剖析生物质能及生物质能发电

1.引言

    生物质发电以秸秆（包括棉花、小麦、玉米等秸秆）以及农林废弃物（如树皮）为原料，通过直燃发电的技术产生绿色电力，除了可以增加清洁能源比重、改善环境，还可以增加农民收入、缩小城乡差距，意义重大。

    我国利用农林废弃物规模化发电尚处于起步阶段，生物质发电技术不成熟、项目造价高，总投资大，运行成本高，尽管国家给予了电价优惠政策，但盈利水平还是不如常规火电。究其原因，一是单位造价高，二是燃料成本高，三是生物质发电企业实际税率太高。《可再生能源法》规定农林废弃物生物质发电应享受财政税收等优惠政策，但相关政策和措施尚未出台。

    在国外，以高效直燃发电为代表的生物质发电技术已经比较成熟，丹麦率先研发的农林生物质高效直燃发电技术被联合国列为重点推广项目。农林生物质发电产业主要集中在发达国家，印度、巴西和东南亚等发展中国家也积极研发或者引进技术建设相关发电项目。在国土面积只有我国山东省面积1/4强的丹麦，已建立了15家大型生物质直燃发电厂，年消耗农林废弃物约150万吨，提供丹麦全国5%的电力供应。国外鼓励生物质发电产业发展的政策主要体现在价格激励、财政补贴、减免税费等方面，力度非常大。

2.生物质燃料发电

2.1生物质燃料

    生物质能源是以农林等有机废弃物及利用边际土地种植的能源植物为主要原料进行能源生产的一种新兴能源。能源问题是2l世纪人类面临的严峻挑战之一。能源问题成为世界各国共同面临的难题，石化能源不仅不可再生，储量有限，且燃烧后释放出大量的二氧化碳、氮、硫的氧化物及其他一些有害气体。严重污染了环境，导致温室效应、全球气候变暖、生物物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题。在2010~2020年，全球的能源使用模式可能快速转变，再生能源定会取代石化燃料。

    生物质燃料包括植物材料和动物废料等有机物质在内的燃料，是人类使用的最古老燃料的新名称。生物质燃料多为茎状农作物经过加工产生的块装环保新能源，其直径一般为6~8毫米，长度为其直径的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%。

    按照生物质的特点及转化方式可分为固体、液体、气体3种生物质燃料。我国生物质能源的利用包括畜禽粪便发展沼气、农作物秸秆生产燃气、粮食作物转化能源作物以及油料作物转化为生物质柴油这四大类。不同的燃料产生不同的热值。

2.2生物质燃料发电概念

    生物质燃料发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，一般分为直接燃烧发电技术和气化发电技术。包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。

    生物质能直接燃烧发电是以农作物秸秆和林木废弃物为原料，进行简单加工，然后输送到生物质发电锅炉，经过充分燃烧后产生蒸汽推动汽轮发电机发电的高新技术。燃烧后产生的灰粉有加工成钾肥返田，该过程将农业生产原本的开环产业链子转变为可循环的闭环产业链，是完全的变废为宝的生态经济。

    生物质气化发电技术又称生物质发电系统，利用气化炉把生物质转化为可燃气体，经过除尘、除焦等净化工序后，再通过内燃机或燃气轮机进行的发电。过程包括三方面：生物质气化；气体净化；燃气发电。既可以解决可再生能源的有效利用，又可以解决各种有机废弃物的环境污染。正是基于以上原因，生物质气化发电技术得到了越来越多的研究和应用，并日趋完善。

2.3生物质燃料发电的意义

    缓解能源短缺的危机；增加我国清洁能源比重；改善环境；扩大乡镇产业规模，增加农民收入，缩小城乡差距。

    秸秆发电的主要燃料，来源于小麦秸秆、玉米秸秆、稻草稻壳、棉花秸秆、林业间伐及加工剩余物等农林废弃物。秸秆发电变农民在田间无序焚烧，为集中燃烧并发电、造肥，节省了大量煤炭资源，并增加农民收入。中国国家电网公司旗下的国能生物发电有限公司，引进丹麦先进的生物质直燃发电技术，于2006年12月1日建成投产了中国第一个生物质直燃发电项目——国能单县1×25MW生物质发电工程，实现了中国大容量生物质直燃发电零的突破。该电厂2007年全年稳定运行8200多个小时，发电2.2亿千瓦时，消耗农林剩余物20多万吨，为农民增加收入5000万元以上。农民生活用能，秸秆燃烧效率仅约为15%，而直燃发电锅炉可将热效率提高到90%以上。

    秸秆作为一种可再生能源，在生长和燃烧中不增加大气中二氧化碳量，不但可以替代部分化石燃料，而且还能减少温室气体排放量。据测算，中国可开发的生物质能资源总量近期约为5亿吨标准煤，远期可达10亿吨标准煤。即使按5亿吨标准煤计算，生物质发电可满足中国能源消费量的20%以上的电力，年可减少排放二氧化碳近3.5亿吨，二氧化硫、氮氧化物、烟尘减排量近2500万吨。除此之外，秸秆燃烧产生的灰分还可作为优质钾还田使用，一台2.5万千瓦生物质发电机组年生产达8000吨左右灰分。

2.4物质燃料发电技术的应用

    生物质能发电技术主要包括：直接燃烧发电技术、热化学转换发电技术、生物化学转换发电技术等3种途径。

（1）直接燃烧发电技术。是指生物质原料送入适合的锅炉内燃烧，生产蒸汽，产生的蒸汽膨胀做功，从而带动发电机发电。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内将是我国生物质能利用的主要方式。当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%～30%的节柴灶，其技术简单、易于推广，是效益明显的节能措施。

（2）热化学转换发电技术。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术，由燃料的热能转换为电能的方式。

（3）生物化学转换发电技术。指汽轮机和往复式发动机以生物化学转换燃料作为主要的燃料来源，以发动机的动力驱动发电机发电的过程。生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气，乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。沼气发电是指汽轮机和往复式发动机以沼气作为主要的燃料来源，以发动机的动力驱动发电机发电的过程。

2.5燃料发电成本分析

2.5.1生物质燃料价格上涨的原因

    现在机耕，秸秆粉碎、劳务费、柴油价格等都很高。2007年小麦留在30cm左右。省时省力，每小时能割3.3～4.0km留在15cm以下，每小时只能割2.0km左右，还额外增加成本15～30元。将秸秆收割收集每亩成本约50～80元。加上运输等费用，成本将急剧增加。2008年的油价比2007年更高，秸杆价格必然上涨。今后柴油价格是否还会再升，是决定秸秆价格主要因素之一。

2.5.2设备运行

    某电厂原有4台发电机组已拆去较老的2台，其厂房用为生物质燃料储存厂房，其余2台15MW机组保留。其中一台锅炉投资4560万元更换成SF一75/3.82一T型链条炉排蒸汽锅炉。参数为：锅炉最大出力75t/h；主蒸汽温度450℃；主蒸汽压力3.82MPa。上料系统在原输煤系统适当改造而成，由于秸秆燃料是按一定规格的散料收购。与燃煤大体相当，所以输送系统不需作大的改动，改造时间短。运行中只在下料斗处有专人监管。当发生堵塞时及时清理。目前，掺泥沙尚未有采用清理防止措施。在收购时把好关。投运来的运行效果较好，多种秸杆混烧不仅没有结焦而成为有效充足的燃料供给的一种手段，可因地制宜参考这种方式。

2.5.3运行经济分析

    由于收购燃料价格上涨到310元/t，运行成本约为0.586元/(kW˙h)，上网电价为0.635元/(kW˙h)(含0.25元/(kW˙h)的补贴)时，尚盈余0.049元/(kW˙h)，约满负荷运行5500h计算可赢利404.25万元，考虑每年还本付息473.2万元，还本付息后要亏损68.95万元，约每年运行小时数达到6500h才基本持平。从以上估算看，政府出台的政策也要随着市场变化适当调整，否则这些绿色能源很难维持下去，投资者也会很快退出生物质发电这个市场。

2.5.4环境效益

    生物质能是一种可再生、CO零排放、SO2、NO、含尘质量分数极低的清洁能源，是化石能源很好的替代燃料。欧洲国家对生物质电厂赋予的职责是消耗秸秆维护大气环境，对于生物质发电给予较大的补贴，不考虑电厂的连续运行时间和盈利问题。目前，出台的相关政策支持度已很大。但随着市场变化其支持力度还应相应跟上，使这一新兴产业更好地发展。

2.6生物质燃料发电现状及前景

2.6.1我国农林固体生物质燃料特性

    作为能源的农林固体生物质，与化石燃料能源有很大的区别。农林固体生物质将具有可再生性，只要人类行为得当，这种能源就不会枯竭，可以周而复始的产生；生物质能的利用不会导致大气圈内主要温室气体二氧化碳的净增加积累，从而减缓地球的温室效应；农林固体剩余物的分布密度低，品种多样，依照区域、气候、地形、土壤、地形的不同而差别巨大，为原料的收集、运输、加工和规模化利用带来困难。生物质燃料的特点：(1)挥发份含量高，一般超过65%；(2)固定碳含量低，一般不超过20%；(3)低位发热量约比煤小40%；(4)含灰量显著低于煤，一般不超过l0%；(5)含硫量几乎比煤低一个数量级；(6)灰熔点比煤低200～300℃。

2.6.2现状及发展

    我国的生物质热解气化及热利用技术近年来也有长足的发展。目前全国已建成农村气化站200多个，谷壳气化发电设备100多台(套)。由中科院广州能源研究所研发的“4MW生物质气化联介循环发电系统”以谷壳、木屑、稻草等多种生物质废弃物为原料，发电效率可达20%～28%，能满足农村处理农业废弃物的需要。中国生物质燃料发电已具有了一定的规模，主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东和广西2省(区)共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南也有一些甘蔗渣电厂。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂在河北石家庄晋州市和山东菏泽市单县建设。国家高科技发展计划(“863”计划)已建设4MW规模生物质(秸秆)气化发电的示范工程，系统发电效率可达到30%左右。

    世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大发展。

    中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆6亿多吨，其中可以作为能源使用的约4亿吨，全国林木总生物量约190亿吨，可获得量为9亿吨，可作为能源利用的总量约为3亿吨。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。

    最近几年来，国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。截至2007年底，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。可以看出，中国生物质发电产业的发展正在渐入佳境。

3.结语

    21世纪是生物的世纪，是科学技术飞速发展的新世纪，可持续发展是当前经济发展的趋势所在，面对化石能源的枯竭和环境的污染，生物能源的开发和利用为经济的可持续发展带来曙光。生物能源作为可再生、污染小的能源，具有无可比拟的优势，必将为21世纪的经济发展和环境保护注入强大的推动力。国外生物质能源在燃料生产与发电方面的应用起步较早，主要利用农作物、农林废弃物及加工厂废弃物来进行燃料生产与发电；我国生物质能源起步相对较晚。存在局限性。面临能源短缺问题。全世界都在谋求以循环经济、生态经济为指导，坚持可持续发展战略，从保护人类自然资源、生态环境出发，充分有效地利用可再生的、巨大的生物质能源。而能源开发的一个很有潜力的方向便是充分利用生物质能源。这是解决全世界面临的能源短缺问题的有效途径。