1、我国生物质能发电技术路线探讨发布时间：2008-09-18我国生物质能发电技术路线探讨 - 投稿 陈涛 2008-06-30 1. 引言 我国生物质能蕴藏丰富，潜力巨大，自古以来，生物质能曾经是我国重要的能源。即便在用电普及的今天，生物质能仍然是广大农、林、牧区的重要能源。据“中国可再生能源规模化发展项目管理办公室”2008 年 6 月出版的“生物质有关技术装备及产业化应用调查报告”称：“中国是一个农业大国，生物质能源十分丰富，生物质废弃物的总量，约相当于我国煤炭年开采量的 50，总计约 6.56 亿吨标煤。但是长期以来，这些生物质并未得到充分合理的利用，目前利用率仅在 30左右，而且其能源利
2、用方式极为原始，大多数物质以直接燃烧为主，这是一项巨大的资源浪费。” 建国以来，鉴于生物质能利用效率低下，以及对环境和生活品质的不良影响，各技术机构开展了长期、广泛的研究和改良。诸如节柴灶、沼气、气化等，取得显著的成效。我国生物质能利用在可再生能源利用中始终位列前矛。现在，生物质能发电也逐步列入议事日程。 其实，生物质能发电在我国早已有之，如造纸业、制糖业作为废料处理的黑液发电、甘蔗渣发电；近年开展的垃圾发电和填埋气发电卓有成效。 大规模地直接以散布在大地上的秸秆等农、林、牧“三废”等大宗生物质来发电，还只有不多的项目。 由于生物质能发电有保证出力，调节性能好等特点，它可以参加电网调峰，和电网
3、容易匹配，它不受煤矿、铁路的能力和价格变动制约。在各种电力中，生物质能电力是最好的电力。因此，近年来，对生物质能发电，国家无论在规划层面还是在开发利用层面的投入和政策优惠都优于其他可再生能源。例如：2010 年风力发电的规划容量为 500 万千瓦，而生物质能发电的规划容量为 550 万千瓦；风电上网电价按竞价确定，生物质能电价按标杆电价加二角五分。 可是令人惋惜的是，生物质能发电的发展速度，明显地低于太阳能、风力发电的发展速度。据报导，2007 年我国风力发电装机总容量已达 590 万千瓦，位列世界第五名。而生物质能发电装机难以达到规划水平了。 2. 政策优惠之外，技术路线也很重要 眼下生物质
4、能发电技术路线有两大类：一是把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电厂，燃料是秸秆、谷壳等散料，用锅炉-汽轮发电机组来发电。一般装机容量在 2-4 万千瓦。二是中等规模气化发电机组，以气化炉和煤气内燃发电机组来发电。 把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电是前一时期从国外引进的模式。这种模式属于集中化、大电网的模式。 这种模式的电厂规模做不小，因为小机组的蒸汽参数低，热效率更低。而且此类电厂管理和技术水准的要求比较高。规模小了，相应的管理成本会显得很高。只能往大里做。尽管如此，受燃料收集范围的制约，充其量也只能做到高温高压等级，而这种蒸汽参数的发电机组，因其效率低、排放大、在燃煤火电已属
5、关停范围。 这种电厂都是固定式的。这就带来另外一项风险，那就是：一旦电厂周边地域内农业转产，电厂就将面临燃料来源问题。 由于生物质能低密度的特点，大量收购必然带来长途搬运，运输成本高昂，原料采集范围大到几十公里，其运输规模庞大，甚至出现运输业大于发电业的喧宾夺主现象。长途搬运耗费大量油料，使得这种发电方式的“绿色”受到质疑。 大量收购的另一个问题是抬高整体燃料价格。原本运距较短的近区燃料供不应求，必然会以远区燃料的高位价码为参照，从而抬高了近区燃料价格。 更成问题的是，生物质原本存在多种用途，如：肥料、饲料、造纸、燃料等等。真正成为废物或有害废物的只是一部分。发电企业介入收购，必然对其他产业已
6、经形成的供应链和价格体系形成巨大冲击，造成原料市场价格非理性化。有些地区甚至出现老乡从烧秸秆改烧煤炭的情形，这与节能减排背道而行。 原料采集范围大了，还可能加重技术上的困难：原料采集范围越大，品种越混杂，使得灰融点进一步下降，造成炉膛严重结焦，难以连续运行，电厂难以为继。还可能产生高温、低温金属腐蚀，降低可用率，增加维修成本。 这条路线的另一个问题是需要消耗相当多的淡水，当然如果把电厂建在有相当大的持续热用户的城市，可以热电联供。但是必然带来同样的问题，那就是要取代已经存在的供热产业链，而且，一般说，供热半径小不了，使得供热管网建设和运行成本上升。 这种电厂的燃料储藏也是一件大事。燃煤电厂的存
7、煤，一般考虑15 至 25 日的消耗量。可是生物质的存量需考虑青黄不接，总要按数月设计。不论集中一处或多处，必然占用大量土地。其消防也成为大事。 这类电厂因其附属设施庞大、料场占用大片土地，其单位造价比起燃煤火电单位造价要高出一倍多；一般说单位千瓦造价在万元以上。因为技术原因，其效率却只有燃煤火电的 80；加上燃料昂贵；用人多；运维费用高等等。即便有电价津贴，仍然无利可图。一般说，生物质能电厂的上网电价盈亏平衡点在 0.8 元/千瓦时左右。远高于风力发电上网电价。(一般说，风力发电的正常上网电价盈亏平衡点在 0.60 元/千瓦时)。因此，把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电的技术路线是一
8、种缺乏竞争力的路线。 作为生物质能发电的另一条技术路线，中等规模气化发电模式，应该说其规模比前者要现实得多。但是经过多年开发，始终难以推广。究其原因是燃气净化这一关难以逾越。内燃机是一种对燃料十分挑剔的机械。这就要求对燃气作精细的净化，这样就会造成燃气净化设施比气化设施大许多倍，庞杂的净化设施提高了投资额，运行维护复杂，需要大量用水，还要处理含焦油废水。 燃气在净化过程中温度下降，已经造成很大的热损失，使其总体效率不高。一般说发一度电需 1.5 至 2 公斤燃料。倘若燃料价 0.2 元/公斤，燃料成本达到 0.3 至 0.4 元/千瓦时，相应上网电价可想而知。此类电厂管理和技术水准的要求也比较
9、高。因而用人也很多，这种发电企业的规模也不能做得太小，否则管理成本会显得过高。同样存在运费高昂的问题。 气化发电推广缓慢，它的上游供应商，如：燃气内燃机供应商，对技术开发不敢大量投入，使整个产业链不成熟，难以期望在短期内有重大突破。 上述两条技术路线久攻不克，使我国的生物质能发电事业发展不理想。近来读到不少文章要求给生物质能发电以更多政策优惠。本人认为除了政策优惠，技术路线也很重要。技术路线的失误，同样产生灾难性后果。似乎应该采取完全不同的技术路线。 3. 发展以村为单位的生物质能分布式发电企业的技术路线 3.1 生物质原料市场 生物质种类繁多，分布面广。生物质的生长受品种、日照、气温、降水、
10、肥料、土壤、耕作等的影响，其产量相差悬殊。以我国地域划分，大体上南方、东部高于北方、西部。粗略的估计每亩干生物质产量在 0.5 至 2 吨。其亩产对富集成本影响巨大。也就是品位对投入产出十分敏感。 生物质产品大多已有其他用途，浪费的只是一部分。一旦发电企业开始收购就可能与其他收购者竞争，抬高价格，牵动面很大。应该与兄弟收购者保持足够的间距，以利彼此发展。 有些生物质已经完成了富集，并成为有害废物。利用来发电，使其无害化、资源化，对发电企业而言是最有利的。这样不单不用付燃料费，还可取得一些治污补偿。例如谷壳。粗略估计以我国生产的谷壳的 10作为发电燃料，就可装机 600 万千瓦。这也是我国气化发
11、电企业大多成为粮食企业自备电厂的原因。可是据了解，这种发电方式上网难度很大，而且几乎不可能取得国家对生物质能发电的价格津贴。虽说 600 万千瓦也不能说是个小数目。但是相对于散布在田间的秸秆的巨大潜力，毕竟还只能说是个不大的数目。 对于散布在田间的秸秆，以非常粗略的估算，每公顷(15 亩)的生物质够 1 千瓦发电机组发电 1 年之用。每平方公里(1500 亩，相当于一个村)可供 100 千瓦。这样用我国 10的国土生产的秸秆，取其20-30，就够装机 1 亿千瓦。这只是现在的估计，将来原料市场充分理性化了，就有可能使所有“废物”都充分利用。更何况，一旦生物质能发电成为一个有利的大产业，就可能出
12、现新的能源作物。其产量难以估计。 3.2 生物质能发电厂的规模 为了降低富集成本，按照燃料市场的特点，似乎生物质能发电企业的规模越小越有利。但是考虑到管理成本，就不能太小。一般上马之初似乎应以半径 1-2 公里的范围(一个村)建一个电厂为宜。因此电厂容量在 50 到 150 千瓦，用工 2 到 4 人较适合。成为农村分布式的小电厂，这些小电厂效率还不能太低，用人也不能过多，还要少占地。 3.3 装备技术路线-直燃式热气机生物质能发电机组 蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机这三种最普遍使用的热力机械都不能满足这种小电厂的要求。倒是一种古老而未经利用的热力机械-斯特林引擎(热气机) 可能会解决问题。其名称
13、为：直燃式热气机生物质能发电机组。 直燃式热气机生物质能发电机组由直燃炉和热气机-发电机组合而成。 直燃炉基本沿用节柴灶技术。我国研制推广节柴灶已有数十年的经验，技术成熟，形式多样，生产企业多，便于选用。近年研制的百千瓦级生物质颗粒燃料热水锅炉，其效率直逼 90，其化学和机械未燃烧热损失己经不多。如果容量更大些，配以烟道省煤器和空气予热器，进一步降低排烟温度，减少排烟热损失，其效率还能进一步提高。 节柴灶采用高温直燃，原料处理简便，几乎不存在焦油问题。炉膛内结焦则可以用机械方法清理，所得草木灰为优质肥料。 热气机(Stirling Engine) 由苏格兰牧师 Robert Stirling
14、在 1816 年发明，是一种由外部向气缸内的工质供热，使工质气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环的往复式发动机，所以又称斯特林发动机。其热力循环由定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程等四个过程组成。热气机因其燃料在气缸外燃烧而区别于燃料在气缸内燃烧的内燃机，所以热气机又被称作外燃机。热气机的工质可为氢、氮、氦或空气等。已设计制造的热气机有多种结构，热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。配气活塞式热气机，在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动；双作用式热气机，每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。各缸的上部为热腔，下部为冷腔。各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。 与内燃机比较，热气机适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统，如热管，进行间接加热时，几乎可以使用任何热源，例如：生物质能、太阳能集热、核反应等。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，因而自用能少。由于外燃，允许燃料具有较高的杂质含量。热气机在运行时，
