淺談雙碳目標下的生物質電廠發展路徑

錢曾

摘要：綠色植物通過光合作用將太陽能轉換并以生物質能的形式儲存，同時能吸收并固定大氣中的CO2。生物質能的利用并不會增加大氣碳總量，所以是國際國內公認的零碳能源。碳捕集與封存技術（CCS）是一種大規模溫室氣體減排技術，是我國實現碳中和目標的關鍵技術之一。生物質能碳捕集與封存（BECCS）是生物質能利用技術與CCS技術的結合，是一種關鍵的負碳技術。本文旨在探討一種生物質直燃電廠集成CCS技術減碳排的可行性。

關鍵詞：生物質電廠;熱電聯產;負碳技術;BECCS

引言

2020年9月，習近平主席宣布了力度空前且具有雄心的氣候目標：中國將努力爭取2060年前實現碳中和。這是一個具有豐富深刻歷史含義的里程碑，也是2015年《巴黎協定》以來全球氣候治理進程中最為積極的進展。然而，中國實現碳中和目標也面臨著巨大的挑戰。

首要任務是構建綠色低碳循環經濟體系，提升能源利用效率，提升非化石能源消費比重，其次是降低二氧化碳排放水平，提升生態系統碳匯能力。

現有的生物質電廠主要利用農林廢棄物等可再生能源，直燃產生蒸汽，推動汽輪機和發電機發電，或者直接供熱，具有良好的經濟效益、社會效益和環境效益。在雙碳背景下，生物質電廠集成CCS技術，能作為負碳工廠，輸出清潔能源和可觀的碳匯，可能會成為減碳行動后期的一種必不可少的手段。

1.生物質電廠現狀

1.1生物質燃料的特點

生物質燃料的能量是植物光合作用固定的太陽能，是一種可再生的零碳排綠色能源。由表1 某生物質電廠燃料分析可見，生物質燃料揮發分高、水分高、灰分低、熱值低，氮、硫含量少。由此可以得出生物質燃料燃燒特性，易于著火和燃燒，但燃燒穩定性較差，鍋爐排煙熱損失較大，硫化物和氮氧化物排放較低。

另外，生物質燃料分布較為分散，堆積密度低，能量密度低，需要進行收集運輸和破碎處理。所以生物質電廠一般選址在周邊生物質資源豐富的地區，如東北平原、蘇北平原等產糧區。

1.2生物質直燃技術

生物質，特別是農林廢棄物的田間焚燒，不僅污染大氣，造成大氣中顆粒物濃度的提升，還帶來了火災隱患，而直接填埋又容易滋生蟲害，不利于農作物生長，還會在細菌的作用下生成甲烷等溫室氣體。

生物質的利用技術主要有直燃技術、氣化、熱解、發酵產生甲烷和乙醇等產品。其中，直接燃燒是現階段生物質電廠的主要技術手段。

生物質直燃技術是將生物質送入鍋爐，并加入過量的空氣，進行焚燒產生熱量，再通過換熱部件，產生一定溫度和壓力的蒸汽，再推動汽輪機和發電機做功，轉化為電能。生物質直燃技術歷史悠久，成熟可靠，目前大型化、高參數的直燃鍋爐也已經成功商用。

流化床技術是生物質直燃的成熟技術，因為生物質的本身硫、氮含量較低，但堿金屬含量高，其熔點較低，容易造成高溫區積灰和腐蝕，故一般采取相對較低的燃燒溫度，一二次風的配比也為了降低氮氧化物的產生而做了調整，有些項目還加了爐內SNCR或低溫SCR，故尾部煙氣中的硫化物和氮氧化物含量都很低，滿足環保要求。

2.CCS技術的選擇

2.1 CCS技術介紹

隨著人類活動的不斷加強和工業化的不斷加深，對化石能源的使用不斷增多，也造成了CO2排放的不斷增多，由于CO2氣體的溫室效應，導致全球氣溫的升高，最終會導致冰川融化，海平面上升等不可承受的危害。故而，控制CO2等溫室氣體的排放總量，避免大氣溫度的大幅度提升是我們目前迫在眉睫的任務。

CCS技術作為一種大規模捕集、封存CO2的減排技術，在各種情景下都有著不可或缺的地位，尤其是在難以減排的領域，CCS技術將是必然的選擇。CCS技術從碳捕集的方式來分，主要可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。目前較為成熟的主要是燃燒后捕集，其可分為胺化合物吸收法、鈣基吸收劑法和金屬氧化物法等，其中，有機胺作為吸收劑的濕法捕集工業化運營最為成熟。

2.2 CCS技術關鍵點

根據國內外的研究結果，碳中和目標下我國的CCS減排需求為：2030年0.2～4.08億噸。制約CCS技術應用的主要原因為高昂的運行成本和后端CO2的利用領域或封存地點。目前CO2利用方面短期內很難產生大規模的需求，大規模封存方面主要還是依靠強化開采石油（EOR）、強化咸水開采（EWR）等地質封存方法。源匯匹配的問題就成了影響CCS成本和制約CCS技術大規模應用的主要問題。

3.生物質直燃集成CCS的可行性

3.1源匯匹配

生物質電廠多處在農林資源豐富的地區，如東北平原、江淮地區、江漢平原等地區。而我國CO2-EOR潛力較大的區域有渤海灣盆地、松遼盆地，CO2-EWR潛力大的區域有準格爾盆地、塔里木盆地、柴達木盆地、松遼盆地和鄂爾多斯盆地等。源匯匹配較好的區域，例如東北地區，蘇北地區等產糧區，可以較好的推行BECCS技術。

3.2 CCS技術集成

3.2.1有機胺化學捕集法

目前工業上已經有較多應用，技術較為成熟。其中最典型的吸收劑為30%質量分數的乙醇胺（MEA），其與CO2的總反應式如下：

該反應為可逆反應，在反應塔內溫度40℃左右時，發生正向反應，MEA溶液吸收二氧化碳，放出熱量;當反應塔內溫度超過104℃時，發生逆向反應，吸收了二氧化碳的MEA溶液解吸出二氧化碳，富液轉變為貧液，再循環使用。脫除階段主要設備如圖1所示，經過預處理的煙氣進入吸收塔，貧液與煙氣充分接觸，吸收二氧化碳后變為富液，經富液泵，與再生塔底的高溫貧液換熱后，進入再生塔，再生塔底設置再沸器，加熱塔底貧液產生蒸汽，通過汽提作用，將溶液中的二氧化碳分離，從塔頂出來后經過冷凝器降溫，將水蒸汽凝結，通過分離器，得到純度較高的二氧化碳氣體，冷凝水回流到再生塔頂。

該工藝的關鍵瓶頸是能耗問題，目前各國都在開發能耗更低的新型吸收劑，并取得了較大的成效。具體到生物質電廠集成CCS的問題，電廠本身具有足夠的低品位熱源和電量，能充分利用余熱來給解吸塔再沸器提供熱量。例如可以在原尾部煙道最末端增加一個獨立的熱水器，既能回收煙氣余熱用于加熱再生塔塔底貧液，又能降低煙氣溫度，減少后續進吸收塔前的水洗降溫能耗。

3.2.2堿金屬捕集法

二氧化碳堿金屬吸收劑屬于干法低溫吸收劑，反應能耗低，其碳酸化溫度為60～80℃，再生溫度為100～200℃。以碳酸鉀為例，其反應主要為：

可知該系統的關鍵中間成分為碳酸鉀，而生物質電廠產生的草木灰的主要成分之一就是碳酸鉀。研究發現堿金屬作為二氧化碳吸收劑，必須附著在高比表面積、高孔隙率、吸附性能良好的載體材料上，才能獲得良好的循環特性，避免吸收劑的燒結、堵塞、失活。

圖2是一種K2CO3捕集CO2的關鍵工藝流程。生物質爐底草木灰經過篩選分離等步驟，添加載體，水合后制備成合格的吸收劑，進入流化床碳酸化爐。經過預處理的煙氣從碳酸化爐底部通入，將吸收劑流化，并經過充分接觸、反應，煙氣中的CO2的被K2CO3吸收，生成KHCO3。被煙氣帶出碳酸化爐，進入氣固分離器進行氣固分離。脫除CO2的煙氣從分離器頂排出，固體顆粒從分離器下部進入再生器，吸熱再生，產生CO2去后續精制系統，再生的吸收劑進入流化床碳酸化爐繼續循環使用。部分燒結、失活的吸收劑從碳酸化爐底部排出，并補充適量新吸收劑。

3.3目前存在的問題及未來的展望

BECCS技術目前主要問題在于成本和收益不匹配的問題。如果捕集、精制、提純后的CO2，如果無法以產品的價格售出，只能將其封存于地下空間，那成本遠遠高于收益，只有環境效益，沒有經濟效益，技術很難大規模應用。

未來我國碳排放管理進一步規范，如能納入碳匯，并上市交易，則會取得相應的碳價補償。從國外的碳價發展來看，未來我國碳價也可能完全能夠覆蓋BECCS的成本，那未來生物質電廠將成為有前景的負碳綠色能源基地。

以一臺常規的高溫高壓75t/h蒸發量的燃用農林廢棄物的生物質鍋爐為例，其產生的煙氣量約為10萬Nm3/h，其中CO2的體積含量約為12%，按90%捕集率，年運行8000小時估算，年CO2捕集量約為17萬噸，相當于7000畝森林一年的吸收量，對雙碳目標的實現具有顯著的助力。

4.結論

生物質電廠集成CCS系統是一種負碳排技術，是實現雙碳目標的有效手段。而農林廢棄物資源豐富的東北地區和蘇北地區等地，也擁有適合二氧化碳封存的地質結構，源匯匹配，故而在這些地方的生物質電廠有條件開展CCS應用。生物質電廠燃用農林廢棄物等可再生資源，在風電、光伏等新能源占比逐步提高后，也可以承擔電網調峰的任務，還可以熱電聯產，為企業和居民提供綠色能源。

結合生物質電廠的特點和CCS的技術特點，探討了生物質電廠集成CCS技術的可行性，認為生物質電廠集成CCS技術有其獨有的優勢。在雙碳目標下，生物質電廠的未來發展具有極大的空間。

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