生物质能发电综述

生物质能发电

能源是人类社会生存、国民经济发展的必备资源和重要战略物资。能源紧缺以及由于能源消费而产生的生态环境恶化，促使世界各国寻找清洁、高效的新型替代能源。生物质能发电是可再生能源中最重要的组成部分，具有良好的社会效益和经济效益，已受到世界各国政府的高度重视。

1、生物质能发电的内涵和特点

生物质具可再生性、低污染性、低密度性，而且生物质能分布广泛，蕴藏量巨大，地球上光合作用每年生产约2.2×1011t干生物质，相当于全球能源消费总量的10倍左右。

生物质能是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消耗总量第四位的能源。生物质能源作为一种洁净而又可再生的能源，是唯一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其他化工原料或者产品的碳资源。生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，是取之不尽、用之不竭的能源资源，是太阳能的一种表现形式。

生物质能发电主要利用农业、林业和工业废弃物、甚至城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化等方式发电，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。近年来，国内外能源、电力供求日趋紧张，作为可再生能源的生物质能越来越凸显出其必要性。

2、生物质能的转化和利用技术

2.1直接燃烧技术

生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，就是不在进行化学转化的情况下，将生物质作为燃料转换成能量的过程。直接燃烧可以分为炉灶燃烧和锅炉燃烧两种情况。

生物质在炉灶中燃烧的热效率一般为10％～15%，在省柴炉灶中燃烧的热效率为30%左右。生物质作为锅炉的燃料直接燃烧，其热效率为50%～60%。

从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料的适应

性较好，因为生物质燃料在床内停留时间较长，可以确保生物质燃料完全燃烧，提高燃生物质锅炉的效率。同时流化床锅炉能够较好地在850℃左右稳定燃烧，燃料燃尽后不易结渣，并且减少了NOx、SOx等有害气体的生成。但也存在一些缺点：（1）流化床锅炉排出灰分，与其它锅炉相比较大；（2）生物质燃料需要进行一系列的预处理；（3）生物质燃料蓄热能力小，影响了灰渣的综合利用。2.2生物质固化技术

生物质固化是将生物质原料粉碎到一定颗度或者在高压条件下利用机械挤压成型。经过生物质固化以后，能量密度可增大到加工前10倍左右，热值可以达到15000kJ/kg左右。

生物质型煤是生物质固化技术的一种，将干燥的煤粉、生物质和固硫剂（CaCO3）按一定的比例混合后压制成一种固体燃料。生物质型煤由于生物质着火温度低于煤着火温度，使得生物质先燃尽，其燃烧造孔作用，有利于型煤充分燃烧，还有利于固硫反应。

生物质煤在燃烧性能和环保性能上具有明显的优良特性，但是一次性投资成本高，同时技术和经济因素阻碍了商业化发展应用。国内型煤利用存在的主要间题是着火滞后，脱硫率低，难以兼顾燃烧和脱硫的要求，特别是对高硫低热值煤，存在着不能兼顾着火燃烧和脱硫的问题。

2.3生物质液化技术

生物质液化是以生物质为原料，制取液体燃料，是有效利用生物质能的最佳途径之一。目前生物质液化的主要方法有：水解发酵制燃料乙醇、生物质直接液化和生物质裂解生成液体燃料等。生物质液化主要产品为甲醇、乙醇和生物柴油。

2.3.1水解发酵制燃料乙醇

传统的酵母发酵乙醇技术用于糖或淀粉含量高的生物质已经趋于成熟，并有较大规模应用，而对于含大量纤维素的植物来讲，正在开发将纤维素水解为糖后再制取乙醇的技术。

纯酒精或汽油和酒精的混合物都可以作为燃料。混有20%酒精的汽油辛烷值高，能清洁燃烧，而且不必对汽车发动机作较大的改造。

由于我国人口多，以淀粉为原料生产燃料乙醇受到限制。生物质发酵法应用于木质纤维素类的生物质目前存在生产周期长、转化效率低的缺点。

2.3.2生物质直接液化

生物质直接液化是将生物质在适当的压力和温度下，并且有一定的溶剂和催化剂存在的条件下进行的直接液化。

美国匹兹堡能源研究中心Apel将生物质放入Na2CO3溶液中，通入CO加压至28MPa，在350℃下得到40％-50%的液体燃料。

Demirbag根据实验资料，将液体油和焦油的产率与原料中的木质素的含量进行研究，得到以下的关系：油产率=-0.015（LC）3+1.67（LC）2-62.25（LC）+809.122，焦碳产率=-0.014（LC）3-1.352（LC）2-50.722（LC）-581.19，其中LC为原料中的木质素的含量。

生物质直接液化的优点：（1）对原料不需要进行脱水和粉碎等高耗能步骤；（2）设备简单、操作简单；（3）产品质量好热值高。

生物质直接液化得到的燃料油与传统的燃料相比具有含水量高、含氧量高、性质较不稳定等特点。

2.3.3生物质裂解生成液体燃料

生物质裂解生成液体燃料是在无氧或缺氧条件下，利用热能切断生物质大分子键，使之转变为小分子物质的过程。

以木屑为原材料，利用旋转锥反应器闪速热裂解实验结果表明，当木屑加入速度为26.42kg/h时，生物油、不可冷凝气体及木炭的得率为53.37%、21.45%和25.16%。裂解得到的产物中含有醇类化合物，而且基本上不含硫、氮和金属成分。但是裂解得到的液体燃料和热稳定性差，并存在腐蚀性。裂解过程中，必须消除焦油问题，提高液体燃料产率。

2.4生物质气化

生物质原料中通常含有70%～90％挥发分，由于这一特性使气化技术非常适用于生物质原料的转化。气化形式多样，目前主要有沼气发酵技术和生物质热解气化技术。

1.4.1沼气发酵技术

沼气发酵是利用有机废气物转化为气体燃料。这个过程通常有3个阶段：水解阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。

发酵的生物质原料主要是生活废物、废液和工农业垃圾，是操作简单而且非常可行的一种方式，同时解决了农村能源短缺问题。

1.4.2生物质热解气化技术

生物质热解气化技术是优化利用生物质的技术之一。生物质在高温下，经过干燥、裂解、氧化反应和还原反应等过程之后，得到CO、H2、CH4等可燃气体及CO2、N2的混合物。

热解过程包含许多复杂的反应。低温时（低于250℃）的主要产物是CO2、CO、H2O及焦碳。温度升高至400℃以上时，又发生一些反应，生成CO2、CO、H2O、H2、CH4、焦碳及焦油；温度继续升高到700℃，出现二次反应，焦油裂解为氢、轻烃及碳等产物，如下图所示

热解机理模型

气化的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率高、用途广。但是生成的燃气不易于储运，一般为低热值或中热值，较少产生高热值气体。如改变生物质热解气化工艺，将原料经预处理、压制成型、碳化造粒和水煤气生物质气化，则可以得到高于10000kJ/m3的高热值气体，它可以直接用于燃烧或者作为燃气透平的燃料，也可以作化工原料。

生物质利用技术中最有前途的是IGCC技术，燃气透平将气体转化为电能的效率高。IGCC系统要求可燃气体在进入燃气透平燃烧之前需要净化。目前生物质热解气化中的焦油消除问题，已经成为制约生物质气化技术的主要因素。

3、生物质能发电的发展状况

3.1生物质能发电在国外的发展状况

世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大发展，特别是2002年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质能的开发利用正在全球加快推进。截至2004年，世界生物质发电装机已达3900万千瓦，年发电量约2000亿千瓦时，可替代7000万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。

3.2生物质能发电在我国的发展状况

在我国，从1987 年起开始生物质能发电技术研究。1998 年，1MW 谷壳气化发电示范工程建成投入运行。1999 年，1 MW 木屑气化发电示范工程建成投入运行。2000 年， 6 MW 秸秆气化发电示范工程建成投入运行，为我国更好地利用生物质能源奠定了良好基础。为推动生物质能发电技术的发展，2003 年以来，国家先后批准了河北晋州、山东单县、江苏如东和湖南岳阳等多个秸秆发电示范项目。截至2005年底，我国已发展户用沼气池1800多万户，建成大型畜禽养殖场沼气工程和工业有机废水沼气工程约1500处，沼气年利用量达到约80亿立方米，全国生物质发电总装机容量约200万千瓦，其中蔗渣发电约170万千瓦，垃圾发电约20万千瓦，其余为稻壳等农林废弃物气化发电和沼气发电等。

4、生物质发电的发展前景

未来的10 年将是世界各国大力发展生物质能的关键时期，在国际上，主要

目标是把生物质转换为电力和运输燃料，以期在一定范围内减少或代替矿物燃料的使用。2010年到2030年期间，生物质发电技术将完全市场化，与常规能源可以进行平等的竞争，所以生物质能所占的比例将大幅度提高，将成为主要的能源之一；同时生物质制取液体燃料也将成熟，部分技术进入商业应用，但生物质液体燃料的商业化程度将决定于石油供应情况和各国对环境要求的程度。到2050年这一时期，生物质发电和液体燃料将比常规能源具有更强的竞争力，包括环境和经济上的优势，所以生物质能将会是综合指标优于矿物燃料的能源品种，将占有主导地位，其使用量和占有量主要决定于各国各地区生物质的供应情况。

再看我国，我国是农业大国，生物质能资源丰富，开发潜力巨大，生物质能资源量约为7 亿t 标准煤，随着退耕还林和种植薪炭林，估计到2020 年生物质能资源量可达9 亿~ 10 亿t 标准煤，因此，利用生物质发电是我国能源结构调整的重要内容之一。国家在该方面也给予了极大的认可和支持，国家发布的十一五规划纲要提出未来将建设生物质能发电550万kW 装机容量，已公布的可再生能源中长期发展规划也将生物质能列入四大重点发展的能源之一，并确立了到2020 年生物质能发电装机容量3 000 万kW 的发展目标。此外，国家已经决定安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。

5、生物质能发电的优势

（1）资源丰富，发展潜力巨大。生物质资源非常巨大，有很大的发展潜力。随着国民经济的发展，在国家环保政策的引导下，这些潜力将会被逐渐释放出来，作为发电动力燃料的生物质原料将会越来越多，给生物质发电提供了发展空间。

（2）适合发展分布式电力系统，接近终端用户。相对于煤、石油、天然气等化石类燃料，生物质资源是分散的，生物质能的分散性决定了生物质能利用的分散性。根据生物质资源的这一特点，在生物质资源相对集中的地域，根据资源量选择适当的生物质发电技术类型，建立相应规模的生物质发电厂，所生产的电力可以直接供给附近的用电单位，也可以并入电网。这种分布式电力系统技术适宜，投资小，而且接近终端用户，可以不受电网影响，直接供电，运行方便可靠。

（3）改善生态环境，发展农业生产和农村经济。生物质能属于清洁能源，有助于国家的环境建设和二氧化碳减排。采用生物质发电技术，可以将生物质转

化为高品位的电能，满足农村紧迫的电力需求，而且节约资源，改善农民的居住环境，提高农民生活水平。

（4）生物质发电的直接效果。利用生物质能源燃烧或气化发电，既解决了废弃物对环境的污染，又作为能源解决了生产企业本身的用电问题，因此生物质发电已成为生物质能工业化应用的重要方面。

6、我国在生物质能发电方面存在的主要问题及解决途径

6.1我国在生物质能发电方面存在的主要问题

从总体上看，我国生物质直燃发电产业尚处于起步阶段，产业化和商业化程度较低，效益不乐观，市场竞争力较弱，缺乏持续发展能力，对再生清洁能资源利用的认识和研究还远远不够，缺乏先进技术与高效率的装备，生物质能转换规模小，资源利用率低。我国在生物质能发电方面存在的主要问题有以下几方面：

（1）建设和运营成本相对较高，上网电价难以支撑生物质能发电厂的正常运营。

（2）技术开发能力和产业体系薄弱。技术水平较低，缺乏技术研发能力，设备制造能力弱，技术和设备较多依靠进口，技术水平和生产能力与国外先进水平差距较大

（3）存在盲目上马的问题。生物质发电产业具有典型的小电厂、大燃料特征，燃料供应是生物质发电项目正常运营的前提。秸秆体积大、重量轻，不适合长距离运输，这导致燃料收购、储存和运输均较困难。对生物质发电项目正常运营造成非常不利的影响。

（4）示范项目缺乏专门的管理办法。

6.2解决问题途径相关建议

（1）加大可再生资源开发的宣传力度。通过文字、图片、影视、现场实验、实地参观等多种方式提高群众，尤其是农作物所有者对可再生资源的认识。

（2）政府支持，法律保障。政府扶持是其发展的重要推进剂,其可为生物质能发电争取与常规火电竞争的技术进步时间。此外，可以通过立法，强制电力公司建设供应或购买再生能源电力，以吸引民间资本，提高生物质能发电投资商的

信心。

（3）加大财政投入和税收优惠力度。生物质发电是国家鼓励的资源综合利用方式，根据可再生能源法，国家鼓励的资源综合利用认定管理办法，等有关规定, 应尽快落实农林生物质发电增值税即征即退和所得税减免的优惠政策。在生物质发电发展的起步阶段, 对生物质发电进行财政补贴, 应对有关技术研发、设备制造等给予适当的企业所得税优惠。

（4）加快对国外先进技术、装置的吸收转化，提高技术水平。在引进国外技术设备的同时，应积极进行消化吸收和技术改进，以适应我国国情。

（5）示范试点，逐步推广。逐步加强示范推广工作，确定并扶持一批可再生能源开发利用的示范点或示范区，取得经验后，再逐步推广。

（6）建立再生能源管理体系，构建布局合理的市场。生物质能发电体系是涉及面庞大的社会系统工程, 会引起国家农村经济和能源环境的巨大变化，因此建议各级政府和发电企业开拓思维、革新管理, 创新技术，确保秸秆成型、收集、储藏、运输模式安全、生产经济，使生物质能发电尽快地走向市场，参与竞价上网。

（7）调整上网电价。现行的上网定价政策难以支撑生物质发电厂的正常运营。要根据我可再生能源法中促进可再生能源开发利用和经济合理的原则，按照我国价格法中成本加合理利润的基本原则，充分考虑有关法规要求，从保证农民利益和生物质发电行业基本生存能力的角度出发，适时调整生物质发电电价。7、总结

目前我国生物质能产业正在蓬勃发展，已经取得一些可喜的成果，但从总体和长远来看还存在很多问题。因此，现阶段我国发展生物质能机遇与挑战并存。既要抓住时机，大力发展，又要避免一哄而上，盲目竞争。