生物质发电技术和经济性研究综述

吴金卓，马 琳，林文树

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

随着我国经济的快速发展，常规能源 (煤、石油和天然气)的消费量持续增加，能源供需矛盾日益突出。我国的常规能源短缺，尤其是石油和天然气资源严重不足，成为影响经济社会发展的重要因素［1］。以石油为例，我国1993年成为石油净进口国，2011年我国石油的对外依存度已超过55%，预计到2020年中国石油对外依存度将达到67%［2］。常规能源的使用，尤其是煤的开发和利用引发的各种环境问题已严重影响社会经济的可持续发展和人民的生命健康。因此寻找新的替代能源以保证国家的战略安全、能源储备和社会经济的可持续发展成为亟待解决的问题［3］。生物质能是是一种重要的可再生能源，它是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量，被认为是最有发展前景的可再生能源之一。在众多的生物质利用方式中，生物质发电是我国目前对生物质能源应用的最为广泛、最为普遍的方式。

1 生物质能资源

生物质能资源种类繁多，来源十分广泛。根据来源的不同，可以将生物质能资源分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物及畜禽粪便等5大类。本文中所涉及的生物质能资源主要包括农作物秸秆、林木生物质和能源作物，不包括工业有机废弃物和畜禽粪便等。

1.1 农业生物质资源

农业生物质资源包括农作物、农业生产剩余物(如农作物秸秆，包括玉米秸秆、高粱秸秆、麦秸和稻草等)和农产品经过加工后产生的废弃物(如稻壳、玉米芯、甘蔗渣、花生壳和棉籽壳等加工剩余物)［4］。农产品加工剩余物与农作物的产量有密切的关系，农作物产量高的地区，一般具有丰富的农产品剩余物资源。

1.2 林业生物质资源

林业生物质资源包括森林生物质以及林产品生产和加工过程所产生的剩余物。林业剩余物主要包括采伐剩余物 (枝丫、树梢、树叶、树皮、树根及藤条和灌木等)、选材剩余物 (指选材截头)和加工剩余物 (板皮、板条、木竹截头、锯屑、碎单板、木芯、木块、刨花和边角余料等)［4－5］。

1.3 能源作物

能源作物是指经过专门种植，用以提供能源原料的草本和木本植物［6］。常见的能源作物包括柳树、杨树、柳枝稷、芦苇、甜高粱、油菜、甘蔗、甘薯和木薯等。能源作物的开发与种植，不仅可以使能源可再生和综合利用，而且由于这些能源作物对土地的要求不高，只需要种植在边际农业用地，因此也为农业的发展创造了良好的契机。

2 生物质发电技术

生物质燃料具有松散性、密度低、高挥发分及低热值等特点，因此在收集、贮存和使用过程中存在一定的困难和不经济性。传统的生物质资源利用主要是炉灶直接燃烧方式，其能源利用率只有10%～15%，而且在燃烧过程中排放出大量的烟尘。新的生物质能源利用方式，如生物质发电技术能够克服上述的缺点，已经成为生物质能现代化利用的重要方式之一。生物质发电是利用生物质燃烧或生物质转化为可燃气体燃烧发电的技术，主要包括直燃发电、生物质与煤混合燃烧发电和气化发电3种方式。

2.1 生物质直燃发电

生物质直燃发电是指在特定的生物质蒸汽锅炉中通入足够的氧气使生物质原料氧化燃烧，产生蒸汽，进而驱动蒸汽轮机，带动发电机发电的过程［1］。生物质直燃发电技术中的生物质燃烧方式包括固定床燃烧和流化床燃烧等方式。前者只需将生物质原料经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧，而后者则要求将生物质原料进行破碎、分选等预处理再燃烧，其燃烧效率和强度都比固定床高［7］。单纯的生物质直燃发电的效率很低，一般在20%～40%，而且发电过程中产生大量的热能不能充分利用。为了增加直燃发电的能源效率，电厂也可以采用热电联产方式，同时生产热量和电力，这样热效率可以达到80%～90%，既提高了能源的综合利用效率，又能改善供热质量，增加生物质发电企业的经济效益。

2.2 生物质混燃发电

生物质混燃发电是指在传统的燃煤发电锅炉中将生物质和煤以一定的比例进行混合燃烧发电的过程。生物质与煤混合燃烧的方式有两种。

(1)生物质直接与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。

(2)将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。

前者的燃烧要求很高，并不适用于所有燃煤发电厂，而后者的通用性较好，对原燃煤系统的影响也比较小［7］。混合燃烧的生物质可以是林业生物质 (木片和锯末)或者农业生物质 (如稻壳、麦草和玉米秆等)。生物质混燃发电被认为是一种近期可以实现的、相对低成本的生物质发电技术。相关研究表明，在生物质混燃发电中，如果将燃料供应系统和燃烧锅炉稍作修改，生物质的能量混合比例可以达到15%，而整个发电系统的效率能达到33%～37%。受生物质资源分布分散，能量密度低、运输效率低、储存占地大和储存安全风险大等因素的影响，采用生物质直燃发电技术的电厂的规模一般都不大，主要是利用当地的生物质资源，运输距离短。而将生物质与常规的煤炭混合燃烧发电，既可以充分利用现有的燃煤电厂的投资和基础设施，又能减少传统污染物 (SO2和NOx)和温室气体的排放，对于生物质燃料市场的形成和区域经济的发展都将起到积极的促进作用。

2.3 生物质气化发电

生物质气化发电是指生物质原料 (废木料、秸秆和稻草等)气化后，产生可燃气体 (CO、H2和CH4等)，经过除焦净化后燃烧，推动内燃机或燃气轮机发电设备进行发电［8］。从发电规模上看，生物质气化发电系统可分为小型 (＜200kW)、中型 (500～3 000kW)和大型 (＞5 000kW)3种。小型气化发电系统一般采用内燃发电机组，所需生物质数量少且品种单一，比较适合照明或小企业用电;中型生物质气化发电系统大多采用流化床或循环流化床的形式，因其可以适用多种不同的生物质，技术较成熟，是当前生物质气化技术的主要方式［9］。以1 000kW 的生物质气化发电系统为例，在正常运行下，生物质循环流化床气化发电系统气化效率大约在75%左右，系统发电效率在15%～18%之间。大规模的气化燃气轮机联合循环发电系统的功率为5～10MW，效率为35% ～40%，但关键技术仍未成熟，尚处在示范和研究阶段［10－11］。

3 国外生物质发电研究进展

生物质发电在北欧国家经过30多年的发展，技术上已经比较成熟，并得到了广泛的应用［12］。特别是2002年可持续发展世界峰会之后，生物质能的开发利用在全球加快推进［13］。

3.1 基于农业资源的生物质发电

国外在生物质发电尤其是秸秆发电方面无论是科学研究还是产业化都取得了令人瞩目的成果。丹麦的BWE公司率先于1988年投入运行世界上的第一家秸秆燃烧发电厂 (Haslev，5MW)［4］。如今，丹麦已建成130多家秸秆发电厂，并将秸杆发电技术成功推广到瑞典、芬兰和西班牙等欧洲国家［14］。在研究方面，丹麦ELSAM公司采用两段式加热技术对Benson型锅炉进行改造，设计了4个并行的供料器供给物料。生物质原料 (秸秆、木屑等)可在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀［14］。经实践运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。

欧美一些国家基本都使用热电联合生产技术(Combined heat and power，CHP)来解决生物质原料燃烧用于单一供电或供热在经济上不合算的问题。美国联邦政府在20世纪90年代开始注重发展热电联产。其中，得克萨斯州和加利福尼亚州是这个领域的佼佼者。这两个州分别于2001年和2002年制定了州一级的电网接入标准，为热电厂获得平等的并网权提供了保证［15－16］。同时，改进的温室气体排放的计算标准，也为热电企业在竞争中创造了有利条件。丹麦科学家认为热电联产可以节约28%的燃料，减少47%的CO2，因而对热电联产的优惠政策最多［17］。丹麦的热电比例高达50%［18］。1990年，丹麦修订了热供应法案 (1979年颁布)，提出尽可能提高热电联产在集中供热中的比例。在热力规划中，保证热电联产供热区域，避免与其他能源竞争。另一方面，建立合理的热电联产－电力定价规则，确保了其经济性的优势。1988年，荷兰启动了热电联产激励计划，制定了一系列优惠政策。从1987～1998年，荷兰的热电联产装机容量由2 700MW猛增到7 000MW，其发电量占总发电量的48.2%［19］。

3.2 基于林业资源的生物质发电

国外开发木质生物质能源技术已具有相当的规模和一定的运行经验。美国GE公司利用鲁奇技术研制的大型燃烧废木循环流化床;美国B＆W公司制造的燃烧木柴的流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行［20］。此外，瑞典以树枝和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%。丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，利用干草与煤按照6∶4的比例送入炉内进行燃烧，热功率达80MW。

Berndes等［21］(2003)建立了生物能源、食品和材料不同用途相互作用的模型，对促进大规模生物能源改进，起到了指导性的作用。Gross等［22］(2003)就可再生能源发展的关键问题进行了探索，在每个区域每个主要类型的可再生能源技术上做出了全面分析，为日后更好的发展可再生能源奠定了基础。Venturi等［23］(2003)比较了欧洲3个能源作物链，对能量输出和输入问题进行了分析，并提出了解决生物质能源低收益率的问题。Santisirisomboon等［24］(2003)对不同类型的生物质(稻谷外壳、都市固体废物和燃料木材)燃料进行分析，并将优化方法扩展到发电系统规划。

3.3 生物质发电经济性分析

西方国家属于大农场经济，土地管理相对集中，且机械设备先进。在粮食收获后，秸秆经过压缩打包成型处理后，直接送往电厂或由农场主保存一段时间后再送往电厂，因此秸秆发电成本较低［25］。秸秆经过压缩后，密度增大，体积缩小，便于运输和储存，减少了运输和储存的费用。此种运作模式便于管理，成本较低。国外关于秸秆收储运模式及降低收集成本的研究较多，得出的成果也具有一定的应用价值。Caputo等［26］(2005)对生物质发电厂经济性分析结果表明，车辆运输价格增加、车容量下降、资源密度降低以及生物质购买价格提高将增加运行成本，导致经济效益降低。Thorsell等［27］(2004)利用计算机程序决定哪些具体类型的机械会导致集约化成本的最低化使用，从而确定从材料农户的采购成本以及储存和运输成本。Yu等［28］(2009)基于一个持续、整合、流线型的供应链，从农场到植物的生物能源与评价的基础上，提出了一种离散数学模型，从而合理定位生物量加工厂附近种植密度高的区域。Kumar等［29］(2003)通过从农业生产剩余物 (谷物秸秆)到整个加拿大的北部森林、森林收获木材和纸浆存在残留物的测定，验证了资本成本的容量能力与运输成本的关系。

4 我国生物质发电现状及研究进展

4.1 我国生物质发电现状

我国生物质能资源非常丰富，农作物秸秆是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。按照我国创建节约型社会的发展纲要，计划到2015年生物质发电装机达到1 300万kW，发电量650亿kW·h。目前，生物质发电厂已列入国家级示范项目。

我国发展生物质能源具有非常好的原料基础，现年产能潜力9.32亿t标煤，预测2030可增至11.71亿t标煤。随着《可再生能源法》和《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》等的出台，生物质发电，尤其是秸秆发电备受关注。秸秆发电的规模快速增长，各级政府对秸秆发电的招商引资工作也十分重视，秸秆发电概念在资本市场也开始活跃。目前，中石油、中石化、中海油和中粮等大型国有企业已经在生物质资源丰富的省区投资建厂。其中，国能生物质发电集团已投入运营和在建的生物质发电项目近40个，遍布山东、江苏、黑龙江、内蒙古及江西等省和自治区，总装机容量达到100万kW，已有10个30MW机组和7个12MW机组正式投入运营，7个12MW机组在建。我国生物质发电为社会提供绿色电力累计约92亿kW·h，累计消耗剩余物近1 000万t，为农民增收累计约32亿元，累计减排二氧化碳690万t。

4.2 我国生物质发电研究进展

尽管我国的生物质发电产业取得了一定的发展，但是，在未来的运行过程中还将面临很多困难和障碍。

4.2.1 缺乏成熟的核心技术和设备

目前，用于生物质发电的锅炉及燃料输送系统的技术和设备绝大部分依靠进口，国内还没有成熟的生产商。我国已经针对专门燃烧秸秆的锅炉开始设计制造，如济南锅炉厂通过引进丹麦BWE公司的秸秆发电锅炉制造技术，生产的130t/h高温高压秸秆锅炉已经在国能生物的10多个生产厂使用，但核心组件仍需整机进口［1］。因此，只有大力发展国内的生产技术和设备，我国的生物质发电企业才能摆脱这种事业发展上的束缚，取得长期的、持续的进步和发展。针对这一情况，我国研究人员展开了大量的研究。马孝琴等［30］(2005)采用双胆反烧结构设计生物质秸秆成型锅炉，经燃烧试验，表明该炉具有较高的热效率和环保效益，燃用秸秆成型燃料燃烧稳定，床层不易结渣且烟气中飘尘含量达标。由合肥工业大学教授邢献军等人与安徽丰原生物新能源公司联合研发的“生物质高温超焓燃烧发电锅炉技术”，通过高温超焓燃烧技术，解决了生物质燃烧锅炉存在的效率低、碱腐蚀、结焦和结渣等问题，从而实现生物质高效、经济和规模化利用［31］。

4.2.2 发电运营成本偏高

由于生物质发电厂初期投资较高、电机组热效率低及生物质燃料成本高等原因，使生物质发电成本远高于常规燃煤发电成本。2010年7月，国家发改委发布了《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》，制定了全国统一农林生物质发电标杆上网电价标准 (0.75元/kW·h)，提高了生物质发电的上网电价。此外，生物质发电还可享受收入减计10%的所得税优惠;秸秆生物质发电享受增值税即征即退政策［32］。这些举措固然可以帮助生物质发电企业提高经济性，缩小与燃煤电厂的差距，但是要从根本上改变生物质发电企业运营成本偏高的问题，还需要对燃料供应物流系统进行充分地、适宜于当地资源状况的理论研究和实践分析。为了解决这一问题，丁翔文等［33］(2010)对生物质发电的原材料的收加储运两种模式中的4个环节(收集、加工、储藏和运输)进行了实地实验研究。针对两种不同的收加储运技术路线、运行管理模式、机具配置方案和价格体系进行了综合分析。刘华财等［34］(2011)在秸秆电厂原料收集、运输、装卸、预处理和储存子过程成本计算的基础上，将原料供应分成5种模式进行成本分析。姜洋［35］(2011)通过文献分析法从定性和定量两个角度对生物质能源成本问题研究进行了总结，并提出了运用系统动力学研究方法深入研究生物质能源的环境成本问题的建议。

5 结束语

本文在介绍3种应用比较广泛的生物质能发电技术基础上，深刻剖析了国内外生物质发电在技术和经济性上的研究进展，并指出了我国在发展生物质发电方面还存在的不足之处。国际市场上原油价格和供应不稳定、能源需求持续增加、常规能源的使用与气候变化等可持续发展问题始终是国际上讨论的热点话题［36］。因此只有大力发展包括生物质能源在内的可再生能源才是解决我国能源短缺和环境持续恶化的可行之策。为了促进我国生物质能的开发和利用，我国颁布的《可再生能源法》在法律上明确了可再生能源在现代能源中的地位，并配套发布了一系列实施细则，如《可再生能源发电有关管理规定》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》和《关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》等。这些政策上的优惠和支持将大大地改善生物质能发电的经济性和市场前景。

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