生物质发电及气化专题报告

生物质气化及直燃发电专题报告一、全国农林生物质资源储量及分布状况生物质能是通过光合作用将太阳能储存在生物质中的一种能量形式，我国幅员辽阔，是农业大国，有着丰富的生物质能源资源。1、农林生物质资源储量我国农作物播种面积约1.6亿公顷，年产农业生物质约7亿吨，除用作肥料、饲料以及造纸等工业原料外，约有4亿多吨可作为生物质能源的原料。森林资源总储蓄量150亿立方米，采伐剩余物和造材剩余物约占林木生物量的40%,按照国务院批准的“十一五”期间森林采伐限额2.5亿m3/a计算,考虑其它采伐量，每年可产生约1.2亿t的采伐、造材剩余物；加工剩余物按原木的34.4%计算可达0.4亿吨。扣除造纸、人造板使用量，可作为燃料资源的约为0.9亿吨。综上农林生物质可供利用量约为4.9亿吨/a，而且每年以5%的增长率在增长。2、农业生物质能源资源分布我国农作物秸秆主要分布在河南、山东、黑龙江、江苏、吉林、四川、河北等省，单位国土面积秸秆资源量高的省份依次为山东、河南、江苏、安徽、河北、上海、吉林、湖北等省（见图1），秸秆资源总量分布见图2。 图2中国秸秆资源分布3、林业生物质能源资源分布林业生物质主要分布在西藏、四川、云南、黑龙江、内蒙古等省区，分布见图3。 图3中国林木生物质资源分布二、农林生物质气化和直燃发电我国农林生物质资源储量巨大，目前主要的利用方式：林业剩余物用于造纸、生产人造板、加工颗粒燃料、生物质气化、直燃发电，大部分伐区剩余物及抚育伐剩余物散落在林间腐烂。农作物秸秆目前主要处置方式是田间焚烧或粉碎后翻埋于农田，用作饲料、农户取暖和炊用燃料，另有一部分用于生物质制气、生物乙醇、直燃发电等。本文侧重对农林生物质直燃发电、气化进行论述。1、农林生物质气化1.1农林生物质热解与气化热解是在隔绝空气的条件下，使生物质受热分解，产生固体炭、液体(焦油和木醋)与可燃气体的一种方法，气体热值在10～13MJ／m3。生物质气化是在不完全燃烧条件下，利用 自身部分燃烧释放出的热量，在气化剂参与下，将生物质转化为含CO、H2、CH4等可燃气体的过程，是将低品位的固态生物质转化为高品位的可燃气体的热化学过程。气化反应过程同时包括固体燃料的干燥、热分解反应、氧化反应和还原反应。生物质气化按所用气化剂的不同分为空气气化、富氧气化、水蒸气气化。空气气化技术直接以空气为气化剂，气化效率较高，是目前应用最广，也是所有气化技术中最简单、最经济的一种。但由于大量氮气的存在，稀释了燃气中可燃气体的含量，氮气占到总体积的50％～55％，燃气热值较低，通常为5—6MJ／m3。富氧气化使用富氧气体做气化剂，反应温度提高，反应速率加快，可得到焦油含量低的中热值燃气，发热值一般在l0～18MJ／m3，与城市煤气相当，但因增加制氧设备，工艺较为复杂，建设成本高，运行电耗和成本都很高。水蒸气气化是指在高温下水蒸气同生物质发生反应，涉及水蒸气和碳的还原反应，CO与水蒸气的变换反应等甲烷化反应以及生物质在气化炉内的热分解反应，燃气质量好，H2含量高(30％～60％)，热值一般为l0～16MJ／m3。由于系统需要蒸汽发生器和过热设备，一般需要外供热源，技术较复杂．现研究主要在流化床反应器内进行。无论是生物质气化还是热解，所产生的可燃气体既可直接用于工业或民用燃料，也可用于驱动内燃机发电。1.2农林生物质气化工艺生物质气化按照选用气化器的不同分为固定床气化工艺和流化床气化工艺。 （1）固定床气化工艺固定床气化炉具有一个容纳原料的炉膛和承托反应料层的炉栅。应用较广泛的是下吸式气化炉和上吸式气化炉．如图4和图5所示。下吸式气化炉中，原料由上部加入，依靠重力下落，经过干燥区后水分蒸发，进入温度较高的热分解区生成炭、裂解气、焦油等，继续下落经过氧化还原区将焦炭和焦油等转化为CO、CO2、CH、和H2等气体，炉内运行温度在400～1200℃左右，燃气从反应层下部吸出，灰渣从底部排出。下吸式气化炉工作稳定，气化产生的焦油在通过下部高温区一部分可被裂解为永久性小分子气体，使气体热值提高并降低了出炉燃气中焦油量。上吸式气化炉中，原料移动方向与气流方向相反，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化，产生的燃气自下而上流动，由燃气口排出，出炉燃气灰分少，气化效率较高，但存在密封困难，添料不方便等问题。图4下吸式秸秆气化炉图5上吸式秸秆气化炉固定床秸秆气化工艺流程如图6。这种气化工艺以空气为气化剂，将部分生物质燃烧产生的热量供其余生物质热解气化 。这种工艺产生的燃气由于含有大量氮气而热值低。如固定床直径过大时，炉内传热效果差，气化率低，因此一般用于小型气化工程中，如农村秸秆气化集中供气项目。图6固定床秸秆气化工艺流程图（2）流化床秸秆气化工艺流化床气化炉在吹人的气化剂作用下，物料颗粒、床料、气化介质充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速度快，产气率高．与固定床相比，流化床没有炉栅，一个简单的流化床由燃烧室、布风板组成，气化剂通过布风板进入流化床反应器中。按气化器结构和气化过程，可将流化床分为鼓泡流化床和循环流化床，如图7和图8所示。图7鼓泡流化床示意图图8循环流化床示意图鼓泡流化床气化炉是最简单的流化床，气流速度较慢，比较适合颗粒较大的生物质原料。 而循环流化床气化炉在气体出口设有旋风分离器或袋式分离器，流化速度较高，适用于较小的生物质颗粒，运行简单，有良好的混合特性和较高的气固反应速率。一般流化床气化炉反应温度控制在700～900℃。循环流化床秸秆气化工艺流程如图9，工艺流程为：农林生物质经粉碎或切片后输送至料斗，通过搅笼输送至循环流化床气化炉；气化所图9循环流化床气化工艺流程图需由鼓风机经炉底部鼓入。在气化炉内床料与生物质颗粒处于流化状态而被裂解气化，床料被分离后循环利用，气体引出经除尘、冷却、除焦油、脱硫处理后储存在气罐中备用。因流化床气化工艺简单、气化强度大（生产能力约为相同直径常压固定床气化炉的3倍）、床层温度均匀，适用于大型生物质气化项目；其不足是飞灰量大，灰渣含碳量高，因床层温度低不利于焦油的裂解而焦油含量高。2、农林生物质直燃发电生物质直接燃烧发电是将收集到的生物质燃料经粉碎预处理后通过输送系统送至锅炉，在锅炉内燃烧加热生产蒸汽，蒸汽输送至汽轮机驱动汽轮机发电，工艺流程见图10。 图10生物质直燃发电工艺流程生物质燃料具有含氯高、碱金属含量高、水分高、挥发分高、热值低、灰熔点低等特点，易在炉排及锅炉受热面结焦、产生高温腐蚀。故生物质锅炉是生物质直燃发电的核心技术，要求锅炉应能适应生物质燃料特点，避免结焦和高温腐蚀的发生。水冷振动炉排炉因其对炉排的良好冷却性能和对燃料的良好扰动；循环流化床锅炉燃料的流态化和炉膛温度的有效控制，在解决生物质燃料燃烧结焦和高温腐蚀方面有明显的优势，因而被广泛应用在生物质直燃发电领域。2.1水冷振动炉排炉水冷振动炉排是典型的层燃燃烧，秸秆燃料进入锅炉后在炉排振动作用下向前移动并持续燃烧,保证锅炉连续稳定的运行, 炉排本身在循环水的冷却作用下使附着在炉排表明的灰渣温度迅速降低,有效避免了灰渣在炉排表明结焦破坏锅炉的正常运行。锅炉自身的水汽循环也使锅炉受热面得到及时冷却而有效避免受热面结焦。这些独特的措施使水冷振动炉排炉在燃烧温度方面要明显高于循环流化床燃烧温度，可以生产较高温度和压力的蒸气，有利于提高电厂的发电效率。水冷振动炉排炉在国内外均有成熟的长期运行经验，使用数量最多，市场占有率高，生产、安装、调试、运营的经验均较其它炉型丰富。2.2循环流化床锅炉循环流化床锅炉工作原理与循环流化床气化器相同。秸秆循环流化床锅炉炉膛内有大量惰性床料，床料和燃料的混合能够使燃烧放出的热量均匀释放，所以在炉膛内温度要低于炉排炉，可以保证燃料中水溶性碱金属较多的转入固相飞灰中，能有效防止高温受热面腐蚀。但因其炉膛温度低所产生蒸汽的温度和压力要低于水冷振动炉排炉。三、农林生物质直燃发电及气化利用现状“十一五”时期，在《可再生能源法》的推动下，生物质发电政策体系不断完善，通过开展资源评价、组织特许权招标、完善价格政策、示范项目建设，培育形成了生物质发电的市场和产业体系，生物质发电技术快速进步，产业实力明显提升，市场规模不断扩大，农林生物质利用巳步入全面、快速、规模化发展的重要阶段。国能生物质发电有限公司引进丹麦技术生产的水冷振动炉排炉，浙江大学自主研发的秸秆循环流化床锅炉，武汉凯迪控股有限公司自主开发的生物质循环流化床锅炉，哈尔滨工业大学就与长沙锅炉厂合作研制的生物质流化床锅炉，中科院和济南锅炉厂也在合作开发燃用生物质的循环流化床锅炉等，已经形成我国生物质 锅炉研发与制造体系和产品系列，其产品广泛应用在生物质直燃发电领域。自2004年以来，国内一大批企业在能源政策鼓励下进入生物质能源应用领域开发建设生物质能源项目，其投资额和装机规模逐年增加（见图11）。经过这几年的发展，中节能生物质发电公司、国能生物质发电有限公司、武汉凯迪电力股份有限公司、江苏国信集团有限公司、长青集团等已成为我国生物质发电的领军企业。到2011年底并网生物质发电装机436.39万kw，约占并网新能源装机容量的8.64%；2011年全国并网生物质发电量191.21亿kwh，约占并网新能源发电总量的20.48%。图112006-2010年生物质能发电行业规模指标变化图四、国家生物质气化及发电规划及激励政策1、生物质气化及发电发展规划1.1《“十二五”国家战略性新型产业发展规划》规划指出：今后要加快发展技术成熟、市场竞争力强的风电、太阳能光伏和热利用、生物质发电等新能源，积极推进技术基本成熟、开发潜力大的可再生能源技术的产业化，实施新能源集成利用示范重大工程。到2015年，新能源占能源消费总量的比例提高到4.5% ，减少二氧化碳年排放量4亿吨以上。在生物质能利用方面，统筹生物质能源发展，有序发展生物质直燃发电，积极推进生物质气化及发电、生物质成型燃料、沼气等分布式生物质能应用。开展重点地区生物质资源详查评价，鼓励利用边际性土地和近海海洋种植能源作物和能源植物。规划目标为到2015年生物质能发电装机容量达到1300万kw（其中农林生物质发电装机容量到达800万kw），生物燃气年利用量达到300亿立方米。2020年生物质能发电装机达到3000万千瓦。生物质燃气年利用量达到500亿立方米。为此将积极采取措施推动生物质能源规模化、专业化、市场开发建设，制定完善生物质能利用技术标准和工程规范，健全检测认证体系，完善生物燃料、能源化利于农林剩余物的激励政策及市场流通机制，促进生物质能加快应用。1.2《可再生能源发展“十二五”规划》《可再生能源发展“十二五”规划》指出：开发利用可再生能源既是我国当前调整能源结构、节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要，也是我国未来能源可持续利用和转变经济发展方式的必然选择，并将可再生能源定位为竞争激烈的战略性新兴产业。在“十二五”时期，要建立和完善支持可再生能源发展的政策体系，促进可再生能源技术创新和产业进步，不断扩大可再生能源的市场规模，努力提高可再生能源在能源结构中的比重。大力建设村村沼气工程和大型生物质气化供气工程，满足居民清洁燃气需求，鼓励剩余燃气发电。其生物质能的发展布局和建设重点是：（1） 生物质发电。在粮棉主产区，以农作物秸秆、粮食加工剩余物和蔗渣等为燃料，优化布局建设生物质发电项目;在重点林区，结合林业生态建设，利用采伐剩余物、造材剩余物、加工剩余物和抚育间伐资源及速生林资源，有序发展林业生物质直燃发电。结合县域供暖或工业园区用热需要，建设生物质热电联产项目;鼓励对生物质进行梯级利用，建设包括燃气、液体燃料、化工产品及发电、供热的多联产生物质综合利用项目。（2）生物质燃气。充分利用农村秸秆、生活垃圾、林业剩余物及畜禽养殖废弃物，在适宜地区继续发展户用沼气，积极推动小型沼气工程、大中型沼气工程和生物质气化供气工程建设。鼓励沼气等生物质气体净化提纯压缩，实现生物质燃气商品化和产业化发展。促进生物质气化技术进步，提高设备效率和燃气品质，掌握兆瓦级内燃机组的技术和设备制造能力，完善生物质供气管网和服务体系建设。到2015年，生物质集中供气用户达到300万户。2、国家鼓励利用生物质的法律、政策2.1可再生能源法《可再生能源法》对生物质能源给出了明确的界定，对生物质发电的立项核准、并网等做出了明确规定，是企业开发利用农林生物质能源的法律依据和保障。2.2《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》（1）接网费用标准按线路长度制定：50公里以内为每千瓦时1分钱，50-100公里为每千瓦时2分钱，100公里及以上为每千瓦时3分钱。 （2）电网企业应当与依法取得行政许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并网协议，全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量，并为可再生能源发电提供上网服务。2.3《中华人民共和国企业所得税法实施条例》对利用生物质能源的项目，自项目取得第一笔生产经营收入所属纳税年度起，第一年至第三年免征企业所得税，第四年至第六年减半征收企业所得税。2.4《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》（1）对农林生物质发电项目实行标杆上网电价政策。未采用招标确定投资人的新建农林生物质发电项目，统一执行标杆上网电价每千瓦时0.75元（含税，下同）。通过招标确定投资人的，上网电价按中标确定的价格执行，但不得高于全国农林生物质发电标杆上网电价。（2）已核准的农林生物质发电项目（招标项目除外），上网电价低于上述标准的，上调至每千瓦时0.75元；高于上述标准的国家核准的生物质发电项目仍执行原电价标准。五、农林生物质直燃发电及气化的潜力1、能源结构发展趋势为开发利用农林生物质能源提供了机遇随着石油、煤炭、天然气储量的不断减少，以及人类对能源需求的不断增长，增加新型能源供应是解决能源供需矛盾的有效途径；人类社会的生存和可持续发展要求必须控制并减少能源消耗对人类生存环境造成的污染和破坏。为此寻求和发展可替代化石燃料的清洁环保型可再生能源是今后能源 结构调整和发展的必然趋势，太阳能、风能、生物质能在今后能源消费中所占比例必将快速增加（如图12）。紧跟能源发展形势，抓住机遇，加大太阳能、风能、生物质项目开发力度，实现多头并进是可行的选择。而在生物质能方面，农林生物质占据了较大份额，可利用量大；直燃发电技术成熟、市场体系基本形成，气化应用市场潜力巨大。所以适时加大农林生物质直燃发电开发和投入力度，紧跟农林生物质气化的发展趋势是不失时机的举措。图12未来100年世界能源结构变化预测2、政策、规划为开发利用农林生物质能源项目提供了有力的支持国家相继颁发了《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源发展：“十二五”规划》，明确农林生物质能源装机容量到2015年将达到800万kw（目前的436.39万kw）。为推动这一目标的实现，配套出台了《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》、《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》、《中华人民共和国企业所得税法实施条例》等一系列激励政策，以鼓励企业、实体、科研单位积极参与农林生物质能源项目开发；并 结合农林生物质能源行业发展的实际情况在不断完善监督管理机制、扶持政策、标准规范体系和市场机制。这一系列政策、措施的出台，为开发利用农林生物质能源项目创造了有利的条件，提供了有力的支持和保障。随着体系规范的完善，农林生物质能源市场将更加成熟并更具有潜力。总上所述，在这一系列目标的引导下，今后一个时期我国将迎来生物质发电厂建设的高潮，为涉及生物质发电的企业将带来积极影响。同时，随着国家对生物质能发电及气化产业的政策扶持力度的不断加大，生物质能产业将步入快速发展的高峰期。