生物质发电技术现状及前景

1、3生物质发电技术的研究现状2生物质能发电的内涵和特点生物质发电技术现状及前景摘要：由于目前我国大气污染防治形势严峻，实现清洁经济发电是现在面临的一个难题。生物质作为一种低碳、低硫的清洁可再生能源，由于其总量大、利用量低、开发潜力大，将其用于发电不仅可以解决我国与日俱增的供电需求和大气污染问题，还可以提高农民收入，因此应用前景广阔。本文从生物质能发电特点和优势，引出目前生物质发电技术国内外研究现状，阐述了生物质发电技术存在的问题，介绍了目前比较主流的几种生物质发电技术，深入分析了我国当前生物质发电行业所面临的问题和对策，最后对生物质发电技术发展前景作出展望。关键词：生物质能、发电技术、现状和前景

2、1前言进入21世纪后，能源作为人类社会生存、国名民经济发展的必备资源和重要战略物资1,开始越发受到人们的重视。由于社会经济和科学技术的飞速发展，推动着能源需求也日趋增大，然而不可再生能源是有限的，因此能源枯竭和环境污染成为目前世界各国面临的主要生存危机。探寻清洁、高效的可再生新型替代能源成为当今社会研究的热门课题，在已探知的清洁能源中，太阳能、风能及水能由于受时间、季节及地理位置等自然条件的影响，其稳定性很大程度阻碍了其发展。生物质能作为可再生的清洁能源之一，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费的第四位能源，它提供14%的世界能源需求，而在发展中国家生物质能更是占到总能耗的35%。即使

3、是这样，如今生物质的利用总量依旧不足其生产总量的1%,由此可见生物质能的开发利用前景十分广阔肌与传统的化石能源相比，生物质能源对环境污染小，硫、氮含量低，二氧化碳排放量更是近似为零；其开发利用与传统化石燃料具有良好的兼容性（煤粉炉共燃生物质技术）特点，有望替代传统的火力发电，因此生物质能发电技术作为可再生能源中最重要的组成部分，具有良好的社会效益和经济效益，其研究利用已受到世界各国政府的高度重视。2.1生物质能发电的内涵生物质能源是清洁可再生能源中，唯一可以替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其他化工原料或者产品的碳资源。生物质能直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，取之不尽、用之不竭，

4、是太阳能的一种表现形式6生物质能发电是可再生能源发电的一种，其主要是利用农业、林业和工业废弃物、甚至是城市垃圾为原料，采取直接燃烧或者气化及发酵等方式发电，主要包括农林废物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电和沼气发电等。生物质发电是分布式发电系统，能很好的解决供电质量及安全，也可以解决传统单一供电的各种弊端。2.2生物质能发电的优势资源丰富，地球上光合作用每年生产约2.2X10111干生物质，相当于全世界能源消费总量的10倍左右，有很大的发展潜力。随着环保压力越来越大和国家环保政策的相继出台，这些潜力会被逐渐释放，作为发电动力燃料的生物质原料会越来越多，为生物质发电

5、提供广阔的发展空间。有利于节能减排，缓解环保压力。秸秆焚烧是近年来造成北方地区大范围雾霾的重要原因之，随着我国农作物产量的大幅度提升，秸秆处理成为一大难题，大规模的秸秆焚烧屡禁不止。生物质发电具备碳中和效应，通过集中燃烧发电并装备除尘及脱硫脱硝的设备，有助于降低污染物排放,促进大气污染防治。有助于调整我国能源消费结构，构建稳定安全的清洁能源供应体系。生物质发电原理与火力发电相似，电量稳定质量高，对电网更加友好；发展生物质发电对于替代化石能源，增加能源供应、调整能源结构，以及构建稳定、清洁、安全的能源供应体系，保障能源安全具有重要意义。生物质发电可以解决三农问题，助力精准扶贫。生物质发电由于其产

6、业链长、带动性强的特点，成为农业、工业和服务业发展的重要载体，是产业精准扶贫的利器。装机规模为3万千瓦的生物发电项目年消耗生物质约27万吨，如按每吨秸秆300元的收购价测算，将带动所在地区农户年增收入8000多万元。同时，围绕秸秆的收购、存储、运输等产业链条，可为当地农村提供2000个就业机会。4生物质能发电的主要技术3.1生物质能发电在国外的发展状况生物质发电技术起源于20世纪70年代，当时世界石油危机爆发，丹麦为了寻求能源独立与安全开始积极开发清洁可再生的替代能源，于是在全国大力推行生物质发电技术。自1990年后，欧美许多国家开始积极开展可再生能源，大力推行农业剩余物等生物质发电；特别是2

7、002年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质发电保持持续增长，但主要集中在发达国家。截止2016年底，全球生物质发电装机容量已经超过110GW，可替代19000多万吨标准煤，其中在北欧地区，生物质能源利用的主导地位是生物质发电。在直燃发电方面，国外技术已经成熟。在丹麦、瑞典、芬兰和荷兰等国，以农林生物质为燃料的生物质发电厂已经有300多座，其中最大的英国Ely生物质发电厂，装机容量达38MW；在混合燃烧方面，2011年美国已经有300多家发电厂那采用该技术，装机容量达6000MW；在气化发电方面，国外进行了相关探索，但由于设备改造困难、造价高昂等原因，现在大多为示范性项目，商业化项目较少。

8、预计到2020年，西方工业国家15%的电力将来自生物质发电。3.2生物质能发电在我国的发展状况生物质发电技术在我国起步发展较晚，知道1987年，我国才开开始研究利用生物质发电。我国是一个农业大国，生物质资源丰富，拥有充足的可发展能源作物。为推动生物质发电技术的发展，我国实施了一系列生物质发电优惠政策，使得生物质发电产业引来爆发式增长，国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。这些生物质能源企业的建立，完善了生物质能产业链，推动了节能减排，缓解了我国大气防治压力，对于能源产业革新和生态环境保护都具有重要作用。截止2017年，我国生物质发电行业

9、装机容量达1345万千瓦时，替代约2500万吨标准煤，减排二氧化碳约6500万吨。农林生物质发电共计处理农林废弃物约5400万吨；垃圾焚烧发电共计处理城镇生活垃圾约10600万吨，约占全国垃圾清运量的37.9%。预计到2020年，生物质发电在我国将基本实现商业化和规模化利用，装机容量达到15GW，达到90000GWh年发电量，年节约5.8X107吨标准煤。目前国内外研究及利用最多、最成熟的生物质能发电形式主要有：生物质直4.1生物质直接燃烧发电接燃烧发电、生物质混合燃烧发电、生物质气化发电、沼气发电和垃圾发电。r19亘帥烧发电IL-生物JM发电主;jAL电LLJ呂气电r与艇合燃烧发电等J*J生

10、物质直接燃烧发电与燃煤火力发电在原理上没有本质区别，主要区别体现在原料上，火力发电的原料是煤，而生物质直接燃烧发电的原料主要是农林废弃物和秸秆応生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中直接燃烧，产生热及高温高压的水蒸汽，驱动蒸汽机转动从而带动发电机发电。生物质直接燃烧发电技术中主要的两种燃烧方式为：固定床燃烧和流化床燃烧。该发电技术的关键因素在于对原料预处理、锅炉防腐、锅炉对多种生物质原料的适应性及蒸汽锅炉的高效燃烧和蒸汽轮机的效率等方面都有较高要求。固定床燃烧对生物质原料的预处理要求较低，生物质经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧。流化床燃烧要求将大块的生

11、物质原料预先粉碎至易于流化的粒度，其燃烧效率和强度都比固定床高。该发电技术相对较成熟，易实现大规模利用，但热值较低，发电效率不高于35%,适用于生物质资源比较集中区域，如谷米加工厂、木料加工厂附近，只要加工厂正常生产，谷壳、锯屑和柴枝等就可以源源不断地供应，为直燃发电提供物料保障。图2秸秆直接燃烧发电原理流程1-生物质储存区；2-粉碎系统；3-排粉风机；4-锅炉；5-空气预热器；6-送风机；7-除尘器；8-引风机；9-灰渣泵；10-烟囱4.2生物质混合燃烧发电生物质混合燃烧发电技术，顾名思义，即为生物质与煤混合作为燃料发电。混合燃烧的方式主要有两种：一种是直接将生物质原料与煤混合后送入锅炉燃烧

12、,该方式对于燃料处理设备要求较高，不是所有燃煤电厂都能用；二是先将生物质原料在气化炉中气化生成可燃气体，再通入燃煤锅炉与煤混合燃烧，产生的蒸汽一同送入汽轮机发电机组发电。由此可见，在混合燃烧发电技术中，对生物质原料的预处理过程显的尤为重要。一般情况下，通过改造现有的燃煤电厂就可以实现混合燃烧发电，只需要在厂内增加储存和加工生物质燃料的设备与系统，同时对原有燃煤锅炉燃烧系统进行适当改造就可以了。生物质混合燃烧发电相对于直接燃烧发电具有一定的优势，其主要表现在经济优势和技术优势两个方面。生物质混合燃烧发电相对于直接燃烧发电巨大的经济优势表现在：一是可以在秸秆供应不足的季节降低对生物质原料需求量，避

13、免农民哄抬生物质价格；二是相对于新建一座直燃生物质发电站，混合燃烧发电在原燃煤电厂基础上稍加改造，可以大大降低设备投资成本；三是在大型混合燃烧发电机组参数要远高于小型纯生物质机组，从而发电效率更高，相同的发电量下，混合燃烧的燃料消耗要比直燃降低一半。生物质混合燃烧发电相对于直接燃烧发电的主要技术优势表现在：一是受热面不易结焦或结焦量很低，且固着困难；二是发电效率高、煤耗低，在很低的掺烧比例下（小于5%-10%），就能使生物质比直燃得到更充分利用。图3生物混合燃烧工艺流程图4.3生物质气化发电技术生物质气化发电技术是先利用高温热解气化反应和微生物的厌氧发酵反应将生物质转化为气体燃料，然后再将气体

14、燃料净化后直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃烧进行发电。它是生物质能最有效、最洁净的利用方式之一，不仅能解决生物质高杂质难于燃用、低热值、分布分散等缺点，还能充分发挥燃气发电设备紧凑和污染小的优点。生物质热解气化反应主要是利用高温对生物质进行处理，把生物质中的化学键破坏掉，使得那些大分子有机物能够以甲烷和一氧化碳的形式被释放出来成为具有很高燃点的可燃性气体。气化发电过程主要包括三个方面11，一是生物质气化，在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利

15、用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机。生物质气化发电技术可以在小型的加工厂或者米厂附近使用，相比于传统的燃烧发电，生物质气体发电技术对能源的利用率更高，在发电的过程中不会产生任何有害气体。图4生物质整体气化器循环气化器城气统燃料4.4沼气发电沼气发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一种新型发电方式，也是沼气能量利用的一种有效形式。其主要原理是利用厌氧发酵技术，在高温厌氧条件下将屠宰厂或其它有机废水以及养殖场的畜禽粪便直接装入密闭型发酵设备，在渗滤液环流作用下使干燥物料潮湿，经过几周时间，产生高质沼气（甲烷含量达70%-80%），供给内

16、燃机或燃气轮机，带动发电机发电，也有的供给蒸汽锅炉产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。沼气发电技术主要应用在禽畜厂沼气、工业废水处理沼气以及垃圾填埋场沼气。沼气的热值决定了甲烷的含量，对发电率会产生直接的影响作用。这种发电技术在一些发达国家应用比较广泛，并且在国家能源结构中占有重要地位。在我国很多农村，该技术也得到了有效的大力推广，并且收益颇多。推广应用沼气发电既解决了农村秸秆过剩问题也净化了农村的生态环境，相比于传统的秸秆燃烧,这种发电方式成本低、污染小可以减少温室气体的排放，是增加农民收入的重要保障；可以改善农民生产生活条件，带来巨大的社会效益、生态效益、经济效益12。但是沼气发电由于发电容量偏小

17、，在氧化过程中气体效率不高，而且发电非常的不稳定，遇火容易发生爆炸，导致系统运行与管理期间自动化水平较低，产业化发展也极为缓慢，因此还需要对其稳定性进行完善，才可以拥有一个广泛的应用前景13。图5沼气发电典型流程4.5垃圾发电垃圾发电包括垃圾焚烧发电和垃圾气化发电，简而言之，垃圾发电就是将垃圾直接作为燃料或者将垃圾制成可燃气体作为燃料来进行发电的方式。垃圾发电不仅能够回收利用垃圾中的能量，达到节约资源的目的，同时还解决了垃圾的处理问题。垃圾焚烧技术具有占地小、处理量大、可利用余热发电等优点，是目前城市生活垃圾的重要处理方式15。垃圾焚烧发电和传统的燃煤发电在原理上相同，只是把燃料换成了垃圾，其

18、实垃圾焚烧发电就是生物质直接燃烧发电的一种。目前比较成熟的垃圾焚烧技术主要有层状燃烧技术、流化床燃烧技术、旋转燃烧技术等。焚烧垃圾处理技术具有占地小、减量效果显著、余热可利用等优点，但垃圾焚烧必须具有一定条件：垃圾焚烧要具有一定的发热值，当垃圾中低位热值W3344kJ/kg时，焚烧需要掺煤或柴油助燃。垃圾低位热值5000kJ/kg燃烧效果较好。城市生活垃圾低位热值一般在3344-8360kJ/kg范围内。而且垃圾焚烧后的灰渣处理也是一个难题，大部分发展中国家都面临着寻找灰渣填埋场地难，选址难，填埋成本高，二噁英等有害物质再次污染环境等风险问题16。垃圾气化技术是指在密闭的容器中，将垃圾进行缺氧

19、燃烧，利用空气和蒸汽作为混合气化剂，炉温控制在800C，使垃圾释放出大量的一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性的气体，在经过过滤和清洗后，可将该气体转化为电能或热能来进行利用。由于整个气化过程温度较低，不会大量生成氮氧化物；气化过程中产生的二噁英可以利用急冷设施配合活性炭吸附塔以及布袋除尘装置完全去除，最终可以使气化产生的可燃气体变为真正纯净的绿色能源。但是垃圾气化技术在处理垃圾时对热值有一定的要求，热值越高的垃圾越易于处理，热值太低或垃圾中无机物组成太高时，垃圾气化过程将会产生一定的困难；而且虽然垃圾气化技术能量利用率较高，但操作成本也相应较高，导致项目的经济性比一般垃圾焚烧发电项目差17。生物质发

20、电技术是一种集环保与可再生于一体的新型可再生替代能源，因此受到了各国政府的广泛重视。我国政府在能源危机和大气防治的双重压力下，也是大力支持生物质发电的发展，但是由于生物质直接燃烧、混合燃烧和沼气发电的许多关键技术都需要从国外引进，国内还没有消化吸收，全国大规模推广的时机还不成熟。气化发电技术我国具有自主知识产权，但是要实现产业化还有很长的路要走。5生物质能发电技术存在的主要问题及解决途径5.1生物质发电技术方面的问题核心技术与设备缺失在技术上：Q由于生物质燃料中钾和氯含量较高，使得生物质锅炉普遍存在严重的各级受热积灰、结渣和玷污问题，严重的玷污会降低传热效率，甚至导致局部传热表面因被玷污覆盖而

21、丧失传热性能。生物质燃料质地松软、密度小、而且水分和含氧量较高，因此热值较低；燃烧稳定性差，烟气量和灰渣含碳量均要比燃煤锅炉大很多，从而导致锅炉燃烧不稳定，故障率和能耗较高，燃烧效率较低。在设备方面：目前，由于国内企业没有能够生产生物质发电设备的实力，导致我国现在用于燃料传送系统的设备与燃烧生物质发电的锅炉等很多相关设施都依赖国外进口，但是国外和我国的工作习惯、文化差异与运输方式上的差异，导致很多国外的先进设备并不符合我国的实际情况，导致机组没有办法稳定、满负荷、安全的运行，极大限制了国内生物质发电技术的推广。发电成本过高生物质发电项目初期建设成本及后期的燃料费用和运行费用都比较高，目前初期投

22、资建设成本一般为8000-10000元/kW，是常规火电投资的2倍；在生物质发电项目的实际运营中，燃料成本更是要占到电厂运营成本的70%，设备折旧费及其他维护管理费用约占30%。这就意味着燃料价格将成为影响生物质电厂盈亏的最重要因素，随着我国生物质发电的兴起，秸秆的燃料价格已经从最初的200元/t涨至现在的450元/t以上，这样光电价成本0.4元/kWh就要远高于燃煤发电，而且秸秆体积大、重量轻，不适合长距离运输，存储也比较困难，导致生物质发电项目基本很难考发电上网盈利。5.2生物质发电问题解决途径及相关建议生物质燃料的收集、储运与预处理困难，可以通过加大可再生资源开发的宣传力度，提高农作物所

23、有者对可再生资源的认识，在项目建设时，做好合理的规划和有针对性的进行；缺乏先进的技术设备，一方面要开展国际合作，引进先进技术，另一方面国家应加强扶持、加大技术投入及研究，加快对国外先进技术、装置的吸收转化，提高技术水平，研发拥有自主核心和适合我国国情的技术；单烧生物质发电效率一般不高，可采用热电联用技术实现生物质的大量高效利用。政府扶持是生物质发电技术发展的重要推进剂，其可为生物质能发电争取与常规火电竞争的技术进步时间。生物质发电是国家鼓励的资源综合利用方式，根据可再生能源法，国家鼓励的资源综合利用认定管理办法，等有关规定，应尽快落实农林生物质发电增值税即征即退和所得税减免的优惠政策。在生物质

24、发电发展的起步阶段，对生物质发电进行财政补贴，应对有关技术研发、设备制造等给予适当的企业所得税优惠。建立再生能源管理体系，构建布局合理的市场。6展望未来10年生物质能将迎来发展的关键时期，目前国际上，生物质的主要研究方向还是把生物质能转换为电力和运输燃料，希望可以做到在一定范围内减少或代替矿物燃料的使用。预计到2030年，生物质发电技术将完全市场化，届时将可以与常规能源进行公平竞争，生物质能所占比例也将大幅度提高，成为主要能源之一；同时生物质制取液体燃料技术也将成熟，部分技术进入商业应用，但生物质液体燃料的商业化程度将取决于石油供应情况和各国对环境要求的程度。到2050年这一时期，生物质发电和

25、液体燃料将比常规的化石能源具有更强的竞争力，包括环境和经济上的优势，其将会成为综合指标优于矿物燃料占据主导地位的能源品种。当前，我国大气污染防治形式严峻，增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。使用可再生资源发电乃是我国能源机构规划最直接的走向之一，在各种可再生能源中，生物质能发电由于具有发电质量好、稳定性很高、发电残留物可以做农田肥料使用，不仅解决了大量农作物焚烧引起污染问题，还能为周边农民创造收入，形成良性循环经济体系等优势，而得到国家政策的大力支持。虽然目前生物质发电产业还存在一些问题，例如生物质能源分布不均、技术不够

26、成熟等，但随着国家相关政策、制度不断完善和技术的不断突破，有望解决生物质锅炉存在的效率低、碱腐蚀、结焦、结渣等问题，从而实现生物质能高效、经济、规模化利用。7结语本文对各种生物质能发电技术进行介绍和对比，结合生物质发电在产业化发电过程中遇到的经济层面和技术层面方面的问题，对我国发展生物质发电问题给出建议和进行展望。相比发展大规模生物质直燃发电，在原燃煤电厂的基础上进行简单改造后的生物质混合燃烧，目前更具发展前景。发展生物质气化发电技术，将固体生物质转化成高品位的气体燃料使用，是使可再生能源替代传统化石能源促使能源结构向持续能源系统转变的重要措施之一。沼气发电的发展可以有效减轻大气防治压力，是一种更为经济、实用获得绿色能源的一种手段，从我国沼气产量的发展潜力、沼气发电技术、市场需求和政策导向的发展趋势来看，沼气发电在未来10年将会有突破性的进展。今后几十年中国将会加大在以生物质能为主的可再生能源领域的技术投入，加大高新技术的开发和大规模推广发展可再生能源。我们要紧紧抓住机遇，促进生物质能源产业和市场的全面发展，力争到2020年达到1600万kW,走出一条解决电力短缺与实现生物质能源合理利用的双赢之路20。参考文献：1周中仁，吴文良生物质能研究现状及展望J.农业工程学报,2005,12:12-15.2王浩生物