陸 智1，李雙江2，鄭 威3

（1廣西電力工業(yè)勘察設計研究院，廣西南寧530023；2河北省電力勘測設計研究院；3中南電力設計院）

摘要：聯(lián)系生物質發(fā)電技術的發(fā)展趨勢，分別對生物質直接燃燒發(fā)電技術、生物質與煤混合直燃發(fā)電技術和生物質氣化發(fā)電技術進行深入分析，并對比生物質直燃技術和生物質氣化技術的優(yōu)劣勢。

生物質能是唯一可儲存的可再生能源，其利用過程環(huán)境友好，且可替代化石能源減排CO2，因而是一種頗具產業(yè)化和規(guī)模化利用前景的可再生能源，對我國能源結構的優(yōu)化意義重大。發(fā)展生物質發(fā)電，是構筑穩(wěn)定、經濟、清潔、安全能源供應體系，突破經濟社會發(fā)展資源環(huán)境制約的重要途徑。秸稈發(fā)電變無序焚燒為集中燃燒并發(fā)電、造肥，節(jié)省了大量煤炭資源，并增加農民收入。秸稈在生長和燃燒中不增加大氣中CO2量，且含硫量極低，僅為0.1%。發(fā)展生物質發(fā)電，替代煤炭，可顯著減少CO2等溫室氣體和SO2的排放，有巨大的環(huán)境效益。

1生物質直接燃燒發(fā)電利用技術

生物質直燃發(fā)電就是將生物質直接作為燃料進行燃燒，用于發(fā)電或者熱電聯(lián)產。生物質直接燃燒具有以下特點［1］：

（1）生物質燃燒所放出的CO2大體相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，因此可以認為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應；

（2）生物質的燃燒產物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；

（3）生物質燃料可與礦物質燃料混合燃燒，既可以減少運行成本，提高燃燒效率，又可以降低SO2、NOx等有害氣體的排放濃度；

（4）采用生物質燃燒設備可以最快速度實現(xiàn)各種生物質資源的大規(guī)模減量化、無害化、資源化利用，而且成本較低，因而生物質直接燃燒技術具有良好的經濟性和開發(fā)潛力。

1.1單燃生物直燃技術

在歐美發(fā)達國家主要燃燒的生物質是木本植物，在我國，由于特殊的國情使得我們用于燃燒的物質基本局限于秸稈等草本類植物。

據有關文獻對秸稈的燃燒機理進行的研究，秸稈等生物質與常規(guī)燃料的區(qū)別主要有以下幾點［2］：

（1）秸稈的含水量較大，約20％，是常規(guī)燃料的8～10倍。因此，在鍋爐相同出力的情況下，其煙氣量約是常規(guī)燃料的1.5～2倍。在鍋爐受熱面布置時，要充分考慮這一情況。

（2）秸稈的堆積密度較小。秸稈投入爐內燃燒時，先落在爐床上，隨著水分蒸發(fā)，開始漂浮在爐內進行燃燒。因此，在這類鍋爐設計時，一定要考慮到燃燒室的體積要大一些，使得燃料在爐內有足夠的停留時間，得以完全燃燼。

（3）從燃料的燃燒過程來看，大多數秸稈（除甘蔗渣外）在干燥后，揮發(fā)份快速脫離母體迅猛燃燒，揮發(fā)份不附著在秸稈表面燃燒，這與煤的燃燒機理是完全不同的。

（4）逸出揮發(fā)份后的秸稈變黑成為暗紅色焦炭粒子，未見明顯的火焰，而且在爐膛高溫火焰的輻射下，緩慢地燃燒，燃燼時間也較長。

1.1.1層燃爐燃燒技術

層燃爐燃燒技術主要以爐排爐為代表，燃料在固定或者移動的爐排上實現(xiàn)燃燒，空氣從下方透過爐排供應上部的燃料，燃料處于相對靜止的狀態(tài)，燃料入爐后的燃燒時間可由爐排的移動或者振動來控制，以灰渣落入爐排下或者爐排后端的灰坑為結束。圖1給出了丹麥正在使用的一種很典型的活動爐排爐。

1.1.2循環(huán)流化床燃燒技術

循環(huán)流化床鍋爐獨特的流體動力特性和結構使其具備很多獨特的優(yōu)點，如燃料適應性廣，低溫燃燒，燃燒效率高，負荷調節(jié)性能好等。

瑞典、丹麥、德國等發(fā)達國家在流化床燃用生物質燃料技術方面具有較高的水平。美國愛達荷能源產品公司已經開發(fā)生產出燃生物質流化床鍋爐，鍋爐蒸汽出力為4.5～50t/h，供熱鍋爐出力為36.67MW；美國CE公司利用魯奇技術研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa；美國B&W公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20世紀80～90年代初投入商業(yè)運行。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業(yè)廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達到80％［4］；瑞典和丹麥正在實行利用生物質熱電聯(lián)產的計劃，使生物質能在提供高品位電能的同時，滿足供熱的要求。

1.2生物質與煤混合直燃技術

混合燃燒的技術優(yōu)勢［5］：

（1）生物質是可再生能源，煤粉爐中生物質共燃，可以利用現(xiàn)役電廠提供一種快速而低成本的生物質發(fā)電技術，也是一種最好（廉價而低風險）的利用可再生能源發(fā)電的技術。

（2）煤粉燃燒發(fā)電效率高，可達35％以上，生物質共燃正是借用其高效率的優(yōu)點，這是現(xiàn)階段其它生物質發(fā)電技術難以比擬的。

（3）生物質燃燒低硫低氮，在與煤粉共燃時可以降低電廠的SO2和NOx排放。

（4）對于煤粉燃燒電廠，共燃生物質意味著CO2排放的降低，被公認為是現(xiàn)役燃煤電廠降低CO2排放的最有效措施。

（5）我國生物質資源豐富，可利用未被利用的生物質折合近4億t標準煤，且分布廣泛，可就地利用；另一方面，大量利用生物質發(fā)電可增加農民收入，促進農業(yè)和農村經濟的可持續(xù)發(fā)展。

（6）生物質共燃技術簡單，投資和運行費用低。生物質相對較便宜，對燃煤電廠而言還可增加燃料的選擇范圍和燃料適應性，降低燃料成本。

丹麥哥本哈根AVEDORE電廠，2002年增加了熱功率為105MW的生物質發(fā)電設備，采用天然氣（油）與麥秸混合燃燒工藝，每小時秸稈消耗25t，秸稈主要來源于芬蘭和丹麥。生物質的水分含量用超聲波測定，控制在25％左右［6］。

2生物質氣化發(fā)電技術

生物質氣化是在高溫下部分氧化的轉化過程。該過程是直接向生物質通氣化劑（空氣、氧氣或水蒸汽），使之在缺氧的條件下轉變?yōu)樾》肿涌扇細怏w的過程［7］。

目前，生物質氣化技術大體上可按2大類進行分類：①按氣化劑分類，②按設備運行方式分類。

2.1按氣化劑類型分類

生物質氣化技術按氣化劑類型分類如圖2。其中，干餾氣化其實是熱解氣化的一種特例。且由于干餾是吸熱反應，應在工藝中提供外部熱源以使反應進行。氧氣氣化則不需要提供外部熱源，產品為熱值為15000kJ/m3的中熱值氣化氣?？諝鈿饣捎贜2的加入，使其可燃氣成分含量降低，熱值也隨之降低在5000kJ/m3左右，為低熱值氣體。氫氣氣化反應條件苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進行，其氣化氣為熱值高達22260～26040kJ/m3的高熱值氣化氣。表1給出幾種氣化劑氣化性能［8］。

2.2按氣化裝置運行方式分類

生物質氣化技術按氣化裝置的運行方式分類如圖3［9］。

國內外已投入商業(yè)運行的氣化方法主要有：固定床氣化爐、流化床氣化爐。固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式。其中下吸式氣化爐應用最廣。

圖4是下吸式固定床氣化爐的基本結構和氣化反應示意圖。生物質原料由爐頂的加料口投入爐內，氣化劑（空氣、氧氣）可以由頂部進入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動，在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應。

下吸式氣化爐主要特點是氣化強度高（相對于上吸式），工作穩(wěn)定性好，可隨時加料；由于燃燒區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產物都要經過燃燒區(qū)，在高溫下裂解H2和CO，使得氣化中焦油含量大為減少。

流化床氣化爐按氣化爐結構和氣化過程，可將流化床氣化爐分為循環(huán)流化床、雙流化床和攜帶床四種類型。按吹入氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐又可分為常壓流化床和加壓流化床。其中循環(huán)流化床由于其眾多優(yōu)點，適用于大型商業(yè)化運行。

循環(huán)流化床是唯一在恒溫床上反應的氣化爐。氣化反應在床內進行，焦油也在床內裂解。流化介質一般選用惰性材料（沙子）或非惰性材料（石灰或催化劑），可增加傳熱及清洗可燃氣，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質燃料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點是入料需要預處理，產氣中灰分需要很好的凈化處理和部件磨損嚴重。

圖5是意大利Ensyn Engineering研究的上流式循環(huán)流化床反應器的工藝流程圖。典型操作條件為溫度600℃，加工能力100kg/h，以楊木為原料時產氣率可達65％。優(yōu)點在于結構緊湊、傳熱速率高、氣相停留時間短、有效抑制裂化，但是載氣需求量大［10］。

氣化產生的可燃氣主要用來發(fā)電。生物質氣化的發(fā)電技術有以下3種方法：帶有氣體透平的生物質加壓氣化、帶有透平或者引擎的常壓生物質氣化、帶有朗肯循環(huán)的傳統(tǒng)生物質燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的生物質氣化聯(lián)合發(fā)電技術（BIGCC）包括生物質氣化、氣體凈化、燃氣輪機發(fā)電及蒸汽輪機發(fā)電［11］。

生物質氣化發(fā)電技術的基本原理是把生物質轉化為可燃氣，可利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。氣化發(fā)電工藝包括3個過程：①生物質氣化，把固體生物質轉化為氣體燃料；②氣體凈化，氣化出來的燃氣都帶有一定的雜質，包括灰分、焦炭和焦油等，需要經過凈化系統(tǒng)把雜質除去，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；③燃氣發(fā)電。目前，國際上有很多發(fā)達國家開展提高生物質發(fā)電效率方面的研究，如美國Battelle（63MW）項目，歐洲英國（8MW）和芬蘭（6MW）的示范工程［12］。圖6給出了生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)。

針對我國廣大農村的現(xiàn)狀，浙江大學熱能工程研究所開發(fā)的生物質中熱值氣化集中供氣新型生物質能源利用技術，它將秸稈高效利用和解決農村用能問題有機結合起來，即將豐富的秸稈資源轉化為高品位、中熱值的清潔煤氣供民用或發(fā)電。同時，產生的半焦灰和其它副產品又可作為有機復合肥料還田，從而實現(xiàn)秸稈資源綜合利用。

該技術以農業(yè)廢棄物為氣化原料，特別適用于稻稈、麥稈等軟質秸稈，采用先進高效的干餾加熱系統(tǒng)將燃料燃燒和氣化相結合，同時通過控制運行參數等方式解決秸稈結團問題，使燃料中固體和氣體成分得到合理利用，實現(xiàn)較高的燃料利用率。在基本完成氣化機理試驗之后，浙江大學熱能工程研究所又開展了生物質熱解制氣的中試試驗研究和生物質熱解焦油的催化裂解凈化研究工作并取得了一定的成果。

浙江大學以生物質中熱值熱解氣化集中供氣技術為基礎開發(fā)的整套生產系統(tǒng)設備不但技術簡單、適應性好，而且啟動速度快、運行穩(wěn)定，并已于2000年5月獲國家實用新型專利（專利號：ZL992121914）,它具有以下顯著特點：

（1）原料適應性廣。不僅可利用硬質秸稈，而且可利用南方豐富的軟質秸稈（稻草、麥稈）氣化；

（2）生物質煤氣熱值高。產生的中熱值煤氣熱值可達2500kcal/Nm3，最高可達3000kcal/Nm3；

（3）氣體中焦油含量小于50mg/Nm3。因采用爐內焦油裂解催化轉化技術，煤氣中焦油含量大大降低，符合農業(yè)部標準NY/T443-2001的規(guī)定。

3生物質直接燃燒技術與生物質氣化技術的比較

生物質直接用來燃燒簡化了環(huán)節(jié)和設備，減少了投資，但利用率還比較低，利用的范圍還不是很廣。由于中國生物質分布分散，成為大規(guī)模利用生物質直接燃燒技術發(fā)電較大障礙。然而秸稈類生物質因為含有較多的K、Cl等無機物質，在燃燒過程中很容易出現(xiàn)嚴重的積灰、結渣、聚團和受熱面腐蝕等堿金屬問題，堿金屬問題是秸稈大規(guī)模燃燒利用面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這些還需要進一步研究解決問題的方法。

生物質氣化技術能夠一定程度上緩解中國對氣體燃料的需求，生物質被氣化后利用的途徑也得到相應的擴展，提高了利用效率。

4結語

面對資源和環(huán)境的雙重壓力，過去以煤電為主的電力結構的弊端逐漸顯現(xiàn)，我國能源形勢面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。大力發(fā)展可再生能源被廣泛認為是解決能源匱乏和環(huán)境問題最可行的方法，而在可供發(fā)展的可再生能源種類中，生物質能無疑占據了很重要的位置，生物質能具有可再生性、廣泛分布性、低污染等特點。合理開發(fā)生物質能源，響應國家節(jié)能減排政策，改善能源結構，為經濟發(fā)展提供穩(wěn)定的電力供應。

參考文獻

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