剖析生物質(zhì)能及生物質(zhì)能發(fā)電

1.引言

    生物質(zhì)發(fā)電以秸稈（包括棉花、小麥、玉米等秸稈）以及農(nóng)林廢棄物（如樹皮）為原料，通過直燃發(fā)電的技術產(chǎn)生綠色電力，除了可以增加清潔能源比重、改善環(huán)境，還可以增加農(nóng)民收入、縮小城鄉(xiāng)差距，意義重大。

    我國利用農(nóng)林廢棄物規(guī)?；l(fā)電尚處于起步階段，生物質(zhì)發(fā)電技術不成熟、項目造價高，總投資大，運行成本高，盡管國家給予了電價優(yōu)惠政策，但盈利水平還是不如常規(guī)火電。究其原因，一是單位造價高，二是燃料成本高，三是生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)實際稅率太高?！犊稍偕茉捶ā芬?guī)定農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)發(fā)電應享受財政稅收等優(yōu)惠政策，但相關政策和措施尚未出臺。

    在國外，以高效直燃發(fā)電為代表的生物質(zhì)發(fā)電技術已經(jīng)比較成熟，丹麥率先研發(fā)的農(nóng)林生物質(zhì)高效直燃發(fā)電技術被聯(lián)合國列為重點推廣項目。農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)主要集中在發(fā)達國家，印度、巴西和東南亞等發(fā)展中國家也積極研發(fā)或者引進技術建設相關發(fā)電項目。在國土面積只有我國山東省面積1/4強的丹麥，已建立了15家大型生物質(zhì)直燃發(fā)電廠，年消耗農(nóng)林廢棄物約150萬噸，提供丹麥全國5%的電力供應。國外鼓勵生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策主要體現(xiàn)在價格激勵、財政補貼、減免稅費等方面，力度非常大。

2.生物質(zhì)燃料發(fā)電

2.1生物質(zhì)燃料

    生物質(zhì)能源是以農(nóng)林等有機廢棄物及利用邊際土地種植的能源植物為主要原料進行能源生產(chǎn)的一種新興能源。能源問題是2l世紀人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。能源問題成為世界各國共同面臨的難題，石化能源不僅不可再生，儲量有限，且燃燒后釋放出大量的二氧化碳、氮、硫的氧化物及其他一些有害氣體。嚴重污染了環(huán)境，導致溫室效應、全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態(tài)問題。在2010~2020年，全球的能源使用模式可能快速轉(zhuǎn)變，再生能源定會取代石化燃料。

    生物質(zhì)燃料包括植物材料和動物廢料等有機物質(zhì)在內(nèi)的燃料，是人類使用的最古老燃料的新名稱。生物質(zhì)燃料多為莖狀農(nóng)作物經(jīng)過加工產(chǎn)生的塊裝環(huán)保新能源，其直徑一般為6~8毫米，長度為其直徑的4~5倍，破碎率小于1.5%~2.0%，干基含水量小于10%~15%，灰分含量小于1.5%，硫含量和氯含量均小于0.07%，氮含量小于0.5%。

    按照生物質(zhì)的特點及轉(zhuǎn)化方式可分為固體、液體、氣體3種生物質(zhì)燃料。我國生物質(zhì)能源的利用包括畜禽糞便發(fā)展沼氣、農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃氣、糧食作物轉(zhuǎn)化能源作物以及油料作物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)柴油這四大類。不同的燃料產(chǎn)生不同的熱值。

2.2生物質(zhì)燃料發(fā)電概念

    生物質(zhì)燃料發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能進行的發(fā)電，是可再生能源發(fā)電的一種，一般分為直接燃燒發(fā)電技術和氣化發(fā)電技術。包括農(nóng)林廢棄物直接燃燒發(fā)電、農(nóng)林廢棄物氣化發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電、沼氣發(fā)電。

    生物質(zhì)能直接燃燒發(fā)電是以農(nóng)作物秸稈和林木廢棄物為原料，進行簡單加工，然后輸送到生物質(zhì)發(fā)電鍋爐，經(jīng)過充分燃燒后產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電的高新技術。燃燒后產(chǎn)生的灰粉有加工成鉀肥返田，該過程將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原本的開環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈子轉(zhuǎn)變?yōu)榭裳h(huán)的閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，是完全的變廢為寶的生態(tài)經(jīng)濟。

    生物質(zhì)氣化發(fā)電技術又稱生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)，利用氣化爐把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣體，經(jīng)過除塵、除焦等凈化工序后，再通過內(nèi)燃機或燃氣輪機進行的發(fā)電。過程包括三方面：生物質(zhì)氣化；氣體凈化；燃氣發(fā)電。既可以解決可再生能源的有效利用，又可以解決各種有機廢棄物的環(huán)境污染。正是基于以上原因，生物質(zhì)氣化發(fā)電技術得到了越來越多的研究和應用，并日趨完善。

2.3生物質(zhì)燃料發(fā)電的意義

    緩解能源短缺的危機；增加我國清潔能源比重；改善環(huán)境；擴大鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模，增加農(nóng)民收入，縮小城鄉(xiāng)差距。

    秸稈發(fā)電的主要燃料，來源于小麥秸稈、玉米秸稈、稻草稻殼、棉花秸稈、林業(yè)間伐及加工剩余物等農(nóng)林廢棄物。秸稈發(fā)電變農(nóng)民在田間無序焚燒，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(nóng)民收入。中國國家電網(wǎng)公司旗下的國能生物發(fā)電有限公司，引進丹麥先進的生物質(zhì)直燃發(fā)電技術，于2006年12月1日建成投產(chǎn)了中國第一個生物質(zhì)直燃發(fā)電項目——國能單縣1×25MW生物質(zhì)發(fā)電工程，實現(xiàn)了中國大容量生物質(zhì)直燃發(fā)電零的突破。該電廠2007年全年穩(wěn)定運行8200多個小時，發(fā)電2.2億千瓦時，消耗農(nóng)林剩余物20多萬噸，為農(nóng)民增加收入5000萬元以上。農(nóng)民生活用能，秸稈燃燒效率僅約為15%，而直燃發(fā)電鍋爐可將熱效率提高到90%以上。

    秸稈作為一種可再生能源，在生長和燃燒中不增加大氣中二氧化碳量，不但可以替代部分化石燃料，而且還能減少溫室氣體排放量。據(jù)測算，中國可開發(fā)的生物質(zhì)能資源總量近期約為5億噸標準煤，遠期可達10億噸標準煤。即使按5億噸標準煤計算，生物質(zhì)發(fā)電可滿足中國能源消費量的20%以上的電力，年可減少排放二氧化碳近3.5億噸，二氧化硫、氮氧化物、煙塵減排量近2500萬噸。除此之外，秸稈燃燒產(chǎn)生的灰分還可作為優(yōu)質(zhì)鉀還田使用，一臺2.5萬千瓦生物質(zhì)發(fā)電機組年生產(chǎn)達8000噸左右灰分。

2.4物質(zhì)燃料發(fā)電技術的應用

    生物質(zhì)能發(fā)電技術主要包括：直接燃燒發(fā)電技術、熱化學轉(zhuǎn)換發(fā)電技術、生物化學轉(zhuǎn)換發(fā)電技術等3種途徑。

（1）直接燃燒發(fā)電技術。是指生物質(zhì)原料送入適合的鍋爐內(nèi)燃燒，生產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽膨脹做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。生物質(zhì)的直接燃燒在今后相當長的時間內(nèi)將是我國生物質(zhì)能利用的主要方式。當前改造熱效率僅為10%左右的傳統(tǒng)燒柴灶，推廣效率可達20%～30%的節(jié)柴灶，其技術簡單、易于推廣，是效益明顯的節(jié)能措施。

（2）熱化學轉(zhuǎn)換發(fā)電技術。生物質(zhì)的熱化學轉(zhuǎn)換是指在一定的溫度和條件下，使生物質(zhì)汽化、炭化、熱解和催化液化，以生產(chǎn)氣態(tài)燃料、液態(tài)燃料和化學物質(zhì)的技術，由燃料的熱能轉(zhuǎn)換為電能的方式。

（3）生物化學轉(zhuǎn)換發(fā)電技術。指汽輪機和往復式發(fā)動機以生物化學轉(zhuǎn)換燃料作為主要的燃料來源，以發(fā)動機的動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的過程。生物質(zhì)的生物化學轉(zhuǎn)換包括有生物質(zhì)-沼氣轉(zhuǎn)換和生物質(zhì)-乙醇轉(zhuǎn)換等。沼氣轉(zhuǎn)化是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生一種以甲烷為主要成分的可燃性混合氣體即沼氣，乙醇轉(zhuǎn)換是利用糖質(zhì)、淀粉和纖維素等原料經(jīng)發(fā)酵制成乙醇。沼氣發(fā)電是指汽輪機和往復式發(fā)動機以沼氣作為主要的燃料來源，以發(fā)動機的動力驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的過程。

2.5燃料發(fā)電成本分析

2.5.1生物質(zhì)燃料價格上漲的原因

    現(xiàn)在機耕，秸稈粉碎、勞務費、柴油價格等都很高。2007年小麥留在30cm左右。省時省力，每小時能割3.3～4.0km留在15cm以下，每小時只能割2.0km左右，還額外增加成本15～30元。將秸稈收割收集每畝成本約50～80元。加上運輸?shù)荣M用，成本將急劇增加。2008年的油價比2007年更高，秸桿價格必然上漲。今后柴油價格是否還會再升，是決定秸稈價格主要因素之一。

2.5.2設備運行

    某電廠原有4臺發(fā)電機組已拆去較老的2臺，其廠房用為生物質(zhì)燃料儲存廠房，其余2臺15MW機組保留。其中一臺鍋爐投資4560萬元更換成SF一75/3.82一T型鏈條爐排蒸汽鍋爐。參數(shù)為：鍋爐最大出力75t/h；主蒸汽溫度450℃；主蒸汽壓力3.82MPa。上料系統(tǒng)在原輸煤系統(tǒng)適當改造而成，由于秸稈燃料是按一定規(guī)格的散料收購。與燃煤大體相當，所以輸送系統(tǒng)不需作大的改動，改造時間短。運行中只在下料斗處有專人監(jiān)管。當發(fā)生堵塞時及時清理。目前，摻泥沙尚未有采用清理防止措施。在收購時把好關。投運來的運行效果較好，多種秸桿混燒不僅沒有結(jié)焦而成為有效充足的燃料供給的一種手段，可因地制宜參考這種方式。

2.5.3運行經(jīng)濟分析

    由于收購燃料價格上漲到310元/t，運行成本約為0.586元/(kW˙h)，上網(wǎng)電價為0.635元/(kW˙h)(含0.25元/(kW˙h)的補貼)時，尚盈余0.049元/(kW˙h)，約滿負荷運行5500h計算可贏利404.25萬元，考慮每年還本付息473.2萬元，還本付息后要虧損68.95萬元，約每年運行小時數(shù)達到6500h才基本持平。從以上估算看，政府出臺的政策也要隨著市場變化適當調(diào)整，否則這些綠色能源很難維持下去，投資者也會很快退出生物質(zhì)發(fā)電這個市場。

2.5.4環(huán)境效益

    生物質(zhì)能是一種可再生、CO零排放、SO2、NO、含塵質(zhì)量分數(shù)極低的清潔能源，是化石能源很好的替代燃料。歐洲國家對生物質(zhì)電廠賦予的職責是消耗秸稈維護大氣環(huán)境，對于生物質(zhì)發(fā)電給予較大的補貼，不考慮電廠的連續(xù)運行時間和盈利問題。目前，出臺的相關政策支持度已很大。但隨著市場變化其支持力度還應相應跟上，使這一新興產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。

2.6生物質(zhì)燃料發(fā)電現(xiàn)狀及前景

2.6.1我國農(nóng)林固體生物質(zhì)燃料特性

    作為能源的農(nóng)林固體生物質(zhì)，與化石燃料能源有很大的區(qū)別。農(nóng)林固體生物質(zhì)將具有可再生性，只要人類行為得當，這種能源就不會枯竭，可以周而復始的產(chǎn)生；生物質(zhì)能的利用不會導致大氣圈內(nèi)主要溫室氣體二氧化碳的凈增加積累，從而減緩地球的溫室效應；農(nóng)林固體剩余物的分布密度低，品種多樣，依照區(qū)域、氣候、地形、土壤、地形的不同而差別巨大，為原料的收集、運輸、加工和規(guī)?；脦砝щy。生物質(zhì)燃料的特點：(1)揮發(fā)份含量高，一般超過65%；(2)固定碳含量低，一般不超過20%；(3)低位發(fā)熱量約比煤小40%；(4)含灰量顯著低于煤，一般不超過l0%；(5)含硫量幾乎比煤低一個數(shù)量級；(6)灰熔點比煤低200～300℃。

2.6.2現(xiàn)狀及發(fā)展

    我國的生物質(zhì)熱解氣化及熱利用技術近年來也有長足的發(fā)展。目前全國已建成農(nóng)村氣化站200多個，谷殼氣化發(fā)電設備100多臺(套)。由中科院廣州能源研究所研發(fā)的“4MW生物質(zhì)氣化聯(lián)介循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)”以谷殼、木屑、稻草等多種生物質(zhì)廢棄物為原料，發(fā)電效率可達20%～28%，能滿足農(nóng)村處理農(nóng)業(yè)廢棄物的需要。中國生物質(zhì)燃料發(fā)電已具有了一定的規(guī)模，主要集中在南方地區(qū)的許多糖廠利用甘蔗渣發(fā)電。廣東和廣西2省(區(qū))共有小型發(fā)電機組300余臺，總裝機容量800MW，云南也有一些甘蔗渣電廠。中國第一批農(nóng)作物秸稈燃燒發(fā)電廠在河北石家莊晉州市和山東菏澤市單縣建設。國家高科技發(fā)展計劃(“863”計劃)已建設4MW規(guī)模生物質(zhì)(秸稈)氣化發(fā)電的示范工程，系統(tǒng)發(fā)電效率可達到30%左右。

    世界生物質(zhì)發(fā)電起源于20世紀70年代，當時，世界性的石油危機爆發(fā)后，丹麥開始積極開發(fā)清潔的可再生能源，大力推行秸稈等生物質(zhì)發(fā)電。自1990年以來，生物質(zhì)發(fā)電在歐美許多國家開始大發(fā)展。

    中國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，各種農(nóng)作物每年產(chǎn)生秸稈6億多噸，其中可以作為能源使用的約4億噸，全國林木總生物量約190億噸，可獲得量為9億噸，可作為能源利用的總量約為3億噸。如加以有效利用，開發(fā)潛力將十分巨大。

    最近幾年來，國家電網(wǎng)公司、五大發(fā)電集團等大型國有、民營以及外資企業(yè)紛紛投資參與中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的建設運營。截至2007年底，國家和各省發(fā)改委已核準項目87個，總裝機規(guī)模220萬千瓦。全國已建成投產(chǎn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電項目超過15個，在建項目30多個?？梢钥闯?，中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正在漸入佳境。

3.結(jié)語

    21世紀是生物的世紀，是科學技術飛速發(fā)展的新世紀，可持續(xù)發(fā)展是當前經(jīng)濟發(fā)展的趨勢所在，面對化石能源的枯竭和環(huán)境的污染，生物能源的開發(fā)和利用為經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來曙光。生物能源作為可再生、污染小的能源，具有無可比擬的優(yōu)勢，必將為21世紀的經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護注入強大的推動力。國外生物質(zhì)能源在燃料生產(chǎn)與發(fā)電方面的應用起步較早，主要利用農(nóng)作物、農(nóng)林廢棄物及加工廠廢棄物來進行燃料生產(chǎn)與發(fā)電；我國生物質(zhì)能源起步相對較晚。存在局限性。面臨能源短缺問題。全世界都在謀求以循環(huán)經(jīng)濟、生態(tài)經(jīng)濟為指導，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，從保護人類自然資源、生態(tài)環(huán)境出發(fā)，充分有效地利用可再生的、巨大的生物質(zhì)能源。而能源開發(fā)的一個很有潛力的方向便是充分利用生物質(zhì)能源。這是解決全世界面臨的能源短缺問題的有效途徑。