王雙¹，任紅梅¹，曹瓊²，孫蓉³

（1.馬鞍山焓谷能源審計有限公司，安徽馬鞍山243000；2.馬鞍山安質環科技咨詢服務有限公司，安徽馬鞍山243000；3.東南大學能源與環境學院能源熱轉換及過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

　　[摘要]當前社會的快速發展消耗了大量化石能源，大力開發可再生能源成為人們迫切的需求。生物質能作為一種潔凈的可再生能源已引起廣泛關注，闡述了生物質能與太陽能、垃圾和煤聯用發電工藝與應用現狀，旨在為多種可再生能源的應用尋求更好的發展途徑。

　　0引言

　　隨著化石燃料的消耗殆盡，大力發展可再生能源是當前的迫切要求。可再生能源主要包括風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能等能源。風能、太陽能、水能等能源的穩定性與地質環境息息相關，因此，其不穩定性也大大提高。生物質是有機物質，具有一定能量、養分、機械強度。代表性生物質包括動物糞便、農作物廢棄物、木材、固體廢棄物等^[1]。而作為一個農業大國，我國年產農作物秸稈約7億t，列世界之首^[1]。因此，在多種可再生能源中，生物質能由于其豐富的資源、低污染性以及廣泛的分布性越發受到眾多研究者的關注。在2016年我國發布的《能源發展“十三五”規劃》中，提到要“積極發展生物質液體燃料、氣體燃料、固體成型燃料”。

　　生物質能源的利用技術主要有沼氣技術、生物質燃料酒精、生物質發電、生物質熱裂解液化技術等，其中生物質發電對環境污染程度低^[2]，前景廣闊。因此，生物質能源的應用符合國家能源戰略多元化和發展綠色低碳經濟的需求。2013年我國的生物質發電設備已經達到750萬kW裝機容量。因此，大力發展生物質發電，使之產業化，將進一步優化我國能源利用結構，促進可再生能源發展。目前生物質發電還存在許多挑戰，如原料易受到天氣、季節性的影響，原料分布不集中，且運輸成本較高，產業鏈與行業規范不完善等，這些因素嚴重阻礙了我國生物質能源的發展。本文針對生物質發電與多種可再生能源聯合發電進行綜合討論，以期發現生物質發電利用的優良方法，促進生物質發電的進一步發展。

　　1生物質能與太陽能聯合發電

　　多種可再生能源中，太陽能是所有可再生能源發展的基礎，開發利用太陽能對節約常規能源、保護自然環境及減緩氣候變化均具有重要的意義，然而太陽能發電的弊端同樣不可忽視，其弊端之一在于太陽能的低能流密度，太陽能發電過程中需要大面積光學反射裝置和昂貴的接收裝置，這使得應用成本大大增加；其次，獨立太陽能熱發電系統的發電效率低，年太陽能凈發電效率不超過15%；最重要的是，由于受到晝夜、天氣等因素的影響，太陽能供應具有間歇性與不連續性^[3]。另外，由于受到地理環境的影響，不同地區的太陽能資源相差較大。根據國家氣象局風能太陽能評估中心劃分標準，我國不同地區太陽能分布情況如表1所示。

　　從表1可知，地理因素對太陽能的供應具有顯著影響。晝夜交替與天氣變化同樣會造成太陽能來源不穩定。為降低太陽能發電對太陽能來源穩定性的依賴程度，考慮采用將生物質發電與太陽能發電聯合的方式來獲得穩定的電量輸出。聯合發電可為用戶提供連續穩定的電能，還能使生物質能得到更合理的應用。

　　太陽能發電方式包括槽式、塔式和碟式3種。3種發電方式的集熱裝置如圖1所示。

　　塔式太陽能發電系統目前處于商業示范階段，技術開發風險較高；碟式太陽能發電系統則處于試驗階段，且運行規模較小；槽式太陽能發電系統已實現商業化，電站規模較大。因此，槽式太陽能發電系統更適合與生物質發電系統聯合應用。

　　生物質能太陽能聯合發電系統可分為3個部分：太陽能集熱裝置、循環流化床鍋爐以及汽輪機發電系統。當太陽能來源穩定時，可通過相關設置將太陽能集熱裝置與循環流化床鍋爐進行聯合，以實現太陽能和生物質能的共同發電。在太陽能來源不穩定或沒有太陽能來源的條件下，可單獨采用生物質發電系統。槽式太陽能與生物質聯合發電同樣采用該原理，其聯合發電系統由生物質能輔助鍋爐、槽式太陽能輔助系統及動力系統組成，如圖2所示。

　　由圖2可看出，太陽輻射條件較好時，太陽光線聚集到集熱裝置上，對集熱裝置中的導熱油進行加熱。當導熱油被加熱到一定溫度時，高溫導熱油依次流經過熱器、蒸汽發生器以及預熱器，以熱交換方式將熱量傳遞給鍋爐循環水，對其進行加熱，此時被冷卻的導熱油再次回到太陽能集熱器中，等待再次被加熱。被加熱的鍋爐循環水受熱蒸發，形成水蒸汽，帶動汽輪機做功發電。如光照條件較差或在夜間，啟動生物質輔助系統以維持對外電力輸出的穩定。

　　2生物質與垃圾聯合發電

　　據統計，我國主要城市年產生活垃圾為1.5×108t^[4]，大量垃圾所造成的“垃圾圍城”和“鄰避效應”對環境造成巨大的危害。如果能將垃圾充分有效地用于發電，每年將能節省煤炭資源5000～6000萬t。然而，我國城市生活垃圾的一些特性，如含水率高、熱值低等，會造成爐膛內垃圾燃燒效率低與煙氣成分復雜等問題。另外，垃圾燃燒所需要的助燃油又增加了發電成本。

　　因此將生活垃圾與生物質混合燃燒進行發電或可解決垃圾發電存在的一系列問題。國內解海衛^[4]等使用垃圾焚燒發電廠的設備對城市生活垃圾與棉花秸稈混燒發電的燃燒特性進行了研究。

　　研究結果表明，混合物熱值隨棉稈摻入量增多而增大，使得爐膛溫度有所增加。棉稈質量百分比為15％左右時，鍋爐的燃燒狀況最佳。在爐膛溫度不變時，增加棉稈摻混比例可降低煙氣中HCl、顆粒物以及二惡英的排放濃度。另外，飛灰和底渣中Pb、Cr、Zn、Cu等重金屬含量同樣有所降低。

　　生物質與垃圾不僅能通過混合燃燒的方式發電，還可采用生物質與垃圾氣化發電。研究表明，生物質與許多固體廢棄物的共熱解具有較強的協同作用，因此，可將生物質原料與垃圾的混合物進行氣化轉換為生物質燃氣，經凈化、降溫后進入燃氣發電機組發電。生物質-垃圾水蒸汽全氣化工藝流程如圖3所示^[5]。

　　從圖3可知，生物質和垃圾的混合燃燒經粉碎和干燥后通過液壓進料系統進入臥式干餾管進行氣化，氣化完成后進行催化過濾、冷卻、凈化等一系列工序，最終潔凈的可燃氣進入發電系統進行發電。

　　3生物質與煤聯合發電

　　化石能源是不可再生能源，截至2011年底，世界原煤探明儲量為8615.3億t。目前，煤炭作為我國能源中的主體地位在未來相當一段時間內難以撼動。然而，煤炭燃燒所產生的環境污染問題亟待解決。生物質資源具有分布廣泛、資源豐富的特點，也是清潔無污染的低碳資源，有較高的揮發組分和炭活性，硫、氮等有害成分少，灰塵少的優點，在燃燒過程中產生的有害氣體少。因此，將生物質與煤聯用發電可以有效地緩解我國污染物排放過多的問題。生物質與煤聯用發電系統如圖4所示。

　　研究發現將生物質加入煤中，其燃燒過程可明顯劃分為揮發分燃燒和焦炭燃燒2個階段。另外，由于生物質揮發分初析溫度遠低于煤的揮發分初析溫度，因此，在煤中添加生物質燃料可降低煤的著火點，以改善煤的著火性能，并增加燃料的燃燒發熱量。有國外研究者^[6]認為，當生物質與煤混燒時，煙氣中SO₂可被有效吸附在顆粒物中并以硫酸鹽的形式存在于顆粒物中。因此，煙氣中SO₂排放量明顯降低。王泉斌等[7]通過生物質與煤的混燒實驗，研究混燒條件下顆粒物中礦物元素的演變規律，研究結果同樣表明，硫元素易與Ca、Mg等堿土金屬結合。

　　4結論

　　在能源日益匱乏的今天，大力發展可再生能源迫在眉睫。然而由于當前技術有限，單一可再生能源的利用途徑均存在問題，阻礙了可再生能源的發展，而不同能源的聯合利用則可解決這些問題。其中生物質與太陽能、垃圾、煤聯用發電不僅可以使生物質、垃圾等廢棄物得到有效回收利用，充分利用自然界中無窮無盡的太陽能，而且能緩解煤炭燃燒所帶來的污染。因此，發展生物質能與其他多種可再生能源的聯合應用，可為其發展提供更廣闊的空間。