浅谈生物质能利用主要技术路线

舒 畅

(陕投集团 陕西 西安 721500)

背景

据统计，全世界每年农村生物质的产量约300亿吨，生物质能源占全世界能源消耗的14%，仅次于石油、煤炭及天然气等化石能源，居第四位。我国是农业大国，每年至少有7亿吨的农作物废弃物，生物质资源利用率不高，大量秸秆资源在田间焚烧，不仅污染环境，而且浪费能源，生物质能的开发利用潜力巨大。

一、生物化学技术

生物化学转化包括生物发酵(产生乙醇)和厌氧性消化(产生沼气)以及生物制氢技术。

(一)生物发酵技术

通过发酵方法制取生物乙醇，有两种途径：一是粮食类，以玉米等淀粉类和甘蔗汁、砂糖等糖蜜类物质为主要原料；另一类则是以农业废弃物(秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工业废弃物(纸浆纤维渣、锯末等)、城市废弃物(废纸、包装纸等)及林业废弃物等纤维素含量较高的物质为发酵原料。采用淀粉和纤维素类原料生产乙醇，可分为三个阶段：大分子生物质分解成葡萄糖、木糖等单糖分子，单糖分子经糖酵解形成二分子丙酮，然后无氧条件下丙酮酸被还原成二分子乙醇，并释放CO2；糖类作物不经过第一阶段，进入糖酵解与乙醇还原过程。纤维素作物中的纤维素成分分解成六碳糖，半纤维素则分解成五碳糖。

(二)厌氧性消化技术

厌氧性消化产生CH4(体积分数55%～65%)和CO2(体积分数30%～40%)气体混合物。沼气发酵生产技术在污水处理、堆肥制造、人畜粪便、农作物秸秆和食品废物处理等方面得到广泛应用，反应器类型以厌氧式结构为主。

(三)生物制氢技术

广义上讲，生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括微生物产氢和生物质气化热解产氢等。狭义上讲，生物制氢仅指微生物产氢，包括光合细菌(或藻类)产氢和厌氧细菌发酵产氢等。

二、生物质热化学技术

生物质热化学技术是将能量密度低的低品位能源转变成高品位能源的最直接方式，包括液化技术、直接燃烧技术和热解气化技术等。

(一)生物质液化技术

生物质液化技术可以将生物质废弃物转化为燃料油。生物质液化技术分为直接液化与间接液化。直接液化技术主要指热化学法生产生物油；间接液化是模仿煤基 间接液化，通过费托合成制取液体燃料的技术。

直接液化技术分为两种：一种是高压液化技术，包括催化液化和超临界液化。另一种液化技术是在常压下进行的生物质快速(闪速)热裂解技术。

间接液化技术是先通过气化得到以CO、CH4和H2为主的生物质合成气，然后将合成气经过催化重整调配碳氢比，再利用催化工艺合成甲醇、二甲醚和烷烃(柴油)等的过程。间接液化得到的是与传统化石燃烧类似的碳氢燃料，能够直接用作动力和交通燃料，具有较高的性能。

(二)生物质直接燃烧技术

1.生物质直燃发电。生物质直燃发电的基本原理是由生物质锅炉利用生物质直接燃烧后的热能产生蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮发电机系统进行发电，在原理上与燃煤锅炉火力发电十分类似。已开发应用的生物质锅炉种类较多,如木材锅炉、甘蔗渣锅炉、稻壳锅炉、秸秆锅炉等。

生物质直接燃烧发电的关键技术包括原料预处理、生物质锅炉防腐、提高生物质锅炉的多种原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率等技术。

生物质直接燃烧方式包括固定床燃烧和流化床燃烧二种方式，固定床燃烧对生物质原料的预处理要求较低，生物质经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧；流化床燃烧要求将大块的生物质原料预先粉碎至易于流化的粒度,其燃烧效率和强度都比固定床高。另外，由于我国的生物质种类多，成分复杂，收集运输困难，而且主要的农业废弃物受到农业生产和季节性的影响不能保证全年供应，所以与燃煤锅炉对燃料单一性的要求不同，生物质锅炉要求能适应多种生物质原料，以保证燃料供应的稳定性。

我国的生物质锅炉和小型蒸汽轮机技术已基本成熟，但设备规模较小，压力、温度等参数较低，电厂综合发电效率偏低。

生物质燃烧电厂的流程如下：生物质燃料从附近各个收集点运送至电站，经预处理(破碎、分选、压实)后存放到燃料存贮仓库，仓库容积至少保证可以存放7天的发电燃料量；然后由燃料输送装置将预处理的生物质送入锅炉燃烧，通过锅炉换热，利用生物质燃烧后的热能把锅炉给水转化为蒸汽，为汽轮发电机组提供汽源进行发电。生物质燃烧后的灰渣落入出渣装置，由除渣机送到灰渣坑，进行灰渣处理。烟气经过处理系统后由烟囱排入大气，其蒸汽发电部分与常规的燃煤电厂的蒸汽发电部分基本相同。

通常直燃发电系统的构成包括生物质燃料收集系统、燃料预处理系统、燃料储存系统、燃烧系统、热力系统和烟气处理系统等。生物质直燃发电技术与生物质气化发电技术的主要差别在于燃烧系统和热力系统。

生物质直燃发电燃烧系统主要包括炉前给料设备、燃烧设备、烟风系统、烟气处理系统等；热力系统主要包括主蒸汽系统、主给水系统、抽汽系统、凝结水系统、低压给水及除氧系统、加热器疏水系统、工业水系统、循环水系统、凝汽器抽真空系统、补水系统等。

2.生物质直接与煤混合燃烧发电。生物质直接与煤混合燃烧发电是指将生物质燃料应用于燃煤电厂中，和煤一起作为燃料发电。生物质直接与煤混合燃烧，产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。生物质直接与煤混合燃烧要求较高，流化床锅炉对生物质混烧适应性很好，煤粉炉对生物质混烧的适应性相对较差。

(三)生物质热解气化技术

生物质气化是开展较早且较为成熟的生物质规模化利用技术之一，不仅可以实现居民生活集中供气、供热，还能实现内燃机、燃气透平或通入大型燃煤锅炉等设备发电，是高转化效率的先进工艺。

1.将生物质燃气送入燃气内燃发电机组。内燃机一般由柴油机或天然气机改造而成，以适应生物质燃气热值较低的要求。燃气内燃机方案工艺流程为：燃气净化后通过引风机进入储气柜中，再通过管道进入内燃发电机组，在内燃机内燃气混合空气燃烧做功，驱动主轴高速转动，主轴再带动发电机进行发电，产生的废气通过烟囱排入大气。

2.将生物质燃气送入大型燃煤锅炉。生物质气化混合发电技术是指将生物质燃气送入大型燃煤锅炉中燃烧，利用已有汽轮发电机组发电。

生物质气化混合燃烧发电技术与生物质气化直接发电技术工艺大体相同，区别在于生物质气化混合发电技术不需增加燃气轮机，而是将气化炉产生的燃气送入现有锅炉燃烧器，即在燃煤电厂的基础上增加一套生物质气化设备，将生物质燃气直接送入锅炉中燃烧。

生物质气化混合燃烧发电技术需要改造现有燃煤锅炉，增加生物质燃气喷口。将生物质燃气净化后通入，与煤进行混烧，产生的蒸汽进入原有汽轮发电机发电。

本技术利用了大型燃煤发电厂的高效率，燃气发电效率较高；同时通过在线监测燃气流量、热值、燃气温度以及电站锅炉的发电效率，实现生物质燃气发电部分的单独核算。