生物质气化发电技术应用综述

生物质气化发电技术应用综述

李斌

（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074）

随着化石燃料的逐渐枯竭、环境问题的日益严重及全球气候异常等，寻求新的可再生、洁净的能源资源已经迫在眉睫。生物质作为可再生、几乎无污染的资源，其开发和利用越来越受到人们的重视。生物质是重要的可再生能源，我国生物质能资源样多量大，可用于发电的资源相当丰富。生物质发电技术和产业有着良好的发展前景。

1.国家政策扶持

我国自1998年起实施的《中华人民共和国节能法》就明确提出“国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”。可再生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要战略措施。人类能够长久依赖的未来能源必须储量丰富、可再生利用且无环境污染。以植物为主，每年以近2000亿吨的速度不断再生的生物质资源将是人类未来的理想选择。大力开发生物质资源，对于改善我国以化石燃料为主的能源结构，延长化石燃料使用时间，改变能源的生产方式和消费方式，建立可持续发展的能源系统，促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义。从2006年1月1日起，全国开始正式实施了《中华人民共和国可再生能源法》，在国家《2006-2020年中长期科学和技术发展规划纲要》中就提出了包括生物质能在内的可再生能源低成本规模化开发利用。同时国家还制定了一系列的优惠政策来鼓励和支持开展生物质能的研究和利用，生物质清洁能源项目将享受国家财政贴息，并且生物质发电可以优先上网。国家发改委2006年1月4日以发改能源【2006】7号文件印发了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，生物质发电上网每度电可以补贴0.25元。在财政部、发展改革委、农业部、税务总局、国家林业局联合印发的《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》中指出国家将在财税政策上大力扶持生物质能源的发展。同时在“十一五”期间，国家财政也将加大对生物质能源和煤制油等石油替代能源开发的资金投入，以缓解我国面临的石油安全问题。

2.生物质发电技术分类与比较

在生物质发电技术中，比较成熟的有直接燃烧发电和生物质气化发电两种类型。直接燃烧发电的过程是生物质与过量空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热，产生出的高温高压蒸汽在蒸汽轮机中膨胀做功发电。气化发电是一种更为洁净的利用方式，其过程是生物质通过热化学方法转化为气体燃料，净化后的气体燃料直接被送入锅炉、内燃机、燃气轮机的燃烧室中燃烧或者在高温燃料电池中来发电。美国能源部(DOE)在1997年归纳了生物质燃料发电技术的特点，对比直接燃烧与生物质整体气化联合循环(BIGCC) 发电参数。直接燃烧的电站容量是50MWe、效率是23.0 %、投资成本是1965＄/ kWh ，总运行费用5.50 C/ kWh ；BIGCC 的电站容量是75MWe、效率是36.0 %、投资成本是2102＄/ kWh ，总运行费用3.98 C/ kWh。显然，生物质气化发电技术比直

接燃烧的效率要高很多，而且运行费用也低。所以，我们要大力发展生物质气化发电技术，使生物质发电更具有竞争力。

3.国外生物质气化发电现状

生物质气化及发电技术在发达国家已受到广泛重视，如奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家生物质能在总能源消耗中所占的比例增加相当迅速。奥地利成功地推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2%-3%增到1999年的10%，并打算在本世纪末增加到25%，到目前为止该国已拥有装机容量为1-2MWe的区域供热站80-90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。1991年，瑞典供热及热电联产所消耗的燃料，26%是生物质。一些发展中国家，随着经济发展也逐步重视生物质的开发利用，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，成型固化、热解等技术的研究开发，并形成了工业化生产。

生物质气化发电技术主要有以下三种方法：带有气体透平的生物质加压气化、带有透平或者是引擎的常压生物质气化、带有Rankine循环的传统生物质燃烧系统。生物质整体气化联合循环发电技术（BIGCC）作为先进的生物质气化发电技术，通过采用两级燃烧方式，利用两种工质将勃雷登（Brayton）循环和朗肯循环叠加在一起，具有较高的发电效率和较大的发电规模，从1990年开始得到了广泛的研究。

传统的BIGCC技术包括生物质气化、气体净化、燃气轮机发电及蒸汽轮机发电。由于生物质燃气热值低（约1200kcal/m3），炉子出口气体温度较高（800℃以上），要使BIGCC具有较高的效率，必须具备两个条件，一是燃气进入燃气轮机之前不能降温，二是燃气必须是高压的。这就要求系统必须采用生物质高压气化和燃气高温净化两种技术才能使BIGCC的总体效率较高（40%）。目前欧美一些国家正开展这方面研究，如美国Battelle (63MW)和夏威夷（6MW）项目、欧洲英国（8MW）、瑞典（加压生物质气化发电4MW）、芬兰（6MW）以及欧盟建设3个7～12MW生物质气化发电IGCC 示范项目，其中一个是加压气化，两个是常压气化。但由于焦油处理技术与燃气轮机改造技术难度大，存在许多问题，如系统未成熟，造价很高，限制了其应用推广。以意大利12MW 的BIGCC示范项目为例，发电效率约为31.7%，但建设成本高达25000元/kW，发电成本约1.2元/kWh，实用性很差。近年欧美开展了其它技术路线的研究，如比利时（2.5MW）和奥地利（TINA，6MW）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，但技术仍未成熟，成本较高。

3.1.国外生物质整体气化联合循环发电示范项目介绍

3.1.1.美国Battelle

美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位。美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平，生产一种中热值气体，不需要制氧装置，此工艺使用两个实际上分开的反应器：①气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭；②燃烧反应器，燃烧残炭并为气化反应供热。两个反应器之间的热交换载体由气化炉和燃烧室之间的循环沙粒完成。表1 给出了Battelle示范电厂气化炉的产气组分和热值，图1的工艺流程图则表明了两个反应器以及它们在整个气化工艺中的配合情况。

这种Battelle/FERCO工艺与传统的气化工艺不同，它充分利用了生物质原料固有的高反应特性。生物质的气化强度超过146000kg/ h·m2，而其他气化系统的气化强度通常小于1000 kg/h·m2。Battelle