清潔能源的生物質能特性分析與應用建議

呂巖巖

上海工業鍋爐研究所有限公司

0 前言

生物質能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油和天然氣。據查，中國不含太陽能的清潔能源年資源量為21.5 億tce，其中生物質占54.5%。生物質原料資源量是水電的2倍，或是風電的3.5倍[1]。生物質能源的年生產量遠遠超過全世界總能源需求量,相當于目前世界總能耗的10倍。我國作為一個農業大國，每年都會產生十幾億噸的農業和林業廢棄物，其中無法處理的剩余農作物秸稈在田間焚燒的要超過幾億噸，造成了嚴重的空氣污染和資源浪費，若能合理轉化利用這些生物質能源，將有效緩解能源緊張的問題。生物質能源可以散料、壓縮成型固體燃料、沼氣氣化生產燃氣、氣化發電、生產燃料酒精、熱裂解生產生物柴油等形式存在，應用在國民經濟的各個領域，通過生物質鍋爐合理利用農業中產生的大量生物質能源，將會取得巨大的社會經濟效益。

1 生物質能定義

生物質能是太陽能以化學能形式儲存于生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，是一種可再生能源，也是唯一的一種可再生的碳源[2]。

2 生物質資源分類

生物質能根據來源的不同，適合能源利用的可分為農作物剩余物、林業剩余物、能源林、生活污水與工業有機廢水、城市固體廢棄物及畜禽糞便五大類，用于鍋爐燃燒的主要是前三類[2]。

2.1 農作物剩余物

1)農作物剩余物種類

農作物剩余物包括農作物秸桿，其中有玉米秸、麥秸、稻秸、棉秸、豆秸等。

另外，還有農作物產品初加工剩余物，其中有玉米芯、稻殼、花生殼等。

2)農作物剩余物產量

農業部和國家統計局的統計數據顯示，我國農作物秸稈產量近年來穩定提高，整體呈增長態勢（見圖1）。2016-2018 年，秸稈產量略有波動，但是穩定超過11 億 t，2018 年我國秸稈產量接近11.35 億t。總體來看，我國秸稈產量巨大，這為生物燃料提供了充足的原材料市場，也為燃料提供了廣闊的發展空間。

圖1 2012-2018年我國農作物秸稈產量

3)農作物剩余物的用途

農作物剩余物可以用來制作纖維板、造紙原料,如玉米秸、麥秸、棉秸等，還可以作為飼料，如玉米秸、豆秸、花生秧、薯滕、稻殼、花生殼等，還可以作為木糖醇、糠醛等華工產品的原料，如玉米芯等，也可還田作為肥料，可作為生活和工業燃料，如燃生物質鍋爐。

我國農作物秸桿的用途比例見圖2，用于肥料化約占47.2%，用于飼料化約占17.99%，用于能源化11.19%，用于原料化2.47%，用于基料化2.23%，未利用的農作物秸桿約為18.32%。

圖2 我國秸稈綜合利用情況

以2018 年農作物秸桿產量為例，未利用的農作物秸稈量約為2.08 億t，用于鍋爐燃料的秸稈約占 82%。2018 年 10 月，農業部提出：“到 2020 年，全國秸稈綜合利用率達到85%以上；力爭到2030年，全國建立完善的秸稈收儲運用體系，形成布局合理、多元利用的秸稈綜合利用產業化格局，基本實現全量利用。”國家多項政策的頒布，對于秸稈綜合利用行業提出了明確的方向和目標，也推動了行業的發展。

2.2 林業剩余物

林業剩余物是指樹林種植、生長和生產過程中產生的剩余物及林業副產品的廢棄物。

我國森林面積為14 297萬hm2，其中薪炭林面積約 303.44 萬 hm2、灌木林地總面積約 4 529.7 萬hm2、經濟林面積約2 140萬 hm2、竹林484萬 hm2、四旁樹和散生生疏林約230 億株、城市森林園林木折算面積約400萬hm2、每年造林約600萬hm2，森林生物量約180億t，每年可獲得的資源量約9億t，其中可能源化利用的資源約2.97 億t，可用于鍋爐燃料。

如上二種可供鍋爐燃燒的生物質有：

2.48 +2.97=5.45(億 t/年)

2.3 能源林

能源林是指以生產生物質能源為主要培養目的的林木。以利用林木所含油脂為主，將其轉化為生物柴油或其它替代產品的能源林稱為“油料能源林”；以利用木質為主，將其轉化為固體、液體、氣體燃料或直接發電的能源林稱為“木質能源林”。

木質能源林具有一次造林，多次采伐利用的特點。據統計，全國約有9 億畝未利用地可供種植能源林，其主要分布在新疆、黑龍江、內蒙古、甘肅、云南五省區。

充分發展利用能源林，實行能源林的集約化經營，將為燃料加工企業提供更加可靠的木質原料，有效地保證生物質燃料的穩定供給。

3 生物質成分分析

生物質是由多種可燃質、不可燃的無機礦物質及水分混合而成的。生物質種類繁多、形狀也各異，不同的生物質元素及成分含量不一樣。

3.1 元素成分

生物質可燃質是多種復雜的高分子有機化合物的混合物，主要由 C、H、O、N、S 等元素組成，C、H、O 是生物質的主要成分。在 C、H、O、N、S 五中元素中，占的比例見表1。

3.2 工業成分

工業利用好生物質能源需要對其進行工業成分分析與研究。其中，工業分析見表2[3]。

3.3 生物質成型燃料

生物質成型燃料是以農業、林業及其廢料為原料，用機械加工（如切割、破碎等）、致密成型等技術，加工成具有一定形狀（多數為規則形狀）及尺寸、堆積密度大、利于運輸及燃燒的成型燃料。目前，生物質燃料的成型化主要有顆粒狀、塊狀、實心棒狀、空心棒狀等。成型后生物質燃料的尺寸一般小于25 mm 直徑，真密度為600～1 400 kg/m3,自然堆積密度為 600 kg/m3，比較適合長距離運輸。

3.4 生物質秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤的對比

生物質秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤的成分對比見表3。

表1 生物質的元素分析

表2 生物質的工業分析

表3 生物質秸桿顆粒燃料與Ⅱ類煙煤、褐煤的對比

從表3 可以看出，生物質燃料的特點是“三高三低”，即揮發分、氧、氫的含量高，碳、硫、灰的含量比較低。其燃料中含碳量較少，相當于年輕的褐煤，固定碳明顯低于Ⅱ類煙煤。因此，生物質燃料熱值低，燃燒時間短。

4 生物質的特性

4.1 能量密度低

生物質的分布、自然形狀、尺寸、堆積密度等特性影響生物質的收集、運輸等[4]。表4給出玉米秸桿與原煤的特性比較。

從表2 可以看出，生物質散料由于能量密度低并且分散，生物質的收集與運輸是影響生物質燃料利用的主要影響因素，遠距離運輸自然生物質燃料不可取，必須要成型化才能有更好的用途。成型后生物質燃料的尺寸一般小于25 mm 直徑，真密度為600～1 400 kg/m3,自然堆積密度為600 kg/m3，比較適合長距離運輸使用。

4.2 灰熔點低

生物質燃料中鉀(K)含量高，灰的軟化溫度較低，其灰的軟化溫度在860～900 ℃，在鍋爐設計中要考慮到此特點[5]。

4.3 低污染、低排放

生物質燃料不同于煤、油及天然氣等化石燃料，根據第3部分對生物質燃料的元素分析，可以看出生物質燃料的特點是“三高三低”，由于碳、硫、灰的含量比較低，所以生物質能是低污染、低排放的燃料，是可再生的清潔型循環燃料，主要原因如下：

在中考作文評閱中常常遇到許多作文，語言表達很深刻，但內容與標題銜接不緊密，即扣題不嚴，也就是審題出現失誤。如2010年中考作文《不會變的是 》，許多學生是敘述了一件事然后文末強調“不會變”，而沒有扣住“變”中“不變”，即事件環境“變”而人的情感“不變”。

1) 燃燒過程中CO2排放不增加(生長過程中光合作用吸收CO2，與燃燒過程中排放CO2近于平衡)；

2)生物質燃料的S 含量很低，燃燒過程中排放的SO2很低；

3) 低NOx 排放。生物質燃料的揮發分、氧及氫的含量高，決定了生物質燃料易著火，可以實現低溫燃燒，減少NOx 的排放。生物質的著火溫度在250 ℃左右，而煤在450 ℃左右，因此當燃燒溫度在850～950 ℃時，可以實現較高的燃燒效率。生物質燃料揮發分高，著火點低，可以實現低溫燃燒，這樣可以大大降低熱力型NOx 的生成，而熱力型NOx 可占總NOx 比重達95%,所以能控制總體NOx的排放。

5 生物質能在工業鍋爐上的應用

生物質鍋爐是以生物質作為燃料的鍋爐，按照鍋爐用途，生物質鍋爐分為生物質發電鍋爐、生物質工業鍋爐及燃燒生物質燃料的特種鍋爐三大類。生物質發電鍋爐是指將生物質在鍋爐中直接燃燒，生產蒸汽帶動蒸汽輪機及發電機發電的鍋爐，包括熱電聯產的生物質鍋爐。生物質工業鍋爐是指燃燒生物質產生熱能的鍋爐，按照熱能攜帶介質的形式分為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。燃燒生物質燃料的特種鍋爐是指熱能攜帶介質是非蒸汽和熱水，包括生物質熱風爐、生物質導熱油爐等。

生物質鍋爐常見的燃燒方式有層狀燃燒、流化床燃燒、生物質氣化后室燃等。

5.1 生物質層狀燃燒鍋爐

層狀燃燒是目前生物質鍋爐應用最為廣泛的一種燃燒方式，層狀燃燒適合破碎后的生物質燃料及顆粒成型燃料。生物質燃料以一定的厚度鋪設在爐排上，并以一定的行進速度推進，在爐排上的生物質燃料以確定的區段燃燒特性完成燃燒進程。目前，生物質層狀燃燒技術包括鏈條爐排、往復爐排、水冷振動爐排、小型生物質鍋爐采用固定爐排。采用層燃技術開發生物質能，鍋爐結構簡單、操作方便、投資與運行費用都相對較低。鍋爐的爐排面積較大，爐排速度可以調整，并且爐膛容積有足夠的空間，能延長生物質在爐內燃燒的停留時間，沿著爐排上床層的高度及長度分成不同的燃燒階段，有利于生物質燃料的完全燃燒，但層燃鍋爐的爐內溫度很高，可以達到1 000 ℃以上，灰熔點較低的生物質燃料很容易結渣。同時，鍋爐對配風的要求比較高，難以保證生物質燃料的充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。目前，國內生物質鍋爐的燃燒方式主要采用流化床、聯合爐排、水冷振動爐排，部分容量35 t/h 以下的發電鍋爐采用鏈條爐排、往復爐排[7]。

5.2 生物質流化床燃燒鍋爐

流化床燃燒是指燃料在流化床內處于流化狀態進行燃燒反應和熱交換。對于水分含量比較高的生物質燃料，適合采用流化床技術，利用砂子、高鋁磚屑或爐渣等作為流化介質，形成蓄熱量大、溫度高的床層，為高水分的生物質燃料提供適宜的燃燒條件。床層劇烈的傳熱過程以及燃料可以在床內長時間停留，有利于生物質的完全燃燒，提高燃燒效率。流化床對燃料的粒度有較嚴格要求，因此需要對生物質進行破碎等預處理，以保證生物質燃料的正常流化[8]。

目前，運行的流化床生物質鍋爐參數基本是中溫中壓或次高溫次高壓，今后會逐步向高參數方向發展，這是鍋爐發展的必然趨勢，因為提高蒸汽參數是提高發電效率的最有效途徑。目前，生物質流化床燃燒鍋爐隨著生物質循環流化床燃燒技術中飛灰聚團和高溫腐蝕兩大技術難題在實踐中不斷克服，已具備了高溫高壓循環流化床秸稈鍋爐技術條件，即將進入實際應用階段。

5.3 生物質氣化后室燃鍋爐

生物質氣化是在一定的熱力學條件下，借助于空氣部分(或者氧氣)、水蒸氣的作用，使生物質的高聚物發生熱解、氧化、還原重整反應，最終轉化為H2、CO 和CH4等低分子烴類可燃氣體的過程。生物質氣化發電技術(BGPG)可以在較小的規模下實現較高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特別適合于農村、發展中國家和地區。我國對各種氣化方式都有研究，已完成了多種氣化爐的研制，目前研究完成并正常運轉的主要有三種，即敞口下吸式、下吸式及循環流化床，發電功率可以從幾千瓦到幾千千瓦，這為氣化發電技術的進一步發展提供了條件。

氣化后的燃氣需經凈化處理后才能用于發電或供熱，燃氣凈化包括除塵、除灰和除焦油等過程。氣體凈化是中國生物質氣化最薄弱的環節，目前都采用水洗的辦法，既降低系統效率，又產生含焦油的污水，所以是今后研究的主要課題。按現在的技術看來，進行焦油裂解減少焦油和水處理使廢水循環使用是氣體凈化的兩個關鍵問題。目前，生物質氣化的焦油問題由于仍未解決，為避免二次污染，必須投入資金建設污水處理設備，對不同的系統處理污水的投入不同，來說，功率越小，比例越大，這也是小功率BGPG 難以推廣的主要原因，而且由于污水處理占地較大，很多用戶為了節省投入和降低運行費用，對污水不進行處理，引起環境問題。

由于能量密度低并且分散，生物質的收集與運輸是生物質成本的主要部分，而生物質的預處理必須增加相應的設備和投資，這兩部分都會增加生物質氣化發電的運行成本。生物質氣化發電技術(BGPG)可以在較小的規模下實現較高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特別適合于農村、發展中國家和地區，所以是利用生物質的一種重要技術，是一個重要的發展方向。

6 生物質能利用的意見和建議

生物質能在國際上被稱為CO2零排放，也稱為碳中性[6]。生物質燃料在燃燒過程中排放的CO2是植物生長期所吸收的，不增加大氣的CO2總量。燃燒過程中排放的SO2很低，并且低NOx 排放，能滿足當前國家的環保要求，因此生物質能源有很大的發展空間。本文對生物質能作為鍋爐燃料提供以下意見和建議：

1）生物質燃料多種多樣，只要適合燃燒，對大型鍋爐，只要做好尾部的顆粒物的凈化工作，也可以考慮散料燃燒。

2）生物質成型燃料適合運輸、儲存，燃燒效果也好，但成型燃料制作過程需要消耗能源，成本高，適合小型鍋爐使用。

3）生物氣化爐，總體效果不理想，焦油較難處理，多數是前置爐膛直燃，高溫煙氣進鍋爐，有待進一步規范與提高。

4）生物質種類復雜，不同種類生物質之間形態、組分、物性和燃燒性能各不相同，因此需要根據不同種類生物質燃料的燃燒特性選擇不同的燃燒技術及相應的設備。

5）生物質燃料本是清潔燃料，不管散料還是成型燃料，只要能燃燒，均可因料、因地給予支持，不能從表面上理解氣化燃燒就符合環保要求，固體燃燒就不符合環保要求，同時對生物質燃料管理及設計、使用等有待進一步規范。

6）保證生物質能原料供應。加強對生物質資源的管理，科學規劃，優化布局，促進建立健全生物質燃料的收集、預處理和配送體系，通過發展科學的能源農業，形成持續不斷、高質量、低成本的原料供應體系。

7）生物質燃料與鍋爐實現能源轉換，應從系統總體考慮環保與節能。只從燃料、鍋爐或環保設備單方面考慮，不利于生物質能源的開發與提高，一定要結合自身生物質原料的特點，制定出合理的、符合當地條件的發展模式。