淺談生物質(zhì)能利用主要技術(shù)路線

舒 暢

(陜投集團 陜西 西安 721500)

背景

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年農(nóng)村生物質(zhì)的產(chǎn)量約300億噸，生物質(zhì)能源占全世界能源消耗的14%，僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四位。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年至少有7億噸的農(nóng)作物廢棄物，生物質(zhì)資源利用率不高，大量秸稈資源在田間焚燒，不僅污染環(huán)境，而且浪費能源，生物質(zhì)能的開發(fā)利用潛力巨大。

一、生物化學(xué)技術(shù)

生物化學(xué)轉(zhuǎn)化包括生物發(fā)酵(產(chǎn)生乙醇)和厭氧性消化(產(chǎn)生沼氣)以及生物制氫技術(shù)。

(一)生物發(fā)酵技術(shù)

通過發(fā)酵方法制取生物乙醇，有兩種途徑：一是糧食類，以玉米等淀粉類和甘蔗汁、砂糖等糖蜜類物質(zhì)為主要原料；另一類則是以農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等)、工業(yè)廢棄物(紙漿纖維渣、鋸末等)、城市廢棄物(廢紙、包裝紙等)及林業(yè)廢棄物等纖維素含量較高的物質(zhì)為發(fā)酵原料。采用淀粉和纖維素類原料生產(chǎn)乙醇，可分為三個階段：大分子生物質(zhì)分解成葡萄糖、木糖等單糖分子，單糖分子經(jīng)糖酵解形成二分子丙酮，然后無氧條件下丙酮酸被還原成二分子乙醇，并釋放CO2；糖類作物不經(jīng)過第一階段，進入糖酵解與乙醇還原過程。纖維素作物中的纖維素成分分解成六碳糖，半纖維素則分解成五碳糖。

(二)厭氧性消化技術(shù)

厭氧性消化產(chǎn)生CH4(體積分數(shù)55%～65%)和CO2(體積分數(shù)30%～40%)氣體混合物。沼氣發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)在污水處理、堆肥制造、人畜糞便、農(nóng)作物秸稈和食品廢物處理等方面得到廣泛應(yīng)用，反應(yīng)器類型以厭氧式結(jié)構(gòu)為主。

(三)生物制氫技術(shù)

廣義上講，生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括微生物產(chǎn)氫和生物質(zhì)氣化熱解產(chǎn)氫等。狹義上講，生物制氫僅指微生物產(chǎn)氫，包括光合細菌(或藻類)產(chǎn)氫和厭氧細菌發(fā)酵產(chǎn)氫等。

二、生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)

生物質(zhì)熱化學(xué)技術(shù)是將能量密度低的低品位能源轉(zhuǎn)變成高品位能源的最直接方式，包括液化技術(shù)、直接燃燒技術(shù)和熱解氣化技術(shù)等。

(一)生物質(zhì)液化技術(shù)

生物質(zhì)液化技術(shù)可以將生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為燃料油。生物質(zhì)液化技術(shù)分為直接液化與間接液化。直接液化技術(shù)主要指熱化學(xué)法生產(chǎn)生物油；間接液化是模仿煤基 間接液化，通過費托合成制取液體燃料的技術(shù)。

直接液化技術(shù)分為兩種：一種是高壓液化技術(shù)，包括催化液化和超臨界液化。另一種液化技術(shù)是在常壓下進行的生物質(zhì)快速(閃速)熱裂解技術(shù)。

間接液化技術(shù)是先通過氣化得到以CO、CH4和H2為主的生物質(zhì)合成氣，然后將合成氣經(jīng)過催化重整調(diào)配碳氫比，再利用催化工藝合成甲醇、二甲醚和烷烴(柴油)等的過程。間接液化得到的是與傳統(tǒng)化石燃燒類似的碳氫燃料，能夠直接用作動力和交通燃料，具有較高的性能。

(二)生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

1.生物質(zhì)直燃發(fā)電。生物質(zhì)直燃發(fā)電的基本原理是由生物質(zhì)鍋爐利用生物質(zhì)直接燃燒后的熱能產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽推動汽輪發(fā)電機系統(tǒng)進行發(fā)電，在原理上與燃煤鍋爐火力發(fā)電十分類似。已開發(fā)應(yīng)用的生物質(zhì)鍋爐種類較多,如木材鍋爐、甘蔗渣鍋爐、稻殼鍋爐、秸稈鍋爐等。

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)包括原料預(yù)處理、生物質(zhì)鍋爐防腐、提高生物質(zhì)鍋爐的多種原料適用性及燃燒效率、蒸汽輪機效率等技術(shù)。

生物質(zhì)直接燃燒方式包括固定床燃燒和流化床燃燒二種方式，固定床燃燒對生物質(zhì)原料的預(yù)處理要求較低，生物質(zhì)經(jīng)過簡單處理甚至無須處理就可投入爐排爐內(nèi)燃燒；流化床燃燒要求將大塊的生物質(zhì)原料預(yù)先粉碎至易于流化的粒度,其燃燒效率和強度都比固定床高。另外，由于我國的生物質(zhì)種類多，成分復(fù)雜，收集運輸困難，而且主要的農(nóng)業(yè)廢棄物受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和季節(jié)性的影響不能保證全年供應(yīng)，所以與燃煤鍋爐對燃料單一性的要求不同，生物質(zhì)鍋爐要求能適應(yīng)多種生物質(zhì)原料，以保證燃料供應(yīng)的穩(wěn)定性。

我國的生物質(zhì)鍋爐和小型蒸汽輪機技術(shù)已基本成熟，但設(shè)備規(guī)模較小，壓力、溫度等參數(shù)較低，電廠綜合發(fā)電效率偏低。

生物質(zhì)燃燒電廠的流程如下：生物質(zhì)燃料從附近各個收集點運送至電站，經(jīng)預(yù)處理(破碎、分選、壓實)后存放到燃料存貯倉庫，倉庫容積至少保證可以存放7天的發(fā)電燃料量；然后由燃料輸送裝置將預(yù)處理的生物質(zhì)送入鍋爐燃燒，通過鍋爐換熱，利用生物質(zhì)燃燒后的熱能把鍋爐給水轉(zhuǎn)化為蒸汽，為汽輪發(fā)電機組提供汽源進行發(fā)電。生物質(zhì)燃燒后的灰渣落入出渣裝置，由除渣機送到灰渣坑，進行灰渣處理。煙氣經(jīng)過處理系統(tǒng)后由煙囪排入大氣，其蒸汽發(fā)電部分與常規(guī)的燃煤電廠的蒸汽發(fā)電部分基本相同。

通常直燃發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成包括生物質(zhì)燃料收集系統(tǒng)、燃料預(yù)處理系統(tǒng)、燃料儲存系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)等。生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)與生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的主要差別在于燃燒系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)。

生物質(zhì)直燃發(fā)電燃燒系統(tǒng)主要包括爐前給料設(shè)備、燃燒設(shè)備、煙風(fēng)系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)等；熱力系統(tǒng)主要包括主蒸汽系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、低壓給水及除氧系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、補水系統(tǒng)等。

2.生物質(zhì)直接與煤混合燃燒發(fā)電。生物質(zhì)直接與煤混合燃燒發(fā)電是指將生物質(zhì)燃料應(yīng)用于燃煤電廠中，和煤一起作為燃料發(fā)電。生物質(zhì)直接與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機發(fā)電。生物質(zhì)直接與煤混合燃燒要求較高，流化床鍋爐對生物質(zhì)混燒適應(yīng)性很好，煤粉爐對生物質(zhì)混燒的適應(yīng)性相對較差。

(三)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化是開展較早且較為成熟的生物質(zhì)規(guī)?；眉夹g(shù)之一，不僅可以實現(xiàn)居民生活集中供氣、供熱，還能實現(xiàn)內(nèi)燃機、燃氣透平或通入大型燃煤鍋爐等設(shè)備發(fā)電，是高轉(zhuǎn)化效率的先進工藝。

1.將生物質(zhì)燃氣送入燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組。內(nèi)燃機一般由柴油機或天然氣機改造而成，以適應(yīng)生物質(zhì)燃氣熱值較低的要求。燃氣內(nèi)燃機方案工藝流程為：燃氣凈化后通過引風(fēng)機進入儲氣柜中，再通過管道進入內(nèi)燃發(fā)電機組，在內(nèi)燃機內(nèi)燃氣混合空氣燃燒做功，驅(qū)動主軸高速轉(zhuǎn)動，主軸再帶動發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生的廢氣通過煙囪排入大氣。

2.將生物質(zhì)燃氣送入大型燃煤鍋爐。生物質(zhì)氣化混合發(fā)電技術(shù)是指將生物質(zhì)燃氣送入大型燃煤鍋爐中燃燒，利用已有汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

生物質(zhì)氣化混合燃燒發(fā)電技術(shù)與生物質(zhì)氣化直接發(fā)電技術(shù)工藝大體相同，區(qū)別在于生物質(zhì)氣化混合發(fā)電技術(shù)不需增加燃氣輪機，而是將氣化爐產(chǎn)生的燃氣送入現(xiàn)有鍋爐燃燒器，即在燃煤電廠的基礎(chǔ)上增加一套生物質(zhì)氣化設(shè)備，將生物質(zhì)燃氣直接送入鍋爐中燃燒。

生物質(zhì)氣化混合燃燒發(fā)電技術(shù)需要改造現(xiàn)有燃煤鍋爐，增加生物質(zhì)燃氣噴口。將生物質(zhì)燃氣凈化后通入，與煤進行混燒，產(chǎn)生的蒸汽進入原有汽輪發(fā)電機發(fā)電。

本技術(shù)利用了大型燃煤發(fā)電廠的高效率，燃氣發(fā)電效率較高；同時通過在線監(jiān)測燃氣流量、熱值、燃氣溫度以及電站鍋爐的發(fā)電效率，實現(xiàn)生物質(zhì)燃氣發(fā)電部分的單獨核算。