生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

  2023-09-26         0次

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

一、引言

生物質(zhì)發(fā)電是發(fā)展規(guī)模最大、最成熟的現(xiàn)代生物質(zhì)能利用技術(shù)。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便、城市生活垃圾、有機(jī)廢水和廢渣等，每年可作為能源利用的生物質(zhì)資源總量相當(dāng)于約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。2019年，全球生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量從2018年的1.31億千瓦增加到約1.39億千瓦，增長(zhǎng)約6%。年發(fā)電量從2018年的5460億千瓦時(shí)增至2019年的5910億千瓦時(shí)[1]，增長(zhǎng)約9%，增長(zhǎng)主要集中在歐盟和亞洲，特別是中國(guó)。中國(guó)《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出至2020年，生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)到1500萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量900億千瓦時(shí)。截至2019年底，中國(guó)生物發(fā)電裝機(jī)容量從2018年的1780萬(wàn)千瓦增長(zhǎng)到2254萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量超過(guò)1110億千瓦時(shí)，超出了“十三五”規(guī)劃目標(biāo)。近年來(lái)我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)能增長(zhǎng)的重點(diǎn)是將農(nóng)林廢棄物和城市固體廢物用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，為城市地區(qū)提供電力和熱能。

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)根據(jù)工作原理可劃分為直接燃燒發(fā)電技術(shù)、氣化發(fā)電技術(shù)和耦合燃燒發(fā)電技術(shù)三大類。

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電在原理上與燃煤鍋爐火力發(fā)電十分類似，即將生物質(zhì)燃料（農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、城市生活垃圾等）送入適合生物質(zhì)燃燒的蒸汽鍋爐中，利用高溫燃燒過(guò)程將生物質(zhì)燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高溫、高壓蒸汽的內(nèi)能，通過(guò)蒸汽動(dòng)力循環(huán)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/span>

生物質(zhì)氣化發(fā)電要經(jīng)過(guò)如下環(huán)節(jié)：（1）生物質(zhì)氣化，經(jīng)過(guò)破碎干燥等其他預(yù)處理的生物質(zhì)在高溫環(huán)境下熱解氣化，產(chǎn)生含有CO、CH₄和H₂等可燃組分的氣體；（2）氣體凈化，氣化過(guò)程生成的可燃?xì)怏w通入凈化系統(tǒng)，去除其中的灰分、焦炭和焦油等雜質(zhì)，以滿足下游發(fā)電設(shè)備的入口要求；（3）氣體燃燒發(fā)電，凈化后的可燃?xì)馔ㄈ肴細(xì)廨啓C(jī)或者內(nèi)燃機(jī)燃燒做功發(fā)電，也可以通入鍋爐內(nèi)燃燒，利用產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

由于生物質(zhì)資源分散，能量密度低，收集運(yùn)輸困難，使得生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電對(duì)燃料供應(yīng)的持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性有較高的依賴度，導(dǎo)致了生物質(zhì)發(fā)電高昂的成本。生物質(zhì)耦合發(fā)電是利用生物質(zhì)燃料替代部分其他燃料（通常指煤）進(jìn)行混燒的發(fā)電方式，在提高生物質(zhì)燃料靈活性的同時(shí)減少煤炭用量，實(shí)現(xiàn)了燃煤火電機(jī)組的CO₂減排問(wèn)題?，F(xiàn)階段生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)主要包括：直接混燃耦合發(fā)電技術(shù)、間接燃燒耦合發(fā)電技術(shù)和蒸汽耦合發(fā)電技術(shù)。

基于目前生物質(zhì)直燃的發(fā)電機(jī)組，按照工程實(shí)踐中使用比較多的爐型可主要分為層狀燃燒技術(shù)和流態(tài)化燃燒技術(shù)兩種[2]。

層狀燃燒是指將燃料輸送到固定或移動(dòng)的爐排上面，空氣從爐排的底部通入，通過(guò)燃料層進(jìn)行燃燒反應(yīng)。具有代表性的層狀燃燒技術(shù)是引進(jìn)由丹麥BWE公司研發(fā)的水冷振動(dòng)爐排技術(shù)，并于2006 年建造了中國(guó)第一座生物質(zhì)發(fā)電廠- 山東單縣電廠。由于生物質(zhì)燃料的灰分低、燃燒溫度高，爐排片很容易因?yàn)檫^(guò)熱不能很好的冷卻而損壞，水冷振動(dòng)爐排最重要的特點(diǎn)是其特殊的結(jié)構(gòu)和冷卻方式，解決了爐排過(guò)熱的問(wèn)題。隨著丹麥水冷振動(dòng)爐排技術(shù)的引進(jìn)及推廣運(yùn)行，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)通過(guò)學(xué)習(xí)和消化推出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)爐排爐燃燒技術(shù)，已規(guī)?；度脒\(yùn)行，代表廠家包括上海四方鍋爐廠、無(wú)錫華光鍋爐有限公司等。

流化床技術(shù)作為一種以固體顆粒流態(tài)化為特征的燃燒技術(shù)在燃用生物質(zhì)方面相比層燃技術(shù)有著眾多優(yōu)點(diǎn)。首先流化床內(nèi)有大量惰性床料，熱容高，對(duì)高含水率生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)；其次，流化床內(nèi)氣固混合物的高效傳熱傳質(zhì)使得生物質(zhì)燃料進(jìn)入爐膛后可以迅速加熱升溫，同時(shí)高熱容床料可維持爐膛溫度，保證在燃用低熱值生物質(zhì)燃料時(shí)的燃燒穩(wěn)定性，在機(jī)組負(fù)荷調(diào)整方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。在國(guó)家科技支撐計(jì)劃支持下，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了“高蒸汽參數(shù)生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)”，并采用該技術(shù)成功開(kāi)發(fā)了目前世界容量最大的125 MW超高壓一次再熱生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐、首臺(tái)純?nèi)加衩捉斩挼?30 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐。

由于生物質(zhì)尤其是農(nóng)業(yè)廢棄物堿金屬和氯含量普遍較高，燃燒過(guò)程中存在高溫受熱面積灰、結(jié)渣和腐蝕等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)鍋爐蒸汽參數(shù)多為中溫中壓，發(fā)電效率不高，生物質(zhì)層燃直燃發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性制約了其健康發(fā)展。

2. 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化發(fā)電采用特殊的氣化反應(yīng)器，把生物質(zhì)廢棄物，包括木料、秸稈、稻草、甘蔗渣等轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w再經(jīng)過(guò)除塵除焦等凈化工序后，送到燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電[3]。目前常用的氣化反應(yīng)器可以劃分為固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐。在固定床氣化爐中，物料床層相對(duì)穩(wěn)定，會(huì)順序完成干燥、熱解、氧化以及還原等反應(yīng)，最后轉(zhuǎn)化為合成燃?xì)?。根?jù)氣化劑與合成燃?xì)饬鲃?dòng)方向的差異，固定床氣化爐主要有上吸式（逆流式）、下吸式（順流式）、橫吸式氣化爐三種形式。流化床氣化爐由氣化室和布風(fēng)板等組成，氣化劑通過(guò)布風(fēng)板均勻給入氣化爐中，按氣固流動(dòng)特性不同，可以分為鼓泡流化床氣化爐和循環(huán)流化床氣化爐。氣流床中氣化劑（氧氣、水蒸氣等）夾帶生物質(zhì)顆粒，通過(guò)噴嘴噴入爐膛。細(xì)顆粒燃料分散懸浮于高速氣流中，高溫下細(xì)顆粒燃料與氧氣接觸后迅速反應(yīng)，釋放大量熱，固體顆粒瞬間熱解、氣化轉(zhuǎn)化生成合成燃?xì)饧叭墼?。?duì)于上吸式固定床氣化爐，合成氣中焦油含量較高。下吸式固定床氣化爐構(gòu)造簡(jiǎn)單，加料方便，可操作性好，在高溫作用下，生成的焦油可充分裂解為可燃性氣體，但氣化爐出口溫度較高。流化床氣化爐優(yōu)點(diǎn)是氣化反應(yīng)速度快，爐內(nèi)氣固接觸均勻，反應(yīng)溫度恒定，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成氣中灰分含量高，對(duì)下游凈化系統(tǒng)要求較高。氣流床氣化爐對(duì)物料預(yù)處理要求較高，必須粉碎成細(xì)小顆粒，以保證物料可以在短暫的停留時(shí)間內(nèi)反應(yīng)完全。

生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)模小的時(shí)候經(jīng)濟(jì)性較好，成本低，適合農(nóng)村偏遠(yuǎn)分散地區(qū)，對(duì)于補(bǔ)充我國(guó)能源供應(yīng)具有重要意義。需要解決的主要問(wèn)題是生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的焦油問(wèn)題。氣化過(guò)程產(chǎn)生的氣體焦油遇冷會(huì)形成液態(tài)焦油，造成管道堵塞，影響發(fā)電設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。

3. 生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)

單純焚燒農(nóng)林廢棄物發(fā)電的燃料成本是制約生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的最大難題。生物質(zhì)直燃發(fā)電因機(jī)組容量小、參數(shù)低，經(jīng)濟(jì)性不高，也限制了生物質(zhì)的利用量。采用生物質(zhì)耦合多源燃料燃燒，或是降低成本的一個(gè)途徑。目前來(lái)說(shuō)最能有效降低燃料成本的方式是生物質(zhì)與燃煤耦合發(fā)電。2016年國(guó)家下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電的指導(dǎo)意見(jiàn)》，大大地促進(jìn)了生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的研究和推廣。近年來(lái)，通過(guò)現(xiàn)役燃煤電廠改造，采用燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的方式，借助大型燃煤發(fā)電機(jī)組高效、低污染的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，顯著提高了生物質(zhì)發(fā)電效率。技術(shù)路線可分為3種類別：（1）破碎/制粉后直接燃燒耦合，又包括同磨同燃燒器、異磨同燃燒器、異磨異燃燒器混燒三種；（2）氣化后間接燃燒耦合，生物質(zhì)經(jīng)過(guò)氣化過(guò)程生成可燃?xì)怏w后送入爐膛燃燒；（3）專用生物質(zhì)鍋爐燃燒后蒸汽耦合[4]。

三、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析與展望

隨著我國(guó)碳減排制度體系和碳排放交易市場(chǎng)建設(shè)的日益完善，以及支持燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電政策的不斷落實(shí)，生物質(zhì)耦合燃煤機(jī)組發(fā)電技術(shù)正在迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)遇。農(nóng)林廢棄物和城市生活垃圾的無(wú)害化處理一直是地方政府亟待解決的城鄉(xiāng)環(huán)境問(wèn)題的核心，如今生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃?rùn)?quán)已經(jīng)下放到地方，地方政府可在項(xiàng)目規(guī)劃上將農(nóng)林生物質(zhì)和城市生活垃圾捆綁在一起，推動(dòng)廢棄物一體化發(fā)電項(xiàng)目。

生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的關(guān)鍵除了燃燒技術(shù)外，配套輔助系統(tǒng)的自主開(kāi)發(fā)以及成熟和完善也至關(guān)重要，比如生物質(zhì)燃料的收集、破碎、篩選和給料系統(tǒng)等。同時(shí)，開(kāi)展先進(jìn)的生物質(zhì)燃料預(yù)處理技術(shù)，提高單一設(shè)備對(duì)多種生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性是未來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模應(yīng)用生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)。

1. 燃煤機(jī)組生物質(zhì)直接耦合燃燒發(fā)電

生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組的容量一般都較小（≤50MW），相應(yīng)的鍋爐蒸汽參數(shù)也較低，一般為高壓參數(shù)或更低。因此純燒生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電效率一般不高于30%?；?00MW級(jí)亞臨界機(jī)組或600MW及以上的超臨界或超超臨界機(jī)組開(kāi)展生物質(zhì)直接耦合燃燒技術(shù)改造，可將生物質(zhì)發(fā)電效率提高至40%甚至更高。此外，生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目機(jī)組能否持續(xù)運(yùn)行完全取決于生物質(zhì)燃料的供應(yīng)情況，而生物質(zhì)耦合燃煤發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行則不依賴于生物質(zhì)的供應(yīng)。這種混燃方式使得發(fā)電企業(yè)生物質(zhì)收集市場(chǎng)具有更強(qiáng)的議價(jià)能力。生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)還可利用燃煤電廠現(xiàn)有的鍋爐、汽輪機(jī)及輔助系統(tǒng)，僅需新增生物質(zhì)燃料處理系統(tǒng)，對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行部分改動(dòng)，因此初投資更低。上述措施都將大大提高生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)的盈利能力，降低對(duì)國(guó)家補(bǔ)貼的依賴。在污染物排放方面，生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目執(zhí)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)較為寬松，煙塵、SO₂、NOx排放限值分別為20、50、200mg/Nm3。生物質(zhì)耦合發(fā)電依托原有燃煤火電機(jī)組，執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵、SO₂、NOx排放限值分別為10、35、50mg/Nm3。與同等規(guī)模的生物質(zhì)直燃發(fā)電相比，煙塵、SO₂、NOx排放分別減少50%、30%、75%，社會(huì)環(huán)保效益顯著。

大型燃煤鍋爐開(kāi)展生物質(zhì)直接耦合發(fā)電改造的技術(shù)路線目前可歸納為生物質(zhì)顆?！镔|(zhì)磨機(jī)——管道分配系統(tǒng)——煤粉管道，盡管目前生物質(zhì)直接耦合燃燒技術(shù)有難以計(jì)量方面的缺點(diǎn)，但解決該問(wèn)題后直接耦合發(fā)電技術(shù)將成為生物質(zhì)發(fā)電的主要發(fā)展方向，可以實(shí)現(xiàn)大型燃煤機(jī)組生物質(zhì)的任意比例耦合燃燒，同時(shí)具有成熟、可靠、安全的特點(diǎn)，該技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，已有15%、40%甚至100%耦合比例的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)?？上仍趤喤R界機(jī)組開(kāi)展工作，逐步擴(kuò)大，最終實(shí)現(xiàn)超超臨界參數(shù)+生物質(zhì)耦合燃燒+區(qū)域供熱的CO2深度減排目標(biāo)。

2. 生物質(zhì)燃料預(yù)處理及配套輔助系統(tǒng)

生物質(zhì)燃料多具有高含水率、高含氧量、低能量密度、低熱值的特點(diǎn)，限制了其作為燃料的使用，對(duì)其高效熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生不利影響。首先原料中含有較多的水分，會(huì)延遲熱解反應(yīng)，破壞熱解產(chǎn)物的穩(wěn)定性，降低鍋爐設(shè)備的穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)能耗等。因此，在熱化學(xué)應(yīng)用前對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。

相比常規(guī)火電機(jī)組，生物質(zhì)發(fā)電的主要區(qū)別在于生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)和相關(guān)燃燒技術(shù)。目前我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電的主要燃燒設(shè)備鍋爐本體等已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但生物質(zhì)的輸送系統(tǒng)還存在一定的問(wèn)題。農(nóng)業(yè)廢棄物一般具有極為松軟的質(zhì)地，在發(fā)電過(guò)程中的消耗量相對(duì)比較大，發(fā)電廠須根據(jù)具體的燃料使用量來(lái)制備上料系統(tǒng)?，F(xiàn)有的燃料種類極多，混合使用多種燃料會(huì)導(dǎo)致上料系統(tǒng)產(chǎn)生燃料不均勻甚至堵料的情況，鍋爐內(nèi)部的燃料工況極易出現(xiàn)劇烈波動(dòng)?？沙浞掷昧骰踩紵夹g(shù)在燃料適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)，先基于流化床鍋爐開(kāi)展篩選和上料系統(tǒng)的研發(fā)與改進(jìn)。

四、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)自主創(chuàng)新發(fā)展建議

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展不像其他可再生能源，發(fā)電量多少僅會(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益，不會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生影響。生物質(zhì)發(fā)電同時(shí)還要無(wú)害化、減量化處理農(nóng)林廢棄物和生活垃圾，它的環(huán)保效益、社會(huì)效益要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其能源效益。盡管生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的收益值得肯定，但是相關(guān)管理制度，如生物質(zhì)耦合發(fā)電計(jì)量方法與標(biāo)準(zhǔn)的不健全，國(guó)家財(cái)政補(bǔ)助力度不強(qiáng)，以及對(duì)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)力度相對(duì)欠缺等因素導(dǎo)致生物質(zhì)發(fā)電生產(chǎn)活動(dòng)中的部分關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題不能被有效的處理，是限制生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展的原因，因此需要采取合理的措施進(jìn)行促進(jìn)。

（1）雖然技術(shù)引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)同是目前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向，但是要清楚地認(rèn)識(shí)到要想有最終的出路，就得努力走自主開(kāi)發(fā)之路，進(jìn)而不斷完善國(guó)產(chǎn)技術(shù)?，F(xiàn)階段主要是對(duì)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)和完善，部分經(jīng)濟(jì)性較好的技術(shù)可以率先開(kāi)展商業(yè)應(yīng)用；隨著生物質(zhì)逐漸成為主要能源以及生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的逐步完善和成熟，生物質(zhì)將具備與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)的條件。

（2）可以通過(guò)減少部分純?nèi)嫁r(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)電機(jī)組數(shù)量和發(fā)電公司的數(shù)量，降低社會(huì)管理成本，同時(shí)加強(qiáng)存量生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)管理。在燃料收購(gòu)方面，保障原料充足、高質(zhì)量的供給，為電廠穩(wěn)定高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

（3）進(jìn)一步完善生物質(zhì)發(fā)電稅收優(yōu)惠政策，依托熱電聯(lián)產(chǎn)改造來(lái)提升系統(tǒng)效率，鼓勵(lì)支持縣域多源廢棄物清潔供熱示范項(xiàng)目建設(shè)，限值只發(fā)電不供熱的生物質(zhì)項(xiàng)目。

（4）BECCS（生物質(zhì)能結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)）提出了一種將生物質(zhì)能利用和二氧化碳捕集與封存聯(lián)合的模式，具有碳負(fù)排放和提供碳中性能量的雙重優(yōu)勢(shì)。BECCS 是一項(xiàng)長(zhǎng)期減排技術(shù)，目前我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究較少，作為一個(gè)資源消耗和碳排放的大國(guó)，中國(guó)應(yīng)將BECCS納入應(yīng)對(duì)氣候變化的戰(zhàn)略框架中，增加這方面的技術(shù)儲(chǔ)備。

參考文獻(xiàn)

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本文轉(zhuǎn)自張衍國(guó)教授擔(dān)任撰稿責(zé)任專家，已做為《非水可再生能源發(fā)電技術(shù)》的一部分在中國(guó)機(jī)電工程學(xué)會(huì)主編的《動(dòng)力與電氣工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告2020》中刊出。

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