生物质能发电模式探讨

(神华准格尔能源有限公司 黑岱沟实业公司，内蒙古 薛家湾 010300)

摘 要： 文章在阐述几种生物质能发电模式的国内外发展现状及主要工艺流程的基础上，针对我国生物质能利用现状，以物质循环为指导，对生物质能发电工艺和科学的发展模式进行了探讨。

关键词： 生物质能；发电模式；物质循环

中图分类号： TK6  文献标识码： A  文章编号： 1007—6921(2009)19—0071—05 

能源是国民经济重要的基础产业，是人类生产和生活必需的基本物质保障。目前，世界一次能源消费以煤，石油，天然气等不可再生化石燃料为主。随着经济的发展和人类的进步，能源消费量不断增加(见图1)。化石燃料终将耗尽，寻找新的替代能源以保证社会的可持续发展成为全球性问题。随着我国可再生能源法的颁布实施，发展太阳能、风能、生物质等可再生能源引起社会的广泛关注。
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生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量。生物质是人类作为能源利用的第一种可再生能源。生物质发电技术是将生物质能源转化电能的一种技术，主要包括农林废物发电、垃圾发电和沼气发电等。作为一种可持续发展的能源，生物质发电在国际上越来越受到重视，在国内也越来越受到政府的关注和民间的拥护(见表1)。

我国能源结构的调整、农村环境的保护及社会主义新农村的建设等宏观政策将有利于生物质能源的发展。“十一五”期间我国生物质发电的发展必将进入快速发展期。
 1 农林废物发电现状 

根据燃料利用方式的不同可将农林废物发电分为燃烧发电和气化发电。燃烧发电是直接利用生物质在锅炉中燃烧放出热量加热工质进行发电。气化发电是将生物质在缺氧条件下转化为可燃气，然后可燃气在锅炉或原动机中燃烧发电，如表1所示，农林废物发电在世界许多国家都得到重视和发展。
 1.1 燃烧发电 

农林废物燃烧发电系统包括：原料的收集与供应；燃料的预处理(包括燃料压缩、破碎和储存)；燃料输送和加料系统；燃烧系统；余热回收系统；烟气净化系统等。生物质燃烧发电厂的流程如图2所示。由于农林废物的发热量低，燃料的收集、储存和运输等问题成为发展农林废物燃烧电厂的瓶颈，限制了电厂的容量。对于农林废物运输存在经济距离，一般生物质电站的规模取决于距其25km范围内可获取的生物质原料的数量，电站的容量<25MW^［1］。燃烧发电过程中尤其需要注意的是碱金属和氯腐蚀问题。生物质中含有大量的碱金属元素，在高温燃烧过程中可能会造成结焦问题，并且由于含有氯元素，导致金属管壁易发生腐蚀。因此，限制了蒸气参数的提高。
 1.2 农林废物气化发电 

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农林废物气化是在高温条件下，利用部分氧化法，使有机物转化成可燃气体的热化学过程。根据发电设备的不同可分为燃气轮机发电、内燃机发电、整体气化联合循环及整体气化热空气循环。内燃机和燃气轮机发电系统是目前使用最多的系统，但是生物质燃气属于低热值燃气，燃烧温度等因素使得发电效率较低，有效地提高发电效率是生物质气化发电的主要问题。农林废物整体气化联合循环发电可以大大提高发电的效率，其原理是在使用燃气轮机发电基础上，增加余热锅炉和过热器产生蒸汽，再利用蒸汽循环进行发电，可有效地提高发电效率。典型的工艺流程如图3所示。虽然整体气化循环联合发电有相当大的潜力，但是由于受到生物质燃气中的焦油处理技术和燃气轮机的改造等问题制约，目前各国的电站多数还都是示范阶段。

  表1 部分国家生物质能发电状况^［2-7］

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 1.3 整体气化热空气循环 

整体气化热空气循环(IGHAT)是正处于开发阶段的气化发电技术，如图4所示。生物质气化所产生的燃气净化后作为热空气透平燃烧室燃料，从省煤器、空压机中间和后置冷却器以及气化过程中回收的低品位热量都用来加热给水，加热约200℃后被送至混合饱和器顶部。空压机送来的高压空气被送至饱和器的底部后，空气被加热和加湿，湿空气中含20%～40%的水蒸气。饱和器出来的湿空气被燃气轮机排气预热，从而使排气中高品位的热量被回收做功。水蒸气直接减少了空压机压缩的空气量，并维持适中的燃气轮机的燃烧温度。与IGCC相比，IGHAT由于充分地利用高、低品质的能量，减少空压机消耗的功率，具有较高的效率。IGHAT和IGCC的主要区别在于用一个燃气轮机取代了后者的燃气轮机和汽轮机。由水蒸汽和燃气混合工质通过燃气轮机输出有用功，其效率可以达到60%，是目前输出功热力循环所能达到的最高效率，有望成为21世纪的新型发电技术^［8］。无论是燃烧还是气化发电，都要确保生物质发电与区域内的物质能量循环的平衡，形成真正意义上的绿色发电系统，如图5所示。
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 2 沼气发电现状和工艺 

沼气是在厌氧条件下由有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生的可燃气体，属于生物质能范畴，其主要成分是甲烷和二氧化碳。沼气发电是一种重要的有效利用沼气的方式，如美国已有61个填埋场使用沼气内燃机发电，发电装机总容量已达340MW。德国自2000年颁布实施《可再生能源优先法》以来，沼气发电工程数量迅速增加(如图6所示)。沼气发电的装机总量由1999年的50MW上升到2002年的250MW^［5］。 

我国沼气发电研发已有20多年的历史，目前，我国5 000kW级以下各容量沼气发电机组均已先后投产。今后主要研究发展方向之一是高效沼气和发电工程系统研究，其目的是提高禽畜粪便沼气池产气率，使其由目前的2.2m³/(m³·d)提高到3m³/(m³·d)以上；发电过程中沼气消耗量由0.6～0.8m³/ (kW·h)下降到0.5m³/(kW·h)左右。沼气发电应用主要有污水沼气发电、禽畜粪便沼气发电和垃圾填埋场沼气发电等。沼气发电系统通常包括气体收集系统、净化加压系统、沼气引擎发电机组与控制系统、电力输出系统，其工艺流程如图7所示。
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除污水处理和粪便制沼气外，垃圾填埋气沼气发电近年来引起社会的广泛关注。垃圾填埋处理是垃圾最基本的处理方法，垃圾填埋产生的甲烷、二氧化碳是造成温室效应的主要气体。填埋气发电充分利用甲烷，在保护环境的同时大大降低了在填埋场及附近发生火灾和气体爆炸的机率，也减少了垃圾填埋场的恶臭，改善了周围大气的质量。但垃圾填埋也存在诸多问题：①填埋处理不能实现减容化，填埋占用大量土地，随着征地费用的上升，填埋成本越来越高；②填埋需要几年后甚至完全停止填埋才可引出沼气，同时其资源化利用程度也很低；③填埋场渗滤液对周围地下水和地表水均会造成严重的环境污染^［11］。德国政府1993年颁布的《生活垃圾处理的技术细则》(TASL)规定到2005年，所有的生活垃圾必须预先处理使其充分矿物化，方可进行填埋。从技术发展和环境保护来看，垃圾填埋沼气发电方式对于已有填埋场的改造是切实可行的方法，而对于新建垃圾填埋场，应限制进入填埋厂垃圾中有机物含量，减少沼气的发生^［12］。
 图7 填埋气发电系统工艺流程^［10］

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 3 生物质综合利用与发电系统构筑 

生物质能在我国的一次能源消耗所占的比例较大(约15%)，特别是在农村这个比率可到30%以上。但我国生物质能的利用方式单一，一般为直接燃烧，热效率不高，污染严重，整体利用率低。因此发展一套科学的生物质能利用模式，提高生物质能的利用率在我国势在必行。

 3.1 农业废物综合利用 

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如图8所示，基于生态学与循环经济思想，将物质循环和能量的综合梯级利用概念引入生态农业系统集成理论中，实现农业废弃物(秸秆、果壳等)、牲畜粪便资源化利用与生态农业系统的有机集成，使生物质能在利用过程中每一环节的产物都得到充分的利用，满足人们生产生活的需求。农作物生产环节产出(废弃物)成为养殖生产环节的投入，发酵后沼渣、沼液最后反馈到大自然再次进行循环，提高物质循环利用率，实现能量的高效梯级利用。

其中沼气池是能量转换、物质循环及有机肥料综合利用的中心环节，是联系初级生产者、初级消费者和分解者的纽带，保持系统的生态平衡起着极其重要的作用。该利用模式对生态系统进行人为调控，把生产、消费、分解合理重组，形成良性循环，从而保证系统自身的持续发展^［14］。
3.2 发电系统 

按照农业废物综合利用的生态模式，以江苏省镇江市丹徒区为例，构筑农业废物综合系统。丹徒区位于江苏省中部，是江南闻名的古区之一和鱼米之乡。丹徒属北亚热带南部季风气候区，温、光、水协调，年平均气温16.5℃，日照数1 976.2h，降水量1 507.8mm。该区拥有耕地3.62万hm²，适宜稻、麦、棉花、蔬菜的生长，区内有大片草山草坡，可发展牧业。假定系统中所有耕地全部种植水稻。按亩产为580kg计算，2006年水稻总产量为3.15×10⁵t，按草谷比1.13，计算秸秆产量约为3.57×10⁵t，其中造肥还田及其收集损失约占15％，则可利用的秸秆资源为3.02×10⁵t。若全区秸秆采用图9粪肥沼气发电和燃烧发电两种发电方式利用，现将两种方式结合下的发电量估算如下：
建立8 000头牛规模的养殖场，以糖化后的水稻秸秆为牛场青稞饲料来源，牛产出牛奶以及肉的同时产生大量粪尿。构建如图9所示粪肥沼气发电系统。每头奶牛(500kg)年产含水粪量约为12.41t^［13］，牛粪便产生的沼气为：

年产牛粪=8 000 ×12 410

        =9.928 ×10⁷(kg)

牛粪折合干物质=9.928 ×10⁷ ×18%

              =1.787×10⁷(kg)

牛粪便产沼气=1.787×10⁷×0.30

            =5.36 ×10⁶(m³)

按沼气发电每千瓦小时耗气0.75m³计算，年发电量为7.15×10⁶kW·h，按日运行20h，年运行200d计算，设备总运行时数为4 000h，则该养殖场最大装机容量可达1 780kW。同时，发酵残留物可做为肥料、饲料和饵料，还可用于作物浸种、防治作物病虫害以提高作物果品产量和质量等。在该系统中，太阳能集热单元(太阳房)与生化反应单元(沼气池)进行集成，充分利用低品位太阳能，同时，原动机的余热与太阳能一起为沼气发生单元提供能量，使沼气发生单元中的有机物通过生化反应产生沼气，这些具有高品位化学能的沼气作为燃气轮机的燃气被充分利用，提高了最终产品的能量品位和产出率。该利用模式最大的特征是使资源得以多元化使用，实现了最佳的循环经济效应。

如果每头奶牛青稞饲料量按20kg/天计算，则牛场年消耗秸秆5.76×10⁴t。若剩余的24.48万t秸秆打捆处理，在该区建立秸秆发电厂消耗剩余秸秆。但是，秸秆比重小(打捆后约200～250kg/m³)，体积大，运输条件相对较差。必须考虑拟建热电厂半径。丹徙区面积为611km²，若把电厂建立在该区中心，可知其半径为13.95km。从秸秆资源量和收集半径来看，建立秸秆发电是完全可行的。由剩余的秸秆资源量来看，可建立装机容量为25MW的秸秆直燃发电机组(25MW高温高压供热机组配130t/h锅炉，年需秸秆量16万t，日用量约600t)。
 3.3 生物质多联产 

化石燃料是重要的化工原料，但随着化石燃料的不断减少，由于生物质中含有大量的有机物，在可再生能源中只有生物质能能代替化石燃料发挥这种作用。将生物质进行多联产即将生物质先进行化工原料的生产，在生产过程中不能作为原料生产的部分和生产过程中产生的废物等用来发展热电冷联产，这样不仅能达到对生物质的高效的利用， 而且还减少了在生产化工原料过程中对环境的污染。主要的方式见图10所示。
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 4 建议 

丰富的生物质能资源亟待有效开发利用，加工增值，促进经济发展。目前中国生物质能资源量为7亿t标准煤，随着退耕还林和种植薪炭林，估计到2020年生物质能资源量可达9～10亿t标准煤，在中国能源资源中占有举足轻重的地位。
 4.1 生物质能源的开发 

生物质能发电在可再生能源发电中电能质量好、可靠性高，比小水电、风电和太阳能发电等间歇性发电要好得多，现阶段生物质能发电技术的研究开发主要是从生态环境、环境保护的角度出发，从中长期来看，将要弥补资源有限性的不足目前发展阶段，需要国家的政策扶持和财力支撑。应制订相关政策，鼓励和支持，企业投资生物质能源开发项目。
 4.2 农林废弃物的开发利用 

基于循环经济理念，结合我国生物质分散和消耗特点，使农村能源结构由传统生物质能利用为主向现代化方向转化，生物质能发电是这种转化的重要途径。我们提出建立综合考虑农林废物处理和能量梯级利用的新型生物质发电系统，在改善能源结构、推动可再生能源发展和实现能源供应的多元化发展方面将起到越来越重要的作用。
 4.3 促进对外交流促进我国生物质能的发展 

加强生物质的国际交流合作，引进国外先进成熟的生物质发电技术和设备，加快我国生物质能发电的步伐，建立符合中国国情的生物质能发电利用结构体系。
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