基于TRIZ理论的生物质发电技术发展趋势分析

刘子郡，韩奎华，刘江伟，杨茂泮

（1.山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.潍坊市生态环境局青州分局，山东 潍坊 262550）

0 引言

生物质是重要的可再生低碳能源。加快生物质能开发利用是改善乡村环境、发展循环经济的重要任务。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，生物质能行业迎来新的发展机遇。具体表现在：一是助力实现碳中和目标，生物质能作为重要的可再生资源，转化为固态、液态、气态等多种燃料，广泛应用在电力、热力、交通等多个领域，能够为减污降碳目标任务做出积极贡献；二是利用资源潜力大，作为能源利用的农作物秸秆等农林剩余物、生活垃圾、有机固废等资源年利用超过4.6 亿t 标准煤，可利用资源潜力大，能够为区域燃料、电力、热力的低碳转型做出积极贡献。

农林废弃物是廉价易得的燃料，1973 年第一次石油危机发生时丹麦开始研究利用秸秆作为发电燃料，丹麦BWE 公司研发的第一家秸秆燃烧发电厂（Haslev，5 MW）于1988 年投入运行。2003 年以来，我国先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目。2005年颁布《可再生能源法》，陆续实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电迅速发展。2021 年，我国生物质发电装机3 798 万kW，占全国总发电装机容量的1.6%，生物质发电年发电量达到1 637 亿kWh，同比增长约23.6%，占全社会用电量的2%。

生物质发电技术历经30 多年发展，成为可再生能源发电的主要技术之一。结合现代TRIZ 理论的工程系统进化趋势分析生物质发电技术的发展趋势，期望为技术研发提供参考。

1 生物质发电技术概述

近年来，生物质直燃发电成为规模化利用生物质能的主要技术之一。生物质发电分为直接燃烧发电、气化发电、混合燃煤发电等不同类型。典型的生物质直燃发电技术流程如图1 所示。

图1 生物质直燃发电工艺流程

其中混合燃煤发电，又包括燃料直接混入燃煤锅炉发电和气化混入燃煤锅炉发电。因生物质发电工艺不同，发电效率约为20%～38%，生物质燃料成本是发电成本的主要组成部分，占70%左右。主要燃料为农林废弃物，如树皮、秸秆、稻壳、废弃建筑模板等。随着技术发展和社会需求，垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等都属于生物质发电的范畴。对于生物质发电工程系统的功能描述见图2。生物质历经物理、化学等作用将化学能转化成电能。

图2 生物质发电工程系统的功能描述

2 工程系统进化趋势

工程系统进化趋势（Trends of Engineering System Evolution，TESE）是指工程系统从一种状态自然过渡到另外一种状态的进化发展过程，是工程系统发展的目标和方向。通过对大量的工程系统和发明专利分析，认为工程系统遵循一定的规律向前进化，总结得到经典TRIZ 理论的工程系统进化法则，即八大进化法则：提高理想度法则、子系统不均衡进化法则、动态性和可控性进化法则、子系统协调性进化法则、向微观级和场的应用进化法则、增加集成度再进行简化的进化法则、能量传递法则、完备性进化法则。这些进化法则是从大量已有工程系统中提取出来的，所以在很大程度上也适用于具体的工程系统［1］。

工程系统进化法则能够为尚未有明晰发展前景的技术提供史无前例的预测视角。应用工程系统进化趋势使创新更加具有可预见性，从而降低风险。运用这些法则去预测未来技术和产品，从而引领技术创新，并且可以预测技术瓶颈。此外，工程系统进化趋势具有另一个强大的预测功能，就是能够为新技术应用过程中产生的问题提供解决方案。TESE 虽然能够对技术未来发展的各种可能性预测具有非常高的概率，但是不能预测各种可能性发生的时间，实现时间取决于其他因素，如市场、政策、投资、消费意愿等。

经典TRIZ 理论包括S 曲线和八大进化法则，尚存在诸多问题。工程系统进化趋势理论已成为整个TRIZ 理论的基础。发明原理、标准解等工具成为现代TRIZ 理论的工程系统进化趋势的具体表现形式［2］，如图3，具有如下优点：一是将抽象的法则梳理形成进化路径，对于理解和应用更加直观；二是进化趋势体现出功能和成本变化本质；三是体现了法则之间的逻辑关系；四是进化法则更具操作性的步骤和算法。

图3 现代TRIZ理论的工程系统进化趋势结构

3 生物质发电工程系统进化趋势分析

3.1 提高价值的趋势及S曲线分析

价值为总功能与总成本的比值，一个工程系统进化趋势总是趋向提高价值水平，表达式为

式中：V为价值（Value）；F为功能（Function）；C为成本（Cost）。

价值趋势随着时间的变化如图4 所示，图中↑和↓分别表示对应参数增大和减小，↑↑和↓↓分别表示对应参数显著增大和显著减小，const 表示参数为一定值。S曲线不同发展阶段的标志如表1所示［2］。

表1 S曲线中不同发展阶段的特征

图4 价值趋势随时间的变化（S曲线）

在不同的发展阶段，总功能和总成本呈现不同的变化。就生物质发电技术而言，该工程系统已经进入批量建设。在未来发展规划中，坚持因地制宜、合理布局、多元发展，推动生物质能源化循环利用和清洁利用。工程系统被引入到不同的应用中，如用于城镇居民、工业园区的热电联产。工程系统的技术差异化增大，如30～50 MW机组高温高压、高温超高压、高温超高压（一次中间再热）［3］。

另外，生物质混合燃煤发电、生物质气化混合燃煤发电等技术多样［4］。随着技术发展，在成长期的后期，系统在容量和参数方面改进减慢且多样性差异变小。生物质发电工程系统稳定地消耗区域生物质资源，生产和供应电力、热能等。超系统元素开始适应该工程系统，如燃料资源和种类增加。工程系统开始消耗专为其开发的特定资源，如林业树皮、枝条等。因而可以判断，目前生物质发电整体处于第二阶段成长期。

生物质发电在不同国家，或同一国家的不同地域发展差异较大。对于发展较快的部分地区，如山东省，已出现第三阶段的部分特征，考虑燃料区域竞争和收储成本，限制建设生物质发电项目。工程系统成功地渗透到新的领域和细分市场，如垃圾焚烧发电。工程系统主要不同体现在设计和功能，如热电联产、垃圾焚烧等。生物质发电效率、热电联产效率提升缓慢。对于技术研发和示范领域，出现了第四阶段的部分特征，即生物质发电工程系统与燃煤发电系统耦合，成为燃煤发电系统的一部分。

对应生物质发电所处的第二阶段，采取的策略：

1）实现最优化是发展技术系统的主要方法，对技术系统的轻微优化可以显著提升价值，如机组容量30 MW 的生物质热电联产机组（平均供汽量20 t/h）比单纯发电的生物质纯凝电厂热效率可以提高近11%。

2）不断把技术系统应用到新领域，添加系统组件（燃气净化）开发出较强的功能，如生物质气化内燃机发电系统。

3）尽可能找到折中与降低劣势的解决方案，可能使用超系统（燃煤电厂）作为适用于工程系统的特定资源。对比生物质电厂，发展燃煤电站与生物质气化耦合发电的技术，主设备只增加气化炉和相关辅助设备，减少了汽轮机、发电机、升压站以及烟气净化系统等投资，投资成本较小，基本不需要再增加人员。在效率方面，生物质气化耦合发电，综合发电效率可达30%以上，生物质燃料可节省20%以上［5］。

4）发展专门的工程系统资源，如专用的燃料加工、干燥和储运设备。

对于生物质发电处于第三、第四阶段的发展策略：

1）降低成本，开发服务子系统，改进设计，如热电联产装置、专用的燃烧装置、气化多联产装置，燃料系统、烟气净化系统、智能运行控制系统。

2）为工程系统和其组件改变作用原理，如烟气余热深度利用，联合斯特林发动机进行冷热电联产、微型燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳发电系统等。

3）深度裁剪，集成替代系统和其他技术系统向超系统过渡，如与燃煤发电耦合。

4）寻找仍具竞争力的领域，如生物质气化、燃气重整、分离氢，以及生物质灰循环用于改良土壤［6］。

3.2 向超系统进化趋势

向超系统进化趋势包括四个子趋势：1）工程系统集成超系统与原工程系统的参数差异化增加的趋势；2）集成系统与原工程系统的主要功能差异化增加的趋势；3）集成工程系统与超系统集成水平增加的趋势；4）集成工程系统的数量增加的趋势。

对于生物质发电工程系统，与燃煤发电系统集成参数差异化增加的趋势体现在，基于生物质燃烧热力发电工艺，锅炉燃烧方式、燃料性状、机组容量、参数、发电效率等不断发展。主要功能差异化增加，基于发电、供热的功能和处理生物质废弃物、垃圾、污泥的功能，出于城镇建设和生态环境建设的需求，与城市垃圾、水处理污泥等产生联合工程系统。为偏远城镇供应燃气，表现出不同的主要功能，也不具有共同的特征，但是消耗和拥有共同的资源，属于异质工程系统。集成水平增加，基于燃煤低碳发电与灵活性运行需求，燃煤机组掺烧生物质、污泥等，燃料预处理装置、燃烧装置、污染物控制装置不断提升集成深度和水平［7］。集成工程系统的数量增加，基于厂区建筑、料棚等综合利用与现有光伏发电系统集成。基于产业园区的生物质固废、有机固废等原地处置需求，与生物质热电系统集成，降低燃料成本，并为园区企业提供电力和热力［8］。

3.3 系统完备性进化趋势

从生物质发电处置废弃物的主要功能出发，燃料资源开发、收集、加工、储运、管理等技术更加完善，锅炉、气化炉等产生的气体、液体和固体等产物能够资源化利用或者减少排放。从生产电能和热能出发，化学能、热能、机械能、电能等转化的效率逐渐提高。工程系统及子系统的控制功能更加完备，如安全管理、燃料管理、设备状态监测、集控运行、烟气污染物脱除、二氧化碳捕集与监测、设备检修管理等。

3.4 增加裁剪度进化趋势

随着工程系统的发展，系统元素（组件或操作）被裁剪，而不影响系统的功能，并尽可能改善，包括裁剪子系统、裁剪操作和裁剪价值度最低的组件。对于生物质发电工程系统，裁剪子系统、裁剪操作、裁剪矫正功能的操作：如采用成型燃料，生物质发电工程系统中燃料的露天存放、摊晒、混合等采用的设备及操作被裁剪掉。裁剪价值度最低的组件，如将烟囱去掉，烟气净化后通过冷却塔排放。

3.5 流增强进化趋势

随着工程系统的发展，物质、能量、信息的流速增加，也能被更好利用。流增强的进化趋势分为两个子趋势，一是提高流有用的流量，包括增加流的传导性和提高流的利用率；二是减少有害流、偶发流的负面影响，包括减少有害流的传导性和影响。在生物质发电工程系统的燃料供应，提高和增加流的密度，将燃料转化为成型燃料，提高能量密度。生物质发电厂露天存放的燃料，受天气和发酵等影响，水分和热值无法预测，存在安全隐患，即是流的“灰色区域”。从增加流的传导性出发，消除“灰色区域”，即消除露天料场。提高流的利用率，如利用共振，使振动输送机稳定均匀输送物料。

3.6 系统协调性进化趋势

工程系统的进化过程中，系统的组件沿着与其他组件和超系统更协调的方向发展。从燃料形状、材料的协调出发，与锅炉燃烧方式协调，将形状、密度、含水率不等的原料预处理为块状、颗粒、粉状燃料，实现燃料尺寸、密度、水分等协调，保证燃烧工况稳定、燃烧效率和锅炉效率。基于燃料稳定供应，不同农林废弃物收集、加工、储运与锅炉燃料消耗保持供应时间协调。基于能量匹配协调，将循环水冷却塔变为空冷塔，并干燥燃料［9］。基于生物质发电锅炉烟气排放标准，开发与之相适应的烟气净化技术和系统。

3.7 可控性进化趋势

随着工程系统的进化，向着多种可被控制的路径发展。生物质发电机组运行控制水平提升，融入智能控制。燃料的收集、加工、输运，料场、料仓的自动控制和监测。烟气净化排放监测控制系统不断发展和提升。

3.8 动态性进化趋势

随着工程系统的演化发展，它和它的组件变得“动态”，动态化即随着时间变化改变参数值的能力，包括设计动态化、组成动态化、功能动态化。设计动态化包括两个自趋势：物质的动态化和场的动态化。物质的动态化，例如热电联产机组的变参数设计，从燃料参数多变，如形状、湿度、尺寸、种类等，到燃料特性一致的燃料，再向气体燃料发展。场的动态化包括输出电负荷功率、热负荷功率，按照需求进行多样的设计。组成动态化，如目前生物质发电主机、辅机等整体技术系统模块化和移植性弱，随着技术的发展，模块化设备显著发展。功能动态化，生物质发电系统不断发展，实现燃料、热电冷联产。

3.9 减少人工介入的进化趋势

在工程系统出现之前或初期，由人工执行各自功能。随着工程系统的发展，工程系统中由人力执行的功能数量减少，包括传送系统、能量源、控制系统和决策。减少人工介入的趋势也是系统完备性趋势的必要子趋势。生物质直燃发电工程系统中，燃料是影响发电成本的主要组成部分，对于燃料的收集、加工、储运、卸料、倒料、上料等流程需要减少人工介入，燃料能量密度提升过程也需要减少人工介入，从燃料管理、系统运行等过程需要提升自动控制水平，减少人工介入。

3.10 子系统不均匀进化趋势

随着工程系统的进化，系统的发展首先集中在执行机构，随着时间推移，开发集中于执行结构（主要功能）、完善辅助功能及与主要功能无关的功能。技术系统由多个实现各自功能的子系统组成，每个子系统及子系统间的进化都存在着不均衡。每个子系统遵循自己的S 曲线进化；不同的子系统将依据自己的时间进度进化；不同的子系统在不同的时间点到达自己的极限，这将导致子系统间矛盾的出现；系统中最先到达其极限的子系统将抑制整个系统的进化，系统的进化水平取决于此子系统；需要考虑系统的持续改进来消除矛盾。改进生物质发电工程系统的主设备，如不同燃烧形式的锅炉、不同蒸汽参数的汽轮机，不同的烟气脱硫、脱硝、除尘技术。

除了现代TRIZ 理论的工程系统进化趋势之外，其他经典进化法则：1）向微观级进化法则具体表现在技术系统及其子系统在进化发展中，向着减小尺寸、占用空间、机组容量趋势发展，如系统简化且紧凑的超临界二氧化碳发电系统。2）增加集成度再进行简化的进化法则。技术系统趋向于首先向集成度增加的方向，紧接着再进行简化。比如先集成系统功能的数量和质量，然后用更简单的系统提供相同或更好的性能来进行替代。如生物质气化多联产技术，转化成固液气多种形态产品和燃料，再以简单清洁高效的装置发电供热、输出清洁燃料［10］。3）能量传递法则。技术系统实现其基本功能的必要条件之一，是能量能够从能量源流向技术系统的所有子系统及元件，沿着提高能量转化效率和利用率的方向发展。如缩短能量传递路径，减少传递损失；减少能量形式的转换；采用可控性好的能量形式代替可控性差的能量形式。如将锅炉、汽轮机、发电机构成能量转化路径：化学能—热能—机械能—电能，演化为氢燃料电池路径：化学能—电能。

4 结语

生物质发电技术历经30 多年的发展，成为可再生能源发电的主要技术之一。运用TRIZ 理论中工程系统所处的发展阶段的特征，判断生物质发电工程系统整体处于第二阶段成长期，在燃煤电站掺烧生物质燃料发电技术示范、个别地区，开始出现第三阶段成熟期的部分特征。结合现代TRIZ 理论的工程系统进化趋势分析生物质发电技术未来发展的方向，生物质发电降低成本，尤其燃料资源、燃煤机组掺烧工艺、专用子系统和装备的研发需要进一步创新研发。