生物質氣化技術發(fā)展分析

吳創(chuàng)之，劉華財，陰秀麗

（中國科學院廣州能源研究所中國科學院可再生能源重點試驗室，廣東廣州 510640）

　　摘要：生物質氣化技術在世界范圍內得到了廣泛應用。研究綜述了生物質氣化技術的發(fā)展現狀和應用情況，闡明了生物質氣化技術目前存在的主要問題；對中國生物質氣化生活供氣和工業(yè)供氣典型項目的經濟性進行了分析，在此基礎上對中國生物質氣化技術應用前景進行了展望；結合中國生物質氣化產業(yè)發(fā)展面臨的新形勢，為生物質氣化產業(yè)的發(fā)展提出建議。

　　1國外生物質氣化技術發(fā)展現狀

　　1.1技術現狀

　　經過幾十年的發(fā)展，歐美等國的生物質氣化技術取得了很大的成就。生物質氣化設備規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復雜，主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，目前，開發(fā)了多系列已達到示范工廠和商業(yè)應用規(guī)模的氣化爐。生物質氣化技術處于領先世界水平的國家有瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等。歐洲和美國在生物質氣化發(fā)電和集中供氣已部分實現了商業(yè)化應用，形成了規(guī)模化產業(yè)經營。20世紀80年代末90年代初，主要利用上吸式和下吸式固定床氣化爐來發(fā)電或供熱，規(guī)模大都較小。由于下吸式產氣焦油含量較低，近來已逐漸占據主導地位，尤其以發(fā)電為目的時，主要在中國和印度使用。近年的大中型氣化發(fā)電系統多采用常壓循環(huán)流化床，容易擴大，原料適應性好，對原料尺寸和灰分要求不高。空氣氣化常用于發(fā)電和供熱，富氧氣化常用于氣化合成，加壓氣化則用于IGCC（整體氣化聯合循環(huán)發(fā)電系統）、氣化合成燃料或化工品。在過去的二三十年里，歐洲和北美的研究和技術都有了顯著的進展，建立了一批示范或商業(yè)工程，部分典型工藝和應用見表1。

　　1.2應用情況

　　生物質氣化目前主要應用于供熱、窯爐、發(fā)電和合成燃料，具體見圖1。各種應用的規(guī)模都在增長，CHP（熱電聯產）的增長尤其快，已成為目前最主要的利用方式。除了上述技術，生物質氣化還有其他新型利用，比如燃料電池等。

　　從20世紀80年代起，生物質氣化被美國、瑞典和芬蘭等國應用于水泥窯和造紙業(yè)的石灰窯，既能保證原料供給又能滿足行業(yè)需求，這種應用方式簡單可靠，具有較強的競爭力，但應用卻不多。

　　20世紀90年代起，生物質氣化開始被應用于熱電聯產，多用柴油或燃氣內燃機，對燃料品質和系統操作的要求較高，成本也較高，其應用推廣受到限制，常常需要政府的支持和補貼。受煤的IGCC應用結果的推動，生物質IGCC成為90年代的關注熱點，IGCC系統有望在中等成本和中等規(guī)模下提供高發(fā)電效率，研究者對其進行了大量的研究并建設了幾個示范工程，主要集中在歐洲，但由于系統運行要求和成本都較高，大都已停止運行。

　　1998年，生物質氣化混合燃燒技術已被用于煤電廠，將生物質氣化得到的可燃氣體輸送至鍋爐與煤混燃，這相當于用氣化爐來替代生物質粉碎設備，即將氣化看做生物質燃料的一種預處理方式。大部分混合燃燒鍋爐機組選用以空氣為氣化劑的常壓循環(huán)流化床木屑氣化爐技術，此技術相當成熟且有多種形式，目前已商業(yè)化運行。

　　生物質氣化最新的發(fā)展趨勢是合成燃料，生物質可以通過氣化方式生產合成氣，并通過合成生產費托液體燃料和含氧液體燃料（如甲醇、二甲醚），能替代現有的石油和煤炭化工，緩解第一代生物能源-生物柴油對糧食的壓力。早在80年代，氣化合成燃料技術在歐美已經有了初步的發(fā)展。近年來，受可再生能源發(fā)展政策的激勵，歐美各國加大了對氣化合成技術的關注和投入，比如，歐盟理事會2003［30］號指令規(guī)定到2010年生物燃料必須占其運輸燃料消費總量的5.75%，2009［28］號可再生能源指令要求到2020年歐盟交通領域的可再生能源消費達到10%，美國則在生物質氣化合成乙醇方面取得了很大的成就，目前的生產能力（已有+在建）已達207.75百萬加侖/年（約7.9×108L/year）。如果能開發(fā)出有效的氣體凈化技術，氣化合成產業(yè)將會得到迅速的發(fā)展。

　　在歐洲，許多對生物質氣化發(fā)電在內的中小型分布式能源系統給予了特別關注，小規(guī)模生物質氣化發(fā)電電站的收購電價高于大型發(fā)電站的電價，以鼓勵生物質的分布式利用。如奧地利根據規(guī)模對生物質發(fā)電給予不同的上網電價，規(guī)模小于2MWe的為15.64Cent/kWh（約1.51yuan/kWh），規(guī)模大于2MWe的為14.94Cent/kWh（約1.44yuan/kWh）。

　　2中國生物質氣化技術發(fā)展現狀

　　2.1技術現狀

　　目前，中國生物質氣化產業(yè)主要由氣化發(fā)電和農村氣化供氣組成，其中，氣化燃氣工業(yè)鍋爐/窯爐應用、干餾氣化和其他技術才剛剛起步。1～3MWe的氣化爐-內燃機系統的發(fā)電效率為17%～20%，6MWe的內燃機-蒸汽輪機聯合循環(huán)系統發(fā)電效率可達28%；氣化供氣和氣化工業(yè)應用技術則有一定優(yōu)勢，其他國家應用相對較多的是造紙廠石灰窯爐，但實際項目屈指可數。中國生物質固定床氣化技術典型指標見表2。

　　2.2應用情況

　　中國自主研發(fā)的生物質氣化發(fā)電技術已經解決了一些關鍵性，目前，已開發(fā)出多種以木屑、稻殼、秸稈等生物質為原料的固定床和流化床氣化爐，成功研制了從400kWe到10MWe的不同規(guī)格的氣化發(fā)電裝置。中國的生物質氣化發(fā)電正在向產業(yè)規(guī)?；较虬l(fā)展，在中國推廣很快，而且出口到泰國、緬甸、老撾和中國的臺灣地區(qū)，是國際上中小型生物質氣化發(fā)電應用最多的國家之一。

　　利用生物質氣化技術建設集中供氣系統以滿足農村居民炊事和采暖用氣也得到了應用，1994年在山東省桓臺縣東潘村建成中國第一個生物質氣化集中供氣試點以來，山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、北京、天津等省市陸續(xù)推廣應用生物質氣化集中供氣技術。在2000年前后，該技術的推廣曾達到了一個高峰。此后相關規(guī)范和制度逐步完善，各地制定了一系列管理辦法，使生物質氣化集中供氣應用在中國農村能源建設中穩(wěn)步推進。北京的順義、懷柔等郊縣均有推廣應用，“新型生物質氣化集中供氣系統建設”工程是懷柔重大科技項目。截止到2010年底中國共建成秸稈熱解氣化集中供氣站900處，運行數量為600處，供氣戶數2.096×105戶，平均每個正在運行的氣化站平均供氣約350戶。

　　生物質氣化燃氣工業(yè)鍋爐和窯爐應用方面，近幾年來成功地完成了超過20個生物燃氣項目，典型項目包括常州運達印染、珠海麗珠合成制藥、深圳華美鋼鐵和廣東立國制藥等項目。

　　2.3經濟性

　　2.3.1生活供氣

　　臨沂市郯城縣李莊鎮(zhèn)諸葛店村秸稈氣化集中供氣站2009年建成，設計供氣規(guī)模為500戶，總投資1.87×106yuan，氣化站實際供氣為300戶，運行負荷率為60%。該站采用下吸式氣化爐進行空氣氣化，主要原料為玉米芯，燃氣經凈化后貯存到儲氣柜，由敷設地下的管網送到用戶。年運行費用見表3。

　　2011年總用氣量3.833×105m3，戶均用氣量約3.5m3/d，燃氣收費價格為0.35yuan/m3，燃氣成本為0.53yuan/m3，年燃氣銷售收入1.342×105yuan。當工程實際運行負荷為100%時，可供500戶用氣，在原料價格、電價、人員月工資等條件不變的情況下，年運行費用為1.628×105yuan，單位燃氣總成本為0.40yuan/m3，設戶均用氣量仍為3.5m3/d，則年用氣量為6.388×105m3，年燃氣銷售收入2.236×105yuan。

　　2.3.2工業(yè)窯爐供氣

　　以某熔鋁廠100t/爐的窯爐為例，每天熔煉1爐，每年運行300d，每噸鋁需消耗燃油80kg，按生物質氣化熱氣效率85%測算，燃油與生物質之比約為3∶1，測每天需消耗生物成型燃料約24t，需要一臺氣化爐及其附屬設備，項目投資預測見表4。采用成型顆粒燃氣代替燃油的生產成本見表5。

　　從經濟效益來看，以平均每天消耗重油8t、年運行時間300d測算，每年需要重油2400t，費用1.08×107yuan，采用生物質能提供同樣能源的前提下，按目前生物質市場價格900yuan/t，加上項目投資管理成本100yuan/t進行結算，生產企業(yè)每年可節(jié)約燃料費2.938×106yuan，相當于節(jié)省燃料費28.2%，具體見表6。

　　從環(huán)保效益來看，改造后窯爐的SO2和煙塵的排放可接近燃用天然氣的排放水平。改造后每年可替代2400t重油，若燃重油SO2和煙塵的排放因子分別為42.75kg/t和8.4kg/t，SO2排放可減少約100t，煙塵排放可減少約20t；另外，生物質燃氣的CO2基本零排放，CO2排放可減少約7500t。改造后污染物排放可接近燃用輕油、天然氣等清潔能源的排放水平。需要說明的是，以上指標是使用生物質成型顆粒作為原料，固定床床氣化爐作為氣化反應器，實際改造過程中，可以根據具體情況選用生物質原料及氣化系統，進一步提高效率，降低運行成本。

　　3生物質氣化技術主要問題和發(fā)展前景

　　3.1生物質氣化技術主要問題

　　3.1.1氣化效率偏低、燃氣質量較差

　　產出燃氣中焦油含量偏高，焦油會與水、灰結合在一起，沉積在氣化設備、管道、閥門和下游設備，一定時間的運行后，容易出現嚴重的堵塞和磨損等問題，也導致燃氣凈化系統復雜且運行成本高昂；燃氣熱值低，質量穩(wěn)定性也較差，無法達到中國國家標準《人工煤氣》（GB13621-92）的要求，有時火焰溫度達不到爐灶或窯爐的要求，或是無法高效率驅動發(fā)電設備，不利于推廣應用，也限制了應用范圍。

　　3.1.2氣化設備的燃料適應性較差

　　生物質氣化系統對原料有一定要求。目前的氣化爐對原料水分、灰分或熱值的變化比較敏感。流化床氣化系統中，原料水分超過一定值如20%時，系統溫度波動極大，將難以正常運行。固定床氣化爐在原料變化時其反應穩(wěn)定性易受到破壞，造成溫度不均以致結渣或氣化效率低下。

　　3.1.3燃氣和常規(guī)燃燒設備匹配不規(guī)范

　　中國尚未有專門設計開發(fā)的生物質燃氣內燃機組，大都由柴油內燃機改造而成，需要開發(fā)大型低熱值燃氣內燃機，提高發(fā)電效率和系統的可靠性；生物質氣化替代工業(yè)燃料則剛剛進入工業(yè)示范，還沒實現規(guī)?；a業(yè)化應用階段，急需解決生物質燃氣高效燃燒、氣化系統與工業(yè)鍋爐/窯爐耦合調控技術等難題，以保證生物質燃氣作為燃料可以在不同的工業(yè)設備中使用，包括工業(yè)鍋爐、工業(yè)加熱窯爐（冶金爐、玻璃窯爐、陶瓷窯爐）等。另外，系統設備的機械化、自動化程度也較低。這些技術的進步同世界先進水平相比仍有較大的差距，特別是在技術設備的產業(yè)化和商業(yè)化生產方面的差距更為明顯。

　　3.2生物質氣化技術發(fā)展前景

　　3.2.1生物質氣化技術的優(yōu)勢

　　生物質氣化應用的規(guī)模很靈活，氣化生產的燃氣可根據當地的實際情況滿足不同的需要，如，既可以建設小型發(fā)電站，也可以作為居民生活燃氣，甚至可作為供熱、工業(yè)窯爐的燃料等，使真正實現生物質“因地制宜”開發(fā)利用的有效途徑。而且從目前實際情況看，由于生物質氣化工藝對各種用戶需求的適應性較好，不同的規(guī)模下都具有一定的經濟性。

　　以生物質氣化發(fā)電為例，與目前應用最多的生物質直燃發(fā)電相比，原料收集半徑小，供應容易保障。工藝上可以采用內燃機，也可以采用燃氣輪機，甚至結合余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電系統，所以生物質氣化發(fā)電可以根據規(guī)模的大小選用合適的發(fā)電設備，保證在較小規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率和較好的經濟性。可以在生物質資源相對集中的地域，根據資源量選擇適當的生物質發(fā)電技術類型，建立相應規(guī)模的生物質發(fā)電廠（站），所生產的電力可以直接供給附近的用電單位，也可以并入電網。這種分布式電力系統技術適宜，投資小。而且接近終端用戶，可以不受電網影響，直接供電，運行方便可靠。同時燃氣發(fā)電沒有高壓過程，設備簡單，操作方便。中國在邊遠地區(qū)電力供應方面存在較大的缺口，因地制宜地利用當地生物質能資源，建立分散、獨立的離網或并網生物質氣化分布式電站擁有廣闊的市場前景。

　　生物質氣化符合中國生物質資源分散的特點，適合分散利用和工業(yè)應用，具有較強的適應能力和生存能力。因此，在中國適度發(fā)展生物質氣化利用有較好的應用前景。此外，生物質氣化利用還具有較好的潔凈性，CO2減排能力強，具體見表7。由于氣化過程一般溫度較低（700～900℃），NOx的生成量也很少，能有效控制NOx的排放。

　　3.2.2生物質氣化技術的經濟性

　　生活供氣效益：利用生物質氣化為城鎮(zhèn)居民供應燃氣成本與燃用蜂窩煤成本差不多，但和燃用液化氣相比明顯降低。但由于生物質氣化供氣系統需要加大投資和專門的運行人員，在供氣規(guī)模較小的情況下項目的經濟效益不明顯，甚至有可能虧損。即使生物質供氣規(guī)模為1000戶，按每戶每月節(jié)省30yuan，每年可節(jié)省的費用大約為4.0×105yuan，考慮到項目的投資和運行人員費用，項目回收和盈利的可能性不大。所以生物質氣化供氣項目一般只能作為社會公益性項目。生物質原料按500yuan/t計算時，生物質集中供氣與常規(guī)的經濟性比較見表8。

　　工業(yè)供氣效益：生物質能源與燃煤比單位熱量成本更高，但與天然氣、燃料油等化石能源單位熱量成本將明顯低。所以如果能使用生物質能替代天然氣、石油等高價能源，可以有效降低企業(yè)生產成本，顯著提高企業(yè)經濟效益。如在南方沿海地區(qū)，利用生物質氣化技術可實現代替天然氣，可節(jié)省燃料成本50%左右，即是考慮增加設備投資和運行成本，經濟效益仍然可觀。南方沿海地區(qū)燃料價格見表9。

　　4中國生物質氣化產業(yè)發(fā)展面臨的新形勢

　　4.1發(fā)展生物質氣化與生態(tài)環(huán)境改善相結合

　　在中國“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃的重點工程中，工業(yè)鍋爐、窯爐改造排在首位：“到2015年，工業(yè)鍋爐、窯爐平均運行效率比2010年分別提高5個和2個百分點……“十二五”時期形成7.5×107t標準煤的節(jié)能能力”。

　　截止至2008年底，中國在用工業(yè)鍋爐超過5.7×105臺，年耗燃料約4×108t標準煤，約占中國煤炭總產量的四分之一。工業(yè)鍋爐排放大量煙塵以及SO2和NOx等污染物，是中國大氣主要煤煙型污染源之一。中國每年工業(yè)鍋爐的污染物排放約為：煙塵8×106t，SO2 9×106t，CO2 1.25×109t。目前，工業(yè)鍋爐能源消耗和污染排放均位居全國工業(yè)行業(yè)第二，僅次于電站鍋爐，煤炭消耗量明顯高于鋼鐵、石化等高耗能工業(yè)行業(yè)。中國重點城市工業(yè)鍋爐排放造成的污染已超過電站鍋爐。

　　工業(yè)窯爐也是主要污染排放源之一，同時也是耗能大戶。據前瞻產業(yè)研究院2011年統計數據，中國共有各類工業(yè)窯爐約1.1×105臺，其中，燃煤工業(yè)窯爐約有6×104多臺，主要分布在華北、西北和西南等地區(qū)。中國大部分工業(yè)窯爐在爐型結構、燃燒系統、余熱利用、絕熱材料、熱工檢測、自控、微機應用及環(huán)保等方面都比較落后，而且中國工業(yè)窯爐容量大多偏小，造成能源浪費，同時環(huán)境污染嚴重。目前，中國電石、鐵合金、鋼鐵、化工、建材、有色等主要耗能行業(yè)的工業(yè)窯爐余熱利用率僅在5%左右，并且以煙氣余熱或直接燃燒制取蒸汽為主要利用方式，有效利用率不足40%，沒有達到真正的能源綜合利用，并且排放出大量的CO2，溫室效應嚴重。

　　4.2生物質氣化與新農村和小城鎮(zhèn)建設相結合

　　2012年政府工作報告指出，中國城鎮(zhèn)化率已經超過50%，標志著中國已進入城市化加速發(fā)展階段。如果到2020年提高到55%～60%，按照每年提高一個百分點來算，每年將增加至少1.3×107城鎮(zhèn)人口。而中國城鎮(zhèn)人口年均消耗能源約為農村人口的3.5倍，需要大量的新增能源。隨之而來的污染物排放也將升高，超過環(huán)境容量和承載能力，大氣空氣質量繼續(xù)惡化。依靠現有的以化石燃料為主的能源結構難以滿足經濟發(fā)展的需要，必須大力發(fā)展具有巨大資源潛力的生物質可再生能源，建立多種能源形式并存的可持續(xù)發(fā)展能源體系。

　　4.3促進生物質氣化產業(yè)發(fā)展的建議

　?。?）增加投入，鼓勵分布式生物質氣化應用示范，通過應用示范完善技術和標準，形成適合于中國特點的商業(yè)化模式：

　　確保增加和提供持續(xù)的研發(fā)和示范資金支持，制定可靠的生物質氣化可持續(xù)性發(fā)展計劃，以促進常規(guī)和先進高效生物轉化更具成本優(yōu)勢；

　　利用綠色城設建設等計劃，鼓勵進行生物質氣化利用的商業(yè)化示范，促進生物質氣化生產中的技術標準的完善和商業(yè)化模式的形成。

　?。?）提供長期發(fā)展目標和配套政策，建立和完善生物質氣化利用的財政支持和補貼政策，逐步建立二氧化碳減排計算方法和補貼方法，推動先進高效的生物質氣化應用技術實現商業(yè)生產：

　　制定鼓勵發(fā)展小型分布式氣化發(fā)電產業(yè)的支持政策，將小型氣化發(fā)電（2MWe以下）納入國家最近推出的分布式可再生發(fā)電上網的鼓勵政策中；

　　制定新農村建設中推廣使用生物質熱/電/氣聯供技術的政策，將使用生物質氣化技術實現熱電氣聯供的項目納進新農村建設補貼政策重，在項目立項、建設資金補貼、稅務和收費等方面給與優(yōu)惠。

　　（3）制定鼓勵利用生物質氣化燃氣作為供熱鍋爐、工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐的替代燃料，完善成型燃料補貼政策、節(jié)能減排補貼政策，對生物質氣化應用給與建設投資補貼（將物質燃氣替代化石燃料量納入國家節(jié)能量補貼范圍）、運行成本補貼（將生物質氣化應用納進成型燃料補貼范圍）和稅收優(yōu)惠等。