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黃劍光
(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱150046)
摘要：隨著經濟的發展，世界各國電力需求猛增，電力供應日益緊張，在這種環境下，通過氣化發電技術，把生物質能轉化為電能，既能大規模處理生物質廢料，又能提供電力，具有明顯的社會和經濟效益。介紹了生物質氣化發電技術的國內外發展現狀，著重講述了生物質氣化發電技術的原理、特點和分類，以及各類生物質氣化發電技術的特點，分析了生物質氣化發電技術的社會效益及應用前景。指出在我國這樣一個農業大國應該大力發展生物質氣化發電技術。
1前言
生物質發電技術在發達國家已受到廣泛重視。奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家的生物質能在總能源消耗中所占的比例增加相當迅速。例如：奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區域供電站計劃，生物質能在總能耗中的比例由原來大約2%~3%激增到1999年的10%，到20世紀末已增加到20%以上。到目前為止，該國已擁有裝機容量為1MW~2MW的區域供熱站及供電站80~90座。瑞典和丹麥正在實施利用生物質進行熱電聯產的計劃，使生物質能在轉換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，以大大提高其轉換效率。
1991年，瑞典地區供熱和熱電聯產所消耗的燃料26%是生物質。美國在利用生物質能發電方面處于世界領先地位，1992年，利用生物質發電的電站已有1000家，發電裝機容量為650萬kW，年發電42億度。目前，國際上有很多先進國家開展提高生物質氣化發電效率這方面研究，如美國Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)項目，歐洲英國(8MW)和芬蘭(6MW)的示范工程等。但由于焦油處理技術與燃氣輪機改造技術難度很高，仍存在很多問題，系統尚未成熟，造價也很高，限制了其應用推廣。以意大利12MW的BPIGCC示范項目為例，發電效率約為31.7%，但建設成本高達2.5萬元PkW，發電成本約1.2元PkW/h，實用性能很差。
中國有著良好的生物質氣化發電基礎，在20世紀60年代就開發了60kW的谷殼氣化發電系統，目前160kW和200kW的生物質氣化發電設備在我國已得到小規模應用，顯示出一定的經濟效益。“九五”期間進行了“1MW生物質氣化發電系統”的研究，旨在開發適合中國國情的中型生物質氣化發電技術。1MW的生物質氣化發電系統已于1998年10月建成，2000年7月通過科學院鑒定后投入小批量使用。該系統在很多方面比200kW氣化發電有了改善，但由于受氣化效率與氣輪機效率的限制，簡單的氣化-氣輪機發電循環系統效率很難高于18%，所以單位電量的生物質消耗量一般大于1.3千克(干)P度。
“十五”期間，國家863計劃在1MW的生物質氣化發電系統的基礎上，研制開發出4~6MW的生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電系統，建成了相應的示范工程，燃氣發電機組單機功率達500kW，系統效率也提高到28%，為生物質氣化發電技術的產業化奠定了很好的基礎。
2生物質氣化發電原理及發電過程
生物質氣化發電技術的基本原理，是把生物質轉化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發電設備進行發電。它既能解決生物質難于燃用而且分布分散的缺點，又可以充分發揮燃氣發電技術設備緊湊而且污染少的優點，所以，氣化發電是生物質能最有效、最潔凈的利用方法之一。
氣化發電過程主要包括三個方面：一是生物質氣化，在氣化爐中把固體生物質轉化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都含有一定的雜質，包括灰分、焦炭和焦油等，需經過凈化系統把雜質除去，以保證燃氣發電設備的正常運行；三是燃氣發電，利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發電，有的工藝為了提高發電效率，發電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機。
以江蘇省興化市4MW生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電示范工程為例，該聯合循環發電裝置主要由進料機構、燃氣發生裝置、余熱鍋爐(蒸汽發生裝置)、焦油裂解裝置、燃氣凈化裝置、空氣預熱裝置、燃氣發電機組、蒸汽輪機發電機組、循環冷卻水裝置、水處理裝置、電氣控制裝置及廢水、廢渣處理裝置等幾部分組成。
3生物質氣化發電技術特征
生物質氣化發電技術是生物質能利用中有別于其他利用技術的一種獨特方式，具有三個特點：(1)技術有充分的靈活性：生物質氣化發電可用內燃機，也可用燃氣輪機，甚至結合余熱鍋爐和蒸汽發電系統，所以生物質氣化發電可以根據規模的大小選用合適的發電設備，保證在任何規模下都有合理的發電效率。這一技術的靈活性能很好地滿足生物質分散利用的特點。(2)具有較好的潔凈性：生物質本身屬可再生能源，可以有效地減少CO2、SO2等有害氣體的排放。而氣化過程一般溫度較低(約在700~900e)，NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放。(3)經濟性：生物質氣化發電的靈活性，可以保證在小規模下有較好的經濟性，同時，燃氣發電過程簡單，設備緊湊，也使生物質氣化發電技術，比其他可再生能源發電技術投資更小。綜上所述，生物質氣化發電技術是所有可再生能源技術中最經濟的發電技術。
4生物質氣化發電技術主要類別
從氣化形式上看，生物質氣化過程可以分為固定床氣化和流化床氣化兩大類。固定床氣化包括上吸式氣化、下吸式氣化和開心式氣化三種，現在這三種形式的氣化發電系統都有代表性的產品。流化床氣化包括鼓泡床氣化、循環流化床氣化及雙流化床氣化三種。這三種氣化發電工藝目前都有研究，其中研究和應用最多的是循環流化床氣化發電系統。
從燃氣發電過程上分，氣化發電可分為內燃機發電系統、燃氣輪機發電系統及燃氣-蒸汽聯合循環發電系統，見圖1。
從發電規模上分，生物質氣化發電系統可分為小型、中型、大型，如表1所示。
4.1低熱值燃氣內燃機發電技術
以簡單的燃氣內燃機組為主，可單獨燃用低熱值燃氣，也可以燃氣、油兩用。其特點是：設備緊湊，系統簡單、對燃氣質量要求低。
生物質燃氣的特點是熱值低(4~6MJPnm3)、雜質含量高，所以生物質燃氣發電技術雖然與天然氣發電技術、煤氣發電技術的原理一樣，但它有更多的獨特性，對發電設備的要求也與其他燃氣發電設備有較大的差別。生物質燃氣內燃機必須解決以下問題：
(1)生物質燃氣熱值低，內燃機出力大大降低，為了保證相同的出力，內燃機的進料系統和燃燒系統、壓縮比等必須做較大改動。一般生物質燃氣熱值只是天燃氣的1P5~1P6，相同規格的燃氣機在燃用生物質燃氣時出力將降低1P3左右(相對于柴油將降低50%左右)，如果是增壓的燃氣內燃機，出力降低將更大，各系統的改動將更加復雜。
(2)合H2量高可能引起的爆燃問題：由于H2的著火速度比其他燃氣快，在H2含量太高時，燃氣內燃機容易引起點火時間不規則，從而引***燃。生物質燃氣的氫氣含量差別很大，流化床一般在10%左右，而固定床有時將高于15%。通過大量的試驗表明，當生物質燃氣中H2含量高于18%時，爆燃的問題將較嚴重，所以為安全起見一般生物質燃氣內燃機要求燃氣中H2含量<15%。
(3)焦油及含灰量的影響：雖然生物質燃氣經過了嚴格的凈化，但仍有一定的焦油和灰(一般為幾十ppm)。焦油會引起點火系統失靈，燃燒后積炭會增加磨損，而含灰量太高也會增加設備磨損，嚴重時會引起拉缸。所以一般生物質燃氣內燃機機組的配件損耗和潤滑油消耗比其他燃氣內燃機都會成倍增加。
(4)排煙溫度過高及效率過低問題：由于低熱值燃氣燃燒速度比其他燃料慢，低熱值燃氣內燃機的排煙溫度比其他內燃機明顯偏高。這就使設備材料容易老化而系統效率有明顯降低。
由于上述難題，我國生物質燃氣發電機組的產品開發很少，我國目前只有200kW的機組，更大的機組還沒有定型產品，只正在開發之中。國外這方面的產品也很少，只有低熱值與油共燒的雙燃料機組，大型的機組和單燃料生物質燃氣機都是從天然氣機組改裝而來，所以產品價格很高，是一般國外柴油機組價格的1~2倍，更是國內同類生物質燃氣發電機組的幾倍。所以經濟可靠的單燃料生物質燃氣內燃機組的開發研究是發展中小型生物質氣化發電系統的主要內容之一。
4.2燃氣輪機發電技術
燃氣輪機是最常見的發電設備之一。國內外的燃氣輪機技術已發展非常成熟，目前應用最多的是作為航空動力裝置。作為發電用途的燃氣技術，一般規模在幾MW以上，小于3MW的燃氣發電設備應用較少，而最大的已達幾百MW。燃氣輪機最常見的燃料是石油或天燃氣，其他燃料的氣輪機很少見。我國的燃氣輪機發電技術與國內外差別較大，特別是在設備的規模和效率上與國外產品有明顯的差距。
生物質氣化發電所需要的燃氣輪機很獨特。首先生物質燃氣是低熱值燃氣，它的燃燒溫度與發電效率與天燃氣等相比明顯偏低，而且由于燃氣體積較大，壓縮困難，從而進一步降低了系統發電效率；其次，生物質燃氣雜質偏高，特別是有堿金屬等腐蝕成份，對燃氣輪機的轉速和材料都有更嚴格的要求。最后，因為生物質較分散，生物質氣化發電規模不可能很大，所以所需的燃氣輪機也較小，一般幾MW左右，小型燃氣輪機設備的效率較低，而單位造價較高，這幾方面使燃氣輪機應用于生物質氣化電系統更為困難。表2表示了典型燃氣內燃機對燃料的要求，實際上有的要求將比表中的指標嚴格得多，有的雜質在長期運行中要求比表中指標低10倍以上。
在國內外的研究中，影響最大的雜質主要是堿金屬和硫化物，在生物質中硫的含量很少，但即使很少量的硫，例如含硫量約0.1%時，燃氣中的硫化物也可能高達100ppm，這對燃氣輪機設備的影響是明顯的，但生物質的過程與生物質中堿金屬的析出和硫化物等雜質的排放之間的關系，直到現在仍不是很清楚，也是目前生物質研究的主要內容之一。
從表2可以看出，燃氣輪機對大部分雜質的要求極為荷核，但對焦油的要求不嚴，這是因為假設燃氣輪機進口溫度在450~600e，此時焦油大部分以氣態存在，但是，如果考慮到燃氣需降溫后再加壓，此時對焦油的要求也很嚴格，大約在50ppm以下，所以總的來說，一般生物質氣化凈化過程很難滿足燃氣輪機的要求，必須針對具體原料的特性進行專門的設計，而燃氣輪機也必須經過專門的改造，以適應生物質氣化發電系統的特殊要求。目前國內外仍沒有適用于生物質氣化發電系統的通用技術和設備，極少的幾個示范工程都是由專門的研究部門或廠家根據項目的要求進行改造和訂造的，造價非常高，所以燃氣輪機技術是制約生物質氣化發電技術大型化發展的主要因素之一。
4.3燃氣蒸汽循環聯合發電技術
不管是燃氣內燃機，還是燃氣輪機，發電后排放的尾氣溫度都在500~600e之間(如果發電設備帶空氣增氣增壓系統，尾氣溫都一般在450~500e之間)，從能量利用的角度，這部分尾氣仍含有大量可回收的可用能量。所以在燃氣發電設備后增加余熱回收裝置(如余熱鍋爐等)，是大部分燃氣發電系統提高系統效率的有效途徑。在生物質氣化發電系統中，除了發電設備尾氣有大量余熱外，生物質氣化爐出口的燃氣溫度也很高(達700~800e左右)，所以把這部分氣化顯熱和燃氣發電設備的余熱結合起來，利用余熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環進行發電，是大部分大型生物質氣化發電系統采用的氣化發電工藝。由于該工藝與傳統的煤IGCC系統相同，所以一般稱生物質整體氣化聯合循環發電系統(BPIGCC)。
傳統的BPIGCC技術包括生物質氣化、氣體凈化、燃氣輪機發電及蒸汽輪機發電。由于生物質燃氣熱值低(約1200kcalPm3)，氣化爐出口氣體溫度較高(800e以上)，要使BPIGCC具有較高的效率，必須具備兩個條件：一是燃氣進入燃氣輪機之前不能降溫，二是燃氣必須是高壓的。這就要求系統必須采用生物質高壓氣化和燃氣高溫凈化兩種技術才能使BPIGCC的總體效率達到較高水平(40%)。否則，如果采用一般的常壓氣化和燃氣降溫凈化，由于氣化效率和帶壓縮的燃氣輪機效率都較低，氣體發電的整體效率一般都低于35%。
由蒸汽輪機發電的效率在100MW以上才較高，所以小型的蒸汽輪機發電系統的經濟性較差。生物質氣化發電系統由于原料供應問題，發電規模很難高于100MW，目前國際上正在建設的BPIGCC示范項目大部分在10MW左右，所以總的系統效率遠比煤的IGCC系統為低。即使這樣，大部分生物質的BPGICC項目的效率都在35%以上。比一般簡單的生物質氣化)內燃機發電系統高出了近1倍，但也是由于規模的原因，目前國外的BPIGCC系統幾乎全部采用專門改造的燃氣輪機設備。
從理論上講，在中小型氣化發電系統中，只要增加的余熱回收系統投資合理，綜合考慮原料和發電的成本可行，增加蒸汽循環系統仍然是提高系統效率的有效辦法。但由于在發達國家由于生物質氣化發電技術的經濟性較差，目前仍未真正進入市場，所以目前中小型氣化發電系統結合蒸汽循環的方案仍未有實施的先例，有待于今后進一步研究與探索。
總的來說，生物質氣化發電有兩種基本的形式，一是采用內燃機，二是采用燃氣輪機，為了提高系統效率，可以考慮同時采用蒸汽聯合循環發電系統。燃氣內燃機與燃氣輪機的選用與比較，主要是根據氣化發電系統規模來確定的，雖然兩者之間有明顯的界限，但在國際上，傳統觀點認為燃氣內燃機比較合適于5~10Mwe以下的氣化發電系統，燃氣輪機比較合適于10Mwe~20Mwe的常壓氣化發電系統，但超過20Mwe的氣化發電系統除了必須采用燃氣輪機外，還必須采用高壓氣化技術。一般來說采用燃氣輪機的氣化發電系統都帶有蒸汽聯合循環，效率有明顯提高，所以在大規模下燃氣輪機具有更明顯的優勢。在小規模下，由于燃氣內燃機具有體積小、效率高、容易維護的優點，特別是它對燃氣的質量要求技術低，充許雜質的含量較高(焦油可高于30ppm)，所以它的用途更廣泛。
5生物質氣化發電的社會效益
(1)生物質氣化發電技術推廣應用的社會效益是明顯的。首先，從能源利用角度上看，達到了開源節流的目的。它可以充分利用能量品位較低的農業生物質，減少能量品位較高的煤、油等的消耗，從而減少目前“煤荒”、“油荒”帶來的能源資源短缺的壓力。例如：一個1.5MW的生物質氣化發電設備，每年可以減少柴油耗量超過2000t。其次，從電力供應的角度看，可以緩解局部地區日趨緊張的矛盾，對缺少煤炭資源的農村意義更為重大。以南方某個農業縣為例，如果每年糧食產量達35萬t，則農業生產的生物質有40萬t以上，只要1P4的生物質能集中起來發電，即可滿足一個15kW的氣化發電廠使用。最后，從環境角度看，它能有效地減少空氣污染。生物質屬潔凈可再生能源，與煤、油相比，其使用過程對空氣的污染極少，而且由于減少農業生物質在地里焚燒，可以進一步減少CO2等有害氣體的釋放。
(2)利用農業生物質發電具有顯著的間接經濟效益，它能極大地提高農業的產出，增加農民的收入，從而提高農業的經濟效益。以往，農業生物質作為一種生產的副產物，利用價值不大。現在進行氣化發電，具有較高的使用價值，農業的經濟效益自然提高。以水稻為例，假如每畝地(1畝=666.6m2)每年產量為800kg，其稻草、稻殼約為800kg。以往這些生物質價格很低，現收購用于發電，以100元Pt計，則每666.6m2增收0.12元，約相當于原來稻谷收入的15%。也就是說，每單位耕地的產出可以增加約15%，這是相當可觀的數字。另一方面，農民所增加的收入也反映在氣化發電廠的成本核算上，如15MW的生物質氣化發電廠，每年用于收購農業生物質的成本約1000萬元，這些基本為農民所得。總的來說，利用農業生物質進行氣化發電，對農村的建設及農業現代化有著較大的意義。
6生物質氣化發電的應用前景
有專家認為，生物質能源將成為未來持續能源的重要組成部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質能源。目前，世界各國在調整本國能源發展戰略中，已把高效利用生物質能擺在技術開發的一個重要地位，作為能源利用的重要課題。目前歐洲生物質能約占總能源消費量的2%，預計15年后將達到15%。制定的計劃要求到2020年，生物質燃料將代替20%的石化燃料。荷蘭要求到2010年生物質發電量達1.5TW/h，比2000年提高10倍。美國在生物質發電方面發展較快，目前已裝機0.9GW，并以每年7%的速度增加，預計到2010年計劃總裝機容量達到6.1GW，到2020年將達到200TW。同時，其他國家也制定了相應得生物質能開發研究計劃，如日本的新陽光計劃，巴西的乙醇能源計劃等。我國即將出臺5可再生能源開發利用法6，以加快新能源開發領域的步伐，緩解已經出現的能源緊張問題。
7結論
雖然新能源的發展面臨成本、政策立法和公眾意識等多方面的障礙，但在全球變暖、油價上漲等因素的推動下，新能源在替代傳統能源方面有著巨大潛力。隨著技術進步，新能源在未來不長的時間內就可能明顯改變世界能源格局。
我國是一個農業大國，生物質資源非常豐富，大力發展生物質氣化發電技術是解決我國能源短缺的有效辦法，符合我國國情，應該積極倡導。可以預期，未來幾十年內，生物質氣化發電將成為我國發展最快的新型產業之一，具有廣泛的發展前景。
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