国外生物质发电现状及前景

20世纪发生了两次石油危机,沉重打击了西方国家经济的同时,也大大促进了全球范围内可再生能源的发展。从20世纪70年代开始,尤其是近年来,可再生能源就被视为常规化石燃料的一种替代能源；近年来,发展可再生能源更是被世界各国和地区作为其能源发展战略的重要组成部分。美国的加利福尼亚州计划到2017年时其20%的电力来自可再生能源。德国计划到2020年时,国内20%的电力来自可再生能源,到2050年时,整个能源的50%来自于可再生能源。基于生物质能源技术的战略地位,进入21世纪以来,世界各国尤其是欧盟、英国、美国、丹麦、澳大利亚等国家都重新修订了能源政策,确立了以“新世纪、新能源、新政策”为主题的能源发展战略。特别是欧盟国家,已经把可再生能源技术置于整个能源战略中最突出的地位。欧盟提出的新目标是：到2020年,风力发电达到150GW,其中海上风力发电达到50GW；风力发电装机容量占整个欧盟发电装机容量的15%以上；计划到2050年,可再生能源技术提供的能源要在整个能源战略中占据50%的比例。美国提出了提高绿色电力的计划,主要是风力发电、生物质能源发电等。

尽管世界各国在发展生物质能源技术方面的目的和路线有所差异,但是大幅度提高可再生能源在能源供应中的战略地位则是共同的趋势。

生物质能作为清洁的可再生能源,它的开发和利用已成为全世界的共识。为促进生物质能的研究和开发,欧美许多国家不仅立法保护,而且给予适当的财政支持。目前,在奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家,生物质能在总能源消耗中所占的比例迅速增加。其中,芬兰是欧盟国家利用生物质发电最成功的国家之一。

在奥地利,建立燃烧木材剩余物的区域供电站的计划得到了成功推行。生物质能在总能耗中的比例大大增加,并在20世纪末增加到了25%。到目前为止,奥地利已拥有装机容量为1～2MW的区域供热站80～90座,年供应能力10MJ。

瑞典正在实行利用生物质进行热电联产的计划,使生物质能在转换为高品位电能的同时满足供热的需求,以大大提高其转换效率。早在1991年,生物质在瑞典地区供热和热电联产消耗的燃料所占的比例就达到了26%。

美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位,早在1992年,利用生物质发电的电站就有1000个,发电装机容量达650万kW,年发电42亿kW·h,消耗生物质燃料4500万t。

德国实行了一个名为“劳艾克”的示范性工程,就是用农场和工厂所产生的废料来发电,为1000户居民提供电力。像“劳艾克”这样遍布德国的生物能工程项目是政府增大新能源发电的基本单位,还有风能和太阳能。劳艾克生物能工厂位于德国西部省份北莱茵-威斯特伐里亚,这里新能源发电所占比例已经达到6%。劳艾克每年使用的废料为1.2万t,一半为猪粪和牛粪,另一半为剩饭、剩菜及其他可降解的废弃生物质。德国农业部部长估计,如果全国2亿多t废料和其他可用废弃物全部用于生产生物质能,其中的一半用于生产能源或者发电,德国170万个家庭可用其供热,400万个家庭的全部电力需求可由它来满足。

丹麦的能源需求一直依赖进口,但其通过大力推广节能措施,积极开发清洁可再生能源,靠新兴替代能源成为了石油出口国。秸秆发电遍及丹麦各个城市和地区,以秸秆发电为主的可再生资源占全国能源消费量的24%以上。丹麦的农作物主要有大麦、小麦、燕麦和黑麦,秸秆在过去除小部分还田或做饲料外,大部分在田野直接焚烧了。这不仅污染了环境、影响了交通,最主要的是造成了生物能源的严重浪费。20世纪70年代,石油危机爆发,而石油是丹麦的唯一能源,为应对危机,丹麦推行了多样化政策,积极开发生物质能和风能、太阳能等可再生能源。丹麦BWE公司率先研发秸秆直接燃烧发电技术,并于1988年建成了第一座秸秆直接燃烧发电厂。2006年,丹麦已建立了130家秸秆发电厂,还有一部分烧木屑或垃圾的发电厂也能兼烧秸秆。秸秆发电技术现已走向世界,被联合国列为重点推广项目。

目前,发达国家大型生物质发电系统主要采用IGCC(联合循环发电)技术,但该系统造价高。例如,意大利12MW的生物质IGCC示范项目的发电效率约为31.7%,但建设成本高达每千瓦25000美元,发电成本达每千瓦时1.2美元。关于其他技术的研究,如比利时和奥地利的生物质气化与外燃式燃气轮机发电技术、美国的史特林循环发电技术等,可在提高发电效率的前提下降低生产成本。

1.直接燃烧发电

欧洲等国的生物质直接燃烧发电技术较成熟,生物质废弃物发电利用率高,如丹麦研发的秸秆燃烧发电技术的广泛应用就说明了直接燃烧发电在生物质发电技术中的重要性。

丹麦南部的洛兰岛马里博秸秆发电厂,采用的是BWE公司的技术设计和锅炉设备,装机容量1.2万kW,总投资2.3亿丹麦克朗(1丹麦克朗=1.085元人民币),电厂实行热电联供,年发电5000万kW·h,每小时消耗7.5t秸秆,可满足马里博和萨克斯克宾两个镇5万人口的热电供应。全厂共只有10名职工,电厂自动化程度很高,可以做到无人值守。

电厂运行的流程大概如下：成捆的秸秆由载重汽车运进电厂的第一个车间,即原料库,然后由吊装机整齐地堆放在库中；传送带将库里成捆的秸秆连续地送往紧邻的封闭型切割装置,将秸秆切割成一段段不规则的短秆；短秆被源源不断地送进锅炉燃烧,产生540℃的高压蒸汽,推动汽轮机发电,向专门的管道供热；连接锅炉的空气预热器与电厂烟囱的是一条长长的管道,里面装有一个较大的漏斗状滤器,专门回收炉灰,作为肥料提供给农民。炉灰是很好的钾肥,农民每卖1t秸秆不仅能得到400元,还能免费得到电厂返还的40kg炉灰。整个秸秆资源得到了循环利用,几乎没有产生资源浪费和污染排放。

丹麦首都哥本哈根南郊海滨还有一座多燃烧方式发电厂,其装机容量为85万kW,所谓多燃烧方式是指可在同一炉体内燃烧煤、油、天然气和秸秆、木屑压缩颗粒等燃料。

丹麦的秸秆燃烧发电技术在世界上处于领先水平,被联合国列为重点推广项目。瑞典、芬兰、西班牙等多个欧洲国家由BWE公司提供技术设备建成了秸秆发电厂,全世界最大的生物质能发电厂位于英国坎贝斯,其装机容量为3.8万kW,总投资约5亿元人民币。(www.xing528.com)

2.垃圾燃烧发电

20世纪70年代以来,垃圾焚烧技术在发达国家得到了迅速发展,目前以欧美、日本等发达国家最具代表性。最先利用城市生活垃圾发电的是德国和美国。焚烧炉型主要有机械炉排炉、流化床炉、回转窑炉、模组式炉等,其中机械炉排焚烧炉是目前大型生活垃圾焚烧炉的主流设备；而流化床焚烧炉具有较好的潜在应用特性。美国垃圾焚烧发电约占总垃圾处理量的40%,已建立了几百座垃圾电站,底特律市更是拥有日处理垃圾4000t的垃圾发电厂。日本城市垃圾焚烧发电技术发展得更快,垃圾焚烧处理的比例在20世纪90年代中期就达到了75%,欧洲许多国家的焚烧比例也都接近或超过填埋比例。

发达国家已研究开发的垃圾气化技术包括固定床式、旋转窑式和流化床炉式气化。固定床式技术在美国有一些应用,如水平固定式气化炉,它的炉体有一次燃烧和二次燃烧两个燃烧室,分段供气燃烧,余热回收利用蒸汽或热水；另一种是垂直固定式气化炉,其主要应用于处理高密度垃圾衍生燃料(RDF)或较均匀的垃圾。在瑞士有一种由热选(thermo select)公司开发的热选式气化技术,其将垃圾压缩至方形,然后放置于热分解罐内加热气化,再注入氧气并利用助燃将熔融温度提高至1700℃,热解气在后续设备中被洗涤后进行气体回收或气体发电。针对此技术,意大利已建造了试验工厂。德国PKA(热解动力设备德语缩写)公司开发的PKA气化技术是利用旋转窑将垃圾气化,热解气体经洗涤净化后,直接用于发电。该技术还被日本东芝公司引进,用于开拓日本市场。

3.混合燃烧

生物质的能量密度低、体积大,运输过程存在二氧化碳的排放现象,不适合中大型生物质发电厂；而分散的小型电厂,投资大、人工成本高、效率低,经济效益差,也不适宜大规模应用。所以将生物质与矿物燃料联合燃烧成了大型燃煤电厂的新理念。这不仅为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会还能降低整体的投资成本,因为许多现存设备不需进行太大的改动。更积极的影响是大型电厂的可调节性大,能适应不同混合燃烧,使混燃装置能适应当地生物质的特点。大多数燃煤电厂燃烧粉煤,生物质要与其混合燃烧必须经过预处理,因为磨煤机不适合粉碎树皮、森林残余物或木块等生物质。生物质与煤炭的混合燃烧技术十分简单,并且可以迅速减少二氧化碳的排放量,因此具有很大的应用空间。该技术已在斯堪的纳维亚半岛和北美地区普遍使用。美国有300多家发电厂采用生物质能与煤炭混燃技术,装机容量达6000MW,还有更多的发电厂将可能采纳这一技术。奥地利最大的电力供应商Verbund(奥地利电力联盟)对生物质能与煤炭混燃的四种方式进行了研究：①生物质在一个独立系统中燃烧,产生的热用于现有电厂的锅炉；②生物质在组装于燃煤锅炉炉膛中的炉排上燃烧；③用专用粉碎机粉碎生物质,在燃煤锅炉中与粉煤一起燃烧；④生物质在气化炉中气化,燃气作为锅炉燃料。

研究结果表明,第二种和第四种具有较强的实用性。

但混合燃烧存在以下问题：

(1)由于生物质含水量高,产生的烟气体积较大,而现有锅炉一般为特定燃料而设计,产生的烟气量相对稳定,所以当烟气超过一定限度时,热交换器就很难适应,这就要求混合燃烧中生物质的份额不宜太多。

(2)生物质燃料的不稳定性使锅炉的稳定燃烧复杂化。

(3)生物质灰的熔点低,容易产生结渣问题。

(4)如果使用含氯生物质,如秸秆、稻草等,当热交换器表面温度超过400℃时,会产生高温腐蚀。

(5)生物质燃烧生成的碱会使燃煤电厂中脱硝催化剂失活。

在传统火电厂中进行混合燃烧,遵从生物质发电的工艺路线,既不需要气体净化设备,也不需要小型发电系统,可从大型传统电厂中直接获利。