生物质成型燃料及其发电技术

存 在 的 问 题 和 解 决 方 案 ，展 望 了 生 物 质 成 型 燃 料 及 其 发 电 技 术 在 中 国 的 发 展 前 景 ，总 结 了 其 在 经 济 、环 境 和 社 会
方 面 带 来 的 效 益 ，旨 在 为 生 物 质 资 源 的 高 效 综 合 利 用 提 供 参 考 。
关键词： 生物质； 二次能源； 成型燃料； 发电
中图分类号： TK6
文献标识码： A
文章编号： 1003－188X（ 2013） 06－0226－04
0 引言
生物质能是唯一 可 以 储 存 、运 输 且 固 定 碳 的 可 再 生能源，具有储量大、分布广、环境友好和减碳零排放 等特点，在 6 种可再生能源中占有重要地位。通常所 说的生物质能原料，包括农业剩余物、林业剩余物、畜 禽粪便、能源作物（ 植物） 、工业有机废水、城市生活污 水和垃圾等。生物质能向人类提供了世界能源消费 总量的近 15% ，是仅次于石油、煤炭和天然气的第四 大能源。
化的生物质成型燃料供应系统，保证成套设备运行的 稳定性、可靠性和经济性。系统可使生产生物质成型 燃料的密度、粒 度 及 燃 烧 特 性 指 标 接 近 煤，对 锅 炉 等 燃烧设备、气化炉等气化设备具有较好的适应性； 同 时，通过建立 健 全 生 物 质 原 料 的 收 集、存 储 及 加 工 体 系，形成一套 持 续 稳 定 的 成 型 燃 料 生 产 运 作 模 式，保 证生物质发电燃料稳定供应。 2． 1 生物质成型燃料直燃发电技术
·227·
2013 年 6 月
农机化研究
第6 期
减少 50% 以上，氮的氧化物的排放量减少 30% 以上。
图 3 生物质成型燃料混烧发电流程图 Fig． 3 Sketch map of biomass briquetting fuel co－firing power generation
2． 3 生物质成型燃料气化发电技术 针对生物质秸秆等就地燃烧带来的环境污染问
生物质成型在加 工 原 理 上 可 分 为 冷 成 型 、热 成 型 和常温湿压成型［7－8］：
1） 生物质冷成型即在常温下将生物质颗粒高压 挤压成型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产 生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。冷压 成型工艺一 般 需 要 很 大 的 成 型 压 力，为 了 降 低 压 力， 可在成型过程中加入一定的粘结剂。
题以及生物质成型发电和混烧发电过程中存在的结 焦问题，研发 技 术 灵 活、环 保 洁 净 和 经 济 实 用 的 生 物 质成型燃料气化发电成为生物质能利用的一个重要 发展方向。高效率的生物质成型燃料气化发电采用 生物质气化—燃气内燃机发电—余热蒸汽轮机发电 的联合循环工艺路线（ 见图 4） ，避开了要求很高的气 体高温净化过程，可显著降低生物质整体气化联合循 环系统的技术难度和造价，以较低的代价解决焦油问 题和二次污染的难题，并实现废水的循环使用。低热 值生物质气化产出气能够满足内燃式燃气发电机的 运行要求，只是在能够实现的最大输出功率方面受到 限制； 生物质气化发电系统的尾气排放能够满足环保 的要求，但气化发电机与生物质气化机组间需要具有 良好的匹配性。
2013 年 6 月
农机化研究
第6 期
生物质成型燃料及其发电技术
李英丽1，2 ，王 建3 ，程晓天4
（ 1． 河南农业大学 机电工程学院，郑州 450002； 2． 郑州职业技术学院，郑州 450121； 3． 中国华水水电开 发总公司，北京 100069； 4． 河南省产品质量监督检验院，郑州 450004）
1． 2 生物质成型燃料技术发展现状 目前，生 物 质 成 型 燃 料 技 术 发 展 最 成 熟 的 为 欧
洲，主要以木质生物质为原料生产颗粒燃料。其相关 标准体系也比较完善，形成了从原料收集、储藏、预处 理到成型燃料生产、配送和应用的整个产业链的成熟 技术体系和产业模式。欧洲生产的颗粒燃料除通过 专门运输工具定点供应发电和供热企业外，还以袋装 的方式在市场上销售。目前，德国有 100 多家颗粒成 型燃料工厂，主 要 以 木 屑、木 片、枝 桠、边 角 料 等 生 物 质为原料； 瑞典有生物质颗粒成型燃料加工厂几十 家，约有 12 万户使用颗粒燃料锅炉，2 万多用户使用 颗粒燃烧炉，另外还有 4 000 多个中型锅炉使用颗粒 燃料； 加拿大、美国、奥地利、芬兰、意大利、波兰、丹麦 和俄罗斯，也 是 生 物 质 成 型 燃 料，尤 其 是 林 业 剩 余 物 成型燃料的生产国家，截至 2010 年，这几个国家的成 型燃料生产量达到了 1 000 万 t 以上。
摘 要： 概 括 了 生 物 质 冷 成 型 、热 成 型 和 常 成 型 等 成 型 技 术 的 原 理 和 种 类 。结 合 生 物 质 成 型 燃 料 技 术 与 生 物 质
发 电 技 术 ，阐 述 了 生 物 质 成 型 燃 料 直 燃 发 电 、混 烧 发 电 和 气 化 发 电 等 技 术 特 点 ，指 出 了 生 物 质 成 型 燃 料 发 电 技 术
收稿日期： 2012－06－11 基金项目： 河南省重大科技攻关计划项目（ 102101310300） 作者简介： 李英 丽 （ 1970 － ） ，女，郑 州 人，副 教 授，博 士 研 究 生，（ E －
mail） hnndbslyl@ 163． com。
存等问题，从而满足生物质发电的持续稳定运行。
我国主要以农业 剩 余 物 为 原 料 生 产 成 型 燃 料 ，成 型技术逐 步 完 善 和 成 熟，目 前 主 要 在 河 南、山 东、辽 宁、黑龙江、吉林、安徽、河北、广东和北京等地开始将 成型设备进行示范推广。在各省市都有多家设备生 产、燃料加工、配套燃烧炉及营销企业投入运营，政府 的环保、能源主管部门也开始给予支持和帮助。截至 2010 年，我国不 同 生 产 规 模 的 成 型 燃 料 企 业 200 多 个，年产生物质成型在 300 万 t 左右。成型燃料主要 用于中小型燃煤电厂或改造升级的工业锅炉、炉窑及 其他燃煤和燃油燃烧设备。
我国生物质资源 较 为 丰 富 ，其 中 农 林 剩 余 物 占 有 很大的比例； 但农林剩余物等生物质具有资源分散、 能量密度低、容 重 小 和 储 运 不 方 便 等 缺 点，严 重 地 制 约了其大规模应用。生物质成型燃料技术是将各类 生物质原料（ 主要是农林剩余物） 经粉碎、干燥、成型 等环节，使原 来 分 散 的、没 有 一 定 形 状 的 原 料 压 缩 成 具有一定几何形状、密度较大的成型燃料。成型燃料 可以提高生 物 质 的 密 度，节 约 运 输 和 储 存 费 用，扩 大 应用范围，提 高 燃 烧 效 率，同 时 可 以 减 少 替 代 的 煤 燃 烧所带来的环境污染［1－6］。生物质发电技术是目前世 界上总体技术最成熟、发展规模最大的现代生物质能 利用技术，主 要 包 括 生 物 质 直 燃 发 电、混 燃 发 电 和 气 化发电。生物质成型燃料发电是生物质发电技术的 重要发展方向之一，可解决生物质发电过程中由于原 料收集困难、运 输 成 本 高、原 料 占 地 面 积 大 而 不 易 保
1 生物质成型燃料技术
1． 1 生物质成型燃料技术的原理和种类 农林剩余物等生 物 质 主 要 由 纤 维 素 、半 纤 维 素 和
木质素组成。木质素为光合作用形成的天然聚合体， 具有复杂的 三 维 结 构，是 高 分 子 物 质，在 植 物 中 含 量 约为 15% ～ 30% 。当温度达到 70 ～ 100℃ 时，木质素 开始软化，并有一定的黏度； 当温度达到 200 ～ 300℃ 时，呈熔融状，黏度变高。此时若施加一定的外力，可 使它与纤维 素 紧 密 粘 结，使 植 物 体 积 大 大 缩 小、密 度 显著增加； 取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的 相互缠绕，其 仍 能 保 持 给 定 形 状，冷 却 后 强 度 进 一 步 增加。生物质原 料 经 挤 压 成 型 后，体 积 缩 小，密 度 为 0 ． 7 ～ 1． 4t / m3 ，含水率在 20% 以下。
·226·
2013 年 6 月
农机化研究
Βιβλιοθήκη Baidu
第6 期
成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林剩余物 中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料。生 物质成型技 术 在 流 程 上 一 般 包 含 干 燥、粉 碎、成 型 等 环节［9］，主要流程如图 1 所示。
图 1 生物质成型燃料系统流程图 Fig． 1 Sketch map of biomass briquetting fuel system
生物质成型燃料直燃发电主要是指循环流化床 燃烧发电（ 见图 2） ，采用生物质成型燃料成型技术及 设备，根据生 物 质 成 型 燃 料 燃 烧 特 性，在 现 有 小 火 电 厂基础上，对 循 环 流 化 床 锅 炉 进 行 技 术 改 造，利 用 生 物质成型燃料替代煤炭燃烧发电。根据生物质成型 燃料的燃烧及流化特性，选取适宜的流化床锅炉运行 工艺参数，对 流 化 床 锅 炉 进 行 改 造，解 决 生 物 质 在 燃 烧时的结渣与碱金属对换热器的腐蚀问题，合理进行 一次风与二次风的进风量比例的调整。利用现有燃 煤火力发电厂的燃煤发电机组，建设成能利用生物质 成型颗粒燃 烧 系 统，并 使 该 技 术 工 程 化、产 业 化。 系 统是在我国众多的小型火力发电厂原有设备的基础 上经改进后使用生物质成型燃料与煤混烧发电，具有 投资少和技术要求不高的特点，同时可解决小型火电 厂关停的问题，比较适合我国国情。
2 生物质成型燃料发电技术
生物质成型燃料发电技术是生物质成型燃料技 术和生物质发 电 技 术 的 重 要 结 合 ，是 我 国《可 再 生 能 源法》鼓励发 展 的 方 向 ，也 是 国 家 科 技 部 可 再 生 能 源 与新能源国际科技合作计划的优先领域。生物质成 型燃料可应用于生物质直燃发电、混烧发电和气化发 电［10－12］。生物质成型燃料应用于发电技术，可形成一 套集生物质 干 燥、粉 碎 及 成 型 于 一 体 的 自 动 化、工 业
图 3 生物质成型燃料直燃发电流程图 Fig． 3 Sketch map of biomass briquetting fuel direct combustion
power generation
2． 2 生物质成型燃料混烧发电技术 生物质是可再生资源中与煤的理化特性最为接
近的一种，因此利用生物质成型燃料与煤进行混烧发 电是合理利用生物质资源、减少煤燃烧带来污染的有 机结合。生物质成型燃料的掺混比例理论上可达到 80% ，且生物质与煤混合燃烧发电（ 见图 3） 既解决了 常规能源的不可再生及短缺问题，又克服了生物质资 源季节性变化导致电厂运行不稳定的难题。生物质 和煤混合燃 烧 发 电 技 术 经 济 性 较 好，规 模 灵 活，可 充 分利用燃煤电厂的原有设施和系统； 根据生物质资源 的丰富程度，调 整 混 烧 生 物 质 的 比 例，减 少 原 料 供 应 风险，保证 电 厂 顺 利 运 行，具 有 较 好 的 发 展 前 景。 该 技术可用于电厂、工业锅炉等各种利用循环流化床锅 炉的行业，与 低 热 值 的 煤 混 烧 时，锅 炉 的 热 利 用 率 与 烧煤相比，热利用率可提高 10% 左右，SO2 的排放量
图 4 生物质成型燃料气化发电流程图 Fig． 4 Sketch map of biomass briquetting fuel gasification and
power generation
3 生物质成型燃料发电的问题及发展前景
2） 热压成型工艺的流程为： 原料粉碎→干燥混合 →挤压成型和 → 冷 却 包 装。根 据 原 料 被 加 热 的 部 位 不同，将其划分为两类： 一类是原料只在成型部位被 加热； 另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部 位被分别加热。
3） 常温湿压成型。纤维类原料经一定程度的腐 化后，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩