(5.7)-生物质发电生活中的新能源

2/4/20241生物质能源发电技术2/4/20242参考书目《可再生能源发电技术》程明等编著，机械工业出版社；《可再生能源发电技术与应用瓶颈》，王子琦等主编，中国水利水电出版社；《可再生能源发电》，孙冠群等编著，机械工业出版社；《生物质能及其发电技术》，中国电力科学研究院生物质能研究室编，中国电力出版社2/4/2024331.生物质的燃烧发电技术2.生物质的气化发电技术3.生物质的生物转化发电技术生物质能发电基本形式2/4/202444生物质能具有以下特点：

a.生物质利用过程中具有二氧化碳零排放特性；由于生物质在生长期需要的CO2相当于它排放的CO2的量，因而生物质能的利用对大气的CO2净排放量近似等于零，可有效降低温室效应；

b.生物质含硫、含氮都较低，灰分含量也较少，燃烧后SOx、NOx和灰尘排放量都较化石燃料小得多，是一种清洁的燃料；

c.生物质资源分布广、产量大、转化方式多种多样；2/4/202455d.生物质单位质量热值较低，而且一般生物质中水分含量大而影响了生物质的燃烧和热解特性；e.生物质的分布比较分散，收集运输和预处理的成本较高；

f.可再生性。生物质通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属于可再生能源，其资源丰富，可保证能源的永续利用。2/4/202466我国发展和利用生物质能源的意义拓宽农业服务领域、增加农民收入缓解我国能源短缺、保证能源安全治理有机废弃物污染、保护生态环境广泛应用生物技术、发展基因工程2/4/202477由于电能具有清洁、易传输、易使用等优良特性，只要提供电能，几乎所有的设备都可以满足各自的需要。因而生物质能除了直接转化成热能供消费外，最终消费形式还是以转化成电能为主。生物质能的发电主要有沼气发电、垃圾焚烧发电以及生物质燃料发电等形式。2/4/202488生物质发电技术示意图2/4/2024991.生物质的燃烧发电技术燃烧：燃料中的可燃成分与氧发生激烈的氧化反应，在反应过程中释放出大量热量，并使燃烧产物的温度升高。生物质燃烧过程的四个阶段：预热和干燥阶段挥发分析出及木炭形成阶段挥发分燃烧阶段固定碳燃烧阶段2/4/20241010生物质燃烧技术：主要分为层燃、悬浮燃烧和流化床等三种形式。层燃过程

层燃过程：炉排和灰渣层预热冷空气，在氧化层预热的空气与炽热的木炭相遇发生剧烈的氧化反应，大量消耗氧气并生成二氧化碳和一氧化碳，在氧化层末端气体的温度将达到最高；在还原层，气流中二氧化碳与碳起还原反应，即CO2+C→2CO，温度越高，速度越快；生物质投入炉中形成的新燃料层被加热干燥、干馏，将水汽、挥发分等带离燃料层进入炉膛空间，挥发分及一氧化碳着火燃烧，形成木炭。 形式：固定炉排、滚动炉排、振动炉排、往复推动炉排等。2/4/20241111生物质直燃发电

生物质直接燃烧发电技术类似于传统的燃煤技术，现在已经基本达到成熟阶段。在发达国家，目前生物质燃烧发电方式占可再生能源（不含水电）发电量的70%左右。自2004年以来，秸秆发电技术开始在我国推广和普及，目前，在我国江苏、山东、河北等地建有多个生物质秸秆发电厂。2/4/20241212生物质与煤混燃发电

受燃料的来源、运输和储存等问题限制，纯生物质燃烧发电技术基本用于小型生物质发电厂，生物质与煤混合燃烧发电则充分利用了现有技术和设备，在现阶段是一种低成本、低风险可再生能源利用方式，可用于大型生物质发电厂。2/4/202413

生物质混燃发电方式的比较发电方式直接混燃间接混燃技术特点生物质与煤直接混合后在锅炉中燃烧生物质气化后与煤在锅炉中一起燃烧主要优点技术简单、使用方便；不改造设备情况下投资最省通用性较好、对原燃煤系统影响很小；经济效益明显主要缺点生物质处理要求较严、对原系统有些影响增加气化设备、管理较复杂。有一定的金属腐蚀问题应用条件木材类原料、特种锅炉要求处理大量生物质的发电系统2/4/20241414目前我国对垃圾处理的主要手段：填埋和焚烧填埋是大量消纳城市生活垃圾的有效方法，所谓直接填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。焚烧法是将垃圾置于高温炉中，使其中可燃成分充分氧化的一种方法，产生的热量用于发电和供暖。随着中国“十一五”规划对发展新能源，提倡环保型循环经济的进一步重视，国家对垃圾发电产业的政策扶持会继续加强。2/4/20241515城市废弃物焚烧发电利用焚烧炉对城市废弃物中可燃物质进行焚烧处理，通过高温焚烧后消除城市废弃物中大量的有害物质，达到无害化、减量化的目的，同时利用回收到的热能进行供热、供电，达到资源化利用。随着中国城市建设的发展和社会进步，城市废弃物的构成已发生了质的变化，有机物含量开始高于无机物含量。废弃物组成正由多灰、多水、低热值向较少灰、较高热值的方向发展，给中国城市废弃物的焚烧处理奠定了基础。焚烧处理是目前国际使用较为普遍的城市废弃物处理方法之一。2/4/20241616垃圾焚烧发电的效益（1）资源化

垃圾焚烧后热量用于发电，做到废物综合利用。据有关统计资料称，截至2005年，我国城市垃圾清运量已达1×1013t/a，若按平均低位热值2900kJ/kg，相当于1.4×107t标煤。如其中有1/4用于焚烧发电，年发电量可达60亿度，相当于安装了1200MW火电机组的发电量。2/4/20241717（2）无害化 垃圾焚烧发电可实现垃圾无害化，因为垃圾在高温(1000℃左右)下焚烧，可进行无菌和分解有害物质，且尾气经净化处理达标后排放，较彻底地无害化。（3）减量化 垃圾焚烧后的残渣，只有原来容积的10%～30％，从而延长了填埋场的使用寿命，缓解了土地资源的紧张状态。因此，兴建垃圾电厂十分有利于城市的环境保护，尤其是对土地资源和水资源的保护，实现可持续发展。18生物质燃烧的污染排放与控制生物质燃烧主要污染物及其对环境的影响污染物来源对大气、环境和人类健康的影响烟尘未完全燃烧的炭颗粒、飞灰及盐分等影响人类呼吸系统，致癌CO2燃烧的主要产物温室效应（生物质生长期要吸收CO2，对环境的影响可抵消）CO未完全燃烧的产物通过O2形成非直接的温室效应NOx（NO、NO2）一般为生物质含有的N；另外，一定条件下可由空气中的N形成温室效应，酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统SOx（SO2、SO3）生物质中含有的S酸雨，破坏植被，形成烟雾，腐蚀材料；影响人类呼吸系统HCl生物质中含有Cl酸雨，破坏植被，腐蚀材料；影响人类呼吸系统重金属生物质中含有的重金属在食物链中积累，有毒素，致癌2/4/202419生物质燃烧发电工程瓶颈技术问题发电设备问题生物质燃烧发电燃料问题建设和运营陈本2/4/202420技术问题生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高。生物质发热量低，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难。由于生物质挥发成分含量高，燃料着火温度较低，一般在250-350℃温度下挥发成分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃烧的化学不完全燃烧损失。挥发成分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。2/4/202421此外，生物质密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，因而悬浮燃烧的比例较大；生物质燃料含有较高的碱金属，燃烧过程中容易析出与燃料中的非金属元素反应生成低熔点的共晶化合物，造成锅炉结渣等。这些特性决定了其燃烧方式及锅炉型式的不同特点。由于每种技术都有各自的特点，所以在选择技术路线时，必须充分考虑项目所在地的实际情况，采用最适合的技术。2/4/202422发电设备问题锅炉效率低丹麦进口的高温高压水冷振动炉排锅炉，其秸秆单耗可控制在1200g/（kW.h）以下，有的甚至可低于10001200g/（kW.h），我国的一般在1600-2000g/（kW.h），甚至超过2000g/（kW.h）。设备稳定性差一般需要经历2-3年的不稳定运行期，甚至更长，最长连续生产时间仅为3个月左右，最短还不到1个月。2/4/202423生物质燃烧发电燃料问题燃料成本的高低将直接影响生物质电厂的经济效益。据专家调查和测算，收集秸秆在15km半径范围内，其运输成本增加很少；半径15km可以提供的秸秆为10km的一倍以上。可在此范围内有选择性地收购，以有效防范秸秆收购价格被恶意抬升的风险。2/4/202424建设和运营成本生物质燃烧发电厂的建设投资成本高，单位投资成本一般为8000-10000元/kw左右，相当于火电厂的2倍。燃烧成本高达0.40-0.60元/（kw.h），加上财务成本、设备折旧等费用，即使售电价0.75元/（kw.h），仍难以盈利。2/4/202425252.生物质的气化发电技术

生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气或者富氧、纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化时产生的生物质燃气，主要有效成份为CO、H2和CH4等。2/4/20242626生物质气化工艺

根据所处气体的环境，生物质气化可分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化和热解气化名称气化剂评价空气气化空气最简单、最经济，燃气中含大量氮气（50～55％），燃气热值较低富氧气化氧气生成与城市煤气相当的中热值燃气。需制氧设备，电耗和成本增加水蒸气气化水蒸气生成中热值燃气，燃气H2含量高。需蒸汽发生器和过热设备，系统独立性差热解气化无又称干馏气化，产生固定炭、焦油和可燃气，中热值燃气2/4/20242727生物质气化发电技术按燃气发电方式可分为内燃机发电系统、燃气轮机发电系统及燃气－蒸汽联合循环发电系统。生物质气化发电1-煤气发生炉；2-煤气冷却过滤装置；3-煤气发动机；4-发电机；5-配电盘；6-离心过滤器；7-灰粉收集器；8-底座；9-燃料输送带；10-生物质燃料2/4/20242828城市固体废弃物气化熔融技术垃圾焚烧对大气环境造成二次污染。新一代的废物处理技术——城市固体废弃物气化熔融技术是结合生物质热解气化技术和高温熔融技术，提出并发展起来的，发展潜力巨大。目前该技术应用主要集中在西欧、美国、日本等发达国家和地区。气化熔融技术是先将废弃物送入气化炉，在400～700℃的还原性气氛下废弃物中的有机物迅速热解或者气化，产生可燃气体，大部分金属在还原性气氛中不会被氧化，可以随底渣排出，经过磁选或重力分离后可进一步回收利用。分选后的底渣中含二恶英和重金属都很少，可以直接填埋。气化炉中生成的可燃气体进入燃烧熔融炉，在较低的过量空气系数下完全燃烧，使含碳灰渣在1350～1400℃条件下熔融，成为玻璃态物质，二恶英完全分解、重金属被固化到熔渣中，高温烟气经过余热锅炉和烟气净化处理系统后排出。2/4/202429生物质气化发电工程瓶颈生物质收集和预处理二次污染装备技术水平限制2/4/202430生物质收集和预处理因为生物质能量密度低和分散，其收集和运输费用是生物质价格的主要部分。另外，生物质预处理叶需要设备投资。这两部分增加了生物质气化发电的运行费用。当生物质价格高于200元/t，产电价格将达到0.5元/（kw.h），生物质气化发电将失掉竞争力。当前情况下，如果生物质收集范围大于50km，气化发电价格就会大于电网价格（0.55）元/（kw.h），而失掉经济型方面的优势。2/4/202431二次污染气化过程中的气体净化、除焦等环节产生二次污染问题-----废水废水处理-----成本较高，生物质气化发电厂越小，废水处理成本越高。2/4/202432装备技术水平限制在气化侧：我国尚未建立气化系统质量标准及施工规范，燃气净化及焦油的处理技术落后，整套装置的可靠性差、使用寿命短。在发电侧：燃气轮机对燃气质量要求高，未实现国产化，系统造价高；内燃机发电系统较简单，但是燃烧效率较低，造成整体气化发电效率不高。2/4/202433333.生物质生物转化发电技术沼气发电

沼气是一种微生物在厌氧条件下分解有机物产生的可燃性气体，它的主要成分是甲烷、二氧化碳和少量的硫化氢、氨、氢、一氧化碳、氮、氧等气体。其中甲烷约占50～70％，二氧化碳约占30～40％，其他成分含量极少，约占总体积的5％。

沼气利用是一种生物质获取清洁能源的有效途径。沼气可用作燃料及化工原料，沼气装置排出的料液和沉渣，可用作肥料和饲料。2/4/20243434沼气发酵原理 发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。根据三阶段理论，沼气发酵可以分为如下三个阶段：液化阶段——发酵性细菌分泌胞外酶，水解复杂有机物；发酵性细菌通过发酵作用获得有机酸和醇类物质产酸阶段——产氢产乙酸菌将有机酸和醇类分解转化为乙酸、H2和CO2，耗氢产乙酸菌利用H2＋CO2或者代谢方式产生乙酸产甲烷阶段——产甲烷菌在厌氧条件下将前3群细菌代谢终产物转化为CH4和CO2要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。2/4/202435沼气发电工程瓶颈资源条件技术产业化条件现有机制条件2/4/202436资源条件饲养量小饲养场规模小2/4/202437技术产业化条件大中型沼气工程的设计及施工没有统一的标准；自动化程度仍待提高；一些关键技术设备还未达到工业化和商业化的要求；菌种的生产与供应还未达到产业化程度。2/4/20243838

现有机制的制约首先，我国尚未建立严格的环境污染处罚体系，禽畜粪便和工业有机废水超标排放的企业不需要为自身造成的环境污染等支付相应的成本，致使企业缺乏投资沼气工程治理污染的积极性；其次，目前沼气发电工程建设规模一般较小，属于典型的分布式发电。中国目前尚缺乏大规模分布式电站运行管理的经验，致使沼气发电的并网和售电遇到许多困难。中国生物质发电技术的基本要求要求发电技术对生物质种类的适应性较强；生物质发电规模上要有灵活性；生物质发电项目必须能适应不同的资金条件。2/4/202439生物质发电技术的特点比较直燃发电技术在大规模下效率较高，但要求生物质集中，数量巨大，考虑大规模收集或运输，成本较高；而小规模直燃发电技术效率较低。生物质和煤混合燃烧发电技术，规模灵活，经济性较好。美国和欧盟已建设了许多混合燃烧示范工程，中国尚处技术研究阶段。其缺点是燃煤锅炉的燃烧温度高于生物质的灰熔点，容易引起洁渣等。生物质气化发电技术具有投资少，发电成本较低，灵活性好的特点，是同类技术中最具有竞争力的技术之一，比较符合发展中国家的情况。但其配套设备和系统优化集成方面仍然存在不足，电厂的自动化控制程度仍较低，生物质企划发