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蔣大華1,2，孫康泰1，亓偉1,3，張輝1，魏殉1，李強1,4，周勁松5，葛毅強1
?。?.科技部中國農村技術開發中心，北京100045；2.南京農業大學，江蘇南京210095；3.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州510640；4.大連海洋大學，遼寧大連116023；5.浙江大學，浙江杭州310058）
摘要：生物質發電是目前發展最成熟、規模最大的生物質能利用技術，通過利用生物質燃燒或轉化技術實現可燃氣體的燃燒發電。文章敘述了我國發展生物質發電產業的意義，概括和總結了國內外在生物質直燃發電、混燃發電和氣化發電方面的現狀和經驗，指出我國生物質發電產業所面臨的挑戰，最后提出了有關生物質發電產業的商業化建議。
0引言
生物質發電是目前總體技術最成熟、發展規模最大的現代化生物質利用技術。發改委發布的《可再生能源中長期發展規劃》和國家能源局《生物質能發展“十二五”規劃》中明確指出，到2015年生物質發電裝機容量達到1300萬kW。力爭到2020年生物質發電裝機容量達到3000萬kW。生物質發電技術的推廣應用符合國家能源戰略多元化和發展綠色低碳經濟的需求，對于推動我國生物質資源規?；?、高效清潔利用具有重大的作用。
本文對國內外主流技術和產業發展現狀進行了詳細的綜述分析，結合我國國情提出了政策層面的建議和適合在我國進行產業化發展的商業模式，可以為我國生物質發電的技術研發和商業化運行方面提供一定的借鑒。
1我國發展生物質發電產業的意義
燃煤發電是我國電力供應的主力軍，其成熟的技術可以順利地應用到生物質直燃發電中，這決定了生物質發電可以迅速成熟并具備最大的產業化潛力。在我國發展生物質發電產業，對經濟社會發展和生態環境保護具有十分重要的戰略意義。
1.1生物質能發電可作為我國可靠的綠色電力保障
生物質發電在我國已有所發展，截至2010年底。我國生物質發電裝機容量為550萬kW，年發電量超過200億kWh，增加農民年收入約30億元，每年減少二氧化碳排放量約1400萬t。同其它發電技術相比，我國擁有巨大的農林廢棄物產量可以為生物質發電產業提供有力的原料支持，保障電力的充足供應。
1.2生物質能發電有助于節能減排，保護生態環境
我國以煤發電為主，每年消耗煤炭約15億t，給我國的大氣環境帶來嚴重的污染。從生物質全周期來看，生物質發電接近CO2零排放，SO2等大氣多污染物排放量少，是綠色低碳、節能減排、保護大氣和生態環境的有效途徑。
1.3生物質發電在解決“三農”問題和擴大可持續能源方面發揮重要作用
生物質發電將農林廢棄物資源進行高值化利用，給當地的廣大農民帶來一定的經濟效益，同時也在一定程度上避免了因農林廢棄物帶來的水／土污染、空間浪費、火災安全隱患、生物疾病威脅等一系列問題。
2國內外的發展現狀
2.1國內的發展現狀
2005年底，中國生物質發電裝機容量約為2GW，其中，蔗渣發電約1.7GW，垃圾發電約0.2Gw，其余為稻殼等農林廢棄物氣化發電和沼氣發電等。2006年《可再生能源法》實施后，中國的生物質能發電產業迅速發展，至2008年底，農林生物質發電項目達170多個，裝機容量為4600MW，50個項目并網發電。到2012年底，我國生物質發電累計并網容量為5819MW，其中，直燃發電技術類型項目累計并網容量為3264MW，占全國累計并網容量的55％：垃圾焚燒發電技術類型項目累計并網容量為2427MW，占全國累計并網容量的41.71％：沼氣發電技術類型項目并網容量為206MW，占全國累計并網容量的3.54％。
2.1.1生物質直燃發電
單縣秸稈直燃發電采用丹麥BWE公司先進的高溫高壓水冷振動爐排燃燒技術，是我國第一座國家級生物質發電示范項目。在技術引進的同時，以浙江大學為代表的國內科研機構，緊扣國際前沿，結合我國國情，成功研發了基于循環流化床的秸稈燃燒技術和裝置，并于2006年在宿遷成功建設了世界上首個以農作物秸稈為燃料的CFB直燃發電示范項目。陽光凱迪新能源集團有限公司采用自主研發的CFB生物質燃燒發電技術，總裝機容量達到57.6萬kW，年發電量達到17.2億kWh。據不完全統計，截至2010年底，我國生物質直燃項目約為200個，投產發電項目約為80個。
2.1.2生物質混燃發電
2006年以來，雖然我國的生物質發電項目取得了巨大進展，但是多數項目是生物質直燃項目，生物質混燃項目較少，目前受政府認可的只有山東棗莊華電國際十里泉電廠（5#機組）和上海協鑫（集團）控股有限公司下屬的7個熱電廠。
2.1.3生物質氣化發電
我國在20世紀60年代初曾開展了生物質氣化發電方面的研究工作，在原來谷殼氣化發電技術的基礎上，對生物質氣化發電技術作了進一步的研究。目前，我國中小型固定床和流化床生物質氣化發電系統均有實際應用的裝置，如表1所示。
2.2國外發展現狀
2.2.1生物質直燃發電
丹麥BWE公司自1988年建成世界上第一座秸稈燃燒發電廠以來，已建立了130家秸稈發電廠，并向瑞典、芬蘭、西班牙等多個歐洲國家提供技術和設備，其中，位于英國坎貝斯的生物質能發電廠是目前世界上最大的秸稈發電廠，裝機容量達到3.8萬kW。
2.2.2生物質混燃發電
生物質混燃發電技術在挪威、瑞典、芬蘭和美國已得到廣泛應用，根據IEA（International Enery Agency）統計的數據，全球已有200多座混燃示范電站。芬蘭生物質發電量占本國總發電量的l1％，是世界上占比最大的國家。英國有許多裝機容量接近或超過1000MW以上的燃煤電廠都實現了混燃發電。截至2011年底，美國生物質發電裝機容量約為13700MW，約占可再生能源發電裝機容量的10％，發電量約占全國總發電量的1％。生物質混燃發電在美國生物質發電中占有較大的比重，以木質廢棄物（鋸屑等）與煙煤煤粉混燃居多，混燒生物質燃料的比例占3％～12％。
2.2.3生物質氣化發電
生物質氣化主要應用于供熱、窯爐、發電和合成燃料，CHP（熱電聯產）的增長尤其快，已成為目前生物質氣化最主要的利用方式。
20世紀80年代末90年代初，主要利用上吸式和下吸式固定床氣化爐發電或供熱，規模較小。下吸式固定床氣化爐產氣焦油含量較低，已慢慢占據主導地位。由于常壓循環流化床具有容易放大、原料適應性好、對原料尺寸和灰分要求不高等優點，近年來常在大中型氣化發電系統中應用。空氣氣化常用于發電和供熱，加壓氣化則用于IGCC（整體氣化聯合循環發電系統）。歐美國家采用CHP模式，相關的研究和技術都有了顯著的進展，建立了一批示范或商業工程。根據國際能源機構生物質熱氣化工作組的不完全統計，目前仍在運營的生物質氣化CHP項目有39個。20世紀90年代，BIGCC（生物質整體氣化聯合循環發電系統）較為流行，該系統在中等成本或中等規模下具有高發電效率，在歐洲建立了多個示范工程，但由于系統運行要求和成本較高，大都已停止運行。
2.3國內外產業發展的相關經驗
國外生物質發電產業的發展已經較為成熟，主要在政府政策引導和技術優先的框架下發展。我國開展這方面的研究較晚，目前商業化運營的企業還較少，在我國國情的基礎上。通過實地調研和資料分析，對周內外產業模式的經驗進行了對比分析。
2.3.1直燃發電已在國內外取得規?；l展，但發展規劃還需進一步完善
以北歐為代表的歐盟國家在框架計劃引導下，生物質發電方面突出先進技術和熱電聯產：美國更重視和農林企業生產T藝結合的燃燒應用，以市場為導向，并不追求規模增長。我國生物質資源以秸稈為主，在國家重視和扶持下，以引進丹麥的秸稈直燃發電技術作為產業發展的開端，近幾年取得了飛速的發展，規模迅速擴大，在取得大量寶貴經驗的同時也付出了很多代價。主要的經驗是要認清生物質燃燒發電產業的客觀規律和我國生物質資源的特點，在政策制定上寬緊適度，審時度勢地給予適當的扶持，促進適合中國生物質資源特點和生產模式的燃燒發電技術迅速走向完善，在務實創新的基調下健康發展產業，在宏觀導向上要提倡以技術進步為綱，通過市場良性競爭和正常的經濟商業模式來提升產業的水平和規模。
2.3.2國外混燃發電取得規?；l展經驗，國內尚無規?；?/p>
雖然2006年在我國《可再生能源價格和費用分攤管理的實行辦法》中提到，生物質發電項目15年內享受補貼電價，但明確規定發電量中常規能源超過20％的混燃發電項目，視為常規能源發電項目，制約著生物質混燃項目的發展。國外生物質混燃項目與生物質直燃項目一樣享有政府對生物質能利用的激勵政策，這些激勵政策包括財稅優惠政策、固定電價制度、綠色證書制度等，同時也可以通過碳交易市場進行融資。歐盟國家對混燃電廠中的生物質摻燒比例沒有固定的界限約束，電廠根據其技術和設備的特點、燃料供應狀況、CO2減排義務和成本核算原則等條件自行決策。政府按照實際摻燒的生物質燃料量進行給予平等的激勵和優惠。
2.3.3國內外氣化發電均已取得一定規模，有向多聯產和分布式電力發展的趨勢
美國、英國、瑞典、日本、印度、德國、西班牙、比利時、新西蘭、加拿大等國家的學者分別開展了循環流化床、加壓流化床等的研究，并且已經實現工業化應用。中型生物質發電技術一般采用流化床氣化工藝，氣體凈化裝置采用催化裂解方法，使90％以上的焦油裂解成永久性氣體，發電設備采用內燃機發電機組。1998年8月，加拿大發布了由Freel，BarryA申請的生物質循環流化床快速熱解技術和設備，產生的生物油和炭可以作為商業產品出售，而不凝性氣體則為循環氣體燃燒使用，整個過程無廢棄物產生，從而達到100％的原料利用率。1996年，魯奇公司在德國柏林Rudersdorf公司建設了當時世界上最大規模（100MWh）的循環流化床氣化反應器，以煤、城市垃圾、廢橡膠和城市污泥為原料，每小時產出煤料氣50000m3，供水泥窯使用，每天可生產水泥5000t。瑞典通過將樹枝、樹葉、森林廢棄物、樹皮和泥炭等碎片切碎，在大型流化床鍋爐中燃燒利用，雖然生物質的含水量高達50％～60％，鍋爐的熱效率仍可達80％，除了供電以外還作為區域性供熱使用。
我國的生物質氣化技術應用研究起始于上世紀80年代初，絕大部分是關于固定床氣化爐的研究，90年代初才開展生物質流態化氣化的研究中國科學院廣州能源研究所于1990年成功開發了第一臺循環流化床氣化爐，并應用于木材加工廠處理細小木屑及砂光粉塵。中國科學技術大學生物質潔凈能源實驗室成功研制出具有自主知識產權的“雙循環流化床生物質氣化裝置”，采用兩級爐內循環結構的流化床氣化反應器，提高了生物質氣化過程中的碳轉化率、氣化強度和床層穩定性。中國林業科學研究院開發了適用松散型生物質物料的熱解氣化錐形流化床氣化爐，被廣泛應用到木材剩余物的燃燒、氣化或裂解，并研究開發以木屑、稻殼、稻草和麥草為原料的錐型流化床氣化系統，氣化熱效率達70％以上，供給鄉鎮居民使用的集中供氣系統。山東大學開發的下吸式固定床連續生物質氣化反應爐，燃氣生產連續性強，焦油裂解效率高，適于規?；a應用，已成功應用于發電與集中供氣工程。
3我國產業發展所遇到的挑戰
我國生物質氣化發電技術已研究多年，技術也趨于成熟，但至今在總體供電總量中所占比例很小，主要是因為該技術的產業化轉化還存在以下方面的挑戰。
?。?）技術挑戰。目前還存在需要解決的技術難題，主要有高溫超高壓鍋爐、汽機和發電機的整體國產化、原料預處理成本高、氣化爐結構優化設計及系統耦合、氣化氣中的焦油裂解與凈化技術和固體炭副產品的高值化利用技術以及各技術環節的系統集成。
（2）原料供應的挑戰。生物質原料受季節性、天氣等因素的影響，容易造成原料供應不足，以至造成設備利用率少，發電量低，運行維護成本高等問題。
?。?）產業發展模式的挑戰。我國生物質發電產業已經初具規模，但產業鏈還需要進一步完善，如人才支撐不夠、配套的機械制造行業還未形成、成熟的產品市場和生物質發電行業的相關標準及規范尚未建立等。
?。?）行業規范和政府管理的挑戰。目前生物質發電產業的技術工藝標準、設備生產標準尚未建立，產業技術及裝備水平參差不齊。另外，政府對可再生能源發電有一定的政策支持，但這些扶持政策還不夠細化、明確，地方政府和管理部門操作起來有很大困難，導致產業市場缺乏監督與引導，相關法律制度也不完善。
4產業發展建議
如何引導生物質發電產業的健康、快速發展是廣大科研人員、投資者和國家最為關心的事情。通過調研國內知名企業和分析國內市場，筆者認為目前生物質發電產業發展應該遵循以下幾個方面。
?。?）在技術創新方面，開發具有自主知識產權的集成技術，形成從能源作物的培養與種植、生物質高效發電及生物質電廠灰的綜合利用技術循環經濟路線，發展綠色循環經濟產業鏈：
（2）在融資方面，采用多種融資手段募集巨額資金來進行生物質電廠建設：
?。?）在管理方面，把各電廠從工程項目建設、原料收購、運輸及預處理、設備運行維護、上網發電等全過程實行標準化管理，統一調配資源，以保證電廠高效、低成本運行：
（4）在燃料收購方面，建立大客戶收購、燃料村級網絡收購、臨時季節收購等多種原料收購模式，保障原料充足、高質量的供給，為電廠穩定高效運行奠定基礎。 |
