淺談生物質能利用主要技術路線

舒 暢

(陜投集團 陜西 西安 721500)

背景

據統計，全世界每年農村生物質的產量約300億噸，生物質能源占全世界能源消耗的14%，僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四位。我國是農業大國，每年至少有7億噸的農作物廢棄物，生物質資源利用率不高，大量秸稈資源在田間焚燒，不僅污染環境，而且浪費能源，生物質能的開發利用潛力巨大。

一、生物化學技術

生物化學轉化包括生物發酵(產生乙醇)和厭氧性消化(產生沼氣)以及生物制氫技術。

(一)生物發酵技術

通過發酵方法制取生物乙醇，有兩種途徑：一是糧食類，以玉米等淀粉類和甘蔗汁、砂糖等糖蜜類物質為主要原料；另一類則是以農業廢棄物(秸稈、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工業廢棄物(紙漿纖維渣、鋸末等)、城市廢棄物(廢紙、包裝紙等)及林業廢棄物等纖維素含量較高的物質為發酵原料。采用淀粉和纖維素類原料生產乙醇，可分為三個階段：大分子生物質分解成葡萄糖、木糖等單糖分子，單糖分子經糖酵解形成二分子丙酮，然后無氧條件下丙酮酸被還原成二分子乙醇，并釋放CO2；糖類作物不經過第一階段，進入糖酵解與乙醇還原過程。纖維素作物中的纖維素成分分解成六碳糖，半纖維素則分解成五碳糖。

(二)厭氧性消化技術

厭氧性消化產生CH4(體積分數55%～65%)和CO2(體積分數30%～40%)氣體混合物。沼氣發酵生產技術在污水處理、堆肥制造、人畜糞便、農作物秸稈和食品廢物處理等方面得到廣泛應用，反應器類型以厭氧式結構為主。

(三)生物制氫技術

廣義上講，生物制氫是指所有利用生物產生氫氣的方法，包括微生物產氫和生物質氣化熱解產氫等。狹義上講，生物制氫僅指微生物產氫，包括光合細菌(或藻類)產氫和厭氧細菌發酵產氫等。

二、生物質熱化學技術

生物質熱化學技術是將能量密度低的低品位能源轉變成高品位能源的最直接方式，包括液化技術、直接燃燒技術和熱解氣化技術等。

(一)生物質液化技術

生物質液化技術可以將生物質廢棄物轉化為燃料油。生物質液化技術分為直接液化與間接液化。直接液化技術主要指熱化學法生產生物油；間接液化是模仿煤基 間接液化，通過費托合成制取液體燃料的技術。

直接液化技術分為兩種：一種是高壓液化技術，包括催化液化和超臨界液化。另一種液化技術是在常壓下進行的生物質快速(閃速)熱裂解技術。

間接液化技術是先通過氣化得到以CO、CH4和H2為主的生物質合成氣，然后將合成氣經過催化重整調配碳氫比，再利用催化工藝合成甲醇、二甲醚和烷烴(柴油)等的過程。間接液化得到的是與傳統化石燃燒類似的碳氫燃料，能夠直接用作動力和交通燃料，具有較高的性能。

(二)生物質直接燃燒技術

1.生物質直燃發電。生物質直燃發電的基本原理是由生物質鍋爐利用生物質直接燃燒后的熱能產生蒸汽，再利用蒸汽推動汽輪發電機系統進行發電，在原理上與燃煤鍋爐火力發電十分類似。已開發應用的生物質鍋爐種類較多,如木材鍋爐、甘蔗渣鍋爐、稻殼鍋爐、秸稈鍋爐等。

生物質直接燃燒發電的關鍵技術包括原料預處理、生物質鍋爐防腐、提高生物質鍋爐的多種原料適用性及燃燒效率、蒸汽輪機效率等技術。

生物質直接燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒二種方式，固定床燃燒對生物質原料的預處理要求較低，生物質經過簡單處理甚至無須處理就可投入爐排爐內燃燒；流化床燃燒要求將大塊的生物質原料預先粉碎至易于流化的粒度,其燃燒效率和強度都比固定床高。另外，由于我國的生物質種類多，成分復雜，收集運輸困難，而且主要的農業廢棄物受到農業生產和季節性的影響不能保證全年供應，所以與燃煤鍋爐對燃料單一性的要求不同，生物質鍋爐要求能適應多種生物質原料，以保證燃料供應的穩定性。

我國的生物質鍋爐和小型蒸汽輪機技術已基本成熟，但設備規模較小，壓力、溫度等參數較低，電廠綜合發電效率偏低。

生物質燃燒電廠的流程如下：生物質燃料從附近各個收集點運送至電站，經預處理(破碎、分選、壓實)后存放到燃料存貯倉庫，倉庫容積至少保證可以存放7天的發電燃料量；然后由燃料輸送裝置將預處理的生物質送入鍋爐燃燒，通過鍋爐換熱，利用生物質燃燒后的熱能把鍋爐給水轉化為蒸汽，為汽輪發電機組提供汽源進行發電。生物質燃燒后的灰渣落入出渣裝置，由除渣機送到灰渣坑，進行灰渣處理。煙氣經過處理系統后由煙囪排入大氣，其蒸汽發電部分與常規的燃煤電廠的蒸汽發電部分基本相同。

通常直燃發電系統的構成包括生物質燃料收集系統、燃料預處理系統、燃料儲存系統、燃燒系統、熱力系統和煙氣處理系統等。生物質直燃發電技術與生物質氣化發電技術的主要差別在于燃燒系統和熱力系統。

生物質直燃發電燃燒系統主要包括爐前給料設備、燃燒設備、煙風系統、煙氣處理系統等；熱力系統主要包括主蒸汽系統、主給水系統、抽汽系統、凝結水系統、低壓給水及除氧系統、加熱器疏水系統、工業水系統、循環水系統、凝汽器抽真空系統、補水系統等。

2.生物質直接與煤混合燃燒發電。生物質直接與煤混合燃燒發電是指將生物質燃料應用于燃煤電廠中，和煤一起作為燃料發電。生物質直接與煤混合燃燒，產生蒸汽，帶動蒸汽輪機發電。生物質直接與煤混合燃燒要求較高，流化床鍋爐對生物質混燒適應性很好，煤粉爐對生物質混燒的適應性相對較差。

(三)生物質熱解氣化技術

生物質氣化是開展較早且較為成熟的生物質規模化利用技術之一，不僅可以實現居民生活集中供氣、供熱，還能實現內燃機、燃氣透平或通入大型燃煤鍋爐等設備發電，是高轉化效率的先進工藝。

1.將生物質燃氣送入燃氣內燃發電機組。內燃機一般由柴油機或天然氣機改造而成，以適應生物質燃氣熱值較低的要求。燃氣內燃機方案工藝流程為：燃氣凈化后通過引風機進入儲氣柜中，再通過管道進入內燃發電機組，在內燃機內燃氣混合空氣燃燒做功，驅動主軸高速轉動，主軸再帶動發電機進行發電，產生的廢氣通過煙囪排入大氣。

2.將生物質燃氣送入大型燃煤鍋爐。生物質氣化混合發電技術是指將生物質燃氣送入大型燃煤鍋爐中燃燒，利用已有汽輪發電機組發電。

生物質氣化混合燃燒發電技術與生物質氣化直接發電技術工藝大體相同，區別在于生物質氣化混合發電技術不需增加燃氣輪機，而是將氣化爐產生的燃氣送入現有鍋爐燃燒器，即在燃煤電廠的基礎上增加一套生物質氣化設備，將生物質燃氣直接送入鍋爐中燃燒。

生物質氣化混合燃燒發電技術需要改造現有燃煤鍋爐，增加生物質燃氣噴口。將生物質燃氣凈化后通入，與煤進行混燒，產生的蒸汽進入原有汽輪發電機發電。

本技術利用了大型燃煤發電廠的高效率，燃氣發電效率較高；同時通過在線監測燃氣流量、熱值、燃氣溫度以及電站鍋爐的發電效率，實現生物質燃氣發電部分的單獨核算。