|
劉歡，田紅，陳冬林，鄒嬋
（長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙410076）
摘要：生物質能已成為緩解當今能源短缺的重要可再生能源，在研究比較生物質利用技術和中國農業殘余生物質資源特點的基礎上，分析了中國生物質利用技術的發展潛力和產業化前景，提出了生物質能利用的對策及建議。
0引言
化石能源枯竭和環境日益惡化已經成為制約全球經濟和社會發展的瓶頸，作為唯一可儲存與運輸的再生能源———生物質能占世界能源消費的14%[1]，因其具有分布廣、資源量豐富、能源化利用過程CO2零排放的優點而受到廣泛關注。
中國生物質資源十分豐富，但大多戶外直接焚燒，資源浪費與環境污染嚴重。如果中國可收集生物質被全部利用（3.14×108tce/a），其發熱量相當于13.14×108標準煤，不僅可大大減少燃煤污染，而且其保守的直接經濟效益可達13140×108元/年（以1000元/t標煤計）。生物質利用還可帶動一新產業鏈，具有良好的社會效益與應用前景。中國開發利用生物質能不僅是突破能源供應瓶頸的重要途徑，而且有利于建設資源節約型和環境友好型社會。
1中國農業殘余生物質資源現狀
目前，中國可利用的生物質能資源主要有秸稈及農業加工剩余物、薪材及林業加工剩余物、禽畜糞便、城市生活垃圾、能源植物及工業有機廢水、廢渣等，每年可收集的生物質資源約為3.14×108tce，其中農業殘余生物質所占比例高達90%，可收集的約為2.84×108tce。
2國內外生物質利用技術發展及現狀
目前生物質利用技術主要有直接燃燒技術、熱化學轉換技術、生物轉換技術、液化技術及有機垃圾處理技術，如圖1所示。
2.1生物質直接燃燒
生物質直接燃燒技術包括直接燃燒、固化成型和與煤混燃3種途徑。
2.1.1生物質直接燃燒
生物質直接燃燒主要分爐灶燃燒和鍋爐燃燒。目前爐灶燃燒方式最高效率僅有20%~25%。生物質鍋爐按燃燒方式不同分層燃爐和流化床鍋爐。目前，國外開發出了運行穩定和效果良好的層燃爐，如丹麥ELSAM公司Benson型鍋爐。中國也開發出了各種類型生物質層燃爐,實際運行效果良好。但與國外相比,仍存在較大差距。目前，美國、瑞典、丹麥采用生物質流化床燃燒技術開發已具相當規模。我國開發了各種類型燃生物質的流化床鍋爐，投入生產后運行效果良好，并進行了推廣，例如華中科技大學設計的組合燃燒式流化床鍋爐。生物質直燃發電技術成本低、利用量大。熱電聯合生產技術（CHP）是歐美國家采用的主要方式，美國生物質燃燒發電工作較先進，發電裝機總容量達700MW[2]。近年來，中國已建成投產生物質直燃發電項目超過15個，在建項目30多個。
2.1.2生物質固化成型燃料
國內外學者從不同側面研究了生物質成型燃料技術，美國和日本最早，之后西歐許多國家也開始重視壓縮成型技術及燃燒技術的研究，各國先后有了各類成型機及配套的燃燒設備，并已形成了產業化。我國生物質成型燃料技術的研究主要集中在高校、科研院所和一些大型企業，在引進國外技術的基礎上，經過消化吸收，形成了自己的成型燃料技術，正在推廣應用，向著產業化方向發展。如原中南林學院在引進瑞典技術的基礎上，開發了生物質顆粒燃料成型機；北京林業大學俞國勝教授研發了一種液力雙向擠壓的生物質成型燃料常溫成型機，目前已投入到生產實踐中。
2.1.3生物質與煤混合燃燒
生物質與煤混燒不僅可解決生物質能量密度低與煤著火燃燼困難的缺點，而且改善了燃燒過程，實現了兩種燃料的提質。目前國外該技術已進入到商業示范階段,在美國和歐盟等發達國家已建成一定數量生物質與煤混燒發電示范工程，電站裝機容量通常在50MW~700MW之間，少數系統在5MW~50MW之間[3]?；鞜闹饕O備是煤粉爐，亦有發電廠使用層燃爐和采用流化床技術。荷蘭Gelderland電廠是歐洲大容量鍋爐混燒最重要的示范項目之一，提供了直接經驗。中國生物質混燒技術研究起步較晚，目前還缺乏先進的技術和設備。華中科技大學研究生物質與煤的混燒特性及污染物排放特性，清華大學對流化床中煤和生物質混燒時NOx的排放進行了研究。廣西露塘糖廠35t/h蔗渣與煤混燒的循環流化床鍋爐改造成功，取得了良好的運行效果。
2.2生物質熱化學轉換技術
生物質氣化技術是目前生物質熱化學轉換技術應用得最廣泛的技術之一。目前生物質氣化領域具有領先水平的國家有瑞典、美國、意大利、德國等，生物質整體氣化聯合循環（B/IGCC）系統是目前發達國家重點研究的內容。歐美發達國家研制的生物質氣化裝置一般規模較大，工藝復雜，但由于焦油處理技術與燃氣輪機改造技術難度較大，仍存在很多問題，系統尚未成熟，造價也很高，限制了其應用推廣。目前我國生物質氣化爐的應用已形成一定規模，固定床氣化技術已達到商業應用階段，但燃氣質量不穩定且燃氣熱值低，CO含量過多，不符合城市居民使用燃氣標準；燃氣凈化及焦油處理技術落后，整套裝置可靠性差、使用壽命短。目前160kW和200kW生物質氣化發電設備在我國已小規模應用，顯示出一定的經濟效益。中國生物質氣化技術水平規模小，運行成本高，未形成系列產品，運行強度和效率低。此外，焦油和堿金屬問題也制約了氣化技術發展。
2.3沼氣技術
沼氣技術包括戶式沼氣和產業沼氣。進入21世紀后，中國農村戶式沼氣技術發展相當迅速，但還存在問題：沼氣工程規模過??；農村沼氣建設“重建設、輕管理，問題突出”；壽命短、故障多、低溫下供氣不穩和技術服務跟不上。“產業沼氣”是指規模化地生產并純化沼氣。中國“產業沼氣”成長面臨的關鍵技術障礙包括：大型沼氣工程結構改造、優化，發酵過程實時監測和調控智能化；大型工程沼氣液/渣的N、P回收、循環利用和排放的環境達標；產業沼氣新原料來源的開拓及相關性能的研究；沼氣提純工藝和設備的國產化及造價降低。
2.4生物質液化技術
反應器類型、加料系統和冷凝方案的選擇是生物質液化工藝技術的關鍵所在。國外研發了一些典型的反應器，國內正在致力于開發新型熱解裝置，如中國科技大學和中國科學院廣州能源研究所對流化床反應器進行了放大研究等。目前主要的生物質加料方式有脈沖加料、流化床加料和噴吹式氣力輸送加料器等。與前兩種加料方式相比，噴吹式氣力輸送加料料率穩定性好，但其加料量受載氣攜帶能力限制，滯留物料較多。冷凝方式主要有間壁式冷凝和直接混合式冷凝。直接混合式冷凝方案冷凝效果比較理想，且便于作物料衡算，但生物油易被帶出，易堵塞噴淋裝置。間壁式冷凝多采用多級列管式換熱器，優點是可控制各級溫度得到一定沸點的液體產物，能耗低；缺點是熱解氣在冷凝過程中焦結，引起管道堵塞?？傊?，生物質液化技術起步較晚，尚不成熟，還處于示范和極小規模工業化階段，設備和工藝路線創新較慢，產物提質利用沒有突破性進展。
3中國農業殘余生物質利用技術發展潛力及分析
生物質鍋爐燃燒技術較為成熟，運行效果良好，可在中國生物質資源較為豐富地區，將燃煤的層燃爐和流化床鍋爐改為燃用生物質。大型電廠混燒生物質發電，無需或只需對設備進行很小改造，熱效率高。目前國內大部分生物質燃燒發電廠仍靠直接引進國外技術為主，由于國外生物質燃燒原料是林業廢棄物，導致引進技術的適用性并不理想。此外，常規火電摻燒生物質的摻燒量按照熱值換算低于80%時，不享受政策優惠，在大大限制了生物質混燒技術的發展。戶式沼氣由于技術成熟，目前在國內已得到了廣泛推廣。但還存在規模小，管理亂，壽命短、故障多等問題。應繼續推廣和完善農村戶式沼氣技術，完善沼氣工程質量監管體系、管理和技術培訓及推廣服務體系，加大關鍵技術的研發力度。
目前我國的生物質成型燃料設備的技術原理較先進，成本低廉，但運行能力不高，還處于研究示范試點階段，規模化較差，應加強相關技術研究。目前我國生物質氣化、液化技術和“產業沼氣”還面臨許多關鍵技術障礙，在中國使用的時機還不成熟。
中國每年可收集的生物質資源約為3.14×108tce，其發熱量相當于13.14×108t標準煤，具有顯著的能源效益和環境效益。在農村及小城鎮生活、取暖燃料、工業企業的工業爐窯及動力鍋爐摻燒生物質，涉及其預處理加工、運輸、貯存及燃燒配套技術與設備等多個環節，啟動生物質資源化利用工程，可帶動一個新型產業鏈，符合國家大力發展新興產業的戰略要求，具有巨大的可持續發展優勢。
4結語
綜合考慮現有生物質利用技術水平，為加快中國生物質能源發展，特提出以下建議：制定發展路線圖，大力發展電站鍋爐混燒生物質技術，因地制宜發展生物質能發電技術，適當發展生物質鍋爐燃燒技術，重點研究開發生物質固化成型技術，繼續完善農村戶式沼氣技術；加強財政、稅收、電價、并網、金融及運輸政策，以彌補因生物質運輸、勞動力成本提高導致的發電成本提高；加強科技支持，以產學研結合的形式，支持突破新型稻谷收割機和生物質成型設備及混燒裝置，加快電站鍋爐混燒生物質技術及配套設備開發；要加快體制改革，優化市場結構，健全市場體系和價格機制，推動投融資體制改革。
參考文獻：
［1］開啟余.生物質（能源）產業發展現狀及趨勢［J］.農機化研究，2010（11）：16-20.
?。?］婁玥蕓，張慧芳.秸稈生物質能源的應用現狀與前景［J］.化學與生物工程，2010，27（9）：73-76.
?。?］楊晉萍，史飛，張雁茹.電站燃煤鍋爐摻燒生物質技術［J］.電力技術，2010，19（10）：13-17. |
