生物质能发电技术现状与展望

能源作为一种最重要的地球资源,是生产力的 核心,是经济增长和发展的前提,是解决环境问题 的先决条件。进入21世纪,中国经济高速发展,能源 短缺、环境污染等问题日益突出。中国已成为世界 上的第二大能源消费国[1],能源缺口将不断加大。 过去10年里,中国电力工业高速发展,截至2004 年5月,中国的发电装机容量达到 4亿千瓦[2],是 1990年发电量的3倍多,但在2002年还是再度出 现大范围缺电现象,而且越来越严重,缺电的省市 区由 2002年的 12个增加到 2003年底的 21个, 2004年达到24个,三季度高峰时段全国估计缺电 3000万千瓦,造成严重缺电局面。同时,全国还 有约 2万个村[3],约 800多万农户、3000多万人 口没有电力供应,远离现代文明。 近年来,世界各国对资源丰富、可再生性强、 有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开 发利用给予了极大关注。生物质资源利用中的生 物质发电技术成为研究和利用的热点。生物质能 发电技术就是利用生物质本身的能量[4],将其转化 为可驱动发电机的能量形式,如燃气、燃油、酒 精等,再按照通用的发电技术发电,然后直接提供 给用户或并入电网提供电能。截至 2005年底,我 国发电装机总容量达到 5亿千瓦[5],其中生物质能 发电装机容量 200多万千瓦[6],仅占我国发电装机 总容量的 0.004%。本文针对生物质燃烧发电、生 物质气化发电、沼气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 发电等几项生物质能发电 技术及其国内外研究现状、存在问题等进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和 论述。 1 生物质燃烧发电 生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅 炉中燃烧[7],产生的热烟气和锅炉的热交换部件换 热,产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发 出电能。在生物质燃烧发电过程中,一般要将原料 进行处理再进行燃烧以提高燃烧效率。例如,燃烧 秸秆发电时,秸秆入炉有多种方式:可以将秸秆打 包后输送入炉;也可以将秸秆粉碎造粒(压块)后入 炉或与其他的燃料混合后一起入炉。生物质燃烧发 电的技术已基本成熟,已进入推广应用阶段,这种 技术大规模下效率较高,单位投资也较合理,但它 要求生物质集中,数量巨大。 生物质燃烧发电技术作为一种重要的能源获取 手段应用于实际的历史不长,从 20世纪 90年代 起,丹麦、奥地利等欧洲国家开始对生物质能发电 技术进行开发和研究[8]。经过多年努力,已研制出 用于木屑、秸秆、谷壳等发电的锅炉。丹麦各电力 组织为此进行了规划,筛选了一批研究项目,并重 点对燃烧秸秆和木屑的锅炉与大型燃煤锅炉并联运 行发电供热进行了研究。在 BWE公司的技术支撑 下,1988年诞生了世界上第一座秸秆生物燃烧发 电厂。如今已有130家秸秆发电厂遍及丹麦,秸秆 生物质能发电技术现状与展望 黄英超,李文哲*,张 波 (东北农业大学工程学院, 哈尔滨 150030) 摘 要:文章综述了物质燃烧发电、生物质气化发电、沼气工程发电等生物质能发电技术及其发展现状和存 在的问题。生物质能发电技术的加速发展,实现了大量废弃生物质能的利用。在我国电力短缺的条件下,生物质 能发电将有广阔的发展前景。 关键词:生物质能;生物质燃烧发电;生物质气化发电;沼气工程发电 中图分类号:TM611;Q77 文献标识码:A 收稿日期:2006-04-14 基金项目:国家自然科学基金项目(50376009);黑龙江省科 技攻关(GC03A304) 作者简介:黄英超(1978-),男,黑龙江人,硕士研究生,研 究方向为能源与动力工程。 *通讯作者 E-mail:linwenzhe9@163.com 第38卷 第2期 东 北 农 业 大 学 学 报 38(2):270~274 2007年 4月 JournalofNortheastAgriculturalUniversity April2007 文章编号 1005-9369(2007)02-0270-05 发电等可再生能源占到全国能源消费量24%以上。 在美国生物质发电装机容量已达1050万kW[9],70% 为生物质-煤混合燃烧 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ,单机容量1～3万kW, 发电成本3～6美分(kW·h-1),预计到2015年装机 容量将达 1630万 kW。日本城市垃圾焚烧发电技 术发展更快,垃圾焚烧处理的比例已接近100%。 目前,我国对生物质燃料燃烧所进行的理论 研究很少,对生物质成型燃料的燃烧机理及动力 学特性研究才刚刚开始,关于生物质成型燃料燃 烧理论与数据还没有人系统地提出。关于生物质 成型燃料燃烧设备的设计与研究几乎是个空白。 一些单位为燃用生物质成型燃料,在未弄清生物 质成型燃料燃烧理论的情况下,盲目地把原有的 燃煤设备改为生物质成型燃料燃烧设备,致使燃 烧设备的燃烧效率及热效率较低,出力及工质参 数下降,排烟中污染物含量高。为了使生物质成 型燃料能稳定、充分、直接地燃烧,根据生物质 成型燃料燃烧理论重新进行系统设计,以及研究 生物质成型燃料专用燃烧设备是非常重要的,也 是非常紧迫的。 2 生物质气化发电技术 生物质气化发电技术是生物质通过热化学转化 为气体燃料[7],将净化后的气体燃料直接送入锅炉、 内燃发电机、燃气机的燃烧室中燃烧来发电。气 化发电过程主要包括三个方面:一是生物质气化, 在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料;二是 气体净化,气化出来的燃气都含有一定的杂质, 包括灰分、焦炭和焦油等,需经过净化系统把杂 质除去,以保证燃气发电设备的正常运行;三是 燃气发电,利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电, 有的工艺为了提高发电效率,发电过程可以增加 余热锅炉和蒸汽轮机[10]。由于生物质燃气热值低 (约 5023.2kJ·m-3),加之气化炉出口气体温度较 高,因此生物质气化联合发电技术的整体效率一般 要低于35%。 生物质气化发电技术在发达国家已受到广泛重 视[11-13],生物质能在总能量消耗中所占的比例增加 相当迅速,如美国的 Battelle(6MWe)生物质气化 发电项目和夏威夷(6MWe)生物质气化发电项目、 英国(8MWe)生物质气化发电项目、瑞典(4MWe) 加压生物质气化发电项目、芬兰(6MWe)生物质气 化发电项目以及欧盟建设的 3个 7～12MWe生物 质气化发电(IGCC)示范项目等。奥地利成功的推 行了建立气化木材剩余物的区域供电站的 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,使 生物质能在总能耗中的比例由原来的3%增加到目 前的 25%,已拥有装机容量为 1～2MWe的区域 供电站 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。一些发展中国家,随着经济发展也逐步重视生 物质气化发电的开发利用,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、热解等技术的研究开发,并形成了工业化 生产。近年欧美开展了其它技术路线的研究,如比 利时(2.5MWe)和奥地利(6MWe)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,但这些技术仍未成熟,成本较高。 我国生物质气化发电技术的研究始于上世纪 60年代,具有代表性的是稻壳气化发电装置。目 前应用的主要是 160kW和 200kW的气化发电装 置。近年我国开展了1MW生物质气化发电系统的 研究,目标在于中等规模的生物质利用技术。我国 对生物质气化技术的深入研究始于上世纪80年代, 经过 20多年的努力[14],我国生物质气化技术日趋 完善。但与发达国家生物质气化技术相比,国内生 物质气化装置基本上是以空气为气化剂的常压固定 床气化技术,如河北的 ND系列、山东的 XFL系 列、广州的GSQ系列和云南QL系列。这些固定床 气化炉应用在不同场合取得了一定的社会、环保和 经济效益。但在技术上存在着一些问题,如气化得 到的生物质燃气热值和利用率低、燃气中焦油含量 高等,制约了生物质气化技术在我国的商业化推 广。我国目前应用的生物质气化发电系统主要是中 国科学院广州能源研究所开发的流化床气化炉和内 燃机结合的气化发电系统[15]。该系统采用内燃机系 统,降低了对燃气杂质的要求(焦油和杂质含量 <100mg·m-3即可) 和系统成本,适合发展分散独 立的生物质能源利用系统。随着我国能源供需形势 的发展,人们对生物质发电规模及系统效率提出了 更高的要求,发展生物质整体气化联合循环发电技 术(BIGCC),尤其是增压流化床气化联合发电系统 的必要性越来越明显。 黄英超等:生物质能发电技术现状与展望第2期 ·271· 生物质气化发电相对燃烧发电是更洁净的利用 方式,它几乎不排放任何有害气体,小规模的生物 质气化发电已进入商业示范阶段,它比较合适于生 物质的分散利用,投资较少,发电成本也低,比较 合适于发展中国家应用。利用现有技术,研究开发 经济上可行、效率较高的生物质气化发电系统是发 展我国今后能否有效利用生物质的关键。中国有大 量的生物质废弃物[16],按现有的资源计算,只要 2%的秸秆和10%的谷壳用于气化发电,总装机将 达 2000MW。如果考虑林业废弃物和其他工业废 弃物,这方面的市场潜力将更大。 3 沼气发电技术 沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展 而出现的一项沼气利用技术,它将沼气用于发动机 上,并装有综合发电装置,以产生电能和热能,是 有效利用沼气的一种重要方式。沼气发电工程本身 是提供清洁能源,解决环境问题的工程,它的运行 不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题,而且由 于其产生大量电能和热能,又使沼气的综合利用有 了广泛的应用前景。 沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极 推广,如美国的能源农场、德国的可再生能源促 进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源 等[17-20]。沼气工程发电并网在西欧(德国、丹麦、 奥地利、芬兰、法国、瑞典等)一些国家的能源总 量的比例为 10%左右,预计本世纪末将增加到 25%。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工 程,处于世界领先水平。现有 61个填埋场使用内 燃机发电,加上使用汽轮机发电的装机,总容量已 达 34万 kW;欧洲用于沼气发电的内燃机,较大 的单机容量在400～2000kW,填埋沼气的发电效 率约为 1.68～2kWh·m-3。近几年随着德国可再生 能源政策的不断加强[8],德国沼气发电技术发展迅 速,其中沼气发电设备也随之加速发展。德国沼气 工程以发电为主要目的,全德国2000个沼气工程 中用于沼气发电的占98%。德国还开发了小型沼气 燃气发电技术,大大提高了沼气的应用水平,沼气 发电站数量成倍增加。目前,日本和德国等一些发 达国家还开展了沼气燃料电池及发电装置的研究[21]。 沼气燃料电池把沼气经过烃裂解反应产生的以氢气 为主的的混合气(氢气含量达 77%)作为原料,将 此混合气以电化学方式进行能量转换,实现沼气发 电,与传统沼气发电相比发电效率较高,经济效益 显著。 我国开展沼气发电领域的研究始于 80年代 初,在此期间,先后有一些科研机构进行过沼气 发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。我 国的沼气发动机主要为两类,即双燃料式和全烧 式[22]。目前,对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究 开发工作较多。如:中国农机研究院与四川绵阳 新华内燃机厂共同研制开发的 S195-1型双燃料发 动机,上海新中动力机厂研制的 20/27G双燃料发 动机等。成都科技大学等单位还对双燃料发动机的 调速、供气系统以及提高热效率等方面进行过研 究。在全烧式发动机研究方面,潍坊柴油机厂研制 出功率为 120kW的 6160A-3型全烧式沼气发动 机,贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发 出 60kW的 6135AD(Q)型全烧沼气发动机发电机 组;此外,还有重庆、上海、南通等一些机构进行 过这方面的研究、研制工作。可以说,目前我国在 沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机发电系 列上。截至 2005年底,全国已建成农村户用沼气 池 1700多万口,年产沼气约 65亿 m3,但用于发 电的并无报道。我国有9个省(区、市)建有沼气发 电工程,畜禽养殖场沼气发电均供自用,尚无一例 工程发电上网。 4 展 望 我国拥有丰富的生物质能资源,我国政府及 有关部门对生物质能源利用极为重视,己连续在 四个国家五年计划中将生物质能利用技术的研究 与应用列为重点科技攻关项目,开展了生物质能 利用技术的研究与开发,在大中型沼气工程、气 化与气化发电、生物质液体燃料等方面取得了多 项优秀成果。 利用生物质能发电是一个系统工程,它包括多 项单元技术的优化组合,也涉及到国家对生物质能 发电的扶持政策和技术法规等。剖析国内已有的生 物质能发电工程,并借鉴发达国家的生物质能发电 利用经验,以及国家近期对可再生能源的政策导 向,相信我国生物质能发电产业将在未来的若干年 后会有突破性进展。首先,2006年1月1日起《可 再生能源法》[23]的正式实施表明我国政府已在法律 ·272· 东 北 农 业 大 学 学 报 第38卷 上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的 地位,并在政策上给予了巨大优惠支持,将大大改 善生物质能发电的经济性和市场前景,对其进入 市场具有积极作用;其次,要引进吸收国外先进 技术和经验[24],加强技术支持和保障体系的建设、 扶持和培养,制定国家级的沼气发电工程技术规 范和标准,逐步建立和完善可持续的、市场化的 推广生物质能发电综合性服务网络;再次,鼓励 有实力的研究院所和大型企业进行强强合作,开 发符合我国国情具有自主知识产权的生物质能发 电设备及配套设施,为我国的生物质能发电事业提 供技术设备保障。 5 结 语 本文介绍的是三种应用比较广泛的生物质能 发电技术。对于生物质大规模燃烧发电来说,近 期有前景的应用也许是在现有电厂利用木材或农 作物的残余物与煤的混合燃烧。发展生物质气化 发电技术,将固体生物质转换成高品位的气体燃 料使用,是有效利用生物质能源,并使能源结构 从以矿物燃料为主向以可再生能源为主的持续能 源系统转变的重要措施之一。沼气工程技术治理 环境污染、获取绿色能源更为经济、实用的手段, 从我国沼气产量潜力、发电技术水平、市场需求 和政策导向的发展趋势来看,沼气发电的产业将 有突破性进展。今后的几十年是中国将在以生物 能为主的可再生能源技术领域,进入高新技术开 发与大规模推广并举的发展阶段。我们要紧紧抓 住机遇促进生物质能源产业和市场的全面发展。 力争到 2010年,生物质能发电总装机容量达到 400万 kW,到 2020年达到 1600万 kW,走出一 条解决电力短缺与实现生物质能源合理利用的双 赢之路。 [ 参 考 文 献 ] [1] 王庆一.中国能源现状与前景[J].中国煤炭,2005(2):22-27. 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