生物质气化热电联产发展概述

       摘要：生物质能源的开发利用和能效的提高已成为各国减排的重要途径，其中生物质气化热电联产是生物质能最有效、最洁净、最经济的利用方法之一。本文对国内外生物质热电联产发展和应用情况进行了概述，并对典型国外楼宇级的生物质热电联产应用案例进行了介绍，为国内相应的楼宇项目应用提供技术参考。关键词：可再生能源;生物质气化;热电联产0引言生物质气化发电是生物质能最有效、最洁净、最经济的利用方法之一，是利用生物质气化后产生的可燃气推动燃气轮机等燃气发电设备进行发电的技术。生物质气化发电主要包括三个步骤：首先是将生物质气化，得到气体燃料;然后净化气体，除去可燃气中含有的杂质，如焦油、灰分等;最后将燃气送入燃气轮机或燃气内燃机中进行发电，还可以增加余热锅炉和蒸汽轮机进行发电来提高发电效率。生物质气化热电联产具有以下三方面特点：一是技术有充分的灵活性，由于生物质气化发电可以采用内燃机，也可以采用燃气轮机，甚至可以结合余热锅炉和蒸汽发电系统，这一技术的灵活性能很好地满足生物质分散利用的特点。二是具有较好的洁净性，生物质本身属可再生能源，可以有效地减少CO2、SO2等有害气体的排放。三是经济性较高，生物质气化发电技术的灵活性，可以保证该技术在小规模下有较好的经济性，同时燃气发电没有高压过程，设备简便，合理的生物质气化发电技术比其他可再生能源发电技术投资更小，所以总的来说，生物质气化发电技术是所有可再生能源技术中最经济的发电技术，综合的发电成本已接近小型常规能源的发电水平，是一种很有前途的现代生物质能利用技术。1国外发展情况国外的生物质气化发电与热电联产技术起步较早，发展较为成熟。芬兰在热电联产方面的发展居世界领先地位。在芬兰，生物质热电联产厂已有20年的历史，已建成10多个生物质热电联产工厂。2001年建成的炉排锅炉与蒸汽轮机组合的以树皮、木片和锯末为燃料的Karstula电厂，年发电量为5GWh，年供热量为45GWh建于1992年的以木材废弃物为燃料的Kuhmo电厂采用了循环流化床技术，额定发电量为4.8MW，额定供热量为12.9MW。2002年建成的以泥炭、木片为燃料的Kokkola电厂采用沸腾流化床技术，额定发电量为20MW，额定供热量为50MW;在芬兰的皮耶塔尔萨里，2002年投产的目前世界上规模最大的生物质热电联产厂—AIhoImensKraft发电厂，其燃料以废木材、泥炭为主，煤炭和油为辅，常在启动时使用，其总发电容量为240MWel,蒸汽产量为100MW。芬兰的原Kymijarvi电厂经改造后成为气化技术结合燃气轮机的生物质热电联产厂，气化技术使当地的生物质与廉价的固体废物燃料得以利用。2012年投入运作至2015年，这家电厂已经产生了50兆瓦的电力和90兆瓦的热能。目前Kymijarvi电厂主要依靠供热盈利，他们直接将供暖输送到拉赫蒂地区，并向终端用户收费。生物质在芬兰是最大的可再生能源供应源，在2001年占到可再生能源的85%。2007年，热电联产发电量已占到国内总发电量的29%。丹麦的UnsaldoVolund有限公司于1993年12月在Harboore建设了第一个大型生物质气化热电联产厂并投入运行。系统选用上吸式气化炉，使用常规的森林木屑作为气化原料。起初建立该厂时仅为附近村庄供热，并希望以此证明上吸式气化炉可连续运行，后来在2000年该厂实现了生物质气化热电联产的应用圈。2005年，丹麦斯基沃市开始建设Carbona热电联产厂，生物质气化选用RENUGAS鼓泡流化床气化技术，设计能力为5.5MW发电和11.5MW供热。丹麦还研究了一种二阶生物质气化技术，让生物质的热解与气化在不同的反应器中进行，维京电厂采用的就是这种技术。这种技术的气化效率更高，且利用发电机烟气余热对热解反应器进行加热，同时热解气通过热交换器为外界提供热量，实现供热。生物质气化热电联产技术在瑞典也得到了充分的利用，例如位于Varnamo的生物质气化热电联产厂。该厂于1993年正式运行，是世界上首家以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂，电厂装机容量为6MW，供热容量为9MW，整体电效率为32%(除自用电外)。电厂采用了增压CFB气化炉，原料主要是木屑和树皮。气化产生的净化燃气通过TYPHOON燃气轮机发电(4.2MW);燃气透平排气进入余热锅炉，连同烟气冷却器一起产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机发电(1.8MW)，同时供热(9MW)。FalunEnergi生物质热电联产厂采用沸腾流化床锅炉，以树皮、木材废弃物和木片为燃料，额定发电量为8MW，额定供热量为22MW;Kristianstad生物质热电厂采用循环流化床，以木材为燃料，额定发电量为13.5MW，额定供热量为35MW。目前生物质供热发电1030千瓦时，占全国能源消费总量的16.5%,占供热能源消费总量的68.5%。美国是世界最早开发利用生物质能源的国家之一，从1979年就开始使用生物质燃烧发电。生物质能源已经成为美国最重要的可再生能源，约占该国能源供给总量的3%。美国建立的Battelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平，生产一种中热值气体，不需要制氧装置，此工艺使用两个实际上分开的反应器：①气化反应器，在其中生物质转化成中热值气体和残炭;②燃烧反应器，燃烧残炭并为气化反应供热。两个反应器之间的热交换载体由气化炉和燃烧室之间的循环沙粒完成。在亚洲国家中，日本也一直致力于发展生物质气化发电技术。2006年，日本川崎重工业向SekisuiHouse浅井工厂提供了木质生物质的气化热电联产系统。这套系统使用制造木结构住宅的原材料时产生的加工废料进行发电，在向工厂供电的同时，余热经过热交换器后，可以作为工厂的干燥用热风以及办公室的暖气用热水加以利用。该系统的发电功率为175kW，每天2.2吨木材加工废料可发电1750kWh，这相当于浅井工厂所需电力的近3成。印度以前沼气应用比较多，近期生物质压缩成型、气化技术等进展显著。生物质气化炉与柴油机/发电机组成的3.7kW、25kW、70kW及100kW系统中，100kW系统发电效率为35%。发电用于水泵、磨谷机和其他小型电气设备，其中3.7kW发电系统应推广应用数百台。2楼宇型生物质热电联产项目除了建设生物质发电厂，欧美国家在探索能源消耗与人类宜居问题的过程中，还提出了一种可持续的居住模式，称为“生态村”。英国BEDzed生态村采用的即为生物质热电联产集中供暖方式。整个小区的生活用电和热水的供应由一台130千瓦的高效燃木锅炉来提供。木材的来源包括周边地区的木材废料和邻近的速生林。树木成长过程中吸收了二氧化碳，在燃烧过程中等量释放出来，因此它是一种零温室气体排放的清洁能源。热电联工厂的功率是130kW，可满足社区240位居民和200名工作人员的能量需求。(图1)
       图1英国BEDzed生态村热电联工厂相关示意图2015年，在英国柴郡的E3微规模的生物质热电联产系统已稳定运行1000小时。该系统为德国技术，颗粒燃料耗量约21kg/h，可产生22kW的电力和55kW的热能，系统打包安装在一个标准集装箱内，可模块化增加规模。(图2)
       图2英国柴郡的E3微规模的生物质热电联产系统相关图片加拿大的安大略省的乡村酒店和水疗中心采用室内热电联产单元为其供热供电，该单元以木片为燃料，可产生40kW的电力，100kW的热水和20kW的热空气。该单元为室内机，占地约10m2。(图3)
       图3加拿大的安大略省40kW生物质热电联产系统相关图片NexterraSystems公司是社区规模的废弃物能源气化系统的全球领导者，系统用于生产清洁的可再生热能和电能。Nexterra已经在北美完成了七个商业项目，目前正在交付公司在英国的第一个项目。公司提供经验证的气化技术，拥有超过150000小时的商业运行时间和超过90%的正常运行时间。(图4)
       图4英属哥伦比亚大学的热电联产项目3国内发展情况我国的生物质气化发电与热电联产技术虽起步较晚，但近几年来发展迅速。1998年10月中科院广州能源所完成1MW级的生物质循环流化床气化一内燃机发电系统(GIEC),5台200kW发电机组并联工作，但受气化效率与内燃机效率的限制，效率低于18%。2000年，海南三亚1MW生物质流化床气化发电系统建成并开始正式运行，该气化发电系统是由中科院广州能源所设计，与海南三亚木材厂共同建成，充分利用当地木材厂生产废木屑进行发电，既处理了生产废料又发了电，年电厂产值约240多万元，利润约80多万元。该系统的发电容量为1MW气化效率大约在75%左右，系统发电效率在15%-18%之间。之后，中科院广州能源所在广东省佛山市三水区建设了2MW生物质气化发电与热电联供系统示范工程并成功运行，示范系统发电效率25.5%，系统余热回收热效率26.8%，同时具备为1000户居民提供生活燃气的能力。由山东百川同创能源有限公司承建的黑龙江伊春农林生物质气、热、电联产项目成功运行，该项目采用大型下吸式固定床气化炉，年生产燃气2000万Nm3，总装机容量1MW，燃气可以发电，并满足当地居民生活取暖和6套1.0t/h成型系统的用能需求。2014年，安徽淮北市首家生物质气化发电项目落户百善食品工业园，该项目气化发电机组每小时能发电1200千瓦时、产气2400立方米，同时产碳0.5吨，可做成碳素肥。白天可供一万户居民做饭、取暖等日常用气，晚上可用气发电。百善生物质气化发电项目每年可用掉2万吨秸秆，可为百善及周边乡镇的秸秆燃烧、综合利用发挥积极作用，同时增加农民收入。2014年，河北承德华净活性炭有限公司建设了”杏壳气化发电、活性炭、肥、热多联产“项目，以杏壳为原料，在利用生物质气化发电的同时，攻克了原有的活性炭生产需要消耗能源的难题，利用气化炉和发电机余热产生的热水供应平泉县的饭店及洗浴中心，解决了当地的小锅炉燃煤问题，实现了清洁能源供给。2015年，云南亚象能源科技有限公司引进国内先进的生物质气化技术和设备，在云南西双版纳州建成了第一条生物质气化发电多联产项目生产线。项目投产后，一条生产线每天可消耗40吨木材加工剩余物、发电2万千瓦时，所发出的电可用于满足木材加工厂的用电需求将发电过程中产生的尾气收集起来，可提供木材烘干所需热量;得到的固体生物质炭，既可用于活性炭生产剩余物气化过程中，可提取的木醋液，作为活性有机叶面肥、有机复合肥、农药助剂或土壤微生物改良剂提取的木焦油，可用于生产人工合成橡胶。该项目实现了热电联产、产品多样化和污染物零排放，使林业资源得到高效和循环利用。该公司还计划在勐养修建5条类似的生物质气化发电多联产项目生产线。湖南谷力能源科技有限公司在湖南宁乡建设的稻壳气化发电多联产系统是以稻壳为原料，通过气化发电联产炭基肥料、同时供热的新方法。该工程为世界首创的稻壳气化发电联产炭基肥、供热的工业化项目。2015年8月，浙江庆元生物质气化发电项目通过批复，该项目以竹材三剩物为原料，年消耗竹废料5万吨，燃气内燃机组发电容量12000kW，实现生物质气化发电，同时产生的热水用以供热，并产出活性炭。项目建设5兆瓦发电机组，单机功率500千瓦，年发电量3000万度，年产活性炭3750吨。2015年11月，东辽县人民政府与北京时代博诚能源科技有限公司在京签署年产12MW秸秆气化热电联产项目建设协议。该项目拟在吉林省辽源市东辽县建安镇试点应用中国科学院工程热物理所的分布式能源科研成果，通过实现秸秆的分散化、清洁化利用，解决焚烧秸秆造成的区域污染问题。该项目改变用能结构、改善生态环境的效果突出，社会经济效益显著，可形成良好的示范带动效应。4结论生物质气化热电联产技术在世界各国发展状况不同，与其国内能源结构及政府能源政策有很大关系。普遍来说，欧洲国家的技术成熟，发展迅速，如瑞典、芬兰和丹麦。其他国家如美国、日本等也在大力发展此项技术。与之相比，我国的生物质气化热电联产技术由于起步较晚而发展略显缓慢，普及程度较低。近年来，我国也逐渐重视生物质能的利用，加大力度发展生物质产业，并出台了一系列的规划和激励政策，如《可再生能源法》、《“十二五”国家战略性新型产业发展规划》、《可再生能源发展”十二五“规划》等。如今，低碳与环保将成为发展主线，发展清洁能源将成为我国应对污染问题、调整能源结构的主要抓手。其中，生物质气化热电联产技术在解决能源问题的同时，环境影响很小，经济效益较高，符合目前减排的局势，具有很好的发展前景。