我国生物质气化耦合发电技术及前景展望

赵文慧 胡振东

【摘要】生物质燃料是一种可再生能源，采用生物质燃料发电不增加CO2排放，有利于全球气温升高的控制。分析了生物质燃料的特点，介绍了生物质气化技术，阐述了生物质气化耦合发电的方式和优势，展望了生物质气化合发电的应用前景。

中图分类号：文献标识：A

1概述

能源是人类社会赖以生存和发展的基石和动力，人类对能源的需求引领着能源技术的革新与革命，能源的变革反过来又影响着人类的生产、生活方式和社会管理等方面，也促进了人类社会的发展。目前，世界能源发展呈现出多元化、智能化、低碳化、分布式等多种特征。

生物质能本质上是以化学能的形式储存在生物质中的太阳能，在可再生能源中，生物质能是独特的，即能够贮存太阳能，还是一种可再生的碳源，并且具有分布广、污染小、可再生利用等多方面的特点。据统计，我国生物质能资源非常豐富，理论上生物质能资源约有50亿t标准煤【】【】是我国目前总能耗的1.15倍左右。

2环保要求

2015年签署的《巴黎协定》确定了全球能源低碳发展的方向，也对未来煤炭的使用要求提出了严格的限制。就在2018年11月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《全球升温1.5℃特别报告》中进一步提出：要将全球升温目标控制在1.5℃，到2050年要将煤炭在全球电力供应中的使用比例降低至接近为零。这对我国以煤炭为主的的能源发展提出了严峻的挑战。

目前，我国煤电的排放水平约为850-1000g/kWh，尽管通过采用先进的两次再热等技术提高机组效率后，可以将煤电的碳排放降到670g/kWh，但这与巴黎协定要求的100g/kWh也相差甚远，因此，单纯依靠提高机组效率不能够解决煤电的低碳问题。

在CCS（（Carbon Capture and Storage）技术能够在燃煤电厂成熟使用前，通过在大型高效燃煤电厂将燃煤和生物质耦合发电，即能够保证发电机组较高的发电效率，也能够实现CO2减排，是一种重要过渡手段，同时也是一种经济有效的技术选择。

3生物质发电技术

3.1发达国家的经验

生物质发电起源于20世纪70年代，在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力发展。

20多年来，燃煤耦合生物质发电已经在欧盟等发达国家得到很好的推广和应用，在政策法规以及煤和生物质在大型燃煤电厂中进行混烧的技术，均取得了许多宝贵的经验。目前，煤和生物质耦合发电从技术上已经成熟。对于现有技术，使用煤粉炉和循环流化床锅炉的电厂均可改造成为与生物质耦合掺烧发电，甚至转换成完全燃烧生物质的火电厂。现在全世界已有150多套煤与生物质耦合混烧发电的大容量燃煤电厂实例，典型工程为英国Drax电站，该电站从掺烧开始，逐渐将电站6台机组中的4台66万千瓦燃煤发电机组改造成为100%燃用生物质的机组，而且建立和发展了完整的燃料供应链以及燃料的生产、运输、处理和燃烧等技术。

发达国家在生物质利用方面具有明显的领先优势，约占全球所占份额的80%以上。【】我国在生物质利用方面大大落后于发达国家，大力发展我国的生物质发电迫在眉睫。

3.2生物质发电的形式

生物质按照发电的形式，生物质发电可分为以下三种：

（1）直接燃烧发电

将生物质在锅炉中直接燃烧，利用生物质燃烧释放的热量生产蒸汽，然后带动汽轮发电机组发电。

（2）耦合发电（也称为混合发电）

将生物质与煤同时送入锅炉燃烧，利用生物质与煤共同燃烧释放的热量进行发电，称为生物质耦合发电技术。

（3）气化发电

首先，在气化炉中将生物质转化为气体燃料，气体燃料经过净化处理后进入燃气轮机燃烧发电或进入燃料电池发电。

3.3生物质耦合发电

生物质耦合发电主要分为三种形式。一是直接混燃，即生物质经处理后直接进入燃煤锅炉混烧，此方式对于燃料预处理和燃烧设备的要求较高，不是所有燃煤电厂都能采用;二是间接混燃，将生物质先进行气化或燃烧，然后将产生的燃气送入锅炉燃烧或者将烟气送入锅炉以利用其热量，此方式系统简单，对锅炉的影响小。三是并联混燃，生物质、燃煤的燃料处理和燃烧分别在独立的系统中完成，产生的蒸汽送入同一套汽轮发电机组发

电。

4生物质气化及耦合发电技术

4.1生物质气化

生物质原料在一定条件下发生热解反应，将原料中的碳水化合物分解成为H2、CO、CO2、烃类和炭等的混合物。生物质气化工艺流程包括：干燥、热解、氧化、还原。反应物料被送入反应塔，在一定温度条件下，含有水分的物料与加热介质进行热交换，水分转变为水蒸气后挥发掉;干燥后的物料、水蒸气进入热解反应区，在一定温度下发生热分解反应。 CHxOy=n1C+n2H2+n3H2O+n4CO+n5CO2++n6CH4（1）

生物质气化产物主要为C、H2、水蒸气、CO、CO2和CH4。随着塔内温度的升高，气化产物与气化剂相互作用，并发生一系列氧化还原反应，CO氧为CO2，C与高温水蒸汽发生不完全氧化反应，生成CO和H2。【】

4.2生物质气化耦合发电

生物质原料在气化炉内气化，生成含有CO、CH4、H2等的低热值混合可燃气体。从气化炉内出来的燃气温度约为730℃，为了便于生物质燃气的可靠计量，同时实现热能的综合利用，燃气将被冷却到400℃～420℃，冷却后的生物质燃气经由输送管道及加压系统送入锅炉的燃烧室与煤混合燃烧。

按照生物质气化耦合工艺流程划分，生物质燃气耦合系统主要为：生物质原料处理系统、循环流化床气化炉、燃气降温系统、燃气加压和输送系统、燃气成份监测及计量系统、燃气耦合燃烧系统等。

4.3生物质气化耦合发电优点

1）能源利用效率高：可采用大型超临界或超超临界燃煤机组，供电效率接近40%甚至更高。

2）清洁环保：CO2和污染物的排放量少。

3）初投资低：利用燃煤电厂已有的锅炉、汽轮机及其辅助系统，节省初投资。

4）占地面积少：利用燃煤电厂的现有场地，减少征地。

5）提升燃料采购议价能力：生物质耦合发电可根据需要调整生物质部分耦合量，使电厂在生物质燃料收集市场有更强的议价能力和空间。

6）对锅炉影响小：锅炉仅需增加燃气燃烧器和调整部分水冷壁及受热面，改动范围小。

5.前景及展望

我国生物质资源非常丰富。但在生物质能源的利用方面与欧盟等发达国家相比，還存在着起步晚、利用率低、技术相对落后等问题。

随着全球对气候变化的重视，对碳减排的要求将更加严格。作为一种CO2中性排放的清洁能源，生物质能的开发利用对满足我国能源需求及加快建设生态型经济社会及践行碳减排的承诺都有着非常重要的意义。

作为生物质能利用的一项重要技术，生物质气化耦合发电技术具有清洁、高效的特点，生物质气化耦合对燃煤锅炉影响小、还能够实现灰渣的综合利用、而且易于计量。未来，随着技术的发展，生物质气化耦合发电技术将更加成熟，运行经验会更加丰富，初投资和运行费用也将有所下降。

随着政府对清洁可再生能源重视程度的日益增加和相关的法律法规及政策的完善，生物质气化耦合发电将会有更广阔的发展空间。在不远的将来，生物质气化耦合发电将是生物质能源利用的一个重要方向。

参考文献

[1]冯志华，生物质发电产业发展战略研究[D]，华北电力大学，2011，52

[2]孙永明，袁振宏，孙振钧，中国生物质能源与生物质利用现状与展望[J]，可再生能源，2006.2：78-21

[3]童家麟，吕洪坤等，国内生物质发电现状及应用前景[J]，浙江电力，

2017，36（3）：62-66

作者简介：

赵文慧（1976），男，山西平遥人，1999年毕业于西安交通大学热能与动力工程专业，高级工程师，从事火力发电设计与咨询工作。

胡振东（1979），男，河南信阳人，2003年毕业于太原理工大学热能与

动力工程专业，高级工程师，从事火力发电设计与咨询工作。

（作者单位：中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司）