浅谈双碳目标下的生物质电厂发展路径

钱曾

摘要：绿色植物通过光合作用将太阳能转换并以生物质能的形式储存，同时能吸收并固定大气中的CO2。生物质能的利用并不会增加大气碳总量，所以是国际国内公认的零碳能源。碳捕集与封存技术（CCS）是一种大规模温室气体减排技术，是我国实现碳中和目标的关键技术之一。生物质能碳捕集与封存（BECCS）是生物质能利用技术与CCS技术的结合，是一种关键的负碳技术。本文旨在探讨一种生物质直燃电厂集成CCS技术减碳排的可行性。

关键词：生物质电厂;热电联产;负碳技术;BECCS

引言

2020年9月，习近平主席宣布了力度空前且具有雄心的气候目标：中国将努力争取2060年前实现碳中和。这是一个具有丰富深刻历史含义的里程碑，也是2015年《巴黎协定》以来全球气候治理进程中最为积极的进展。然而，中国实现碳中和目标也面临着巨大的挑战。

首要任务是构建绿色低碳循环经济体系，提升能源利用效率，提升非化石能源消费比重，其次是降低二氧化碳排放水平，提升生态系统碳汇能力。

现有的生物质电厂主要利用农林废弃物等可再生能源，直燃产生蒸汽，推动汽轮机和发电机发电，或者直接供热，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。在双碳背景下，生物质电厂集成CCS技术，能作为负碳工厂，输出清洁能源和可观的碳汇，可能会成为减碳行动后期的一种必不可少的手段。

1.生物质电厂现状

1.1生物质燃料的特点

生物质燃料的能量是植物光合作用固定的太阳能，是一种可再生的零碳排绿色能源。由表1 某生物质电厂燃料分析可见，生物质燃料挥发分高、水分高、灰分低、热值低，氮、硫含量少。由此可以得出生物质燃料燃烧特性，易于着火和燃烧，但燃烧稳定性较差，锅炉排烟热损失较大，硫化物和氮氧化物排放较低。

另外，生物质燃料分布较为分散，堆积密度低，能量密度低，需要进行收集运输和破碎处理。所以生物质电厂一般选址在周边生物质资源丰富的地区，如东北平原、苏北平原等产粮区。

1.2生物质直燃技术

生物质，特别是农林废弃物的田间焚烧，不仅污染大气，造成大气中颗粒物浓度的提升，还带来了火灾隐患，而直接填埋又容易滋生虫害，不利于农作物生长，还会在细菌的作用下生成甲烷等温室气体。

生物质的利用技术主要有直燃技术、气化、热解、发酵产生甲烷和乙醇等产品。其中，直接燃烧是现阶段生物质电厂的主要技术手段。

生物质直燃技术是将生物质送入锅炉，并加入过量的空气，进行焚烧产生热量，再通过换热部件，产生一定温度和压力的蒸汽，再推动汽轮机和发电机做功，转化为电能。生物质直燃技术历史悠久，成熟可靠，目前大型化、高参数的直燃锅炉也已经成功商用。

流化床技术是生物质直燃的成熟技术，因为生物质的本身硫、氮含量较低，但碱金属含量高，其熔点较低，容易造成高温区积灰和腐蚀，故一般采取相对较低的燃烧温度，一二次风的配比也为了降低氮氧化物的产生而做了调整，有些项目还加了炉内SNCR或低温SCR，故尾部烟气中的硫化物和氮氧化物含量都很低，满足环保要求。

2.CCS技術的选择

2.1 CCS技术介绍

随着人类活动的不断加强和工业化的不断加深，对化石能源的使用不断增多，也造成了CO2排放的不断增多，由于CO2气体的温室效应，导致全球气温的升高，最终会导致冰川融化，海平面上升等不可承受的危害。故而，控制CO2等温室气体的排放总量，避免大气温度的大幅度提升是我们目前迫在眉睫的任务。

CCS技术作为一种大规模捕集、封存CO2的减排技术，在各种情景下都有着不可或缺的地位，尤其是在难以减排的领域，CCS技术将是必然的选择。CCS技术从碳捕集的方式来分，主要可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。目前较为成熟的主要是燃烧后捕集，其可分为胺化合物吸收法、钙基吸收剂法和金属氧化物法等，其中，有机胺作为吸收剂的湿法捕集工业化运营最为成熟。

2.2 CCS技术关键点

根据国内外的研究结果，碳中和目标下我国的CCS减排需求为：2030年0.2～4.08亿吨。制约CCS技术应用的主要原因为高昂的运行成本和后端CO2的利用领域或封存地点。目前CO2利用方面短期内很难产生大规模的需求，大规模封存方面主要还是依靠强化开采石油（EOR）、强化咸水开采（EWR）等地质封存方法。源汇匹配的问题就成了影响CCS成本和制约CCS技术大规模应用的主要问题。

3.生物质直燃集成CCS的可行性

3.1源汇匹配

生物质电厂多处在农林资源丰富的地区，如东北平原、江淮地区、江汉平原等地区。而我国CO2-EOR潜力较大的区域有渤海湾盆地、松辽盆地，CO2-EWR潜力大的区域有准格尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、松辽盆地和鄂尔多斯盆地等。源汇匹配较好的区域，例如东北地区，苏北地区等产粮区，可以较好的推行BECCS技术。

3.2 CCS技术集成

3.2.1有机胺化学捕集法

目前工业上已经有较多应用，技术较为成熟。其中最典型的吸收剂为30%质量分数的乙醇胺（MEA），其与CO2的总反应式如下：

该反应为可逆反应，在反应塔内温度40℃左右时，发生正向反应，MEA溶液吸收二氧化碳，放出热量;当反应塔内温度超过104℃时，发生逆向反应，吸收了二氧化碳的MEA溶液解吸出二氧化碳，富液转变为贫液，再循环使用。脱除阶段主要设备如图1所示，经过预处理的烟气进入吸收塔，贫液与烟气充分接触，吸收二氧化碳后变为富液，经富液泵，与再生塔底的高温贫液换热后，进入再生塔，再生塔底设置再沸器，加热塔底贫液产生蒸汽，通过汽提作用，将溶液中的二氧化碳分离，从塔顶出来后经过冷凝器降温，将水蒸汽凝结，通过分离器，得到纯度较高的二氧化碳气体，冷凝水回流到再生塔顶。

该工艺的关键瓶颈是能耗问题，目前各国都在开发能耗更低的新型吸收剂，并取得了较大的成效。具体到生物质电厂集成CCS的问题，电厂本身具有足够的低品位热源和电量，能充分利用余热来给解吸塔再沸器提供热量。例如可以在原尾部烟道最末端增加一个独立的热水器，既能回收烟气余热用于加热再生塔塔底贫液，又能降低烟气温度，减少后续进吸收塔前的水洗降温能耗。

3.2.2碱金属捕集法

二氧化碳碱金属吸收剂属于干法低温吸收剂，反应能耗低，其碳酸化温度为60～80℃，再生温度为100～200℃。以碳酸钾为例，其反应主要为：

可知该系统的关键中间成分为碳酸钾，而生物质电厂产生的草木灰的主要成分之一就是碳酸钾。研究发现碱金属作为二氧化碳吸收剂，必须附着在高比表面积、高孔隙率、吸附性能良好的载体材料上，才能获得良好的循环特性，避免吸收剂的烧结、堵塞、失活。

图2是一种K2CO3捕集CO2的关键工艺流程。生物质炉底草木灰经过筛选分离等步骤，添加载体，水合后制备成合格的吸收剂，进入流化床碳酸化炉。经过预处理的烟气从碳酸化炉底部通入，将吸收剂流化，并经过充分接触、反应，烟气中的CO2的被K2CO3吸收，生成KHCO3。被烟气带出碳酸化炉，进入气固分离器进行气固分离。脱除CO2的烟气从分离器顶排出，固体颗粒从分离器下部进入再生器，吸热再生，产生CO2去后续精制系统，再生的吸收剂进入流化床碳酸化炉继续循环使用。部分烧结、失活的吸收剂从碳酸化炉底部排出，并补充适量新吸收剂。

3.3目前存在的问题及未来的展望

BECCS技术目前主要问题在于成本和收益不匹配的问题。如果捕集、精制、提纯后的CO2，如果无法以产品的价格售出，只能将其封存于地下空间，那成本远远高于收益，只有环境效益，没有经济效益，技术很难大规模应用。

未来我国碳排放管理进一步规范，如能纳入碳汇，并上市交易，则会取得相应的碳价补偿。从国外的碳价发展来看，未来我国碳价也可能完全能够覆盖BECCS的成本，那未来生物质电厂将成为有前景的负碳绿色能源基地。

以一台常规的高温高压75t/h蒸发量的燃用农林废弃物的生物质锅炉为例，其产生的烟气量约为10万Nm3/h，其中CO2的体积含量约为12%，按90%捕集率，年运行8000小时估算，年CO2捕集量约为17万吨，相当于7000亩森林一年的吸收量，对双碳目标的实现具有显著的助力。

4.结论

生物质电厂集成CCS系统是一种负碳排技术，是实现双碳目标的有效手段。而农林废弃物资源丰富的东北地区和苏北地区等地，也拥有适合二氧化碳封存的地质结构，源汇匹配，故而在这些地方的生物质电厂有条件开展CCS应用。生物质电厂燃用农林废弃物等可再生资源，在风电、光伏等新能源占比逐步提高后，也可以承擔电网调峰的任务，还可以热电联产，为企业和居民提供绿色能源。

结合生物质电厂的特点和CCS的技术特点，探讨了生物质电厂集成CCS技术的可行性，认为生物质电厂集成CCS技术有其独有的优势。在双碳目标下，生物质电厂的未来发展具有极大的空间。

参考文献

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