中国的生物质气化发电技术
作者：吴创之文章来源：中国科学院广州能源研究所 点击数：1752 更新时间：2005-4-18
作者：吴创之、郑舜鹏、阴秀丽、罗曾凡、陈 勇
文摘：中国可用的固体生物质数量巨大，主要以农业废弃物和木材废物为主。生物质分布分散，收集和运输困难，在中国目前的条件下，难以采用大规模燃烧技术，所以中小规模的生物质气化发电技术（200—5000kW）在中国有独特的优势。由于中国电力供应紧张，而生物质废弃物浪费严重，价格低廉，所以生物质气化发电的成本，约为0.2-0.3元/Kw.h,已接近或优于常规发电，其单位投资仅约3500—4000元/Kw，为煤电的60%-70%，所以具备进入市场竞争的条件。目前中国已具备建设MW级生物质气化发电项目的能力。但技术仍存在一些问题，最突出的是对水的二次污染和对各种类型生物质适用性不强，而且系统发电效率较低，热效率仅为15%左右。所以目前必须加强三方面的工作，一是研究完善焦油裂解技术，彻底减少对水的二次污染;
二是该进技术过成，提高整体热效率；三是在有条件的地方建设示范项目，针对不同废料特点进行商业示范，充分证明该技术的可靠性和经济性，为全面推广生物质气化技术创造条件。
1. 前言
生物质是重要的可再生能源,它分布广泛,数量巨大。但由于它能量密度低，又分散，所以难以大规模集中处理，这正是大部分发展中国家生物质利用水平低下的原因。生物质气化发电技术（BGPG）可以在较小的规模下实现较高的利用率，并能提供高品位的能源形式，特别适合于农村、发展中国家和地区，所以是利用生物质的一种重要技术，是一个重要的发展方向。中国由于地域广阔，生物质资源丰富而电力供应相对紧张，生物质气化发电具有较好的生存条件和发展空间，所以在中国大力发民展生物质气化发电技术可以最大限度地体现该技术的优越性和经济性。
2．中国生物质气化发电技术的现状
2．1 发展概况
中国对生物质气化发电技术的研究及应用较早，在六十年代就开发了60KW的谷壳气化发电。目前主要使用的是160KW与200KW谷壳发电两种。近年进行1MW的生物质气化发电系统研究，旨在开发适合中国国情的中型生物质气化发电技术。1MW的生物质气化发电系统已于去年完成并投入使用，其流程示意图见图1所示。该系统在很多方面比
200KW气化发电有了改进，但由于投资问题，有关废水问题没有完全解决。
2．2 关键技术
2．2．1气化炉
中国对各种气化方式都有研究，已完成了多种气化炉的研制，目前已使用的气化炉有上吸式、下吸式、敞口式和流化床等。从原理上讲，各种气化炉都可以用于气化发电，但目前研究完成并正常运转的主要有三种，即敞口下吸式，下吸式及循环流化床（见表1），发电功率可以从几千瓦到几千千瓦，这为气化发电技术的进一步发展提供了条件。
2．2．2 气体机
气体机包括天然气、甲烷和低热值生物质气三种。我国低热值气体机发展较差，小功
率（100KW）基本都由柴油机改装，未有定型产品。大功率（500KW）的机组也有研究，
表1。中国生物质气化发电中的气化炉型式
气化炉型式 层式下吸式 下吸式 循环流化床
燃料种类 树皮，木块 谷壳，木块 谷壳，木屑
规模 2.0—30.0kWe 60—200kWe 400—4000kWe
燃气热值 4100-5300KJ/m3 3800-4600KJ/m3 4600-6300KJ/m3
气化温度 1100℃ 700-800C 650-850℃
冷气效率 70% 50% 65—75%
但由于排气温度和控制技术未能过关，目前仍未有成熟产品。现在已有定型产品有160KW和200KW两种。由于单机功率较小，所以中等规模的气化发电系统必须由多台气体机并车，这在一定程度上会影响气化系统功率的进一步提高。
2．2．3 气体净化
气体净化是中国生物质气化最薄弱的环节。目前都采用水洗的办法，既降低系统效率，又产生含焦油的污水，所以是今后研究的主要课题。按现在的技术看来，进行焦油裂解减少焦油和水处理使废水循环使用是气体净化的两个关键问题。
2．3 中国生物质气化发电的经济性
生物质气化发电的投资主要包括气化与净化系统、发电设备及土建三部分。以1000KW
的谷壳气化发电系统为例，其投资构成见表2。由表2可知，由于谷壳气化不需要专门收集与运输设备和储存设备，所以单位投资只需3500元/千瓦，大大低于小型的燃煤发电站（约6000元/千瓦）。另外，由于气化设备、配套设备及废水处理设备等随着容量的变小，其比例越来越高，BGPG的单位投资随着容量的变小而越来越大，当功率小于60KW时，单位投资即高于小型燃煤电站的投资（见图2）。
表2. 1MW 气化发电的投资预算(万元)
(1) 气化炉 5MWth , 包括分离器 50
(2) 水洗装置 2500Nm3 , 包括文丘里管 10
(3) 气体机 200kW 机组,五台 150
(4) 配电设备 配电屏及电缆 6
(5) 水处理系统 用于处理废水 35
(6) 配套设备厂 风机,水泵,电机,管道等 15
(8) 工程安装 10
(9) 基建 200m2 的厂房和基础 20
(10)控制系统 10
合计 306
2．3．2 发电成本
BGPG的发电成本包括生物质费用、设备维修、设备折旧和人工等部分，对1000KW的谷壳发电来说大约为0.27元/千瓦时（见表3）。这一成本与燃煤发电厂的成本接近，但远远低于柴油机的发电成本。在较小的发电规模下，由于人工和维修费用比例大大增加，
所以发电成本已随着功率的变小而增大，当功率小于100KW时，发电成本已接近大型柴油发电的水平，失去竞争的优势。
2．3．3 环保投入
由于目前生物质气化的焦油问题仍未解决，为避免二次污染，必须投入定的资金建设污水处理设备，对不同的系统处理污水的投入不同，但总的来说，功率越小，比例越大，这也是小功率BGPG难以推广的主要原因。而且由于污水处理占地较大，很多用户为了节省投入和降低运行费用，对污水不进行处理，引起环境问题。
3． 影响生物质气化技术应用的关键问题
3．1 生物质收集与预处理
由于能量密度低并且分散，生物质的收集与运输是生物质成本的主要部分，而生物质的预处理必须增加相应的设备和投资，这两部分都会增加生物质气化发电的运行成本。图3是生物质成本与发电成本的关系，由图可知，当生物质的价格高于200元/小时，BGPG的发电成本高于0.45元/千瓦时，BGPG失去了经济吸引力。图4是不同废料目前的市场价格，它反映了不同收集和运输条件对生物质成本的影响，由图可知，在目前条件下，超过50公里的范围收购生物质废物，其收购成本高于200元/吨，失去了竞争能力。这说明目前BGPG的技术只能应用在生物质废物集中，不需要收集、运输和预处理的情况下。
3．2 废水二次污染
如前所述，由于废水的处理需要较大投入和用地，废水问题已成为目前推广BGPG的主要障碍。特别对于小于400KW的气化发电系统,增加废水处理设备将大大增加投资和运行费用,使大量需要200KW的用户放弃使用气化发电技术。
4．在中国发展BGPG所面临问题的解决办法
4．1 技术研究及改进
4．1．1 焦油裂解技术及废水处理工艺
焦油裂解是彻底解决二次污染的办法。只有最大限度地减少焦油的数量，才能避免废水的产生。当然，采用任何工艺都很难保证完全没有焦油，所以采用一定的水作为冷却和清洗还是必要的，因此废水的处理与循环使用的研究也是必不可少的。只有解决二次污染的问题，生物质气化发电技术才能与其他技术进行平等的竞争。
4．1．2 发电循环的改进及系统效率的提高
由于受气化效率与气体机效率的限制，简单的气化-气体机发电循环效率很难高于20%，所以单位电量的生物质消耗量一般大于1.1
千克（干）/千瓦时。而我们从发电成本的分析可知，原料成本是发电成本最主要的一部分，如果不能降低生物质数量，很难利用需要收集与预处理的生物质资源。所以从长远来说，提高系统总效率是全面推广利用BGPG的一个前提。
从纯技术的角度看，生物质IGCC
可以有效地提高BGPG的总效率，但由此可以看出于焦油处理技术与燃气轮机技术的限制，在中国研究发展生物质IGCC仍比较困难。所以如何利用现已较成熟的技术，研制开发在经济上可行，而效率又有较大提高的系统，是目前发展BGPG的一个主要课题。
图5是建立在较成熟的气化-气体机系统上的一种联合循环构想，它有三个特点：（1）技术难度小，不需要很高的气体净化技术；（2）系统发电效率有较大提高，可达28%左右，达到小型燃煤发电的水平；（3）由于技术成熟，设备都是传统的定型产品，单位投资较低，约4000~5000元/千瓦，所以综合技术性与经济性两方面的考虑，该系统是一个比较适合中国国情的选择，特别对4~10兆瓦的规模更为优越。是我国今后研究开发的方向之一。
4．2 加快BGPG在中国的应用及示范
相对于发达国家，中国的生物质气化发电有比较好的市场环境，但从成本分析可知，即使解决二次污染问题，大规模的生物质收集与运输仍使发电成本提高，失去经济上的竞争性。所以目前可能使用生物质气化发电的主要对象应是有大量生物质废料而没有收集及运输问题的企业或地区。为了充分显示BGPG的技术及经济上的优势，很有必要在这些企业中进行商业性示范，使
BGPG逐渐被企业所接受。在此基础上，改进并提高BGPG的技术性能，探讨BGPG应用于大规模处理农业秸秆或森林废物的可能性。
从中国目前企业的特点考虑，比较可能使用BGPG的主要有碾米厂和木材加工厂。中国每年生产稻谷近2.0亿吨，生产人造板1000多万立方米，所以上规模的碾米厂和人造板厂分别有几百家，因此即使BGPG目前只针对这两种企业，也有很大的市场潜力。
4．3 保证电力收购，鼓励BGPG的使用
中国目前由于气体机的单机容量相对较小（200千瓦），不符合国家有关机组上电网的要求，但作为可再生能源，生物质对减少污染，保护环境方面有重要意义，所以国家应在这些方面实行鼓励及保护政策，除了允许小机组（100千瓦）上网以外，还必须实行最低收购价，确定保护生物质电力的生产。目前国家有关部委已开始制定这方面的政策，关键是如何有效的实施。
5．结论
气化发电是分散利用生物质能的有效手段，比较适合于中国当前的经济水平和发展现状。中国的生物质具有较好的技术基础，只要解决二次污染，即具备与其他常规发电技术竞争的条件。为了发展并尽快推广生物质气化技术，目前应该进行三方面的工作：一是研究焦油处理技术，彻底消除二次污染；二是改进气化发电技术与系统，提高整体效率，进一步降低发电成本；三是制定保证政策，鼓励生物质气化发电技术的应用。
参考文献
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