生物质发电主要包括什么

回答摘自：中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1672-9064(2009)06－0059－03

生物质发电技术发展探讨

陆智（广西电力工业勘察设计研究院广西南宁530023）

李双江（河北省电力勘测设计研究院）

郑威（ 中南电力设计院）

生物质能是一种颇具产业化和规模化利用前景的可再生能源，对我国能源结构的优化意义重大。发展生物质发电，是构筑稳定、经济、清洁、安全能源供应体系，突破经济社会发展资源环境制约的重要途径。秸秆发电变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。秸秆在生长和燃烧中不增加大气中CO2量，且含硫量极低，仅为0.1%。发展生物质发电，替代煤炭，可显著减少CO2等温室气体和SO2的排放，有巨大的环境效益。

1 生物质直接燃烧发电利用技术

生物质直燃发电就是将生物质直接作为燃料进行燃烧，用于发电或者热电联产。生物质直接燃烧具有以下特点：（1）生物质燃烧所放出的CO2大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2， 因此可以认为是CO2的零排放，有助于缓解温室效应；（2）生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用；（3）生物质燃料可与矿物质燃料混合燃烧，既可以减少

运行成本，提高燃烧效率，又可以降低SO2、NOx 等有害气体的排放浓度；（4）采用生物质燃烧设备可以最快速度实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。

1.1 单燃生物直燃技术

在欧美发达国家主要燃烧的生物质是木本植物， 在我国，由于特殊的国情使得我们用于燃烧的物质基本局限于秸秆等草本类植物。据有关文献对秸秆的燃烧机理进行的研究，秸秆等生物质与常规燃料的区别主要有以下几点：（1）秸秆的含水量较大，约20％，是常规燃料的8～10 倍。因此，在锅炉相同出力的情况下，其烟气量约是常规燃料的1.5～2 倍。在锅炉受热面布置时，要充分考虑这一情况。（2）秸秆的堆积密度较小。秸秆投入炉内燃烧时，先落在炉床上，随着水分蒸发，开始漂浮在炉内进行燃烧。因此，在这类锅炉设计时， 一定要考虑到燃烧室的体积要大一些，使得燃料在炉内有足够的停留时间，得以完全燃烬。（3）从燃料的燃烧过程来看，大多数秸秆（除甘蔗渣外）在干燥后，挥发份快速脱离母体迅猛燃烧，挥发份不附着在秸秆表面燃烧，这与煤的燃烧机理是完全不同的。（4）逸出挥发份后的秸秆变黑成为暗红色焦炭粒子，未见明显的火焰，而且在炉膛高温火焰的辐射下，缓慢地燃烧，燃烬时间也较长。

1.1.1 层燃炉燃烧技术

层燃炉燃烧技术主要以炉排炉为代表，燃料在固定或者移动的炉排上实现燃烧，空气从下方透过炉排供应上部的燃料，燃料处于相对静止的状态，燃料入炉后的燃烧时间可由炉排的移动或者振动来控制，以灰渣落入炉排下或者炉排后端的灰坑为结束。

1.1.2 循环流化床燃烧技术

循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备很多独特的优点，如燃料适应性广，低温燃烧，燃烧效率高，负荷调节性能好等。瑞典、丹麦、德国等发达国家在流化床燃用生物质燃料技术方面具有较高的水平。美国爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃生物质流化床锅炉， 锅炉蒸汽出力为4.5～50t/h，供热锅炉出力为36.67MW；美国CE 公司利用鲁奇技术研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为100t/h，蒸汽压力为8.7MPa； 美国B&W 公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20 世纪80～90 年代初投入商业运行。此外，瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到80％；瑞典和丹麦正在实行利用生物质热电联产的计划，使生物质能在提供高品位电能的同时，满足供热的要求。

1.2 生物质与煤混合直燃技术

混合燃烧的技术优势：（1）生物质是可再生能源，煤粉炉中生物质共燃，可以利用现役电厂提供一种快速而低成本的生物质发电技术，也是一种最好（廉价而低风险）的利用可再生能源发电的技术。（2）煤粉燃烧发电效率高，可达35％以上，生物质共燃正是借用其高效率的优点，这是现阶段其它生物质发电技术难以比拟的。（3）生物质燃烧低硫低氮，在与煤粉共燃时可以降低电厂的SO2和NOx 排放。（4）对于煤粉燃烧电厂，共燃生物质意味着CO2排放的降低， 被公认为是现役燃煤电厂降低CO2排放的最有效措施。（5）我国生物质资源丰富，可利用未被利用的生物质折合近4 亿t 标准煤，且分布广泛，可就地利用；另一方面，大量利用生物质发电可增加农民收入，促进农业和农村经济的可持续发展。（6）生物质共燃技术简单，投资和运行费用低。生物质相对较便宜，对燃煤电厂而言还可增加燃料的选择范围和燃料适应性，降低燃料成本。丹麦哥本哈根AVEDORE 电厂，2002 年增加了热功率为105MW 的生物质发电设备，采用天然气（油）与麦秸混合燃烧工艺， 每小时秸秆消耗25t， 秸秆主要来源于芬兰和丹麦。生物质的水分含量用超声波测定，控制在25％左右。

2 生物质气化发电技术

生物质气化是在高温下部分氧化的转化过程。该过程是直接向生物质通气化剂（空气、氧气或水蒸汽），使之在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体的过程。目前， 生物质气化技术大体上可按2 大类进行分类：①按气化剂分类，②按设备运行方式分类。

2.1 按气化剂类型分类

生物质气化技术按气化剂类型分类。其中，干馏气化其实是热解气化的一种特例。且由于干馏是吸热反应，应在工艺中提供外部热源以使反应进行。氧气气化则不需要提供外部热源，产品为热值为15000kJ/m3 的中热值气化气。空气气化由于N2的加入，使其可燃气成分含量降低，热值也随之降低在5000kJ/m3 左右，为低热值气体。氢气气化反应条件苛刻，需要在高温高压且具有氢源的条件下进行， 其气化气为热值高达22260～26040kJ/m3 的高热值气化气。

2.2 按气化装置运行方式分类

生物质气化技术按气化装置的运行方式分类。国内外已投入商业运行的气化方法主要有：固定床气化炉、流化床气化炉。固定床气化炉可分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式。其中下吸式气化炉应用最广。

生物质原料由炉顶的加料口投入炉内，气化剂（空气、氧气）可以由顶部进入，也可以在喉部加入。气化剂与物料混合向下流动， 在高温喉管区发生气化反应。下吸式气化炉主要特点是气化强度高（相对于上吸式），工作稳定性好，可随时加料；由于燃烧区在热解区与还原区之间，因而干馏和热解的产物都要经过燃烧区，在高温下裂解H2和CO，使得气化中焦油含量大为减少。流化床气化炉按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为循环流化床、双流化床和携带床四种类型。按吹入气化剂的压力大小，流化床气化炉又可分为常压流化床和加压流化床。其中循环流化床由于其众多优点，适用于大型商业化运行。循环流化床是唯一在恒温床上反应的气化炉。气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解。流化介质一般选用惰性材料（沙子）或非惰性材料（石灰或催化剂），可增加传热及清洗可燃气，适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质燃料。循环流化床气化炉的主要缺点是入料需要预处理，产气中灰分需要很好的净化处理和部件磨损严重。

典型操作条件为温度600℃，加工能力100kg/h，以杨木为原料时产气率可达65％。优点在于结构紧凑、传热速率高、气相停留时间短、有效抑制裂化，但是载气需求量大。气化产生的可燃气主要用来发电。生物质气化的发电技术有以下3 种方法：带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者引擎的常压生物质气化、带有朗肯循环的传统生物质燃烧系统。传统的生物质气化联合发电技术（BIGCC）包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。生物质气化发电技术的基本原理是把生物质转化为可燃气，可利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。气化发电工艺包括3 个过程：①生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；②气体净化，气化出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需要经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；③燃气发电。目前，国际上有很多发达国家开展提高生物质发电效率方面的研究， 如美国Battelle（63MW）项目，欧洲英国（8MW）和芬兰（6MW）的示范工程。

3 生物质直接燃烧技术与生物质气化技术的比较

生物质直接用来燃烧简化了环节和设备， 减少了投资，但利用率还比较低，利用的范围还不是很广。由于中国生物质分布分散，成为大规模利用生物质直接燃烧技术发电较大障碍。然而秸秆类生物质因为含有较多的K、Cl 等无机物质，在燃烧过程中很容易出现严重的积灰、结渣、聚团和受热面腐蚀等碱金属问题，碱金属问题是秸秆大规模燃烧利用面临的严峻挑战，这些还需要进一步研究解决问题的方法。生物质气化技术能够一定程度上缓解中国对气体燃料的需求， 生物质被气化后利用的途径也得到相应的扩展，提高了利用效率。

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进入21世纪以来，我国面临的能源安全和环境生态保护问题日趋严峻，可再生能源已经成为能源发展战略的重要组成部分以及能源转型的重要发展方向。根据可再生能源应用的不同领域，电力系统建设正在发生结构性转变，可再生能源发电已开始成为电源建设的主流。生物质发电技术是目前生物质能应用方式中最普遍、最有效的方法之一。

装机容量世界第一

生物质能是重要的可再生能源，开发利用生物质能，是能源生产和消费革命的重要内容，是改善环境质量、发展循环经济的重要任务。为推进生物质能分布式开发利用，扩大市场规模，完善产业体系，加快生物质能专业化多元化产业化发展步伐。截至2020年底，全国已经投产生物质发电项目有1353个。

在国家大力鼓励和支持发展可再生能源，以及生物质能发电投资热情高涨，各类生物质发电项目纷纷建设投产等推动下，我国生物质能发电技术产业呈现出全面加速的发展态势。2020年，生物质发电新增装机543万千瓦，累计装机达2952万千瓦。我国生物质发电装机容量已经是连续三年列世界第一。

生物质发电主要包括农林生物质发电、垃圾焚烧发电和沼气发电。2020在，在我国生物质发电结构中，垃圾焚烧发电累计装机容量占比最大，达到51.9%其次是农林生物质发电，累计装机容量占比为45.1%沼气发展累计装机容量占比仅为3.0%。

生物质能发电量稳定增长

近年来，我国生物质能发电量保持稳步增长态势。2020年，中国生物质年发电量达到1326亿千瓦时，同比增长19.35%。

从发电量结构来看，垃圾焚烧发电量最大，2020年中国垃圾焚烧发电量为778亿千瓦时，占比为58.6%农林生物质发电量为510亿千瓦时，占比为38.5%2020年沼气发电量为37.8亿千瓦时，占比为2.9%。

随着生物质发电快速发展，生物质发电在我国可再生能源发电中的比重呈逐年稳步上升态势。截至2020年底，我国生物质发电累计装机容量占可再生能源发电装机容量的3.2%总发电量占比上升至6.0%。生物质能发电的地位不断上升，反映生物质能发电正逐渐成为我国可再生能源利用中的新生力量。

垃圾焚烧发电量将持续增长

在我国生物质发电结构中，垃圾焚烧发电累计装机容量占比最大。国内生活垃圾清运量和无害化处理率保持持续增长，对于垃圾焚烧的需求也在日益增加。为满足垃圾焚烧消纳生活垃圾的需求，随着垃圾焚烧发电市场从东部地区向中西部地区和乡镇转移，垃圾焚烧发电量将持续增长。

农林生物质发电项目利用小时数从2018年开始逐年走低，主要原因是可再生能源补贴拖欠对农林生物质发电项目影响较大。根据统计，2019年农林生物质发电利用小时数超过5000h的项目未188个，总装机为526万千瓦。据此判断约50%的项目在承受电价补贴拖欠的压力下，仍坚持项目运营。2020年农林生物质发电新增装机容量也有所下降，为217万千瓦。

山东生物质发电全国领先

总体上来看，生物质发电整体呈现东强西弱的局面。东部和南部沿海地区发展较好。

2020年，全国生物质发电量排名前五位的省份是山东、广东、江苏、浙江和安徽，发电量分别为365.5万千瓦、282.4万千瓦、242.0万千瓦、240.1万千瓦和213.8万千瓦。

2020年，全国生物质发电新增装机容量排名前五位的省份是广东、山东、江苏、浙江和安徽，分别为67.7万千瓦、64.6万千瓦、41.7万千瓦、38.9万千瓦和36.0万千瓦。

—— 更多数据请参考前瞻产业研究院《中国生物质能发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

所谓生物质能是指从生物质转化产生的能。常用的生物质包括植物——农作物、薪材、草、木、人畜粪便、工农业有机废物、有机废水等。这些生物质能都直接或间接地（经过人和动物的消化或工农业加工）来源于绿色植物，来源于太阳能，因此，它又称“绿色能源”，实质上它是物化的太阳能。据计算，每年全球靠光合作用可产生生物质能1200亿吨，其所含能量是当前全球能耗总量的5倍。

由于生物质能的数量巨大，同时转化过程中很少或不产生污染物，世界各国都正在开发深度利用高效生物能的转换技术，使生物质成为具有广泛用途的热能、电能和动力用燃料，转化技术有下面两种：

通过液化将生物质转化为酒精。燃烧1千克酒精，可以放出29726千焦的热量，比普通煤的发热量高。而且酒精是液体能源，便于使用、贮存、运输。普通汽油发电机稍加改装，就可以用纯酒精作燃料。如果用汽油和酒精的混合物来开汽车，汽车发电机甚至不需改装就可以使用。1升酒精可以驱动汽车在公路上行使16千米。

酒精是用淀粉、糖等有机物经过微生物发酵作用生产出来的。含有淀粉和糖的生物质很多，包括甘蔗、甜菜、玉米、高粱、木薯、马铃薯以及水草、藻类等，它们都可以是生产酒精的原料。

巴西在这方面获得了巨大的成就，早在1975年，巴西就制定了“酒精计划”，逐步用酒精或酒精和汽油的混合物部分替代了石油，解决了交通用能供应的问题，目前巴西有90％的小汽车用酒精做燃料。美国目前有30％的汽油掺有酒精，酒精的掺入量约为10％左右。

通过发酵过程制作以甲烷为主的沼气。我国每年作为农家燃料烧掉的柴草合标准煤2亿吨，占全国总能耗的15％。但能量的利用效率比较低。

利用人畜粪便和秸秆为主要原料发展沼气池，既解决了家用燃料问题，又保持了农田肥力，减少化肥对水的污染。1990年，我国就有400多万户使用小沼气池，年产沼气10多亿立方米，沼气电站装机2000多千瓦，我国目前是户用沼气池最多的国家。

目前，我国很多的大型城市污水处理厂，利用处理厂中的固体废物进行沼气发酵，产生的沼气用来发电。在英国的5000多个污水处理厂中，有1／3是用通过发酵所产生的沼气作为动力的。法国在南部利摩日地区建造了两座垃圾发酵处理站，每年处理垃圾8.45万吨，每小时生产沼气800立方米，这些沼气已供一些工厂和煤气公司使用。

如过去的10多年中，美国已建成生物发电的容量达400多万千瓦，主要是采用木材及木制品工业废料气化后的气体燃料发电。国外结合治理城市环境污染，开始进行垃圾发电，技术已经成熟。仅日本就运行约100座垃圾电站，并计划把垃圾电站的装机容量发展到400万千瓦。因此，利用生物质能发电是当今新能源发电的新趋势之一。

我国是一个农业国，物质能资源非常丰富，年资源量是薪材3000万吨，秸秆4.5亿吨，稻壳0.15亿吨，另外还产生大量的城市排放的生活污水、垃圾、工业废水等。

利用生物质能发电在我国目前还是小规模、小范围的利用，稻壳转化发电容量只有5000瓦，沼气发电装置140个左右，总容量也只有2000千瓦。另外，我国还引进发电容量为4000千瓦的垃圾发电站。

生物质能的主要利用形式包括直接燃烧和发电、生物质裂解与干馏、生物质致密成型、生物质气化及发电、生物质热解液化、燃料乙醇、生物柴油 、能源作物。

1、直接燃烧和发电：直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和致密成型燃料燃烧四种情况。我国小型生物质燃烧发电也已商业化，南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东、广西两地共有小型发电机组380台，总装机容量达800兆瓦，云南省也有一些此类电厂。

2、生物柴油：目前我国生物柴油研究开发尚处于起步阶段。先后有上海内燃机研究所和贵州山地农机所、中国农业工程研究设计院、辽宁省能源研究所、中国科技大学、河南科学院化学所、华东理工大学、云南师范大学农村能源工程重点实验室等单位都对生物柴油作了不同程度的研究，并取得可喜的成绩。

3、生物质致密成型：致密成型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是将分散和疏松的生物燃料进行集中和加密，以便于储存和运输，使之成为便捷和清洁高效的能源。主要缺点是生产成本偏高。

4、生物质气化及发电：我国已开发出多种固定床和流化床小型气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝等为原料生产燃气，热值为4～10兆焦／立方米。

目前用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处。兆瓦级生物质气化发电系统已推广应用20多套。“十五”期间，按照国家高科技发展计划（863计划）已建成4兆瓦规模生物质气化发电的示范工程。

5、能源作物：能源作物种植是近期发展起来的新型产业，是随着生物质能开发与利用的不断深入和扩大逐步形成的。能源作物是指各种用以提供能源的植物，通常包括速生薪炭林、能榨油或产油的植物、可供厌氧发酵用的藻类和其它植物等。

许多能源作物是自然生长的，收集比较困难。现在人们有意识地培育一些能源作物，经过嫁接、驯化、繁殖，不断提高产量，以满足对能源不断增长的需要。甜高粱就是一种很好的能源作物。