生物质能发电原理

生物质发电主要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、垃圾填埋气发电及沼气发电等多种类型。

生物质发电由于生物质发电所需的能量是燃料燃烧所散发的能量，对于燃料的质量要求不高，许多被其他行业淘汰下来的劣质燃料也可以投入使用，因此生物质发电历来就有变废为宝的说法。生物质发电足够稳定，不需要地区与环境的限制，只要能够保证燃料的充足。

生物质发电厂就能够按时按量发电。生物质发电的处境却也不容乐观。作为一个刚刚起步的行业，生物质发电并没有能力完成自负盈亏。生物质发电在更多意义上属于福利发电，这一属性决定了它很难独自完成资金的回笼，更多时候生物质发电的资金回流靠的是政府的资金补贴。

生物质能发电特点

1、生物能发电的重要配套技术是生物质能的转化技术，且转化设备必须安全可靠、维修保养方便；利用当地生物资源发电的原料必须具有足够的储存量，以保证持续供应；所有发电设备的装机容量一般较小，且多为独立运行的方式。

2、利用当地生物质能资源就地发电、就地利用，不需外运燃料和远距离输电，适用于居住分散、人口稀少、用电负荷较小的农牧区及山区；生物质发电所用能源为可再生能源，污染小、清洁卫生，有利于环境保护。

生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质能的载体，是唯-一种可储存和可运输的可再生能源。从化学的角度上看，生物质的组成是C-H化合物，它与常规的矿物能源如石油、煤等是同类，(煤和石油都是生物质经过长期转换而来的)，所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性，可以充分利用已经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能，这也是开发利用生物质能的优势之一。

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。

生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。

近年来中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生物质能发电行业应运而生。

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。

为推动生物质发电技术的发展，2003年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目，颁布了《可再生能源法》，并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅速发展。

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。

根据国家“十一五”规划纲要提出的发展目标，未来将建设生物质发电550万千瓦装机容量，已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了到2020年生物质发电装机3000万千瓦的发展目标。此外，国家已经决定，将安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景。

所谓生物质能（biomass energy），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。但目前的利用率不到3%。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。

加拿大亚伯达可再生柴油示范基地（ARDD）发布的一份研究称油菜子可作为寒冷天气用可再生柴油的生产原料。“ARDD的研究表明油菜子生物柴油及相关混合物尤其适合在寒冷的冬天使用”，研究中油菜子可再生柴油的混合比例为冬季月份2%，春季和夏季月份5%，而油菜子可再生柴油则由75%的菜子油和25%的动物脂组成。混合柴油在低温下没有表现出任何异常。

而诺维信公司、中粮集团日前与中国石化集团合作的开发利用农作物废料玉米秸秆生产第二代燃料乙醇的项目则把我国生物质能的开发推向了规模化商业生产的流程。与石油燃料相比，第二代燃料乙醇能将温室气体排放量至少降低90%。纤维素燃料乙醇只需耗用极少或者根本无需使用矿物燃料，并能够向电网供电，这对于降低空气污染、缓解能源压力有重大意义。

随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，世界城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。1991年和1995年，仅我国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨，同期城镇生活垃圾量以每年10%左右的速度递增。1995年中国城市总数达640座，垃圾清运量10750万吨。而且这些垃圾的构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近1/3甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。这些特点给我们留下了很大的研究和开发利用的空间，技术成熟后，不仅可以有效缓解城市能源危机，还可以解决城市垃圾问题，保护环境。

我国重庆一座垃圾发电厂装备了国产的焚烧炉。焚烧炉是垃圾发电核心设备，国产焚烧炉更适合国情——发达国家早已实现了垃圾分类，而我国的垃圾中，菜叶剩饭和废布料、纸片等混在一起，国产的焚烧炉就是为混合垃圾量身打造。

该垃圾发电厂负责人称，电厂现在每天可“吃掉”1500吨垃圾——这是主城日产生垃圾总量的近五成，一年发电超8000万千瓦时，年利润达到4000万元左右，可满足近5万户居民的用电需求。

世界各国在垃圾发电方面的投入越来越大，技术也慢慢成熟，这在未来的城市生活中，不仅解决了垃圾处理的难题，更为人们提供了新的能源来源！

生物质发电包括农林生物质发电、垃圾发电和沼气发电，建设重点为：

1.在粮食主产区建设以秸秆为燃料的生物质发电厂，或将已有燃煤小火电机组改造为燃用秸秆的生物质发电机组。在大中型农产品加工企业、部分林区和灌木集中分布区、木材加工厂，建设以稻壳、灌木林和木材加工剩余物为原料的生物质发电厂。在“十一五”前3年，建设农业生物质发电(主要以秸秆为燃料)和林业生物质发电示范项目各20万千瓦，到2020年达到2400万千瓦。在宜林荒山、荒地、沙地开展能源林建设，为农林生物质发电提供燃料。

2.在规模化畜禽养殖场、工业有机废水处理和城市污水处理厂建设沼气工程，合理配套安装沼气发电设施。在“十一五”前3年，建设100个沼气工程及发电示范项目，总装机容量5万千瓦。到2020年，建成大型畜禽养殖场沼气工程10000座、工业有机废水沼气工程6000座，年产沼气约140亿立方米，沼气发电达到300万千瓦。

3.在经济较发达、土地资源稀缺地区建设垃圾焚烧发电厂，重点地区为直辖市、省级城市、沿海城市、旅游风景名胜城市、主要江河和湖泊附近城市。积极推广垃圾卫生填埋技术，在大中型垃圾填埋场建设沼气回收和发电装置。

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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