國內生物質發電現狀及應用前景

童家麟，呂洪坤，齊曉娟，韓高巖

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014）

國內生物質發電現狀及應用前景

童家麟1，呂洪坤1，齊曉娟2，韓高巖1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014）

生物質發電因其具有良好的經濟效益和社會效益，受到世界各國的重視。我國在生物質發電方面遠落后于發達國家，大力發展我國的生物質發電迫在眉睫。介紹了國內最大直燃生物質發電集團投產機組的數量、規模及分布，總結了國內投產的最大容量直燃生物質機組項目和國內首臺秸稈與煤混合燃燒發電機組的運行情況及存在問題，并對國內生物質發電的應用前景進行了展望。

生物質發電；直燃；混燃

0 引言

能源是人類社會發展的基石和動力，人類對能源的需求牽引著能源技術的革新與革命，進而影響著人類的生產方式、生活方式和社會管理，促進人類社會發展。當前，世界能源發展日益呈現出多元化、低碳化、智能化和分布式等特征。未來全球能源消費結構中太陽能、風能、地熱能和現代生物質能等可再生能源的占比將不斷增加。其中，可再生能源中現代生物質能具有資源豐富、可再生和分布地域廣等優點，被認為是21世紀最有前途的綠色可再生能源之一[1-2]，因而受到越來越廣泛的關注。

1 生物質能轉化技術概述

生物質能轉化技術包括直接氧化、壓縮成型、熱化學轉換和生物轉化技術[3]。

（1）直接氧化是生物質能最早被利用的傳統方法，就是在不進行化學轉化的情況下，將生物質作為燃料轉化為能量的過程。

（2）熱化學轉換是利用纖維素、半纖維素和木質素的化學變化改變其物理特性而形成新的生物質能源。燃燒是應用最廣泛的熱化學轉換方式，直接燃燒可分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒2種，爐灶燃燒的效率一般為15%，能源利用率較低且環境污染嚴重；而鍋爐燃燒是將生物質能轉化為熱能，再將熱能轉化為電能的過程，其熱效率可達60%左右[4]。

（3）壓縮成型技術是將秸稈、稻殼、木屑等農林廢棄物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下壓縮成需要的形狀，固化成型后的廢棄物較容易存貯和運輸，容易形成產業鏈。

（4）生物轉化技術包括水解發酵、生物質裂解、沼氣發酵技術和生物質熱解氣化技術等。水解發酵技術主要是將能源作物轉變為乙醇的方法，隨著汽車及內燃機工業的迅速發展，發展乙醇等能源替代品有著很好的應用前景[5]，但由于生產成本較高，目前還沒有實現大規模工業化生產，因此研發出流程短、效率高、能耗低的新工藝，是實現產業化的關鍵。生物質裂解的主要產物為生物燃油，它是在無氧或缺氧條件下，利用熱能切斷生物質大分子鍵，使之轉變為小分子物質的過程，但是裂解得到的液體燃燒熱穩定性較差，有高含碳量和高含氧量，并存在腐蝕性，因此需要將產物改性和精制后才可使用，低成本的后期處理是生物燃油得以推廣的關鍵。沼氣發酵技術實質上是微生物的物質代謝和能量轉換過程，它不僅會產生優質燃料，同時也解決了農村能源短缺問題，但沼液沼渣無害化處理方式的推廣是今后該技術得以廣泛應用的關鍵。生物質熱解氣化技術是將生物質轉化為可燃氣體加以利用，轉化為可燃氣體后能源利用率得到提高，但生成的燃氣不易于儲運，且可燃氣體一般為低熱值或中熱值，較少產生高熱值氣體，氣化產物品質不高是制約生物質氣化技術的主要原因。

綜上，目前生物質能的各種轉化技術都有其局限性，但隨著燃燒煤炭、石油發電帶來的環境問題越來越突出，直燃生物質發電或者混燃生物質發電因產生的硫、氮排放物較少，受到更多的關注[6]。首先，它能將秸稈等變廢為寶，其殘存物可用作農田肥料，創造就業機會，帶來良好的經濟效益；此外，生物質發電還可減少因農作物就地焚燒引發的污染，排放物也較燃煤發電明顯減少，社會效益顯著提高[7-8]。

發達國家在生物質利用方面具有明顯的領先優勢，約占全球所占份額的80%以上[9]。我國在生物質利用方面大大落后于發達國家，大力發展我國的生物質發電迫在眉睫。

以下介紹國內最大直燃生物質發電集團的投產機組數量、規模及分布，重點闡述國內投產的最大容量直燃生物質機組和首臺秸稈與煤混合燃燒發電機組的運行情況和存在問題，并對國內生物質發電的應用前景進行展望。

2 國能公司直燃生物質發電廠投產情況

國能生物發電有限公司（以下簡稱國能公司）是從事生物質能綜合開發利用的專業化公司，其累計裝機量已突破100萬kW，主要采用丹麥BWE公司研發的農業廢棄物生物質燃燒發電技術[10]，其生物質發電廠的發展很好地反映了我國生物質發電廠發展速度及規模。

早期，我國生物質發電以甘蔗發電為主，以農業廢棄物為原料的規模化并網發電項目幾乎是空白[11]。從2006年單縣生物質發電廠投產后，生物質規模化并網發電項目有了大規模的發展。截至2015年，國能公司項目已遍布山東、河北、河南、江蘇、黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、新疆、江西、安徽、四川等省。圖1為截至2015年底國能公司歷年投產的生物質發電廠裝機容量，圖2為歷年投產的生物質發電廠裝機臺數。由圖可知，2006—2010年期間，國能公司投產生物質機組相對較多，這主要得益于2006年我國《中華人民共和國可再生能源法》的頒布，以及生物質能發電優惠上網電價等有關配套政策的實施[12]，促使生物質能發電特別是秸稈發電迅速發展。但投產的機組單機容量都相對較小，且由于缺乏統一的生物質發展規劃，導致部分地區生物質電廠無序增加，燃料的收購競爭趨于激烈，原材料價格大幅上漲，2010年之后發電廠的建設速度趨緩[13]。

統計數據顯示：國能公司投產和在建的生物質發電廠分布在全國多個省份，如黑龍江省4臺機組共115 MW；吉林省5臺機組共132 MW；遼寧省2臺機組共50 MW；山東省7臺機組共182 MW，另有2臺機組在建；江蘇省2臺機組共60 MW；安徽省4臺機組共120 MW；江西省1臺機組共30 MW，另有1臺機組在建；河南省4臺機組共97 MW；四川省1臺機組在建；河北省4臺機組共114 MW；內蒙古自治區3臺機組共36 MW；新疆維吾爾自治區2臺機組共24 MW?？梢钥闯?，生物質發電廠在我國華北地區和東北地區分布較多，這是由于西南、東北和華北地區是我國生物質能特別是小麥秸稈和玉米秸稈的主要分布區[14]，也是發展能源農業環境效益最大的地區，生物質能源的收集較為方便。

3 直燃生物質和摻燒生物質發電項目簡介

3.1 湛江生物質發電項目

2011年8月，迄今國內單機容量及總裝機容量最大的純生物質發電項目即廣東湛江生物質發電項目投產[15]，項目配置2臺生物質燃料220 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐，鍋爐型號為HX220/ 9.8-IV1，其基本參數如下：最大連續蒸發量為220 t/h，過熱器出口蒸汽壓力為9.8 MPa，過熱器出口蒸汽溫度為540℃，省煤器進口給水溫度為224℃，空氣預熱器（以下簡稱空預器）出口煙氣溫度為140℃。該發電廠基本項目組成與常規燃煤機組類似，但料場和灰庫較相同容量的燃煤機組大，這是由于生物質燃料發熱量低、灰量大所致，進而導致生物質鍋爐的輸料系統成為一個薄弱環節[16]。該發電廠日耗燃料（桉樹燃料和甘蔗燃料按固定比例混合燃燒）2300 t，年消耗生物質資源約57.86×104t，湛江地區生物質可獲得量合計約273×104t[17]，燃料資源供給量可以得到充分保證。

圖1 國能公司歷年投產生物質發電廠裝機量

圖2 國能公司歷年投產生物質機組數量

湛江生物質發電廠自投產以來，取得了比較明顯的社會效益，但運行過程中也出現了許多影響經濟運行和安全運行的問題。例如，由于生物質燃料鉀和氯含量較高，易對受熱面產生腐蝕，特別是過熱器和空預器的腐蝕尤為常見[18-19]。

某75 t/h生物質鍋爐的三級過熱器曾因高溫腐蝕而發生爆管[20]。圖3為生物質燃料中鉀、硫和氯的存在形式和變化過程。收集部分過熱器外表面脫落的腐蝕產物，并對其進行成分分析，發現管外腐蝕垢樣中含有大量的堿金屬，其中鉀含量達到28.24%，氯含量達到20.49%，因此判定管外腐蝕垢樣的主要成分為KCl。垢樣是煙氣中夾帶的堿金屬氯化物接觸到受熱面凝結下來，并在受熱面上不斷生長、聚集而成的，會對管子造成嚴重腐蝕?？疹A器發生腐蝕的原因是其管壁溫度一旦低于煙氣的酸露點溫度，煙氣中的水蒸氣便凝結在管壁上面，如果有水分存在，水溶性氯化物將形成水溶液，導致嚴重的電解腐蝕?？疹A器的管壁溫度在30～40℃，煙氣的酸露點溫度約為40℃，這就是空預器容易發生酸露腐蝕并且積灰的主要原因。為了防止酸露腐蝕，在發電廠的實際運行中，往往會盡可能提高空預器二次風進口溫度，并采用烘干等手段減少燃料中的水分，從而降低煙氣的酸露點。

圖3 生物質燃料中鉀、硫和氯的存在形式和變化過程

3.2 十里泉發電廠煤與生物質混燃項目

生物質與煤混燃是近年來研究的熱點，早期基本為生物質直燃鍋爐摻燒煤粉，目的是提高鍋爐的穩燃性[21]，而燃煤鍋爐摻燒生物質燃料是傳統燃煤發電廠未來改造的新方向。將生物質與煤混合燃燒可以充分利用可再生資源，緩解環境壓力，在減少煤炭消耗的同時，還能有效解決單純利用生物質燃料帶來的能量密度低、貯運不便、易受季節影響以及電廠燃用劣質煤時著火不穩定等問題[22-24]，并且可以豐富鍋爐的燃料來源[25]。與直燃生物質鍋爐相比，避免了因生物質燃料短缺造成的機組停運，提高了機組的可利用小時數。國外摻燒生物質技術相對成熟，我國投產的燃煤鍋爐容量都較大，單機容量通常在50～800 MW[24]，部分鍋爐生物質摻燒比例達到了50%。

我國首臺秸稈與煤混合燃燒發電機組于2005年在山東十里泉發電廠投產。該廠5號機組采用了煤與生物質（秸桿）混燃技術，增加了1套秸稈粉碎設備、輸送設備和2臺額定功率30 MW的秸稈燃燒器，同時對供風系統及相關控制系統進行了改造。改造后的鍋爐可將秸稈與煤粉混燒，也可繼續單獨燃用煤粉，每年可燃用秸稈10萬t左右。改造后2臺新增燃燒器的輸入熱量達到鍋爐總輸出熱量的20%。表1為2006年1—6月秸稈系統運行統計數據。由表可知，在5號機組實際運行期間，秸稈系統投運時間較長，系統利用率較高。按機組年利用6000 h，秸稈發電量占機組發電量20%計算，該機組可節約標煤約57184 t，年利潤總額約139.16萬元。

表1 十里泉秸稈系統運行時間統計（2006年） h

4 制約國內生物質發電廠發展的若干因素

4.1 宏觀層面

（1）我國生物質資源分布不均勻，因此不宜在同一地區建設多個生物質發電廠。但受生物質發電上網電價較高的激勵，2010年前，部分生物質燃料相對豐富的地區曾出現生物質發電廠“一哄而上”的局面，如國能單縣發電廠附近就出現了4家生物質發電廠，導致原料供應矛盾不斷加劇，甚至出現部分小生物質發電廠平時燒煤，應付檢查時才燒秸稈的現象。

（2）我國生物質發電產業受政府推導的影響，在當前的產業鏈中有比較明顯的嵌入性，上下游不具備成熟的收購、儲存、運輸、發電以及廢料處理的配套產業，導致生物質發電產業不通暢。

（3）生物質發電廠的單位建設成本和初始投資額度較大，建設成本達到9000元/kWh[26]，且金融機構對該行業的了解還很欠缺，因而不愿為生物質發電項目融資，僅靠政府投資的單一融資渠道使其發展受限。

4.2 技術層面

（1）由于生物質燃料中鉀和氯含量較高，使得生物質鍋爐普遍存在嚴重的各級受熱面積灰、結渣和玷污問題，嚴重的玷污會降低傳熱效率，甚至導致局部傳熱表面因被玷污覆蓋而喪失傳熱性能。

（2）生物質的高氯含量，致使燃燒過程中氯化物污染物的含量遠高于煤燃燒產生的氯化物，因此與普通燃煤鍋爐減少二氧化硫排放不同，生物質鍋爐污染物治理重點是減少氯化物的排放。

（3）生物質燃料若水分含量較高，會加劇粉碎設備的磨損，因此需用較長時間對生物質燃料進行晾曬，這就增加了原料的供應周期，特別是在多雨且潮濕的南方，發展生物質發電更為困難。

（4）生物質燃料質地松軟、密度小、發熱量低，因此其體積消耗量要比同規模燃煤電廠大很多，需要更大的上料系統。由于燃料種類很多，混合上料的時候，容易出現堵料、燃料成分不均勻等問題，從而導致鍋爐燃燒不穩定。

（5）生物質燃料的水分和含氧量較高、熱值較低，在相同鍋爐出力的條件下，燃燒穩定性差，煙氣量、灰渣含碳量均較燃煤鍋爐大很多，進而導致主要輔機故障率和能耗較高，燃燒效率較低。

可見，我國在生物質能燃燒利用方面，無論是宏觀層面還是技術層面都存在著許多不足，另外我國的生物質發電燃料分布不均勻且燃料供應產業鏈也不完善。因此，為加強和規范生物質發電項目管理，促進生物質發電可持續健康發展，國家發展改革委辦公廳頒布了《加強和規范生物質發電項目管理有關要求的通知》，提出了提高生物質資源利用效率、合理布局項目、嚴禁生物質發電項目摻燒化石能源等若干要求。隨著我國生物質燃燒發電技術的不斷突破，有望解決生物質鍋爐存在的效率低、堿腐蝕、結焦、結渣等問題，從而實現生物質能高效、經濟、規?；?。

5 結語

對生物質能的各種利用方式進行介紹和對比，結合國能公司歷年投產和在建的生物質直燃發電廠，以及湛江生物質發電廠和十里泉發電廠運行情況，對典型生物質燃料的燃燒特性開展了深入研究。結果表明，近十年來，盡管我國生物質發電廠的數量和規模都有了長足的發展，但生物質發電在產業化發展過程中受到了經濟層面和技術層面的諸多限制。

國務院《能源發展“十二五”規劃》明確指出：堅持集中與分散開發并舉，以風能、太陽能、生物質能利用為重點，大力發展可再生能源；有序開發生物質能，以非糧燃料乙醇和生物柴油為重點，加快發展生物液體燃料；鼓勵利用城市垃圾、大型養殖場廢棄物建設沼氣或發電項目；因地制宜利用農作物秸稈、林業剩余物發展生物質發電、氣化和固體成型燃料。國務院《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》也指出：積極發展生物質能，制定生物質能開發利用規劃，積極推動生物質能清潔高效利用，推廣生物質能發電示范工程。2012年初，國內首臺生物質氣化發電項目在荊門投入商業運行，開創了將生物質氣化-再燃發電技術應用于現代大型火力發電機組的先例，又為生物質發電提供了一個新的方向。隨著國家對新能源利用的日益重視和生物質燃燒技術的不斷成熟，我國生物質發電廠的建設也將進入下一個高峰期。

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（本文編輯：方明霞）

Status Quo and Application Prospect of Domestic Biomass Power Generation

TONG Jialin1，LYU Hongkun1，QI Xiaojuan2，HAN Gaoyan1
(1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China; 2.Hangzhou Yineng Electric Power Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China）

Due to its economic and social benefits，biomass power generation draws global attention.It is imminent to significantly enhance the development of biomass power generation since China falls far behind developed countries in biomass power generation.This paper expounds quantity，size and distribution of generating units that have been put into operation in direct-fired biomass generation group in China and summarizes the operating biomass generating units with maximum capacity as well as the operation and existing problem of the first mixed combustion unit by straw and coal.Besides，the application prospect of domestic biomass power generation is discussed.

biomass generation；direct-fired；mixed combustion

TM619

：B

：1007-1881（2017）03-0062-05

2016-10-14

童家麟（1986），工程師，主要從事燃煤鍋爐基建、性能優化和新能源開發工作。