竹廢料用于分布式生物質發電的發展前景

周承杰 張 旺

(宜賓市啟迪竹創園科技有限公司 四川宜賓644000)

中國是全球竹資源最豐富的國家。 近年來，中國竹產業發展迅速， 竹材消耗量逐年上升， 同時產生了越來越多的竹廢料沒有得到有效的利用。 與其他植物相比， 竹類植物具有品種多、 生長速度快、 再生能力強、 一次造林成功即可持續利用等特點。 竹材的熱值明顯高于常見草本植物和農作物秸稈， 是生物質能源的優質原料。 在當前全球面臨著能源短缺和環境保護的雙重壓力下， 大力開發生物質能源是實現經濟社會可持續發展的必然選擇。 竹材作為生物能源產業的新原料， 必將成為當地竹產業發展的增長點和帶動當地脫貧致富的新途徑。

1 生物質能源發展前景

1.1 生物質能是新能源產業的重要組成部分

生物質是地球上存在最廣泛的物質， 具有取之不盡、 用之不竭的優勢。 生物質能源是重要的可再生能源， 具有高效、 低碳、 節能、 惠農等優點， 是除石油、 煤炭、 天然氣之后的第4 大能源， 在整個能源系統中占有重要地位。 隨著全球變暖趨勢加劇、環境保護壓力增加和化石能源日益匱乏， 可再生能源發電將逐步替代不可再生能源發電， 成為人類社會發展所依賴的主要能源。 將生物質原料用于發電也是目前生物質能源應用中最普遍、 最有效的方式之一， 在減少碳排放、 改善能源供需、 保護生態環境、 增加農民收入等方面發揮著重要作用， 是國家發展新能源產業的重要組成部分。

1.2 生物質發電是節能減排重要手段

自20 世紀80 年代以來， 生物質發電成為我國控制碳排放的主要手段， 對生物質電站的建設越來越重視。 特別是近年來， 國家越來越注重低碳經濟、循環經濟的發展， 將生物質能的綜合利用作為新能源開發的重要途徑， 加大了對生物質能開發的政策支持和資金投入。 隨著《中華人民共和國可再生能源法》 和相關能源電價補貼政策的出臺和實施， 吸引了大量資本流入生物質能源行業。 但相對于歐美等發達國家的生物質發電利用水平和在能源中的占比， 我國的生物質發電產業還有很長的路要走， 具有廣闊的市場空間。

1.3 生物質發電有利于降低農村和農業污染

相比石油化工燃料， 生物質資源種類繁多、 儲藏量巨大、 廣泛分布。 其主要有竹木廢料、 農林秸稈廢棄物、 牲畜糞便、 能源植物、 城市垃圾等， 目前生物質發電是大規模處理農林廢棄物的有效方式。 生物質發電有2 大好處： 首先， 秸稈熱值高， 平均值約為1.5 萬kJ/kg， 相當于標準煤的50%， 可以有效替代煤電， 加快改善地區能源結構； 其次， 生物質發電環保， 可以有效避免農民焚燒秸稈造成的嚴重空氣污染， 發電過程中的一氧化碳排放量為零、 硫氧化物僅為46 mg/m3、 煙塵少于127 mg/m3， 均遠低于國家標準。 我國對農林廢棄物發電采用了“以能源補貼為主、 輔以環境效益補助(綜合利用稅收優惠)、 并允許其無限制電量上網” 的鼓勵機制。 如果能在農村地區廣泛開展直燃秸稈電站建設， 對廣大農村地區能源結構的調整和資源環境保護意義重大。

2 竹材作為生物質能原料的優勢

2.1 竹資源豐富， 產業發達

中國是全球主要的產竹國， 是竹資源最豐富的國家， 享有“竹子王國” 之譽。 據統計， 中國有竹類植物39 屬500 多種， 分布廣泛， 以珠江流域和長江流域最多； 全國16 個主要產竹省(區) 的竹林面積約672.73 萬hm2， 占全世界竹林總面積的21%， 占全國土地總面積的0.70%， 占森林面積的3.48%[1]。

自20 世紀末起， 中國竹產業得到了快速發展，竹產品類型日益豐富， 除傳統的竹筍、 竹材、 竹工藝品和竹漿造紙外， 竹纖維紡織、 竹提取物制藥等新興產品已進入日常生活中。 同時， 竹產業的不斷發展也拉動了下游相關產業的發展。 隨著全球經濟一體化， 國內外市場對竹產品的需求日益加大， 竹產業的發展具有很大的空間。

中國目前約有6 000 萬人直接從事竹產業生產經營活動， 其中從事加工商貿的有755 萬人， 竹產業發展較好的省份有浙江、 福建、 江西、 四川、 湖南等， 產業特色比較明顯的縣市有浙江安吉、 龍游，福建南平、 三明， 湖南桃江， 江西宜春， 四川宜賓等地。 中國已開發出竹家具、 竹建材、 竹類生活用品、 竹纖維制品、 竹炭和竹醋液、 竹食品、 竹景觀等10 大類幾千個品種的竹產品[2]。

2.2 竹材是優質的生物質能原料

與其他植物相比， 竹類植物具有品種多、 生長速度快、 再生能力強、 一次造林成功即可持續利用等特點。 研究表明， 竹材的平均燃燒熱值達19 331.26 kJ/kg， 其中毛竹熱值為18 996.60 kJ/kg，明顯高于常見的草本植物和農作物秸稈， 是生物質能源的優質原料[3]。 而且， 以竹類為原料發電還具有相對農作物秸稈組成更簡單、 熱值更穩定、 對環境污染更低等優點。

目前， 我國在竹材加工環節的利用率較低， 不足40%， 形成了大量的加工廢料， 從而為生物質能源提供了優質原料。 同時， 竹種的多樣性和豐富的竹林資源為竹材用于生物質發電產業的發展提供了堅強的物質保證[3]。

以四川主要竹產區宜賓市為例， 楠竹材、 雜竹材、 竹筍的采集量分別僅占可采集量的41.0%、36.2%、 35.3%， 有大量竹資源閑置， 無人砍伐，利用不充分。 2017 年宜賓市有竹片加工廠132 家，合計產能90 萬t， 每天消耗竹材約2 500 t[4]。 竹材生產加工環節中約有60%為加工剩余物， 隨著國內竹產業的快速增長， 這部分廢料數量也越來越龐大。竹材資源全方位綜合利用必須有效利用這些竹廢料。因此， 拓展竹材作為生物能源產業的新原料， 也成為當地竹產業發展的增長點和帶動當地脫貧致富的新途徑。

2.3 竹產業集中區發展生物質發電具有成本和環保優勢

1) 減少運輸成本， 提高生物質電廠效益。 可就近收集竹林砍伐階段的旁支、 筍殼、 自然枯死的竹材等廢料加工成生物質顆粒， 收集竹材加工企業生產環節的各類廢料。 生物質發電的成本主要源于原材料的成本， 而原材料的運輸成本在其中占很大比例。 所以， 降低原料的運輸距離， 是提高生物質電廠效益的有效途徑。

2) 污染物排放少， 發電成本低。 竹廢料的熱值高于多數草本植物和農作物秸稈。 竹廢料燃燒后的灰分含鉀較高可以直接回田作為肥料， 也可出售給農肥加工企業。 相比現有的垃圾發電排放的污染物更少， 發電成本更低。

3) 減少環境污染。 在竹產業集中區域建設生物質熱電聯產項目可以為周邊的加工企業提供供電和供熱服務， 也可以吸收消化周邊村莊的其他農林廢料， 解決秸稈散亂焚燒污染環境的問題。

3 生物質發電產業現狀

3.1 傳統生物質發電項目存在的問題

傳統生物質發電項目能源利用率低， 占地面積大， 裝機容量較大， 設備投資巨大， 往往電站周邊的生物質原料不能滿足生產， 需要從較遠距離運輸生物質原料， 這也是目前傳統的生物質發電電價較高的重要原因。

1) 原材料成本高。 相比風能、 光能直接獲取利用的便利性， 生物質能其原料不能直接利用， 需要再次加工轉化。 在生物質原料的獲取和加工過程中需要額外投入人力和物力， 導致原料成本較高。

2) 單位造價高。 傳統的生物質電站的特點決定了其項目投資巨大和建設周期長。 目前單位千瓦投資超過1 萬元以上， 首個投產的國家級示范項目——國能單縣項目單位千瓦造價高達1.3 萬元。

3) 原料距離遠， 物流成本高。 與傳統工業原料不同， 生物質原料除了購買成本外， 原材料分散在農村的千家萬戶， 加工、 儲運和損耗成本占燃料總成本的比重較大。 以秸稈發電為例， 經濟收購半徑不宜超過50 km， 否則在遠距離收購過程中車損、 燃油及人力消耗會大大增加原料成本。 另外， 目前尚未形成大規模的產業鏈， 缺少專業的原材料收購和運輸從業人員。 生物質電站的大部分原材料是定點收購， 少部分是直接向分散的農戶收購[5]。

3.2 竹廢料用于生物質發電的現狀

自20 世紀90 年代， 直燃式生物質項目在歐美等發達國家備受推崇。 在丹麥和瑞典等歐洲國家，以生物質為燃料的小型熱電聯產已成為重要的發電和供熱方式， 但歐美國家竹資源并不豐富， 所使用的生物質原料多為農作物秸稈和果木枝等原料。 巴西、 印度和部分東南亞國家， 根據氣候條件和自身情況使用甘蔗渣、 稻殼、 棕櫚殼等為燃料發展生物質發電[6]。 非洲地區竹資源豐富， 加納和埃塞俄比亞將竹類資源作為可再生能源的重要部分， 這2 個國家竹產業的快速發展促進了非洲其他國家對竹類生物質燃料的投資和開發[6]。 但目前尚未有建成使用竹廢料為生物質原料的分布式熱電聯供發電站。

目前我國建成的生物質發電項目多數以農作物秸稈、 果木等為原材料， 主要集中在水稻、 小麥、 花生等農作物主產區。 由于發電設備技術沒有新的突破，國內現有的生物質發電項目建設規模都較大， 生物質原料需要遠距離運輸供給， 導致生物質發電技術推廣較慢， 也無使用竹廢料用于分布式熱電聯供。

4 生物質發電新技術的研發

為了解決目前生物質發電項目存在的弊端， 啟迪控股旗下公司研發了一種直燃式熱氣機。 該熱氣機可依靠燃燒農林廢料和竹林廢棄物等釋放的熱量直接發電， 適用于村鎮級的分布式熱電聯供能源站的建設， 為打造村級能源互聯網提供了技術支持。

熱氣機原理及結構基于美國NASA 自由活塞式斯特林發動機(圖1)， 主要參數見表1。 該機型有效降低了氣體泄漏率， 大幅降低了制造難度和制造成本。 目前已擁有包括活塞制造工藝、 動密封技術、 多缸非均勻加熱的穩定輸出等多項核心技術專利。 設備經過2 000 h 不間斷運行， 性能穩定可靠。

圖1 10 千瓦級清潔熱氣機

表1 熱氣機技術參數和性能指標

4.1 技術攻關

直燃式熱氣機(斯特林發動機) 攻克了以下技術難點：

1) 發動機密封技術。 為保證發動機實現持續穩定的功率輸出， 發動機的氣密性要求十分苛刻。

2) 活塞制造工藝。 為提升發動機效率， 需要讓活塞在28 MPa 的高壓下盡可能做到輕量化， 活塞一般為因科鎳合金制造的多孔介質材料， 制造工藝復雜。

3) 燃燒工藝。 由于燃燒過程不可控， 造成發動機氣缸表面溫度分布極不均勻， 發動機氣缸缸壓不平均， 影響發動機效率和壽命。

4) 發動機裝配和調試工藝。 裝配和調試工藝直接影響發動機運行參數， 是發動機制造的核心技術，需要長期的技術積累才能掌握。

4.2 直燃式熱氣機的技術優勢

1) 成本低。 設備結構簡單， 零件數量比其他發動機減少了60%， 采用模塊化設計， 大幅降低發動機制造成本， 比同類產品制造成本下降50%。

2) 壽命長。 活塞和氣缸有0.2 mm 的氣隙， 避免氣缸和活塞之間的摩擦， 延長了設備壽命。

3) 可靠性高。 多缸聯動技術可以確保缸體受熱不均勻時各氣缸內缸壓相同， 提高了設備可靠性。

4) 效率高。 活塞輕量化設計， 活塞質量減輕80%， 提升了發動機效率。

4.3 行業應用優勢

直燃式熱氣機應用與生物質發電行業， 區別于大型汽輪機組， 可實現100 千瓦級的小規模發電，從而大幅降低燃料運輸成本， 降低電站運維費用，因為燃料成本每變化10%， 運維成本即變化15%；且無需水源， 對場地要求低， 特別適合于沙漠干旱地區或者生物質原料集中地區做分布式生物質電站。

5 小結

在竹產區建設分布式熱電聯供能源站， 不僅可以收集處理周邊竹加工企業產生的竹廢料， 還能通過燃燒竹廢料為竹加工企業提供生產所需的電能和蒸汽。 直燃式熱氣機技術的運用能夠避免傳統生物質發電中的原料運輸成本較高的問題， 將竹廢料變廢為寶轉化為清潔能源。 此外， 一個分布式電站的運轉和維護需要多名具有一定相關知識或學習能力的勞動力， 可以為當地退伍軍人、 專科學校畢業生等提供新的工作機會。 在產業化的過程中， 能源轉型類項目的應用和推廣將有效地吸納就業， 特別是農村人口、 退伍軍人等重點群體； 在資源綜合利用、低碳減排等生態方面， 更是做到了充分的實踐和引領作用， 有利于推動區域竹產業規模化發展， 帶動當地竹農增收致富。