清洁能源的生物质能特性分析与应用建议

吕岩岩

上海工业锅炉研究所有限公司

0 前言

生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。据查，中国不含太阳能的清洁能源年资源量为21.5 亿tce，其中生物质占54.5%。生物质原料资源量是水电的2倍，或是风电的3.5倍[1]。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国作为一个农业大国，每年都会产生十几亿吨的农业和林业废弃物，其中无法处理的剩余农作物秸秆在田间焚烧的要超过几亿吨，造成了严重的空气污染和资源浪费，若能合理转化利用这些生物质能源，将有效缓解能源紧张的问题。生物质能源可以散料、压缩成型固体燃料、沼气气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、热裂解生产生物柴油等形式存在，应用在国民经济的各个领域，通过生物质锅炉合理利用农业中产生的大量生物质能源，将会取得巨大的社会经济效益。

1 生物质能定义

生物质能是太阳能以化学能形式储存于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，是一种可再生能源，也是唯一的一种可再生的碳源[2]。

2 生物质资源分类

生物质能根据来源的不同，适合能源利用的可分为农作物剩余物、林业剩余物、能源林、生活污水与工业有机废水、城市固体废弃物及畜禽粪便五大类，用于锅炉燃烧的主要是前三类[2]。

2.1 农作物剩余物

1)农作物剩余物种类

农作物剩余物包括农作物秸杆，其中有玉米秸、麦秸、稻秸、棉秸、豆秸等。

另外，还有农作物产品初加工剩余物，其中有玉米芯、稻壳、花生壳等。

2)农作物剩余物产量

农业部和国家统计局的统计数据显示，我国农作物秸秆产量近年来稳定提高，整体呈增长态势（见图1）。2016-2018 年，秸秆产量略有波动，但是稳定超过11 亿 t，2018 年我国秸秆产量接近11.35 亿t。总体来看，我国秸秆产量巨大，这为生物燃料提供了充足的原材料市场，也为燃料提供了广阔的发展空间。

图1 2012-2018年我国农作物秸秆产量

3)农作物剩余物的用途

农作物剩余物可以用来制作纤维板、造纸原料,如玉米秸、麦秸、棉秸等，还可以作为饲料，如玉米秸、豆秸、花生秧、薯滕、稻壳、花生壳等，还可以作为木糖醇、糠醛等华工产品的原料，如玉米芯等，也可还田作为肥料，可作为生活和工业燃料，如燃生物质锅炉。

我国农作物秸杆的用途比例见图2，用于肥料化约占47.2%，用于饲料化约占17.99%，用于能源化11.19%，用于原料化2.47%，用于基料化2.23%，未利用的农作物秸杆约为18.32%。

图2 我国秸秆综合利用情况

以2018 年农作物秸杆产量为例，未利用的农作物秸秆量约为2.08 亿t，用于锅炉燃料的秸秆约占 82%。2018 年 10 月，农业部提出：“到 2020 年，全国秸秆综合利用率达到85%以上；力争到2030年，全国建立完善的秸秆收储运用体系，形成布局合理、多元利用的秸秆综合利用产业化格局，基本实现全量利用。”国家多项政策的颁布，对于秸秆综合利用行业提出了明确的方向和目标，也推动了行业的发展。

2.2 林业剩余物

林业剩余物是指树林种植、生长和生产过程中产生的剩余物及林业副产品的废弃物。

我国森林面积为14 297万hm2，其中薪炭林面积约 303.44 万 hm2、灌木林地总面积约 4 529.7 万hm2、经济林面积约2 140万 hm2、竹林484万 hm2、四旁树和散生生疏林约230 亿株、城市森林园林木折算面积约400万hm2、每年造林约600万hm2，森林生物量约180亿t，每年可获得的资源量约9亿t，其中可能源化利用的资源约2.97 亿t，可用于锅炉燃料。

如上二种可供锅炉燃烧的生物质有：

2.48 +2.97=5.45(亿 t/年)

2.3 能源林

能源林是指以生产生物质能源为主要培养目的的林木。以利用林木所含油脂为主，将其转化为生物柴油或其它替代产品的能源林称为“油料能源林”；以利用木质为主，将其转化为固体、液体、气体燃料或直接发电的能源林称为“木质能源林”。

木质能源林具有一次造林，多次采伐利用的特点。据统计，全国约有9 亿亩未利用地可供种植能源林，其主要分布在新疆、黑龙江、内蒙古、甘肃、云南五省区。

充分发展利用能源林，实行能源林的集约化经营，将为燃料加工企业提供更加可靠的木质原料，有效地保证生物质燃料的稳定供给。

3 生物质成分分析

生物质是由多种可燃质、不可燃的无机矿物质及水分混合而成的。生物质种类繁多、形状也各异，不同的生物质元素及成分含量不一样。

3.1 元素成分

生物质可燃质是多种复杂的高分子有机化合物的混合物，主要由 C、H、O、N、S 等元素组成，C、H、O 是生物质的主要成分。在 C、H、O、N、S 五中元素中，占的比例见表1。

3.2 工业成分

工业利用好生物质能源需要对其进行工业成分分析与研究。其中，工业分析见表2[3]。

3.3 生物质成型燃料

生物质成型燃料是以农业、林业及其废料为原料，用机械加工（如切割、破碎等）、致密成型等技术，加工成具有一定形状（多数为规则形状）及尺寸、堆积密度大、利于运输及燃烧的成型燃料。目前，生物质燃料的成型化主要有颗粒状、块状、实心棒状、空心棒状等。成型后生物质燃料的尺寸一般小于25 mm 直径，真密度为600～1 400 kg/m3,自然堆积密度为 600 kg/m3，比较适合长距离运输。

3.4 生物质秸杆颗粒燃料与Ⅱ类烟煤的对比

生物质秸杆颗粒燃料与Ⅱ类烟煤的成分对比见表3。

表1 生物质的元素分析

表2 生物质的工业分析

表3 生物质秸杆颗粒燃料与Ⅱ类烟煤、褐煤的对比

从表3 可以看出，生物质燃料的特点是“三高三低”，即挥发分、氧、氢的含量高，碳、硫、灰的含量比较低。其燃料中含碳量较少，相当于年轻的褐煤，固定碳明显低于Ⅱ类烟煤。因此，生物质燃料热值低，燃烧时间短。

4 生物质的特性

4.1 能量密度低

生物质的分布、自然形状、尺寸、堆积密度等特性影响生物质的收集、运输等[4]。表4给出玉米秸杆与原煤的特性比较。

从表2 可以看出，生物质散料由于能量密度低并且分散，生物质的收集与运输是影响生物质燃料利用的主要影响因素，远距离运输自然生物质燃料不可取，必须要成型化才能有更好的用途。成型后生物质燃料的尺寸一般小于25 mm 直径，真密度为600～1 400 kg/m3,自然堆积密度为600 kg/m3，比较适合长距离运输使用。

4.2 灰熔点低

生物质燃料中钾(K)含量高，灰的软化温度较低，其灰的软化温度在860～900 ℃，在锅炉设计中要考虑到此特点[5]。

4.3 低污染、低排放

生物质燃料不同于煤、油及天然气等化石燃料，根据第3部分对生物质燃料的元素分析，可以看出生物质燃料的特点是“三高三低”，由于碳、硫、灰的含量比较低，所以生物质能是低污染、低排放的燃料，是可再生的清洁型循环燃料，主要原因如下：

在中考作文评阅中常常遇到许多作文，语言表达很深刻，但内容与标题衔接不紧密，即扣题不严，也就是审题出现失误。如2010年中考作文《不会变的是 》，许多学生是叙述了一件事然后文末强调“不会变”，而没有扣住“变”中“不变”，即事件环境“变”而人的情感“不变”。

1) 燃烧过程中CO2排放不增加(生长过程中光合作用吸收CO2，与燃烧过程中排放CO2近于平衡)；

2)生物质燃料的S 含量很低，燃烧过程中排放的SO2很低；

3) 低NOx 排放。生物质燃料的挥发分、氧及氢的含量高，决定了生物质燃料易着火，可以实现低温燃烧，减少NOx 的排放。生物质的着火温度在250 ℃左右，而煤在450 ℃左右，因此当燃烧温度在850～950 ℃时，可以实现较高的燃烧效率。生物质燃料挥发分高，着火点低，可以实现低温燃烧，这样可以大大降低热力型NOx 的生成，而热力型NOx 可占总NOx 比重达95%,所以能控制总体NOx的排放。

5 生物质能在工业锅炉上的应用

生物质锅炉是以生物质作为燃料的锅炉，按照锅炉用途，生物质锅炉分为生物质发电锅炉、生物质工业锅炉及燃烧生物质燃料的特种锅炉三大类。生物质发电锅炉是指将生物质在锅炉中直接燃烧，生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电的锅炉，包括热电联产的生物质锅炉。生物质工业锅炉是指燃烧生物质产生热能的锅炉，按照热能携带介质的形式分为蒸汽锅炉和热水锅炉。燃烧生物质燃料的特种锅炉是指热能携带介质是非蒸汽和热水，包括生物质热风炉、生物质导热油炉等。

生物质锅炉常见的燃烧方式有层状燃烧、流化床燃烧、生物质气化后室燃等。

5.1 生物质层状燃烧锅炉

层状燃烧是目前生物质锅炉应用最为广泛的一种燃烧方式，层状燃烧适合破碎后的生物质燃料及颗粒成型燃料。生物质燃料以一定的厚度铺设在炉排上，并以一定的行进速度推进，在炉排上的生物质燃料以确定的区段燃烧特性完成燃烧进程。目前，生物质层状燃烧技术包括链条炉排、往复炉排、水冷振动炉排、小型生物质锅炉采用固定炉排。采用层燃技术开发生物质能，锅炉结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。锅炉的炉排面积较大，炉排速度可以调整，并且炉膛容积有足够的空间，能延长生物质在炉内燃烧的停留时间，沿着炉排上床层的高度及长度分成不同的燃烧阶段，有利于生物质燃料的完全燃烧，但层燃锅炉的炉内温度很高，可以达到1 000 ℃以上，灰熔点较低的生物质燃料很容易结渣。同时，锅炉对配风的要求比较高，难以保证生物质燃料的充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率。目前，国内生物质锅炉的燃烧方式主要采用流化床、联合炉排、水冷振动炉排，部分容量35 t/h 以下的发电锅炉采用链条炉排、往复炉排[7]。

5.2 生物质流化床燃烧锅炉

流化床燃烧是指燃料在流化床内处于流化状态进行燃烧反应和热交换。对于水分含量比较高的生物质燃料，适合采用流化床技术，利用砂子、高铝砖屑或炉渣等作为流化介质，形成蓄热量大、温度高的床层，为高水分的生物质燃料提供适宜的燃烧条件。床层剧烈的传热过程以及燃料可以在床内长时间停留，有利于生物质的完全燃烧，提高燃烧效率。流化床对燃料的粒度有较严格要求，因此需要对生物质进行破碎等预处理，以保证生物质燃料的正常流化[8]。

目前，运行的流化床生物质锅炉参数基本是中温中压或次高温次高压，今后会逐步向高参数方向发展，这是锅炉发展的必然趋势，因为提高蒸汽参数是提高发电效率的最有效途径。目前，生物质流化床燃烧锅炉随着生物质循环流化床燃烧技术中飞灰聚团和高温腐蚀两大技术难题在实践中不断克服，已具备了高温高压循环流化床秸秆锅炉技术条件，即将进入实际应用阶段。

5.3 生物质气化后室燃锅炉

生物质气化是在一定的热力学条件下，借助于空气部分(或者氧气)、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原重整反应，最终转化为H2、CO 和CH4等低分子烃类可燃气体的过程。生物质气化发电技术(BGPG)可以在较小的规模下实现较高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特别适合于农村、发展中国家和地区。我国对各种气化方式都有研究，已完成了多种气化炉的研制，目前研究完成并正常运转的主要有三种，即敞口下吸式、下吸式及循环流化床，发电功率可以从几千瓦到几千千瓦，这为气化发电技术的进一步发展提供了条件。

气化后的燃气需经净化处理后才能用于发电或供热，燃气净化包括除尘、除灰和除焦油等过程。气体净化是中国生物质气化最薄弱的环节，目前都采用水洗的办法，既降低系统效率，又产生含焦油的污水，所以是今后研究的主要课题。按现在的技术看来，进行焦油裂解减少焦油和水处理使废水循环使用是气体净化的两个关键问题。目前，生物质气化的焦油问题由于仍未解决，为避免二次污染，必须投入资金建设污水处理设备，对不同的系统处理污水的投入不同，来说，功率越小，比例越大，这也是小功率BGPG 难以推广的主要原因，而且由于污水处理占地较大，很多用户为了节省投入和降低运行费用，对污水不进行处理，引起环境问题。

由于能量密度低并且分散，生物质的收集与运输是生物质成本的主要部分，而生物质的预处理必须增加相应的设备和投资，这两部分都会增加生物质气化发电的运行成本。生物质气化发电技术(BGPG)可以在较小的规模下实现较高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特别适合于农村、发展中国家和地区，所以是利用生物质的一种重要技术，是一个重要的发展方向。

6 生物质能利用的意见和建议

生物质能在国际上被称为CO2零排放，也称为碳中性[6]。生物质燃料在燃烧过程中排放的CO2是植物生长期所吸收的，不增加大气的CO2总量。燃烧过程中排放的SO2很低，并且低NOx 排放，能满足当前国家的环保要求，因此生物质能源有很大的发展空间。本文对生物质能作为锅炉燃料提供以下意见和建议：

1）生物质燃料多种多样，只要适合燃烧，对大型锅炉，只要做好尾部的颗粒物的净化工作，也可以考虑散料燃烧。

2）生物质成型燃料适合运输、储存，燃烧效果也好，但成型燃料制作过程需要消耗能源，成本高，适合小型锅炉使用。

3）生物气化炉，总体效果不理想，焦油较难处理，多数是前置炉膛直燃，高温烟气进锅炉，有待进一步规范与提高。

4）生物质种类复杂，不同种类生物质之间形态、组分、物性和燃烧性能各不相同，因此需要根据不同种类生物质燃料的燃烧特性选择不同的燃烧技术及相应的设备。

5）生物质燃料本是清洁燃料，不管散料还是成型燃料，只要能燃烧，均可因料、因地给予支持，不能从表面上理解气化燃烧就符合环保要求，固体燃烧就不符合环保要求，同时对生物质燃料管理及设计、使用等有待进一步规范。

6）保证生物质能原料供应。加强对生物质资源的管理，科学规划，优化布局，促进建立健全生物质燃料的收集、预处理和配送体系，通过发展科学的能源农业，形成持续不断、高质量、低成本的原料供应体系。

7）生物质燃料与锅炉实现能源转换，应从系统总体考虑环保与节能。只从燃料、锅炉或环保设备单方面考虑，不利于生物质能源的开发与提高，一定要结合自身生物质原料的特点，制定出合理的、符合当地条件的发展模式。