氣輪機改造技術(shù)難度大，限制了其應用推廣。

　　我國對生物質(zhì)秸稈氣化技術(shù)的深入研究開始于20世紀80年代。目前，國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置基本上是以空氣為氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù)，如河北的ND系列，山東的XFL系列，廣州的CSQ系列和云南的QL系列。其技術(shù)上存在的問題主要有：燃氣質(zhì)量不穩(wěn)定且燃氣熱值低；CO含量過高，不符合城市居民使用的燃氣標準；燃氣凈化及焦油的處理技術(shù)落后；整套裝置的可靠性差、使用壽命短；氣化系統(tǒng)質(zhì)量標準與施工規(guī)范尚未建立，難以實現(xiàn)生物質(zhì)氣化技術(shù)的工程化。

　　我國于1998年10月建成了1MW谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)，2000年7月通過了中科院鑒定；1999年1MW木屑氣化發(fā)電示范工程建成并投入運行；2000年6MW秸稈氣化發(fā)電示范工程建成并投入運行；2005年5月由中國科學院廣州能源研究所開發(fā)的4MW生物質(zhì)聯(lián)合發(fā)電項目，在江蘇興化市投入運行。

　　由于受氣化效率與內(nèi)燃機效率的限制，簡單的氣化-內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)效率低于18%，單位電量的生物質(zhì)消耗量一般大于1.2kg/(kW?h)。目前，我國的生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)的最大裝機容量與國外相比，還有很大差距。

　　1.2生物質(zhì)-煤混合燃燒技術(shù)

　　1.2.1生物質(zhì)秸稈燃料和固體燃料(煤)特性比較

　　生物質(zhì)秸稈和煤在組成和特性(如發(fā)熱量)等方面存在明顯的差異，見表2和表3。

　　可以看出，秸稈的揮發(fā)分和含氧量遠高于煤，而灰分和含碳量，特別是固定碳含量遠低于煤，其熱值也小于煤。

　　1.2.2實施生物質(zhì)秸稈-煤共燃技術(shù)的優(yōu)勢

　　(1)生物質(zhì)秸稈資源豐富，而且分布廣泛。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的生物質(zhì)秸稈量超過7億t，除去40%作為飼料、肥料和工業(yè)原料外，尚有60%可用作能源開發(fā)，大約折合2.1億t標準煤。

　　(2)可以提高生物質(zhì)秸稈的燃燒效率。煤粉發(fā)電燃燒效率高，可以達到35%以上，生物質(zhì)秸稈與煤共燃，可以借用其高效率的優(yōu)點。

　　(3)生物質(zhì)秸稈-煤共燃技術(shù)簡單易行，可以利用現(xiàn)役燃煤電廠而無需大量投資。生物質(zhì)秸稈價格相對較低，大量使用可以降低燃料成本。

　　(4)降低有害氣體排放，有利于環(huán)境保護。生物質(zhì)秸稈燃料低碳、低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠廢氣中SO2和NOx的含量。生物質(zhì)秸稈燃燒被看作CO2零排放，所以，采用生物質(zhì)秸稈-煤共燃技術(shù)，是現(xiàn)役燃煤電廠降低CO2排放量的有效措施之一。

　　1.2.3生物質(zhì)秸稈-煤共燃實施技術(shù)

　　在現(xiàn)役燃煤電廠實施生物質(zhì)秸稈-煤共燃較為簡單，僅僅涉及在已有的燃料系統(tǒng)中進行生物質(zhì)秸稈的摻混，通常有下面2種方式：

　　(1)在給煤機上游與煤混合，再一起制粉后噴入爐膛燃燒。

　　(2)采用專門的粉碎裝置進行生物質(zhì)秸稈的切割和粉碎，然后在燃燒器上游混入煤粉氣流中，或通過專設的生物質(zhì)燃燒器噴入爐膛燃燒。

　　第1種方式相對簡單，無需對現(xiàn)有設備和系統(tǒng)進行改造，但由于生物質(zhì)能量密度低且難以粉碎，磨煤機的容量及系統(tǒng)可靠運行對摻燒比例有限制。對燃燒煙煤的電廠，生物質(zhì)秸稈質(zhì)量配比一般小于4%～5%；第2種方式需要加裝單獨的生物質(zhì)燃料制備系統(tǒng)，設備投資等費用顯著增加。

　　1.2.4生物質(zhì)秸稈-煤共燃的一些技術(shù)問題

　　(1)摻燒比例。綜合國外在這方面的大量試驗和工程應用研究，采用生物質(zhì)秸稈-煤共燃時，一般生物質(zhì)秸稈熱量配比(生物質(zhì)秸稈發(fā)熱量大約為煤的一半)小于15%或質(zhì)量配比小于5%。若超過此限度，可能會造成燃料及制粉系統(tǒng)的堵塞，影響制粉系統(tǒng)的正常運行。

　　(2)生物質(zhì)秸稈燃料的制備。生物質(zhì)秸稈與煤在共燃時，必須首先將其粉碎成尺寸為3mm左右的顆粒；生物質(zhì)秸稈含水量不能太高，故在粉碎前應對其進行干燥處理。研究表明，當顆粒尺寸大于3mm，秸稈中水分含量大于40%時，將不易充分燃燒。

　　(3)腐蝕問題。生物質(zhì)秸稈中氯和堿金屬含量較高，它們在燃燒中生成氯化物而凝結(jié)在受熱面上，可能會引起受熱面金屬腐蝕。因此，在共燃生物質(zhì)秸稈時，堿金屬氯化物的腐蝕問題需要關(guān)注。

　　(4)對催化劑活性的影響。研究表明，煤粉燃燒電廠共燃生物質(zhì)秸稈，會出現(xiàn)選擇性催化還原，致使煙氣脫硫系統(tǒng)催化劑的活性顯著降低，其原因可能是生物質(zhì)秸稈燃料中豐富的堿金屬和堿土金屬會引起上述系統(tǒng)中催化劑中毒。

　　1.3生物質(zhì)秸稈直接燃燒技術(shù)

　　生物質(zhì)秸稈直接燃燒是最簡單，也是最早被采用的生物質(zhì)能利用方式。但在過去的傳統(tǒng)燃燒方式中，生物質(zhì)燃燒效率極低，一般只有10%左右，造成能源嚴重浪費。若能開發(fā)一種方便、高效的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)，必將具有很好的經(jīng)濟和社會效益。鍋爐燃燒是一種先進的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)秸稈壓縮成型后作為鍋爐的燃料燃燒，可以提高生物質(zhì)能的利用效率，適應于生物質(zhì)資源相對集中，可大規(guī)模利用的地區(qū)。

　　生物質(zhì)(秸稈)成型技術(shù)(Biomass Briquetting Technology)是指在一定溫度和壓力下，將各類分散的、沒有規(guī)則形狀的生物質(zhì)廢棄物壓制成具有規(guī)則形狀的、密度較大的各種成型燃料的高新技術(shù)。生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料的工藝流程如下：秸稈收集→干燥→粉碎→成型→成品→燃燒→發(fā)電(供熱)。用于生物質(zhì)秸稈成型的設備主要有螺旋擠壓式成型機、機械活塞沖壓式成型機、環(huán)磨輥壓式和液壓活塞沖壓式成型機等幾種主要類型。從主要技術(shù)指標來看，環(huán)磨輥壓式成型機具有最高的效率，而且生產(chǎn)成本低，但是技術(shù)要求較高，目前在我國還不成熟。技術(shù)比較成熟的是機械活塞成型和液壓活塞成型，比較而言前者生產(chǎn)率高，但主要部件壽命低；而后者主要工作部件壽命可達前者2倍，但最高生產(chǎn)能力不足前者的1/2?？紤]總體產(chǎn)品成本，液壓活塞成型機較低。

　　現(xiàn)有的國內(nèi)外絕大多數(shù)生物質(zhì)成型工藝要先將秸稈粉碎至極為細小的顆?；蚍勰?，然后經(jīng)成型設備壓縮成型，否則將不能成型或難以成型。樊峰鳴，張百良利用河南農(nóng)業(yè)大學研制的HPB-Ⅲ型生物質(zhì)秸稈成型設備進行粗大秸稈擠壓成型試驗，將原料粒度大大放寬，粗大玉米稈只需要簡單切碎，對麥秸稈、豆秸稈、稻殼、花生殼等直徑小于1cm、長度小于25cm的大粒徑松軟生物質(zhì)秸稈，不需要粉碎便可輸入成型機擠壓出成型燃料。不但降低了能耗，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還有效地提高了生產(chǎn)效率。

　　農(nóng)作物秸稈經(jīng)壓縮后的成型燃料密度可達0.8～1.4g/cm3，便于儲存和運輸。而且其熱值大于木材，熱值為14～17MJ/kg，相當于中質(zhì)煙煤，適于直接燃燒，具有黑煙少、火力旺、燃燒充分、不飛灰、干凈衛(wèi)生以及NOx，SOx極微量排放等優(yōu)點。秸稈鍋爐為水冷式振動鍋爐或鏈條爐排鍋爐，是專門為秸稈燃燒發(fā)電而開發(fā)的設備。

　　馬孝琴，駱仲泱設計的生物質(zhì)秸稈成型鍋爐采用雙膽反燒結(jié)構(gòu)，經(jīng)燃燒試驗，表明該爐具有較高的熱效率和環(huán)保效益，燃用秸稈成型燃料燃燒穩(wěn)定，床層不易結(jié)渣且煙氣中飄塵含量達標。

　　2結(jié)束語

　　(1)生物質(zhì)秸稈作為一種潔凈能源，利用時不僅SO2，NOx等有害氣體排放量極小，而且具有CO2零排放的優(yōu)點。據(jù)測算，建設一個2×12MW的秸稈發(fā)電廠，與同等規(guī)模的燃煤電廠相比，利用秸稈發(fā)電每年可節(jié)約標準煤6萬t，減少SO2排放量600t，減少煙塵排放400t。一方面提高了農(nóng)村的生活環(huán)境，另一方面也改善了農(nóng)民的生活質(zhì)量。秸稈發(fā)電鍋爐排放的灰渣還可作為農(nóng)家肥再利用，其生態(tài)和經(jīng)濟效益十分明顯。

　　(2)生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)，不僅可為農(nóng)村提供更多電力，而且使生物質(zhì)能資源的商品化成為可能，農(nóng)民可通過出售農(nóng)作物秸稈獲得一定的收入。如我國第一個完全利用作物秸稈發(fā)電的建設項目——河北省晉州市秸稈發(fā)電廠，每年所需的近20萬t秸稈全部從當?shù)厥召?，按市場價格100元/t計算，可為當?shù)剞r(nóng)民增收2000萬元/年。另外，生物質(zhì)秸稈的收購、運輸及儲存等也會形成一系列的產(chǎn)業(yè)，從而帶動農(nóng)民收入的增加。

　　(3)秸稈發(fā)電作為一項新技術(shù)，建設秸稈發(fā)電廠的一些設備還需要進一步完善，一些技術(shù)問題還有待于進一步解決。開發(fā)效率較高的秸稈發(fā)電系統(tǒng)，是我國開發(fā)生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)的一個主要課題，也是我國能否有效利用生物質(zhì)能源的關(guān)鍵。應積極引進、消化和吸收國外先進技術(shù)，嫁接商品化、集約化、規(guī)?；墓芾斫?jīng)驗，并不斷創(chuàng)新，早日實現(xiàn)秸稈成套發(fā)電設備的國產(chǎn)化。

　　(4)我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，若能充分利用，不僅能減少環(huán)境污染，變廢為寶，而且還是能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我國的《可再生能源法》已于2006年1月1日正式實施，相關(guān)的價格、稅收、強制性市場配額和并網(wǎng)接入等鼓勵扶持政策也相繼出臺，這些措施的落實，將使我國的可再生能源產(chǎn)業(yè)進入一個加速發(fā)展時期。