生物質發電技術研究與應用進展

金安，李建華，高明，劉道慶，馬啟磊,3，周福

(1.大唐安徽發電有限公司，合肥 230001；2.中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院，合肥 230022；3.東南大學能源與環境學院，南京 210096)

隨著當前我國國民經濟的迅速發展，現代社會對于能源供應的需求日益上升，電力行業隨之發展迅猛。有統計數據指出[1]，到2020年之前，我國發電裝機總量已經超過220 204萬kW。與此同時，能源結構也在進行改革優化，水電、光電和核電等新能源比例增加，2020全年累計完成替代電量達到2 252.1億kW·h。但是電力行業的迅速發展也導致了CO2排放量的上升，僅2020年在整個能源行業的總排放量中，電力行業的CO2排放量就占比一半之多[2]，因此，電力行業發展新能源發電技術，推進CO2減排是雙碳目標整體進程推進的關鍵之一。

三大化石能源(煤炭、石油和天然氣)的燃燒是CO2排放的主要來源。作為僅次于三大能源儲量的生物質能源，資源豐富，能夠占到世界能源消費的10%左右[3]。《中國可再生能源發展戰略研究報告》的統計數據顯示，我國每年生物質能源開采量相當于11.7億t標準煤，能夠占到開采的清潔能源總量的54.5%，分別是水電的2.0倍和風電的3.5倍，可以說是最具發展潛力的可再生能源[4-5]。另外生物質作為可再生清潔能源，有害物質含量很低，揮發成分含量高，易燃燒，其轉化過程本質上就是植物的光合作用將吸收CO2產出生物質，生物質燃燒排放CO2的循環過程，因此CO2的凈排放量為零，且NOx排放量僅為煤的1/5，SO2排放量僅為煤的1/10。生物質的高效利用是有效減少二氧化碳的凈排放量，實現《巴黎協定》，緩解溫室效應，解決能源與環境之間的矛盾的措施之一。

生物質的應用方向主要是制備成型燃料、燃氣、液體燃料以及生物質發電。而生物質發電又主要分為生物質直燃、混燒和氣化發電三個方向[6-8]。本文綜述了生物質在電廠中的應用方式與技術特點，分析不同應用方式的現狀及發展水平、國內外工程及實施經驗、技術問題及解決措施等。

1 生物質直燃發電技術

1.1 生物質直燃發電原理

生物質直燃發電技術的原理與傳統燃煤發電技術類似，只是將燃煤換作生物質進行燃燒。直燃發電的關鍵技術包括原料預處理技術、蒸汽鍋爐燃料適用性技術、高效汽輪機技術和蒸汽鍋爐高效燃燒技術[9]。生物質直接燃燒發電系統如圖1所示，預處理后的生物質送入生物質鍋爐中，燃燒生物質，產生高溫高壓蒸汽，再進入汽輪機、發電機轉化為電能。

圖1 生物質直接燃燒發電系統圖

1.2 生物質直燃原料

生物質原料能量密度小，發電效益有限，一般需要對生物質進行預處理，將其制備為成型燃料。例如通過物理手段，借助粉碎機，干燥器，成型機和冷卻器等設備，利用目前已經比較成熟的技術如致密成型技術等，將蓬松狀態的秸稈等生物質原料壓制成顆粒狀、棒狀或塊狀[10]，減小儲存空間，提高燃料的能量密度，改善燃燒品質和性能。

表1列出了煤炭和生物質固體燃料的主要成分[11]，煤的揮發分析出溫度比生物質的高很多，生物質的燃燒更容易著火。因此，如果現有燃煤鍋爐不進行改造，直接去進行生物質的燃燒，會出現如儲料倉易著火、鍋爐啟停時冒黑煙滴焦油污染環境、與設計工況不符導致熱效率大幅降低等各種問題。

表1 煤炭和生物質固體燃料的主要成分

1.3 生物質直燃鍋爐

生物質燃料的燃燒效率對生物質直燃發電的效率有很大影響，提高其燃燒效率主要要從燃燒設備著手，通過提高生物質鍋爐的熱效率來實現。目前在工程上有較多應用的生物質鍋爐，主要是循環流化床鍋爐和層燃爐兩種。

2013年，我國啟動了世界上第一臺配備循環流化床鍋爐的600 MW機組，圖2是這個鍋爐的外部視圖。目前我國開發的最大鍋爐容量已經達到了800 MW電站等級。

圖2 600 MW機組循環流化床鍋爐的外部視圖

層燃鍋爐優點在于結構簡單，操作更簡單，燃燒溫度控制更加方便，還可以緩解積灰結渣現象，成本也更低。層燃鍋爐中的燃料置于爐排上，空氣從底部進入與燃料接觸發生燃燒。但生物質揮發分迅速析出要求空氣的充足補充以保證燃燒充分，熱量充分放出以保證鍋爐的熱效率。ZHOU等人[13]就通過數值模擬對空氣送風量對爐排鍋爐內生物質燃燒的影響，計算結果表明在一定范圍內，送風量的增加縮短了燃燒時間，提高了最大燃燒溫度。

1.4 生物質直燃發電現狀

現代生物質直燃發電技術的起源于丹麥BWE公司[14]。目前，丹麥的生物質利用依然是以秸稈發電廠為主，已建成多達130家。英國ELYAN引入BWE的生物質直燃發電技術，在東部構建了38 MW的秸稈發電廠，每年消耗的秸稈足有四十萬捆，滿足了當地八萬戶家庭的日常用電需求。在2008年的時候，英國還在威爾士南部塔爾波特港廢棄的海港上建造350 MW的生物質能發電廠，來實現CO2減排目標。古巴根據當地盛產甘蔗的環境因素，也在聯合國組織的幫助下，以甘蔗渣作為原料搭建生物質電廠。

國內的生物質直燃發電發展較晚但發展速度極快。我國在2006年于單縣投產了第一個大型生物質直燃發電的示范項目，搭建了25 MW的生物質電廠，每年的發電量相當于十萬噸標準煤。對于硫、碳等污染排放則大幅降低。尤其在南方地區，我國直燃發電機組數量多，如廣東廣西兩省已有超過三百臺機組，單體規模不大但總裝機容量達到了800 MW。僅2010—2012年期間廣西在生物質直燃發電項目上的投資就超過40億元[15]。

截至2020年底，全國利用農林業廢棄物為燃料，總投資規模約人民幣1 330億元，建成投產的直燃式生物質發電廠452座，總裝機容量約為1 330萬kW，年發電量約510億kW·h，年上網電量約為446.2億kW·h，年利用原料約7 000萬t，年為農民增收約為人民幣200億元；截至2020年底，我國利用城鎮居民生活垃圾為燃料，總投資規模約為人民幣3 250億元，建成投產的直燃式生活垃圾發電廠約631座，總裝機容量約為1 533萬kW，年發電量約為778.3億kW·h，年上網電量約為642.9億kW·h，年處理垃圾量約為1.4億t。近期中國建材工程集團與印尼簽訂6×10 MW生物質發電廠項目，以木材木屑為原料進行燃燒發電，拓展海外市場。我們有理由相信，雙碳目標下，將會建成更多大型生物質直燃電廠。

2 生物質混燒發電技術

2.1 生物質混燒發電原理

生物質混燒發電技術，又稱生物質耦合燃燒發電技術，是指在燃煤電廠中利用生物質或者生物質通過氣化產生的可燃氣體和煤炭混合燃燒發電。相較于生物質直燃技術需要設計搭建專有的生物質鍋爐，混燒發電技術只需要在燃煤電廠的現有基礎上進行改造，許多現有的設備不需要大的改變，不需要過高的投資成本。另外，大型電廠具有良好的可調性，共燒裝置能適應局部生物質特性，能適應不同的混合燃燒，因此生物質混燒技術得以迅速發展。混合燃燒的關鍵技術包括高效汽輪機技術、煤與生物質共燃技術、煤與生物質可燃氣體燃燒技術等。其主要生產系統包括電氣系統、燃燒系統和汽水系統。燃燒系統主要有鍋爐燃燒部分、生物質處理和輸送系統。汽水系統主要包括鍋爐、冷凝器、汽輪機、給水泵以及化學水處理和冷卻水系統。此外還有除塵、煙氣處理等相關設備。

2.2 生物質混燒方式

如圖3所示，生物質混燒分為直接耦合、間接耦合及并聯耦合燃燒三種方式。直接耦合燃燒就是將生物質和煤一起投入鍋爐進行燃燒。間接耦合燃燒其實就是生物質氣化在電廠中的主要應用方式，通過氣化爐將原料轉化為烴類、氫氣等可燃氣體，再送入鍋爐與煤炭進行混燒。并聯耦合燃燒參考直燃發電技術，單獨搭建小參數的生物質鍋爐對生物質原料進行燃燒，與燃煤鍋爐平行產生高溫蒸汽，一起送入汽輪機推動轉子做功發電。奧地利的電力公司對多種混燒方式都做過研究，結果表明將生物質在燃煤鍋爐的爐排上進行燃燒，或者氣化后進行燃燒這兩種方式更加經濟實用[16]。

圖3 生物質耦合燃燒技術示意圖

目前大多數燃煤電廠都需要通過磨煤機將固體煤炭磨制為煤粉進行燃燒，因此與之混燒的生物質也需要提前破碎預處理才能滿足要求。不論是哪種混燒方式，生物質的預處理都是關鍵過程。間接耦合燃燒是通過氣體的燃燒放熱，因此在鍋爐中產生的煙氣中雜質最少，能夠避免燃煤鍋爐非設計工況燃燒生物質產生的積灰、腐蝕問題。而并聯耦合新建生物質鍋爐，對于原燃煤鍋爐幾乎沒有影響。但是這兩種方式均需要新建大型設備，建設及運行維護的成本極高。而直接耦合燃燒只需要對原有燃煤鍋爐進行小范圍改造，成本較低。如表2所示，間接及并聯混燒發電方式的建設成本達到了直接混燒的4～10倍。很明顯，在傳統火電廠中，直接混燒更加符合現有的設備及工藝，不需要新建氣體凈化設備、小型發電系統等大型裝置，可直接受益。因此，直接耦合燃燒仍然是目前電廠中應用最廣泛的發電方式。

表2 不同技術方案的成本比較

2.3 生物質直接耦合燃燒

如圖4所示，直接耦合燃燒共有四種技術方案[17]，按生物質與燃煤在系統的混合位置從前到后，分別是磨煤機耦合、管內耦合、燃燒器耦合以及鍋爐內耦合。

圖4 生物質直接耦合燃燒技術方案

(1)磨煤機耦合

耦合位置最靠前的是磨煤機耦合，是指生物質直接借助原有的或改造后的磨煤機和燃煤一起進行破碎制粉。這種方案最為簡單易行，投資成本小，改造規模小，但是生物質一是制粉難度高，產能低，二是揮發分高，制成粉狀易著火，磨煤機存在火災等安全隱患。

(2)管內耦合

搭建生物質磨機，單獨破碎生物質，在管道內與煤粉混合送入燃燒器燃燒的方式就是管內耦合。這種方案改造規模也不大，改造過程中甚至不影響原燃煤機組的運行。但是生物質磨機的磨制程度沒有磨煤機高，生物質原料破碎后呈顆粒狀，因此在輸煤管道中易造成阻塞情況。

(3)燃燒器耦合

為了解決生物質顆粒堵塞管道的問題，就有了燃燒器耦合的方案。在單獨搭建生物質磨機的基礎上安裝單獨的生物質輸送管道，直接將生物質顆粒送入燃燒器與煤粉混合燃燒。這樣不但解決了管道堵塞的問題，還可以通過調控生物質的輸送速度提高混燒比例。但是由于需要新建管道，要有足夠的場地空間，同時燃燒器也需要進行改造。

(4)爐內耦合

爐內耦合是將生物質燃燒獨立出來，從磨機、管道到生物質燃燒器全部獨立控制，只在鍋爐內和煤粉耦合燃燒放熱。這種方案能夠大幅提高生物質的混燒比例，且對原系統幾乎沒有影響，但是需要新建的設備多，投資最大，經濟效益不高。

2.4 生物質混燒比例

生物質混燒比例一般是指生物質燃料占總燃料的質量或熱量比。雖然生物質是有替代超過50%的共燒配置的煤的潛力，但目前在大多數商業應用中實現的實際混燒比例只有5%～10%[18]。原因主要在于目前仍然無法有效地控制幾個后勤、技術和經濟因素，如所使用的生物質的來源、質量及其供應鏈問題、電廠的鍋爐類型和效率問題、硫和氮氧化物排放的環境問題、副產品(如粉煤灰、底灰和石膏)沉積和腐蝕問題，以及下游氣體凈化系統的惡化問題等。

表3顯示了不同鍋爐技術所能達到的共燃水平范圍。盡管目前煤粉鍋爐和爐排鍋爐仍然應用較多，但其受限于生物質燃料的顆粒尺寸，通常要將其磨制到10～20 mm以下，混燒比例難以提升。一般來說，流化床鍋爐和旋風鍋爐的生物質混燒水平較高。目前，用于生物質混燒的鍋爐在調整新的燃料混合物的燃燒產量后，鍋爐總效率幾乎沒有損失，混燒發電效率可以達到33%～37%。但是隨著生物質混燒比例提高，通常會導致系統的效率和功率輸出有所下降。

表3 生物質混燒系統的典型特點

除了選用合適的耦合燃燒方式和燃燒設備以外，還需要對于生物質燃料本身著手，通過對生物質進行清洗、烘焙和成型等預處理措施，改善燃料特性，提高生物質的能量密度等。

2.5 生物質混燒發電現狀

生物質混燒發電技術在歐洲與北美的應用最為廣泛。國內的生物質混燒技術也一直在發展[19-20]，尤其是在雙碳目標提出后，燃煤電站將原有鍋爐進行改造。例如華能集團山東分公司日照電廠4號機組生物質直燃耦合發電項目開工建設。通過在4號68萬kW機組上進行5%熱值比例生物質直燃耦合發電技改，相當于新建裝機容量34 MW的生物質發電廠。更有國家能源集團山東公司壽光電廠“超超臨界燃煤鍋爐直接摻燒生物質燃料技術研究與工程示范”科技項目開工建設。對燃煤電站直接摻燒生物質燃料過程中涉及到的關鍵問題進行深入研究，實現生物質粉體燃料的安全儲存、準確計量及穩定輸送。同時充分發揮1 000 MW超超臨界燃煤電站機組能量利用率高、污染物排放濃度低的優勢，在實現二氧化碳減排的同時提高生物質資源利用效率，減少利用過程中的污染物排放。

雖然生物質混燒技術相對比較成熟，但畢竟生物質與燃煤的燃料特性之間還是存在較大的差異，其中仍然存在一些值得注意的問題。生物質的元素構成中，硫和氮的含量低，生成的NOx和SOx更少；但氯元素和鈉鉀等堿金屬元素含量較高，容易造成灰熔點降低并產生腐蝕性的鹽分，造成受熱面腐蝕的問題。生物質的儲存運輸過程也要做好通風措施，防止火災的發生。

3 生物質氣化發電技術

生物質氣化也是生物質能轉化技術之一，也是生物質不同于其他可再生能源的獨特利用方式。生物質的組成成分(高揮發分，低硫低氮)決定了其具有良好的氣化特性[21]。給其特定的熱力學條件-一般是采用空氣、氧氣、水蒸氣或者它們的混合物作為氣化劑，在500～1 400 ℃、3.3 MPa的高溫高壓條件下，將固體的生物質中蘊藏的有機物，通過一系列熱解、氧化還原、重整等復雜的化學反應轉化為氣體產物，如CO、H2、CH4以及一些輕烴(CnHm)等,反應過程中也會有木炭、軟木酸、焦油和灰分等雜質的生成。通常認為氣化溫度越高，生成的氣體中CH4和H2的含量越高，對于之后的燃燒更為有利，但也需要平衡氣化時的熱量消耗與發電效益之間的關系。

3.1 生物質氣化發電原理

生物質氣化發電技術的基本原理就是通過生物質氣化技術，將生物質轉化為可燃氣體，通過可燃氣體的不同利用方式完成發電。如圖5所示，生物質氣化發電主要就分為三個過程。首先是將預處理后的生物質原料送入氣化爐中，完成向可燃氣體的轉化。前文也有介紹氣化過程中會產生焦油、灰分等雜質，因此第二步就需要通過生物質凈化裝置，對雜質進行去除，確保燃氣發電設備不被腐蝕，正常工作。有些凈化裝置還對生成的氣體進行了進一步的提純，使其燃燒特性更好。之后就可以將凈化后的氣體送入燃氣發電裝置進行發電。燃氣發電裝置的使用取決于氣化爐規模的大小，規模大時可以送入燃氣輪機甚至可以采用聯合循環方式。而規模較小時，則可以采用內燃機。

圖5 生物質氣化發電流程示意圖

與生物質直燃發電相比，生物質氣化發電原料需求較低，收集半徑較小，供應更加容易保障，在我國生物質分散的條件下更加貼合實際。另外氣化反應的產物主要成分為CO和H2，在燃燒過程中不會產生污染性氣體，利用起來更加清潔。結合燃氣輪機使用的話又很好利用其結構緊湊、占地空間小的特點。但是目前仍然缺乏針對生物質氣化氣設計的燃氣輪機，大多是針對燃用天然氣的機型進行改造以控制成本。這樣的話一方面氣化氣凈化不完全就難以滿足燃氣輪機的要求，一些雜質的存在造成機組磨損嚴重。另外燃氣輪機價格高昂，且改造的燃氣輪機發電效率也難以達到最佳，要實現大型生物質氣化發電系統依舊存在困難。

3.2 生物質氣化設備

生物質氣化設備一般是指氣化爐反應器，也包括一些輔助或支持設備，如生物質的供料系統、凈化系統。根據生物質固體與氣化劑的接觸方式，可以分為固定床、流化床以及氣流床。

固定床氣化爐是將生物質原料固定在一個燃料床架上進行支撐，由于氣化過程中燃料床架會上下進行移動，因此也稱為移動床。固定床的優點在于其可以建造小尺寸氣化爐，成本低廉，因此使用廣泛。但是固定床內的傳質和傳熱都相當差，這使得燃料、氣體成分以及溫度都難以在氣化爐橫截面上均勻分布，對于易結塊的生物質很難有效實現較高的輸出容量。

流化床氣化爐以其良好的混合和溫度均勻性著稱。它是由顆粒狀固體的床料構成的，氣化劑以適當的速度通過這些顆粒狀固體，使它們保持半懸浮的流態化狀態。良好的氣固混合和床層的大熱慣性使得這種類型的氣化爐對燃料的質量相對不敏感。同時溫度的均勻性也降低了生物質原料團聚的風險。尤其是循環流化床氣化爐能夠提供較長的氣體停留時間，對于高揮發分的生物質燃料氣化效果很好。

氣流床更多適用于大型電廠的除褐煤以外的大部分煤炭的氣化燃燒，而對于與褐煤類似高灰分高水分的生物質不是十分適用。

3.3 生物質氣化發電現狀

根據國際能源署生物能源署的數據，目前在歐洲已有超過七十家氣化工廠，其中49家均為發電或熱電聯產工廠。上世紀七十年代和八十年代，塞爾維亞的貝爾格萊德大學機械工程學院過程工程系就設計了若干實驗性小型實驗室氣化爐，以不同種類的氣化工藝對生物質氣化進行了測試。2011年，在塞爾維亞共和國科學技術發展部的支持下，啟動了“生物質氣化熱電聯產示范工廠”項目。該項目以玉米芯為生物質原料，每年用量達1 000 t，輸出功率為150～180 kW。奧地利的Zellweger電廠，采用循環流化床氣化系統將木質燃料氣化后，與燃煤間接耦合燃燒,整體系統運行效果都不錯。

國內的氣化發電技術研究也有數十年，早在1981年國內的第一臺氣化發電裝置以稻殼為原料成功運行，此后這項技術被各碾米廠作為備用電廠廣泛應用，一般裝機容量不大，僅160 kW，且發電不并網。但是這項技術中氣化的雜質不能很好的凈化，每隔一段時間就需要對內燃機部件進行清洗，局限性較大。此前中科院成功自主研發出了固定床與流化床，實現了氣化設備國產化，且相關技術中不落下風。國內實際投產的主要是循環流化床氣化爐，配套內燃機進行小規模發電。但是燃氣中的焦油難以完全脫除，容易造成內燃機的阻塞的問題。中國的生物質氣化主要用于發電/CHP、供熱/窯爐和集中供氣，已建成了200 kW～20 MW不同規格的氣化發電裝置，氣化發電正向產業規模化方向發展，是國際上中小型生物質氣化發電應用最多的國家之一。

4 結語

與傳統能源的稀缺性和污染相比，生物質發電技術的應用必然是可持續能源開發的重要組成部分，對滿足能源需求和加速生態經濟的建設起著重要作用。本文介紹了生物質發電技術的必要性，并詳細介紹了三種發電技術的原理、特點、存在的問題以及目前國內外已有的工程項目，以便有更多的人了解生物質發電技術，促進生物質發電技術的開發與改進。