我國生物質氣化耦合發電技術及前景展望

趙文慧 胡振東

【摘要】生物質燃料是一種可再生能源，采用生物質燃料發電不增加CO2排放，有利于全球氣溫升高的控制。分析了生物質燃料的特點，介紹了生物質氣化技術，闡述了生物質氣化耦合發電的方式和優勢，展望了生物質氣化合發電的應用前景。

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1概述

能源是人類社會賴以生存和發展的基石和動力，人類對能源的需求引領著能源技術的革新與革命，能源的變革反過來又影響著人類的生產、生活方式和社會管理等方面，也促進了人類社會的發展。目前，世界能源發展呈現出多元化、智能化、低碳化、分布式等多種特征。

生物質能本質上是以化學能的形式儲存在生物質中的太陽能，在可再生能源中，生物質能是獨特的，即能夠貯存太陽能，還是一種可再生的碳源，并且具有分布廣、污染小、可再生利用等多方面的特點。據統計，我國生物質能資源非常豐富，理論上生物質能資源約有50億t標準煤【】【】是我國目前總能耗的1.15倍左右。

2環保要求

2015年簽署的《巴黎協定》確定了全球能源低碳發展的方向，也對未來煤炭的使用要求提出了嚴格的限制。就在2018年11月，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發布的《全球升溫1.5℃特別報告》中進一步提出：要將全球升溫目標控制在1.5℃，到2050年要將煤炭在全球電力供應中的使用比例降低至接近為零。這對我國以煤炭為主的的能源發展提出了嚴峻的挑戰。

目前，我國煤電的排放水平約為850-1000g/kWh，盡管通過采用先進的兩次再熱等技術提高機組效率后，可以將煤電的碳排放降到670g/kWh，但這與巴黎協定要求的100g/kWh也相差甚遠，因此，單純依靠提高機組效率不能夠解決煤電的低碳問題。

在CCS（（Carbon Capture and Storage）技術能夠在燃煤電廠成熟使用前，通過在大型高效燃煤電廠將燃煤和生物質耦合發電，即能夠保證發電機組較高的發電效率，也能夠實現CO2減排，是一種重要過渡手段，同時也是一種經濟有效的技術選擇。

3生物質發電技術

3.1發達國家的經驗

生物質發電起源于20世紀70年代，在世界性的石油危機爆發后，丹麥開始積極開發清潔的可再生能源，大力推行秸稈等生物質發電。自1990年以來，生物質發電在歐美許多國家開始大力發展。

20多年來，燃煤耦合生物質發電已經在歐盟等發達國家得到很好的推廣和應用，在政策法規以及煤和生物質在大型燃煤電廠中進行混燒的技術，均取得了許多寶貴的經驗。目前，煤和生物質耦合發電從技術上已經成熟。對于現有技術，使用煤粉爐和循環流化床鍋爐的電廠均可改造成為與生物質耦合摻燒發電，甚至轉換成完全燃燒生物質的火電廠。現在全世界已有150多套煤與生物質耦合混燒發電的大容量燃煤電廠實例，典型工程為英國Drax電站，該電站從摻燒開始，逐漸將電站6臺機組中的4臺66萬千瓦燃煤發電機組改造成為100%燃用生物質的機組，而且建立和發展了完整的燃料供應鏈以及燃料的生產、運輸、處理和燃燒等技術。

發達國家在生物質利用方面具有明顯的領先優勢，約占全球所占份額的80%以上。【】我國在生物質利用方面大大落后于發達國家，大力發展我國的生物質發電迫在眉睫。

3.2生物質發電的形式

生物質按照發電的形式，生物質發電可分為以下三種：

（1）直接燃燒發電

將生物質在鍋爐中直接燃燒，利用生物質燃燒釋放的熱量生產蒸汽，然后帶動汽輪發電機組發電。

（2）耦合發電（也稱為混合發電）

將生物質與煤同時送入鍋爐燃燒，利用生物質與煤共同燃燒釋放的熱量進行發電，稱為生物質耦合發電技術。

（3）氣化發電

首先，在氣化爐中將生物質轉化為氣體燃料，氣體燃料經過凈化處理后進入燃氣輪機燃燒發電或進入燃料電池發電。

3.3生物質耦合發電

生物質耦合發電主要分為三種形式。一是直接混燃，即生物質經處理后直接進入燃煤鍋爐混燒，此方式對于燃料預處理和燃燒設備的要求較高，不是所有燃煤電廠都能采用;二是間接混燃，將生物質先進行氣化或燃燒，然后將產生的燃氣送入鍋爐燃燒或者將煙氣送入鍋爐以利用其熱量，此方式系統簡單，對鍋爐的影響小。三是并聯混燃，生物質、燃煤的燃料處理和燃燒分別在獨立的系統中完成，產生的蒸汽送入同一套汽輪發電機組發

電。

4生物質氣化及耦合發電技術

4.1生物質氣化

生物質原料在一定條件下發生熱解反應，將原料中的碳水化合物分解成為H2、CO、CO2、烴類和炭等的混合物。生物質氣化工藝流程包括：干燥、熱解、氧化、還原。反應物料被送入反應塔，在一定溫度條件下，含有水分的物料與加熱介質進行熱交換，水分轉變為水蒸氣后揮發掉;干燥后的物料、水蒸氣進入熱解反應區，在一定溫度下發生熱分解反應。 CHxOy=n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2++n6CH4（1）

生物質氣化產物主要為C、H2、水蒸氣、CO、CO2和CH4。隨著塔內溫度的升高，氣化產物與氣化劑相互作用，并發生一系列氧化還原反應，CO氧為CO2，C與高溫水蒸汽發生不完全氧化反應，生成CO和H2。【】

4.2生物質氣化耦合發電

生物質原料在氣化爐內氣化，生成含有CO、CH4、H2等的低熱值混合可燃氣體。從氣化爐內出來的燃氣溫度約為730℃，為了便于生物質燃氣的可靠計量，同時實現熱能的綜合利用，燃氣將被冷卻到400℃～420℃，冷卻后的生物質燃氣經由輸送管道及加壓系統送入鍋爐的燃燒室與煤混合燃燒。

按照生物質氣化耦合工藝流程劃分，生物質燃氣耦合系統主要為：生物質原料處理系統、循環流化床氣化爐、燃氣降溫系統、燃氣加壓和輸送系統、燃氣成份監測及計量系統、燃氣耦合燃燒系統等。

4.3生物質氣化耦合發電優點

1）能源利用效率高：可采用大型超臨界或超超臨界燃煤機組，供電效率接近40%甚至更高。

2）清潔環保：CO2和污染物的排放量少。

3）初投資低：利用燃煤電廠已有的鍋爐、汽輪機及其輔助系統，節省初投資。

4）占地面積少：利用燃煤電廠的現有場地，減少征地。

5）提升燃料采購議價能力：生物質耦合發電可根據需要調整生物質部分耦合量，使電廠在生物質燃料收集市場有更強的議價能力和空間。

6）對鍋爐影響小：鍋爐僅需增加燃氣燃燒器和調整部分水冷壁及受熱面，改動范圍小。

5.前景及展望

我國生物質資源非常豐富。但在生物質能源的利用方面與歐盟等發達國家相比，還存在著起步晚、利用率低、技術相對落后等問題。

隨著全球對氣候變化的重視，對碳減排的要求將更加嚴格。作為一種CO2中性排放的清潔能源，生物質能的開發利用對滿足我國能源需求及加快建設生態型經濟社會及踐行碳減排的承諾都有著非常重要的意義。

作為生物質能利用的一項重要技術，生物質氣化耦合發電技術具有清潔、高效的特點，生物質氣化耦合對燃煤鍋爐影響小、還能夠實現灰渣的綜合利用、而且易于計量。未來，隨著技術的發展，生物質氣化耦合發電技術將更加成熟，運行經驗會更加豐富，初投資和運行費用也將有所下降。

隨著政府對清潔可再生能源重視程度的日益增加和相關的法律法規及政策的完善，生物質氣化耦合發電將會有更廣闊的發展空間。在不遠的將來，生物質氣化耦合發電將是生物質能源利用的一個重要方向。

參考文獻

[1]馮志華，生物質發電產業發展戰略研究[D]，華北電力大學，2011，52

[2]孫永明，袁振宏，孫振鈞，中國生物質能源與生物質利用現狀與展望[J]，可再生能源，2006.2：78-21

[3]童家麟，呂洪坤等，國內生物質發電現狀及應用前景[J]，浙江電力，

2017，36（3）：62-66

作者簡介：

趙文慧（1976），男，山西平遙人，1999年畢業于西安交通大學熱能與動力工程專業，高級工程師，從事火力發電設計與咨詢工作。

胡振東（1979），男，河南信陽人，2003年畢業于太原理工大學熱能與

動力工程專業，高級工程師，從事火力發電設計與咨詢工作。

（作者單位：中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司）