生物质能发电技术及其分析

孙守强，袁隆基，杨宏坤，梁军辉 (中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116)  　　摘要： 介绍一些常用的生物质能转化方式，包括生物质固体成型技术、生物质液体燃料转化技术以及生物质制取气体技术。同时详细地介绍了秸秆燃烧发电、沼气发电、整体气化发电(BIG)、生物质燃料电池等一些常用的、比较有前景的生物质能发电技术。最后，结合目前国内外生物质能发展现状以及发展中需注意的问题从技术的可行性、经济性等方面做了一些分析。 　　生物质能是人类利用最早的能源之一。生物质能源主要是指直接或间接地利用自然界的有机物质生产的能源，其具有蕴藏量大、普遍性、易取性、挥发性高、炭活性高、易燃性等特点。在我国，生物质能的主要表现形式有[1]：农业生产物及农林废物；生活垃圾；工业有机废物等。但我国生物质能利用起步晚、利用方式简单、效率低，因此，开发比较环保、高效燃烧技术对我国农村地区生活水平的提高以及环境的改善显有深远的意义。 　　1生物质能利用转化方式 　　1.1固体利用方式 　　固体利用生物质燃料技术与燃煤发电技术类似，核心问难是生物质入炉前的成型技术。根据成型工艺的差别主要分为湿压成型、热压成型和碳化成型[2]工艺三种形式：湿压成型工艺主要是将原料在一定液体中浸泡数日，生物质在液体中皱裂并部分降解，然后采用一定方式(通常为高压)将水分挤出，然后成型成为燃料块；热压成型工艺过程与型煤技术类似通常分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型以及冷却包装等过程，其中成型方式是核心工艺；碳化成型是将原料送入机器内压缩，后柱塞将压好的块料送入热解桶内，物料在已设好温度的热解桶内被碳化，得到相应的产品。 　　1.2液体转化利用方式 　　生物质转化液体方式主要有发酵工艺、生物质液化以及机械萃取工艺。发酵主要是指糖类、淀粉含量较高的生物质制取乙醇，其流程为先将生物质碾碎，通过催化酶作用将淀粉、糖类转化为糖，再用发酵剂将糖转化为乙醇，初步得到的乙醇体积分数较低(10% ~15%)的产品，蒸馏除去水分和其他一些杂质，最后浓缩的乙醇(一步蒸馏过程可得到体积分数95%的乙醇)冷凝得到液体乙醇[3]；生物质液化燃油是一种以废弃生物质(如各种废弃农业秸秆、废弃木本植物、草本植物及城市有机垃圾)为原料，经特殊的热化学液化工艺转化、分离所获得的新型、绿色可再生的生物质液体燃料；一些含油率高的能源作物如菜籽、油桐、蓖麻、油菜等可以直接经过机械方式经过压榨、提炼、萃取以及精炼等处理方式得到的液体燃料，对植物油进行酯化处理，经过油脂水解、脂肪酸的酯化、酯交换等过程可生产出品质较好的生物柴油。 　　1.3气体转化利用方式 　　气化方式主要有生物化学法和热化学法两种。生物化学生产可燃气体主要指细菌将原料(有机废物)分解为淀粉和纤维素都等有几大分子，然后将他们直接转化为脂肪酸(乙酸等)，紧接着甲烷化细菌开始起作用进行厌氧消化法生产沼气；热化学法就是将温度加热到600℃以上，在缺氧的条件下对有机质进行“干馏”这类热解产物与以煤热解十分相似，固体产物为焦炭类似物，气体产物为“炉煤气”类似物，一部分固体物质，再进入裂解炉[4](鲁奇法)进行固体物质的裂解或进入二次燃烧室燃烧，炉温可达900℃以上。这样固体全部转化为气体燃料，便可产生出高质量的气体燃料。 　　2生物质能发电技术 　　2.1直接燃烧发电 　　以秸秆、垃圾等为代表的生物质发电方式为直接燃烧发电。燃烧秸秆发电时，秸秆入炉有多种方式：可以将秸秆打包、粉碎造粒(压块)、或打成粉或者与煤混合后末打入锅炉。其生产过程为：将秸秆等生物质加工成适于锅炉燃烧的形式(粉状或块状)，送入锅炉内充分燃烧，使储存于生物质燃料中的化学能转变成热能；锅炉内的热后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在过热器内继续加热成过热蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮发电机组旋转，将蒸汽的内能转换成机械能，最后由发电机将机械能变成电能。具体发电流程如图1所示。  　　2.2沼气发电 　　沼气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，以产生电能和热能的一种有效利用沼气方式。该系统用一个密闭型的热动力装置(BTTPU)[6]，包括一套沼气发动机、发电机和一台带出热量的热交换器。与现用的液体发酵主要区别在于物料有机质不需要液化过程，在高温厌氧环境下将生物质原料直接装入模块式的密封发酵设备，在渗滤液环流作用下使干燥物料潮湿，经过几周时间，变成甲烷含量达70% ~ 80%的高质量沼气，通过沼气发动机转换成电能以及余热利用。 　　2.3整体气化联合发电 　　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，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[7]，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。原理流程图见图2。 　　目前，国外比较先进的是TPS[9]生物质气化整体循环系统在和Battelle[10]整体气化循环系统。TPS系统中，采用了两个循环流化床，从第一个循环流化床反应器出来的气化气进入焦油催化裂解器底部，与石灰石接触，出来的气体再冷却加压成高压气。清洁的气化气在燃气轮机的燃烧室中增压燃烧后进入燃气轮机，从燃气轮机排放出来的燃气温度大约是450℃~500℃，此外如果需要提高温度，可以在进入余热锅炉前采用附加的燃料进行补燃，在余热锅炉中产生的蒸汽进入蒸汽轮机发电。在Battelle 生物质气化发电系统中：生物质原料经过预处理过程后，进入气化反应器气化，从气化器出来的高温燃气进入旋风分离器，其中的炭、灰粒和循环砂粒被分离后回送到燃烧器内燃烧，产品气经过空气加热器后进入净化系统，干净的产品气进入燃气轮机系统中发电，而从燃烧器出来的烟气进入余热回收利用装置中，产生的高温高压蒸汽带动蒸汽轮机发电。 　　2.4生物质能电池 　　生物质能的另一种有效利用方法是将生物质发酵产物作为燃料电池的燃料(如图3)。与传统热机相比这种装置有不受卡诺循环效应的限制、能源转化效率高、噪音小、环境友好等优点。它的工作过程相当于电解水的逆反应过程，电极是燃料和氧化剂向电、水和能量转化的场所，燃料(以氢气为主)在阳极上放出电子，电子经外电路传到阴极并与氧化剂结合，通过两极之间电解质的离子导体，使得燃料和氧化剂分别在两个电极/电解质介面上进行的化学反应构成回路，产生电流。 　　2.4.1沼气燃料电池 　　沼气燃料电池由三个单元组成：燃料处理单元、发电单元和电流转换单元。燃料处理单元主要部件是沼气裂解转化器(改质器)，以镍为催化剂，将甲烷转化为氢气；发电单元把沼气燃料中的化学能直接转化为电能；电流转换系统主要任务是把直流电转换为交流电。燃料电池产生的水蒸汽、热量可供消化池加热或采暖用，排出废气的热量可用于加热消化池[11]。 　　2.4.2乙醇燃料电池 　　电池由醇类阳极、氧阴极和质子交换膜三部分组成。电极本身由扩散层和催化层组成。扩散层起支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用，它一般是由导电的多孔材料制成，现在使用的多为表面涂有碳粉的碳纸或碳布。催化层则是电化学反应发生的场所，是电极的核心部分。常用的阳极和阴极催化剂分别为PtRu/C和Pt/C贵金属催化剂[12]。 　　3生物质能前景及评价 　　3.1生物质能技术前景分析 　　(1) 固体直接利用方式锅炉燃烧发电利用方式是技术相对比较成熟的利用方式。如城市生活垃圾等资源进行合理的燃烧发电既解决了填埋占用大量土地的问题，又最大限度的利用现有资源，一举两得。同时，由于生物质燃气热值低(约5023.2 kJ·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%。 　　(2) 沼气发电及其综合利用则应该大力推广。我国有着广袤农村地区，每年产生大量的农业秸秆和其他废弃物以及牲畜粪便等大量的有机物，白白浪费太可惜，如能结合先进的技术加以综合利用对我国的能源将会带来莫大益处。 　　(3) 通过蒸馏可将乙醇提纯，1t干玉米可以生产450t乙醇。淀粉类生物质通常比含糖生物质便宜，但需要进行额外的处理。纤维素的生物质主要是木材、植物的根茎等，由于存在长链的多聚糖分子，转化预处理过程相对复杂，需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖，然后再经过发酵生产乙醇，故其预处理费用昂贵。但这种技术目前还不是很成熟，处在研究、完善、论证阶段。 　　3.2发展生物质能应该注意的问题 　　(1) 作为一种能源形式，其市场前景必然受到成本因素的影响。竞争力衡量的标准是则 是单位热值的价格，元·GJ-1。 但是作为新能源，虽然目前普通的化石燃料相比还有一定的差距，只有少数大规模的项目进行燃料的生产，其生产方式、成本以及环保成本等还没有完全达到我们的期望。随着化石燃料成本的上升，其市场竞争力会进一步加强； 　　(2) 政府再新能源技术引导时，一定要注意一些措施真正落实到位。比如有些新能源企业为了获得项目压低竞标价格，一旦拿到项目就开始慢做、不做或者将生物质燃烧发电改成燃煤发电，同时还拿着国家的补贴； 　　(3) 能源作物作为生物质能原料问题亦需要注意合理发展。用薪柴、木料等直接燃烧则应慎重考虑，一则我国木柴资有限，长此会造成水土流失、土地贫瘠等问题，二则直接燃烧能源转化率相对比较地低的缺点；同时需要注意的是，利用玉米、高粱、小麦等作物作为燃料乙醇的原料应在充分论证下开展，以防与人争地、争粮。生物质热化学方法、生化方法等应加快技术攻关，争最大限度提高利用率； 　　(4) 虽与化石燃料相比，生物质燃料的可持续前景在整体上是肯定的，但是在大规模生产时，必须注意其可能带来的负面影响。在真正大规模生产之前，生产的整个周期，从原料的生产(收集、种植)开始，到加工转化为燃料阶段，都应当从环境、职业以及社会的影响等诸多方面进行全面的评价。其中有效的影响评价方法即为“生命周期评价”[4]。 　　4结语 　　能源作为一个国家经济发展的动力与基础，在国民经济中发挥着至关重要的作用。在当今工业化社会世界中，随着经济和社会的不断发展，包括煤炭、石油、天然气等化石燃料终将会枯竭。因此，增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务[13]。这样寻找清洁、可持续的可再生能源及其转换技术就成为我国当前能源工作中一项重中之重。 　　参考文献：  　　[1] 袁振宏，吴创之，马隆龙.生物质能利用原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2005. 　　[2] 李美华，俞国盛.生物质燃料成型技术现状[J].木材加工机械，2005，5(2)：35-40. 　　[3] 袁振宏，吴创之，马隆龙.生物质能利用原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2005. 　　[4] Edward s.Cassedy.可在生能源前景[M].北京：清华大学出版社，2002. 　　[5] 刘首元，余 英，赵碧光，等.我国秸秆发电产业化发展前景[J].水利电力机械，2007，29(12)：207-210. 　　[6] 黄英超，李文哲，张 波.生物质能发电技术现状与展望[J].东北农业大学学报，2007，38(2)：270-274. 　　[7] 宋鸿伟，郭民臣.生物质气化发电技术发展状况的综述[J].现代电力，2003，20(5)：10-16. 　　[8] CASSEDY Edwards.可在生能源前景[M].北京：清华大学出版社，2002. 　　[9] PAISLEY MA，FARRIS G.Development and Commercialization of Gasification Power Generation System[A].Second Biomass Conference of the Americans[C]，1995. 　　[10] WALDHEIM L.Atmospheric CFB Gasification of Biomass[J].Finland，Espoo：Bioenergy，1993，10(3)： 17-18. 　　[11] 魏 波，吕 喆，黄喜强，等.单气室固体氧化物燃料电池的研究及进展[J].电源技术，2006，30(3)：243-246. 　　[12] 王莉莉，吴崇珍.直接醇类燃料电池工作原理及研究进展[J].河南化工，2004，4(5)：7-9. 　　[13] 能源局.能源发展中长期规划[M].国家发展改革委员会，2007.