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)資源總量相當于約4.6億噸標準煤。2019年，全球生物質(zhì)發(fā)電裝機容量從2018年的1.31億千瓦增加到約1.39億千瓦，增長約6%。年發(fā)電量從2018年的5460億千瓦時增至2019年的5910億千瓦時[1]，增長約9%，增長主要集中在歐盟和亞洲，特別是中國。中國《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)電總裝機容量應(yīng)達到1500萬千瓦，年發(fā)電量900億千瓦時。截至2019年底，中國生物發(fā)電裝機容量從2018年的1780萬千瓦增長到2254萬千瓦，年發(fā)電量超過1110億千瓦時，超出了“十三五”規(guī)劃目標。近年來我國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)能增長的重點是將農(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，利用高溫燃燒過程將生物質(zhì)燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為高溫、高壓蒸汽的內(nèi)能，通過蒸汽動力循環(huán)轉(zhuǎn)化為機械能，最終通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/span>

生物質(zhì)氣化發(fā)電要經(jīng)過如下環(huán)節(jié)：（1）生物質(zhì)氣化，經(jīng)過破碎干燥等其他預(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，氣化過程生成的可燃氣體通入凈化系統(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，凈化后的可燃氣通入燃氣輪機或者內(nèi)燃機燃燒做功發(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)動汽輪機發(fā)電。

由于生物質(zhì)資源分散，能量密度低，收集運輸困難，使得生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電對燃料供應(yīng)的持續(xù)性和經(jīng)濟性有較高的依賴度，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）進行混燒的發(fā)電方式，在提高生物質(zhì)燃料靈活性的同時減少煤炭用量，實現(xiàn)了燃煤火電機組的CO₂減排問題?，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)電機組，按照工程實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的爐排上面，空氣從爐排的底部通入，通過燃料層進行燃燒反應(yīng)。具有代表性的層狀燃燒技術(shù)是引進由丹麥BWE公司研發(fā)的水冷振動爐排技術(shù)，并于2006 年建造了中國第一座生物質(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，爐排片很容易因為過熱不能很好的冷卻而損壞，水冷振動爐排最重要的特點是其特殊的結(jié)構(gòu)和冷卻方式，解決了爐排過熱的問題。隨著丹麥水冷振動爐排技術(shù)的引進及推廣運行，國內(nèi)多家企業(yè)通過學習和消化推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)爐排爐燃燒技術(shù)，已規(guī)模化投入運行，代表廠家包括上海四方鍋爐廠、無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。首先流化床內(nèi)有大量惰性床料，熱容高，對高含水率生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強；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)燃料進入爐膛后可以迅速加熱升溫，同時高熱容床料可維持爐膛溫度，保證在燃用低熱值生物質(zhì)燃料時的燃燒穩(wěn)定性，在機組負荷調(diào)整方面也具有一定優(yōu)勢。在國家科技支撐計劃支持下，清華大學開發(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，燃燒過程中存在高溫受熱面積灰、結(jié)渣和腐蝕等問題，國內(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)換為可燃氣體，產(chǎn)生的可燃氣體再經(jīng)過除塵除焦等凈化工序后，送到燃氣輪機或內(nèi)燃機進行發(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，物料床層相對穩(wěn)定，會順序完成干燥、熱解、氧化以及還原等反應(yīng)，最后轉(zhuǎn)化為合成燃氣。根據(jù)氣化劑與合成燃氣流動方向的差異，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板等組成，氣化劑通過布風板均勻給入氣化爐中，按氣固流動特性不同，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，通過噴嘴噴入爐膛。細顆粒燃料分散懸浮于高速氣流中，高溫下細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)化生成合成燃氣及熔渣。對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，對下游凈化系統(tǒng)要求較高。氣流床氣化爐對物料預(yù)處理要求較高，必須粉碎成細小顆粒，以保證物料可以在短暫的停留時間內(nèi)反應(yīng)完全。

生物質(zhì)氣化發(fā)電規(guī)模小的時候經(jīng)濟性較好，成本低，適合農(nóng)村偏遠分散地區(qū)，對于補充我國能源供應(yīng)具有重要意義。需要解決的主要問題是生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的焦油問題。氣化過程產(chǎn)生的氣體焦油遇冷會形成液態(tài)焦油，造成管道堵塞，影響發(fā)電設(shè)備無法正常運行。

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)電因機組容量小、參數(shù)低，經(jīng)濟性不高，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途徑。目前來說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年國家下發(fā)了《關(guān)于推進燃煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電的指導(dǎo)意見》，大大地促進了生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的研究和推廣。近年來，通過現(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)電機組高效、低污染的技術(shù)優(yōu)勢，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)過氣化過程生成可燃氣體后送入爐膛燃燒；（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)展趨勢分析與展望

隨著我國碳減排制度體系和碳排放交易市場建設(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，生物質(zhì)耦合燃煤機組發(fā)電技術(shù)正在迎來良好的發(fā)展機遇。農(nóng)林廢棄物和城市生活垃圾的無害化處理一直是地方政府亟待解決的城鄉(xiāng)環(huán)境問題的核心，如今生物質(zhì)發(fā)電項目規(guī)劃權(quán)已經(jīng)下放到地方，地方政府可在項目規(guī)劃上將農(nóng)林生物質(zhì)和城市生活垃圾捆綁在一起，推動廢棄物一體化發(fā)電項目。

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，開展先進的生物質(zhì)燃料預(yù)處理技術(shù)，提高單一設(shè)備對多種生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性是未來實現(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. 燃煤機組生物質(zhì)直接耦合燃燒發(fā)電

生物質(zhì)直燃發(fā)電機組的容量一般都較?。ā?0MW），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)電項目的發(fā)電效率一般不高于30%?；?00MW級亞臨界機組或600MW及以上的超臨界或超超臨界機組開展生物質(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)電項目機組能否持續(xù)運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)電機組的運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)收集市場具有更強的議價能力。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、汽輪機及輔助系統(tǒng)，僅需新增生物質(zhì)燃料處理系統(tǒng)，對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行部分改動，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，降低對國家補貼的依賴。在污染物排放方面，生物質(zhì)直燃發(fā)電項目執(zhí)行的環(huán)保標準較為寬松，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組，執(zhí)行超低排放標準，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%，社會環(huán)保效益顯著。

大型燃煤鍋爐開展生物質(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——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)有難以計量方面的缺點，但解決該問題后直接耦合發(fā)電技術(shù)將成為生物質(zhì)發(fā)電的主要發(fā)展方向，可以實現(xiàn)大型燃煤機組生物質(zhì)的任意比例耦合燃燒，同時具有成熟、可靠、安全的特點，該技術(shù)在國際上已經(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界機組開展工作，逐步擴大，最終實現(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。

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，限制了其作為燃料的使用，對其高效熱化學轉(zhuǎn)化產(chǎn)生不利影響。首先原料中含有較多的水分，會延遲熱解反應(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，在熱化學應(yīng)用前對生物質(zhì)燃料進行預(yù)處理是十分必要的。

相比常規(guī)火電機組，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)。目前我國生物質(zhì)發(fā)電的主要燃燒設(shè)備鍋爐本體等已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但生物質(zhì)的輸送系統(tǒng)還存在一定的問題。農(nóng)業(yè)廢棄物一般具有極為松軟的質(zhì)地，在發(fā)電過程中的消耗量相對比較大，發(fā)電廠須根據(jù)具體的燃料使用量來制備上料系統(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。可充分利用流化床燃燒技術(shù)在燃料適應(yīng)性方面的優(yōu)勢，先基于流化床鍋爐開展篩選和上料系統(tǒng)的研發(fā)與改進。

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)電量多少僅會影響經(jīng)濟效益，不會對社會產(chǎn)生影響。生物質(zhì)發(fā)電同時還要無害化、減量化處理農(nóng)林廢棄物和生活垃圾，它的環(huán)保效益、社會效益要遠遠大于其能源效益。盡管生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)發(fā)展帶來的收益值得肯定，但是相關(guān)管理制度，如生物質(zhì)耦合發(fā)電計量方法與標準的不健全，國家財政補助力度不強，以及對新技術(shù)的開發(fā)力度相對欠缺等因素導(dǎo)致生物質(zhì)發(fā)電生產(chǎn)活動中的部分關(guān)鍵技術(shù)問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行促進。

（1）雖然技術(shù)引進和自主開發(fā)同是目前國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向，但是要清楚地認識到要想有最終的出路，就得努力走自主開發(fā)之路，進而不斷完善國產(chǎn)技術(shù)?，F(xiàn)階段主要是對生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的開發(fā)和完善，部分經(jīng)濟性較好的技術(shù)可以率先開展商業(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爭的條件。

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

（3）進一步完善生物質(zhì)發(fā)電稅收優(yōu)惠政策，依托熱電聯(lián)產(chǎn)改造來提升系統(tǒng)效率，鼓勵支持縣域多源廢棄物清潔供熱示范項目建設(shè)，限值只發(fā)電不供熱的生物質(zhì)項目。

（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，具有碳負排放和提供碳中性能量的雙重優(yōu)勢。BECCS 是一項長期減排技術(shù)，目前我國在這一領(lǐng)域的研究較少，作為一個資源消耗和碳排放的大國，中國應(yīng)將BECCS納入應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略框架中，增加這方面的技術(shù)儲備。

參考文獻

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本文轉(zhuǎn)自張衍國教授擔任撰稿責任專家，已做為《非水可再生能源發(fā)電技術(shù)》的一部分在中國機電工程學會主編的《動力與電氣工程學科發(fā)展報告2020》中刊出。

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