生物质能发电技术现状与展望_黄英超

能源作为一种最重要的地球资源，是生产力的核心，是经济增长和发展的前提，是解决环境问题的先决条件。

进入２１世纪，中国经济高速发展，能源短缺、环境污染等问题日益突出。

中国已成为世界上的第二大能源消费国［１］，能源缺口将不断加大。

过去１０年里，中国电力工业高速发展，截至２００４年５月，中国的发电装机容量达到４亿千瓦［２］，是１９９０年发电量的３倍多，但在２００２年还是再度出现大范围缺电现象，而且越来越严重，缺电的省市区由２００２年的１２个增加到２００３年底的２１个，２００４年达到２４个，三季度高峰时段全国估计缺电３０００万千瓦，造成严重缺电局面。

同时，全国还有约２万个村［３］，约８００多万农户、３０００多万人口没有电力供应，远离现代文明。

近年来，世界各国对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大关注。

生物质资源利用中的生物质发电技术成为研究和利用的热点。

生物质能发电技术就是利用生物质本身的能量［４］，将其转化为可驱动发电机的能量形式，如燃气、燃油、酒精等，再按照通用的发电技术发电，然后直接提供给用户或并入电网提供电能。

截至２００５年底，我国发电装机总容量达到５亿千瓦［５］，其中生物质能发电装机容量２００多万千瓦［６］，仅占我国发电装机总容量的０．００４％。

本文针对生物质燃烧发电、生物质气化发电、沼气工程发电等几项生物质能发电技术及其国内外研究现状、存在问题等进行分析和论述。

１生物质燃烧发电生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅炉中燃烧［７］，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电能。

在生物质燃烧发电过程中，一般要将原料进行处理再进行燃烧以提高燃烧效率。

例如，燃烧秸秆发电时，秸秆入炉有多种方式：可以将秸秆打包后输送入炉；也可以将秸秆粉碎造粒（压块）后入炉或与其他的燃料混合后一起入炉。

生物质燃烧发电的技术已基本成熟，已进入推广应用阶段，这种技术大规模下效率较高，单位投资也较合理，但它要求生物质集中，数量巨大。

生物质燃烧发电技术作为一种重要的能源获取手段应用于实际的历史不长，从２０世纪９０年代起，丹麦、奥地利等欧洲国家开始对生物质能发电技术进行开发和研究［８］。

经过多年努力，已研制出用于木屑、秸秆、谷壳等发电的锅炉。

丹麦各电力组织为此进行了规划，筛选了一批研究项目，并重点对燃烧秸秆和木屑的锅炉与大型燃煤锅炉并联运行发电供热进行了研究。

在ＢＷＥ公司的技术支撑下，１９８８年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂。

如今已有１３０家秸秆发电厂遍及丹麦，秸秆生物质能发电技术现状与展望黄英超，李文哲＊，张波（东北农业大学工程学院，哈尔滨１５００３０）摘要：文章综述了物质燃烧发电、生物质气化发电、沼气工程发电等生物质能发电技术及其发展现状和存在的问题。

生物质能发电技术的加速发展，实现了大量废弃生物质能的利用。

在我国电力短缺的条件下，生物质能发电将有广阔的发展前景。

关键词：生物质能；生物质燃烧发电；生物质气化发电；沼气工程发电中图分类号：ＴＭ６１１；Ｑ７７文献标识码：Ａ收稿日期：２００６－０４－１４基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７６００９）；黑龙江省科技攻关（ＧＣ０３Ａ３０４）作者简介：黄英超（１９７８－），男，黑龙江人，硕士研究生，研究方向为能源与动力工程。

＊通讯作者Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｗｅｎｚｈｅ９＠１６３．ｃｏｍ第３８卷第２期东北农业大学学报３８（２）：２７０￣２７４２００７年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｐｒｉｌ２００７文章编号１００５－９３６９（２００７）０２－０２７０－０５发电等可再生能源占到全国能源消费量２４％以上。

在美国生物质发电装机容量已达１０５０万ｋＷ［９］，７０％为生物质－煤混合燃烧工艺，单机容量１～３万ｋＷ，发电成本３～６美分（ｋＷ・ｈ－１），预计到２０１５年装机容量将达１６３０万ｋＷ。

日本城市垃圾焚烧发电技术发展更快，垃圾焚烧处理的比例已接近１００％。

目前，我国对生物质燃料燃烧所进行的理论研究很少，对生物质成型燃料的燃烧机理及动力学特性研究才刚刚开始，关于生物质成型燃料燃烧理论与数据还没有人系统地提出。

关于生物质成型燃料燃烧设备的设计与研究几乎是个空白。

一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧理论的情况下，盲目地把原有的燃煤设备改为生物质成型燃料燃烧设备，致使燃烧设备的燃烧效率及热效率较低，出力及工质参数下降，排烟中污染物含量高。

为了使生物质成型燃料能稳定、充分、直接地燃烧，根据生物质成型燃料燃烧理论重新进行系统设计，以及研究生物质成型燃料专用燃烧设备是非常重要的，也是非常紧迫的。

２生物质气化发电技术生物质气化发电技术是生物质通过热化学转化为气体燃料［７］，将净化后的气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃烧来发电。

气化发电过程主要包括三个方面：一是生物质气化，在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电，有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机［１０］。

由于生物质燃气热值低（约５０２３．２ｋＪ・ｍ－３），加之气化炉出口气体温度较高，因此生物质气化联合发电技术的整体效率一般要低于３５％。

生物质气化发电技术在发达国家已受到广泛重视［１１－１３］，生物质能在总能量消耗中所占的比例增加相当迅速，如美国的Ｂａｔｔｅｌｌｅ（６ＭＷｅ）生物质气化发电项目和夏威夷（６ＭＷｅ）生物质气化发电项目、英国（８ＭＷｅ）生物质气化发电项目、瑞典（４ＭＷｅ）加压生物质气化发电项目、芬兰（６ＭＷｅ）生物质气化发电项目以及欧盟建设的３个７～１２ＭＷｅ生物质气化发电（ＩＧＣＣ）示范项目等。

奥地利成功的推行了建立气化木材剩余物的区域供电站的计划，使生物质能在总能耗中的比例由原来的３％增加到目前的２５％，已拥有装机容量为１～２ＭＷｅ的区域供电站９０座。

瑞典和丹麦正在实施利用生物质进行热电联产的计划，使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求，以大大提高其转换效率。

一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质气化发电的开发利用，增加生物质能的生产，扩大其应用范围，提高其利用效率。

菲律宾、马来西亚以及非洲的一些国家，都先后开展了生物质能的气化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。

近年欧美开展了其它技术路线的研究，如比利时（２．５ＭＷｅ）和奥地利（６ＭＷｅ）开展的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术，美国的史特林循环发电等，但这些技术仍未成熟，成本较高。

我国生物质气化发电技术的研究始于上世纪６０年代，具有代表性的是稻壳气化发电装置。

目前应用的主要是１６０ｋＷ和２００ｋＷ的气化发电装置。

近年我国开展了１ＭＷ生物质气化发电系统的研究，目标在于中等规模的生物质利用技术。

我国对生物质气化技术的深入研究始于上世纪８０年代，经过２０多年的努力［１４］，我国生物质气化技术日趋完善。

但与发达国家生物质气化技术相比，国内生物质气化装置基本上是以空气为气化剂的常压固定床气化技术，如河北的ＮＤ系列、山东的ＸＦＬ系列、广州的ＧＳＱ系列和云南ＱＬ系列。

这些固定床气化炉应用在不同场合取得了一定的社会、环保和经济效益。

但在技术上存在着一些问题，如气化得到的生物质燃气热值和利用率低、燃气中焦油含量高等，制约了生物质气化技术在我国的商业化推广。

我国目前应用的生物质气化发电系统主要是中国科学院广州能源研究所开发的流化床气化炉和内燃机结合的气化发电系统［１５］。

该系统采用内燃机系统，降低了对燃气杂质的要求（焦油和杂质含量＜１００ｍｇ・ｍ－３即可）和系统成本，适合发展分散独立的生物质能源利用系统。

随着我国能源供需形势的发展，人们对生物质发电规模及系统效率提出了更高的要求，发展生物质整体气化联合循环发电技术（ＢＩＧＣＣ），尤其是增压流化床气化联合发电系统的必要性越来越明显。

黄英超等：生物质能发电技术现状与展望第２期・２７１・生物质气化发电相对燃烧发电是更洁净的利用方式，它几乎不排放任何有害气体，小规模的生物质气化发电已进入商业示范阶段，它比较合适于生物质的分散利用，投资较少，发电成本也低，比较合适于发展中国家应用。

利用现有技术，研究开发经济上可行、效率较高的生物质气化发电系统是发展我国今后能否有效利用生物质的关键。

中国有大量的生物质废弃物［１６］，按现有的资源计算，只要２％的秸秆和１０％的谷壳用于气化发电，总装机将达２０００ＭＷ。

如果考虑林业废弃物和其他工业废弃物，这方面的市场潜力将更大。

３沼气发电技术沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。

沼气发电工程本身是提供清洁能源，解决环境问题的工程，它的运行不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题，而且由于其产生大量电能和热能，又使沼气的综合利用有了广泛的应用前景。

沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等［１７－２０］。

沼气工程发电并网在西欧（德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等）一些国家的能源总量的比例为１０％左右，预计本世纪末将增加到２５％。

美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平。

现有６１个填埋场使用内燃机发电，加上使用汽轮机发电的装机，总容量已达３４万ｋＷ；欧洲用于沼气发电的内燃机，较大的单机容量在４００～２０００ｋＷ，填埋沼气的发电效率约为１．６８～２ｋＷｈ・ｍ－３。

近几年随着德国可再生能源政策的不断加强［８］，德国沼气发电技术发展迅速，其中沼气发电设备也随之加速发展。

德国沼气工程以发电为主要目的，全德国２０００个沼气工程中用于沼气发电的占９８％。

德国还开发了小型沼气燃气发电技术，大大提高了沼气的应用水平，沼气发电站数量成倍增加。

目前，日本和德国等一些发达国家还开展了沼气燃料电池及发电装置的研究［２１］。

沼气燃料电池把沼气经过烃裂解反应产生的以氢气为主的的混合气（氢气含量达７７％）作为原料，将此混合气以电化学方式进行能量转换，实现沼气发电，与传统沼气发电相比发电效率较高，经济效益显著。

我国开展沼气发电领域的研究始于８０年代初，在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。

我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式［２２］。

目前，对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。