傅安強(qiáng)

(福建省福能晉南熱電有限公司，福建晉江362200)

　　摘要：當(dāng)前，合理并高效地利用生物質(zhì)能發(fā)電成為我國(guó)在能源安全和保障的重要任務(wù)之一。主要介紹了目前生物質(zhì)發(fā)電的主流技術(shù)及設(shè)備，并對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的大容量機(jī)組進(jìn)行了探討，結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)地展望。

　　1生物質(zhì)能源簡(jiǎn)介

　　隨著全球人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)和時(shí)代的快速發(fā)展，能源短缺問題已成為世界上需要共同面對(duì)的問題，與此同時(shí)能源安全也是制約一個(gè)國(guó)家和平和穩(wěn)定發(fā)展的問題之一。因此，如何合理并有效地開發(fā)和利用新能源、研發(fā)新型設(shè)備、探索新的技術(shù)就顯得尤為重要。

　　我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，就福建省[1]而言，每年產(chǎn)生的各種農(nóng)林廢棄物、林業(yè)廢棄物和林產(chǎn)品加工廢棄物等生物質(zhì)資源，蘊(yùn)含著巨大的財(cái)富和價(jià)值，這不但為我國(guó)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)提供了物質(zhì)條件，同時(shí)也為我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)提供了可靠的發(fā)展基礎(chǔ)和提升空間。生物質(zhì)清潔能源首要是指生物質(zhì)氣體、生物質(zhì)固體燃料和生物質(zhì)液體燃料[2]。生物質(zhì)能源相對(duì)傳統(tǒng)的化石能源來說，是一種新型的清潔的能源，它具有可再生、低污染性和高附加值的優(yōu)點(diǎn)。合理地利用生物質(zhì)能發(fā)電不僅可以減少使用傳統(tǒng)化石能源所帶來的有害廢氣，還可大大減少二氧化碳的排放量。

　　2016年，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)國(guó)家能源局聯(lián)合公布了我國(guó)電力行業(yè)的第十三個(gè)五年（2016—2020年）規(guī)劃，根據(jù)電力發(fā)展的“十三五”規(guī)劃[3]。我國(guó)將大面積展開生物質(zhì)發(fā)電試點(diǎn)示范工程，重點(diǎn)任務(wù)就是解決來自農(nóng)業(yè)和林業(yè)所產(chǎn)生的生物質(zhì)資源，同時(shí)保證生物質(zhì)發(fā)電和并網(wǎng)裝機(jī)容量在數(shù)量和質(zhì)量上的遞增。截至2016年底我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約為12.2GW[4]。到2020年將達(dá)到15GW的生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量，以及90000GWh的年發(fā)電量。因此，充分使用生物質(zhì)清潔資源，助力可持續(xù)發(fā)展的生物質(zhì)發(fā)電廠必將成為重要的戰(zhàn)略。

　　2生物質(zhì)能源特點(diǎn)

　　生物質(zhì)指的是動(dòng)物和植物以及為微生物在死亡之后留下含有能量的有機(jī)物質(zhì)，這些殘留物和活體所產(chǎn)生的代謝物中所含的能量均來自固化的太陽(yáng)能。雖然煤炭、石油和天然氣等化石能源也是從生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化而來，但和傳統(tǒng)的化石能源不同的是生物質(zhì)[5]。能源具有如下特點(diǎn)：

　?、傺h(huán)再生性。生物質(zhì)能夠通過植物的光合作用再生，它和風(fēng)能、太陽(yáng)能以及潮汐能一樣都是可再生能源，并且它的種類更加豐富，可以確保能源的可持續(xù)使用，經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

　?、诠?jié)能減排性。由于生物生長(zhǎng)過程中所需的二氧化碳的量和其自身排放的二氧化碳量基本相等。所以，在使用生物質(zhì)能源的生產(chǎn)中，溫室氣體在大氣中的排放量基本為零。

　?、凵镔|(zhì)中硫和氮以及灰分的含量較低，尤其是硫燃燒后，硫氧化物和粉塵的排放量相對(duì)于化石燃料而言十分的低，是一種十分清潔的燃料。

　?、芊植夹圆坏軓V，而且在我國(guó)生物質(zhì)資源的儲(chǔ)量十分龐大。

　　3生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要分為三類，分別是生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電，生物質(zhì)氣化發(fā)電，生物質(zhì)耦合發(fā)電（生物質(zhì)與其他燃料混合發(fā)電）。

　　3.1直燃式發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)直燃式發(fā)電的技術(shù)原理實(shí)際上就是將生物質(zhì)通過燃燒，所產(chǎn)生的熱蒸汽在汽輪機(jī)中實(shí)現(xiàn)蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能能和電能，來產(chǎn)生電力。這與燃煤發(fā)電的原理基本上是一致的。燃燒過程中，發(fā)生著復(fù)雜而又繁多的化學(xué)反應(yīng)和物理變化，以及燃料和空氣之間的熱傳遞。蒸汽鍋爐中所產(chǎn)生的氣體主要使汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使發(fā)電機(jī)發(fā)電。生物質(zhì)直接燃燒的發(fā)電技術(shù)的核心是增加生物質(zhì)燃料的熱效率，而具有極高熱效率的鍋爐設(shè)備就成了至關(guān)重要的一步。生物質(zhì)燃燒設(shè)備按規(guī)模大小分為大型鍋爐、小型鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐[6]。按其燃燒特點(diǎn)分類又可分為束式爐、顆粒層爐、板式鍋爐等。

　　3.2氣化發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的基本原理就是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w（一氧化碳、氫氣等），之后利用可燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能。它從某種程度彌補(bǔ)了生物質(zhì)由于自身特性難以燃燒的缺點(diǎn)。生物質(zhì)氣化發(fā)電的工藝流程主要包括如下步驟：生加工處理后的生物質(zhì)原料通過進(jìn)料設(shè)備或傳送帶送至氣化爐中，由于氧氣的含量受制于爐體的體積，生物質(zhì)燃燒發(fā)生不完全反應(yīng)，此時(shí)常用的工藝是將氣化氣體回收預(yù)熱，即高溫氣體與材料進(jìn)行熱交換來加熱生物質(zhì)原料，然后通過冷卻系統(tǒng)和凈化裝置對(duì)氣體進(jìn)行過濾，凈化后的氣體進(jìn)入汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)來用于發(fā)電。相對(duì)于傳統(tǒng)的火電直燃發(fā)電技術(shù)，氣化發(fā)電更加清潔可靠。另外，是氣化技術(shù)的靈活性，能夠使過程中產(chǎn)生的廢蒸汽和熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，汽輪機(jī)的加入確保效率，規(guī)模小，投入小，成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。

　　3.3生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)

　　1970年，世界上很多發(fā)達(dá)國(guó)家開始提出生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)理論，正是由于全球化石能源危機(jī)的出現(xiàn)，丹麥[7]為了能源安全并緩解能源壓力，在世界上率先大力推行以秸稈等生物質(zhì)為主的發(fā)電技術(shù)。20世紀(jì)90年代年以后，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和理論開始在許多發(fā)達(dá)國(guó)家[8]飛速傳播并發(fā)展。在生物質(zhì)發(fā)電的傳統(tǒng)技術(shù)中，實(shí)際上也包含了生物質(zhì)與煤炭、石油以及天然氣的聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，只是在產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用中往往以小型設(shè)備為主，這也與西方國(guó)家電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)情有直接關(guān)系。

　　事實(shí)上，在發(fā)達(dá)國(guó)家300MW以上的發(fā)電設(shè)備和技術(shù)實(shí)際并不多見。在我國(guó)300～600MW的設(shè)備將是主要的應(yīng)用設(shè)備，發(fā)展小型生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組既能夠適應(yīng)國(guó)際上領(lǐng)先的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)潮流，也能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)電力發(fā)展的實(shí)際國(guó)情。這將不僅僅是解決多燒煤的問題，實(shí)際上解決了燃煤到清潔能源過渡的技術(shù)范疇。

　　4生物質(zhì)發(fā)電流程

　　農(nóng)林廢棄物及林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)原材料通過處理之后，被輸送至氣化爐內(nèi)，在高壓和高溫的雙重作用下開始熱裂解、碳化，在這一過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的混合氣。這些氣體的主要組成是高濃度的一氧化碳、氫氣和甲烷等。當(dāng)這些具有熱值的混合氣從爐內(nèi)出來時(shí)，氣體溫度基本處于高溫狀態(tài)（800~900℃），為了能夠充分利用這部分的氣體，便于核算熱值和科學(xué)的計(jì)量，使其降至低溫400℃以下，經(jīng)過降溫的生物質(zhì)混合氣通過運(yùn)送系統(tǒng)傳送，一部分被送入鍋爐內(nèi)燃燒，另一部分帶有熱值的廢氣重新回流至預(yù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行熱量回用。按照此步驟將生物質(zhì)發(fā)電流程分為生物質(zhì)原料的預(yù)處理環(huán)節(jié)、循環(huán)流化床氣化爐加熱環(huán)節(jié)、混合氣降溫降壓環(huán)節(jié)、可燃?xì)怏w加壓及檢測(cè)和核算與計(jì)量環(huán)節(jié)、生物質(zhì)混合氣體燃燒環(huán)節(jié)等。在上述的環(huán)節(jié)中還需要吹掃和電路保護(hù)以及保障系統(tǒng)。在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中最核心的因素是生物質(zhì)熱氣耦合的設(shè)備和技術(shù)。

　　5生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的主要工藝設(shè)備

　　5.1循環(huán)流化床（CFB）氣化爐

　　循環(huán)流化床（CFB）[9]氣化爐主要由上部、下部以及尾部組成。這其中的各個(gè)環(huán)節(jié)和每個(gè)部分都有耐高溫耐高壓的防護(hù)處理。二段懸浮部分是保證生物質(zhì)氣化充分反應(yīng)的關(guān)鍵部分。氣化爐下部主要是由主風(fēng)室、擋風(fēng)板、和帽體以及密封相部分組成。實(shí)際上一次懸浮部分是主要化學(xué)反應(yīng)過程的反應(yīng)區(qū)，二段懸浮部分僅僅只是保證氣化過程的順利進(jìn)行。爐體的尾部加裝了旋風(fēng)和靜電除塵設(shè)備。為的是使尾氣不會(huì)造成二次污染的同時(shí)能對(duì)氣體和固體雜質(zhì)顆粒進(jìn)行簡(jiǎn)單的去除。

　　事實(shí)上，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的核心就是循環(huán)氣化爐的選擇。氣化爐采用柴油點(diǎn)火設(shè)備，使氣化爐內(nèi)溫度始終保持在800℃左右，并且使?fàn)t內(nèi)處于近似缺氧的內(nèi)部環(huán)境，更有助于生物質(zhì)燃料進(jìn)行充分的熱解，隨后產(chǎn)生以氫氣、二氧化碳和一氧化碳為主的生物質(zhì)混合氣。混合氣只有在爐體內(nèi)充分并完全地停留才能確保高效的氣化得率和燃燒效率。

　　5.2混合氣降溫系統(tǒng)

　　燃?xì)饨禍叵到y(tǒng)[10]的核心設(shè)備是高壓換熱器，其作用是將氣化爐產(chǎn)生的高溫（約在650℃以上）氣體降至中溫或低溫，這里的中溫和低溫是指低于400℃。因?yàn)楦邏簱Q熱器的特殊工作性質(zhì)需要選取的導(dǎo)熱油就應(yīng)該選擇在500℃或者以上，這樣才能確保高效率轉(zhuǎn)換的同時(shí)保證生產(chǎn)安全。這種導(dǎo)熱油在國(guó)內(nèi)基本上都是定制，根據(jù)具體情況來進(jìn)行選擇。導(dǎo)熱油在高壓換熱器中被置放于生物質(zhì)氣化爐的后面，通過循環(huán)的油泵將導(dǎo)熱油的熱量傳遞至集熱設(shè)備，高壓下的換熱設(shè)備經(jīng)過導(dǎo)熱油的傳遞，將熱量收集之后再將導(dǎo)熱油通過回流泵重新注入集熱器吸熱，通過這樣的設(shè)備循環(huán)達(dá)到控溫目的。

　　5.3混合氣加壓輸送設(shè)備

　　在經(jīng)歷了降溫系統(tǒng)之后，混合的生物質(zhì)氣基本上都處于中溫（300~500℃），所以出于對(duì)加壓設(shè)備的安全考慮，加壓熱空氣所用的設(shè)備應(yīng)該能夠滿足至少500℃以上的溫度。當(dāng)混合氣從外部進(jìn)入爐體之后由于進(jìn)氣口的位置和數(shù)量不同，會(huì)造成氣壓和燃?xì)饬康淖儎?dòng)。因此在混合氣進(jìn)入爐體之前就需要對(duì)其進(jìn)行降壓或升壓到標(biāo)準(zhǔn)程度，使其不受影響，當(dāng)氣壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，混合氣被送至管體內(nèi)，管體最終將氣體均壓處理后通過支線再送入爐膛內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。在管線的實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮氣壓不穩(wěn)定和熱量不均勻所帶來的氣體倒吸、倒流，并設(shè)置相應(yīng)的防倒吸、倒流的閥門。

　　5.4耦合燃燒器

　　耦合燃燒器中燃燒的生物質(zhì)氣體基本是不會(huì)含有灰分和揮發(fā)分的，因此燃燒器中的爐膛前段或后段組裝旋轉(zhuǎn)對(duì)流裝置能夠?qū)⒖芍嫉臒嵴羝鳛槎文茉蠢^續(xù)使用。而在選擇和安裝耦合燃燒器的地方則需要依據(jù)生物質(zhì)氣體產(chǎn)生的量以及爐膛的燃燒區(qū)的變化等因素進(jìn)行更加科學(xué)地設(shè)計(jì)。在我國(guó)如果生物質(zhì)燃?xì)怦詈下市∮诿悍坼仩t的5%時(shí)[11]，則基本上能保證不需要再對(duì)鍋爐的水冷壁進(jìn)行處理。

　　6我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電發(fā)展前景

　　（1）我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)受政府扶持的影響極為明顯，在當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)鏈中有特別明顯的嵌入性。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和現(xiàn)狀與發(fā)達(dá)國(guó)家差別很大，發(fā)達(dá)國(guó)家主要是農(nóng)場(chǎng)為主的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)具有完整的上下游體系，不論是從運(yùn)輸?shù)交厥者€是再到銷售，每一環(huán)每一鏈都有明確的分工和準(zhǔn)確的定位，反觀我國(guó)的農(nóng)業(yè)模式和政策條件這就導(dǎo)致了生物質(zhì)原料的收集和運(yùn)輸必然會(huì)受限于地方政府和農(nóng)戶，造成原料供應(yīng)矛盾問題。除此之外，不完整的收購(gòu)渠道，運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)也會(huì)制約發(fā)電廠的正常運(yùn)行。

　?。?）對(duì)于現(xiàn)行的電廠而言設(shè)備的裝機(jī)容量基本在200～600MW，但對(duì)于大型的火力發(fā)電機(jī)組主要是600MW以上。因此，設(shè)備的特點(diǎn)使得了我國(guó)能夠開展的生物質(zhì)發(fā)電耦合率小于10%。這就說明了我國(guó)的生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)想要迅速和規(guī)模化地發(fā)展就必須要采用小鍋爐且不需要對(duì)原有的燃煤鍋爐進(jìn)行全面的改裝。實(shí)際上，小農(nóng)經(jīng)濟(jì)下的農(nóng)業(yè)資源分布不均與，生產(chǎn)方式的差異勢(shì)必是對(duì)我國(guó)開展生物質(zhì)發(fā)電眾多不利影響中最為致命的瓶頸。從國(guó)內(nèi)已開展的生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)運(yùn)營(yíng)情況看，原材料的來源和質(zhì)量的不穩(wěn)定，是造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不好，甚至電廠和電站的經(jīng)營(yíng)虧損的主要原因。

　?。?）在生物質(zhì)實(shí)際發(fā)電計(jì)量核算方面，需要進(jìn)一步完善計(jì)算方法、核算規(guī)范、計(jì)算技術(shù)以及核算的標(biāo)準(zhǔn)，也是促進(jìn)生物質(zhì)電廠平穩(wěn)發(fā)展和提高效益的重要一步。

　　7結(jié)論與展望

　　當(dāng)前，我國(guó)大氣污染防治形勢(shì)極為嚴(yán)峻，生物質(zhì)作為一種低碳低硫的綠色可再生能源，不但可以解決大量的農(nóng)林廢棄物問題，而且能為群眾創(chuàng)收。雖然目前生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)還存在一些不足和缺點(diǎn)，但是在國(guó)家的相關(guān)政策扶持下，有序開發(fā)生物質(zhì)能源，因地制宜利用生物質(zhì)，再加上生物質(zhì)氣化技術(shù)的不斷成熟，生物質(zhì)發(fā)電廠的發(fā)展建設(shè)和設(shè)備創(chuàng)新也一定能夠擁有更美好的明天。