生物质成型燃料及其发电技术

李英丽1，2，王建3，程晓天4

（1.河南农业大学机电工程学院，郑州450002；2.郑州职业技术学院，郑州450121；3.中国华水水电开发总公司，北京100069；4.河南省产品质量监督检验院，郑州450004）

　　摘要：概括了生物质冷成型、热成型和常成型等成型技术的原理和种类。结合生物质成型燃料技术与生物质发电技术，阐述了生物质成型燃料直燃发电、混烧发电和气化发电等技术特点，指出了生物质成型燃料发电技术存在的问题和解决方案，展望了生物质成型燃料及其发电技术在中国的发展前景，总结了其在经济、环境和社会方面带来的效益，旨在为生物质资源的高效综合利用提供参考。

　　0引言

　　生物质能是唯一可以储存、运输且固定碳的可再生能源，具有储量大、分布广、环境友好和减碳零排放等特点，在6种可再生能源中占有重要地位。通常所说的生物质能原料，包括农业剩余物、林业剩余物、畜禽粪便、能源作物（植物）、工业有机废水、城市生活污水和垃圾等。生物质能向人类提供了世界能源消费总量的近15%，是仅次于石油、煤炭和天然气的第四大能源。

　　我国生物质资源较为丰富，其中农林剩余物占有很大的比例；但农林剩余物等生物质具有资源分散、能量密度低、容重小和储运不方便等缺点，严重地制约了其大规模应用。生物质成型燃料技术是将各类生物质原料（主要是农林剩余物）经粉碎、干燥、成型等环节，使原来分散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料。成型燃料可以提高生物质的密度，节约运输和储存费用，扩大应用范围，提高燃烧效率，同时可以减少替代的煤燃烧所带来的环境污染。生物质发电技术是目前世界上总体技术最成熟、发展规模最大的现代生物质能利用技术，主要包括生物质直燃发电、混燃发电和气化发电。生物质成型燃料发电是生物质发电技术的重要发展方向之一，可解决生物质发电过程中由于原料收集困难、运输成本高、原料占地面积大而不易保存等问题，从而满足生物质发电的持续稳定运行。

　　1生物质成型燃料技术

　　1.1生物质成型燃料技术的原理和种类

　　农林剩余物等生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。木质素为光合作用形成的天然聚合体，具有复杂的三维结构，是高分子物质，在植物中含量约为15%～30%。当温度达到70～100℃时，木质素开始软化，并有一定的黏度；当温度达到200～300℃时，呈熔融状，黏度变高。此时若施加一定的外力，可使它与纤维素紧密粘结，使植物体积大大缩小、密度显著增加；取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的相互缠绕，其仍能保持给定形状，冷却后强度进一步增加。生物质原料经挤压成型后，体积缩小，密度为0.7～1.4t/m3，含水率在20%以下。

　　生物质成型在加工原理上可分为冷成型、热成型和常温湿压成型：

　　1）生物质冷成型即在常温下将生物质颗粒高压挤压成型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。冷压成型工艺一般需要很大的成型压力，为了降低压力，可在成型过程中加入一定的粘结剂。

　　2）热压成型工艺的流程为：原料粉碎→干燥混合→挤压成型和→冷却包装。根据原料被加热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热。

　　3）常温湿压成型。纤维类原料经一定程度的腐化后，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林剩余物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料。生物质成型技术在流程上一般包含干燥、粉碎、成型等环节，主要流程如图1所示。

　　1.2生物质成型燃料技术发展现状

　　目前，生物质成型燃料技术发展最成熟的为欧洲，主要以木质生物质为原料生产颗粒燃料。其相关标准体系也比较完善，形成了从原料收集、储藏、预处理到成型燃料生产、配送和应用的整个产业链的成熟技术体系和产业模式。欧洲生产的颗粒燃料除通过专门运输工具定点供应发电和供热企业外，还以袋装的方式在市场上销售。目前，德国有100多家颗粒成型燃料工厂，主要以木屑、木片、枝桠、边角料等生物质为原料；瑞典有生物质颗粒成型燃料加工厂几十家，约有12万户使用颗粒燃料锅炉，2万多用户使用颗粒燃烧炉，另外还有4000多个中型锅炉使用颗粒燃料；加拿大、美国、奥地利、芬兰、意大利、波兰、丹麦和俄罗斯，也是生物质成型燃料，尤其是林业剩余物成型燃料的生产国家，截至2010年，这几个国家的成型燃料生产量达到了1000万t以上。

　　我国主要以农业剩余物为原料生产成型燃料，成型技术逐步完善和成熟，目前主要在河南、山东、辽宁、黑龙江、吉林、安徽、河北、广东和北京等地开始将成型设备进行示范推广。在各省市都有多家设备生产、燃料加工、配套燃烧炉及营销企业投入运营，政府的环保、能源主管部门也开始给予支持和帮助。截至2010年，我国不同生产规模的成型燃料企业200多个，年产生物质成型在300万t左右。成型燃料主要用于中小型燃煤电厂或改造升级的工业锅炉、炉窑及其他燃煤和燃油燃烧设备。

　　2生物质成型燃料发电技术

　　生物质成型燃料发电技术是生物质成型燃料技术和生物质发电技术的重要结合，是我国《可再生能源法》鼓励发展的方向，也是国家科技部可再生能源与新能源国际科技合作计划的优先领域。生物质成型燃料可应用于生物质直燃发电、混烧发电和气化发电。生物质成型燃料应用于发电技术，可形成一套集生物质干燥、粉碎及成型于一体的自动化、工业化的生物质成型燃料供应系统，保证成套设备运行的稳定性、可靠性和经济性。系统可使生产生物质成型燃料的密度、粒度及燃烧特性指标接近煤，对锅炉等燃烧设备、气化炉等气化设备具有较好的适应性；同时，通过建立健全生物质原料的收集、存储及加工体系，形成一套持续稳定的成型燃料生产运作模式，保证生物质发电燃料稳定供应。

　　2.1生物质成型燃料直燃发电技术

　　生物质成型燃料直燃发电主要是指循环流化床燃烧发电，采用生物质成型燃料成型技术及设备，根据生物质成型燃料燃烧特性，在现有小火电厂基础上，对循环流化床锅炉进行技术改造，利用生物质成型燃料替代煤炭燃烧发电。根据生物质成型燃料的燃烧及流化特性，选取适宜的流化床锅炉运行工艺参数，对流化床锅炉进行改造，解决生物质在燃烧时的结渣与碱金属对换热器的腐蚀问题，合理进行一次风与二次风的进风量比例的调整。利用现有燃煤火力发电厂的燃煤发电机组，建设成能利用生物质成型颗粒燃烧系统，并使该技术工程化、产业化。系统是在我国众多的小型火力发电厂原有设备的基础上经改进后使用生物质成型燃料与煤混烧发电，具有投资少和技术要求不高的特点，同时可解决小型火电厂关停的问题，比较适合我国国情。

　　2.2生物质成型燃料混烧发电技术

　　生物质是可再生资源中与煤的理化特性最为接近的一种，因此利用生物质成型燃料与煤进行混烧发电是合理利用生物质资源、减少煤燃烧带来污染的有机结合。生物质成型燃料的掺混比例理论上可达到80%，且生物质与煤混合燃烧发电（见图3）既解决了常规能源的不可再生及短缺问题，又克服了生物质资源季节性变化导致电厂运行不稳定的难题。生物质和煤混合燃烧发电技术经济性较好，规模灵活，可充分利用燃煤电厂的原有设施和系统；根据生物质资源的丰富程度，调整混烧生物质的比例，减少原料供应风险，保证电厂顺利运行，具有较好的发展前景。该技术可用于电厂、工业锅炉等各种利用循环流化床锅炉的行业，与低热值的煤混烧时，锅炉的热利用率与烧煤相比，热利用率可提高10%左右，SO2的排放量减少50%以上，氮的氧化物的排放量减少30%以上。

　　2.3生物质成型燃料气化发电技术

　　针对生物质秸秆等就地燃烧带来的环境污染问题以及生物质成型发电和混烧发电过程中存在的结焦问题，研发技术灵活、环保洁净和经济实用的生物质成型燃料气化发电成为生物质能利用的一个重要发展方向。高效率的生物质成型燃料气化发电采用生物质气化—燃气内燃机发电—余热蒸汽轮机发电的联合循环工艺路线（见图4），避开了要求很高的气体高温净化过程，可显著降低生物质整体气化联合循环系统的技术难度和造价，以较低的代价解决焦油问题和二次污染的难题，并实现废水的循环使用。低热值生物质气化产出气能够满足内燃式燃气发电机的运行要求，只是在能够实现的最大输出功率方面受到限制；生物质气化发电系统的尾气排放能够满足环保的要求，但气化发电机与生物质气化机组间需要具有良好的匹配性。

　　3生物质成型燃料发电的问题及发展前景

　　3.1存在的问题及建议

　　3.1.1生物质成型燃料方面

　　目前，国内使用的生物质成型燃料技术中螺旋挤压设备磨损严重、维修周期短、耗能高；活塞式压缩机由于活塞做的是往复运动，有冲击、产量较小，轴瓦磨损严重、寿命短，并且对原料含水率要求较严；液压活塞式成型机虽然克服了往复运动的缺点，但仍存在耗能高、产量低、运行工况不稳定等致命问题。以上问题是生物质成型燃料的生产成本居高不下的重要原因之一。

　　建议开展研究机组可靠性强、模具耐磨损性能好和能耗低等关键技术，提高设备的运行可靠性、易损件使用寿命和维修方便性等；研发造价低的设备机组及配套的干燥、粉碎、冷却和筛分等设备，使成型设备及配套设备进人商业化阶段；研究并完善成型燃料的一体化、自动化运行技术，实现设备生产规模化、产业化，降低人工成本，减少生产中间环节消耗，实现更加的稳定运行，满足大规模生物质利用工程的要求。

　　3.1.2生物质发电方面

　　近几年，我国生物质发电产业发展迅速，但生物质直燃和混烧发电中存在的结焦、结渣及碱金属腐蚀问题依然严重；气化发电过程中存在着焦油和灰尘处理不完全、效率低、规模小等缺点。

　　混烧发电方面：研发适合生物质和煤混合燃烧的特殊材料，对锅炉内壁等进行特殊加工；研究设计出生物质原料输送及给料系统，开发出生物质与煤混烧时生物质的计量检测方法和数据远程传输及监控系统；研发大型生物质与煤循环流化床锅炉，提高燃烧效率，降低污染排放。

　　直燃发电方面：研究秸秆等生物质直燃过程碱金属腐蚀问题，找出合理技术减少氯、钾、钠等成分引起的炉膛结渣和结焦等现象；应加强模仿创新，吸收和消化国外先进技术，形成具有自主知识产权的直燃发电成套设备和关键技术。

　　气化发电方面：研发大型生物质气化、新型燃气净化系统、焦油污水处理和大型低热值燃气内燃机等关键技术，开发计算机全程监控系统和优化模型，优化技术集成系统；研制与小型发电系统匹配的系列低焦油生物质气化装置和小型高效低热值燃气内燃机。

　　3.2生物质成型燃料发电的发展前景

　　面临能源资源枯竭及其利用带来的环境污染，调整能源结构、积极开发利用新能源和可再生能源是能源可持续发展的重要途径。生物质资源具有可再生性及排放污染性小的特点，生物质发电在欧美日等国家已受到广泛重视。我国生物质资源极为丰富，仅农业剩余物每年的生产量达到7亿t，可作燃料利用的有3亿～4亿t，折合1.5亿～2亿t标煤；林业剩余物中每年可作燃料利用的有2亿～3亿t，折合1亿～1.5亿t标煤；即农林剩余物可利用量折合约3.5亿t标准煤，相当于我国每年原煤产量的1/6。2007年9月，我国国家发改委颁发的《可再生能源中长期发展规划》中，把生物质固体成型燃料和生物质发电作为重点发展领域，明确要求到2020年生物质成型燃料利用量要达到5000万t，生物质发电总装机容量要达到2400万kW。生物质成型燃料发电技术的推广运行是实现生物质成型燃料和生物质发电等目标的重要保障之一，对于增加农民的收入、美化农村环境、减少一次能源消耗和污染等意义重大，具有明显的经济、环境和社会效益。

　　4结语

　　1）经济方面：生物质成型燃料发电技术的应用可减小电力能源对化石燃料的依赖。利用较为廉价的农林剩余物等生物质资源作为发电原料，压缩的成型燃料与煤的性能相似，相比生物质原料的保存和运输成本大大下降，从而节约煤等化石能源，同时可降低中小型电厂的改造费用。

　　2）环境方面：生物质资源具有的低硫、可再生等特点，使其在电力转化过程中直接或间接地减少了化石燃料发电带来的污染。

　　3）社会方面：生物质成型燃料发电技术可解决农林剩余物等生物质的分散、能量密度低、储运不便等问题，使其可以大规模地能源化利用，减少生物质资源的随意焚烧，提高了生物质资源所在地的农民收入；生物质成型燃料发电等中小型电力系统可弥补大电网在安全稳定性方面的不足，是大型发电系统的有效补充。