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生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式,是以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,是取之不尽、用之不竭的能源资源,是太阳能的一种表现形式。生物质能是人类赖以生存的重要能源,目前仅次于煤炭、石油和天然气,位居世界能源消费总量的第4位。生物质能具有可再生性、种类多样性、低污染性、分布广泛、储量丰富等特点。生物质能通过植物的光合作用可以再生,因此生生不息、永续不竭。据生物学家估计,生物质能的年产量相当于世界目前总能耗的10倍,随着农林业的发展,生物质资源还将越来越丰富。此外,生物质的硫、氮含量远低于煤炭、石油等能源,燃烧时温室气体排放很少,能有效地减缓温室效应。
生物质能发电主要利用农业、林业和工业废弃物、甚至城市垃圾为原料,采取直接燃烧或气化等方式发电。近年来,国内外能源、电力供求日趋紧张,作为可再生能源的生物质能资源的开发利用受到了极大关注,生物质能发电行业应运而生。
在我国,生物质能发电也越来越凸显出其必要性。首先,它是国家能源结构调整的要求。各类可再生能源中,生物质能发电的电能质量好、可靠性高,其残存物可用作农田肥料,具有较高的经济效益。其次,它是建设社会主义新农村的需要。生物质能发电将生物秸秆变废为宝,有利于增加农民收入,创造就业机会,并为建立农村可持续能源系统、保护农村生态环境提供了有力保障。此外,它还是构建环境友好型社会的需要。生物质能发电排放的CO2会通过植物再生长循环回归土壤,比燃煤火电清洁得多。生物质能发电还可减少因农作物就地焚烧或抛于河中引发的大气污染、水污染、交通事故、火灾事故等隐患。
1 国内外开发现状
1.1 国外开发现状
生物质能发电起源于20世纪70年代,当时世界性石油危机爆发,丹麦开始积极开发清洁的可再生能源。在BWE公司的技术支撑下,1988年诞生了世界上第一座秸杆生物燃料发电厂,此后生物质在许多国家开始大规模发展。
目前,美国生物质能发电的总装机容量达10 000 MW,主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其他林产品加工厂。西班牙、瑞典、芬兰、法国、英国、加拿大、奥地利等国也投产运行了多个秸秆焚烧发电机组。其中,位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂,装机容量38 MW,总投资约5亿丹麦克朗。除这些发达国家外,泰国、印度、巴西和东南亚等发展中国家也通过引进技术或自行研发开展了多个生物质能发电项目。
1.2 国内开发现状
我国从1987年起开始生物质能发电技术研究。1998年,1 MW谷壳气化发电示范工程建成投入运行。1999年,1 MW木屑气化发电示范工程建成投入运行。2000年,6 MW秸秆气化发电示范工程建成投入运行,为我国更好地利用生物质能源奠定了良好基础。
为推动生物质能发电技术的发展,2003年以来,国家先后批准了河北晋州、山东单县、江苏如东和湖南岳阳等多个秸秆发电示范项目。2006年,我国颁布了《可再生能源法》,并实施了生物质能发电优惠上网电价等有关配套政策,使生物质能发电,特别是秸秆发电迅速发展。国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与我国生物质能发电产业的建设运营。截至2007年底,相关部门已核准项目87个,总装机规模220万kW。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个,在建项目30多个。可见,我国生物质能发电产业正渐入佳境。
2 生物质能发电的主要技术
2.1 生物质直燃发电
生物质直燃发电是指将生物质代替煤炭直接燃烧产生热和水蒸气进行火力发电的形式。其适用于生物质资源比较集中的区域,如谷米加工厂、木料加工厂等附近,因为只要工厂正常生产,谷壳、锯屑和柴枝等就可源源不断地供应,从而为生物质直燃发电提供了物料保障。由于生物质具有分散、热值低的特点,生物质在收集、运送过程中可能需要致密成型,在固化后将其分批次、每次多量地运送到传输半径合理的区域进行直燃发电。但不论是直接燃烧发电还是固化后燃烧发电,都属于生物质直燃发电的范畴。
国际上该技术比较成熟的是丹麦BWE公司,而国内的国能生物发电有限公司、中国节能投资公司、江苏国信集团公司等也正在利用此项技术大力发展生物发电。该技术机组容量较大,当前在建或拟建机组,国外已达到单机容量10 MW级水平,其热效率较高,受环境影响较小,可单独作为公用电源建设,适用于规模化推广。
2.2 生物质气化发电
生物质气化发电是将生物质首先转化成生物质气,用生物质气供给内燃机或是燃气轮机带动发电装置对外提供动力。生物质气来自生物质的气化、裂解或生物厌氧发酵过程产生的H2、CH4、CO、CO2和其他多元混合气体,将这些可燃气体供给内燃机或燃气轮机,带动发电装置对外提供动力。
生物质气化发电的代表技术为中国科学研究院广州能源研究所研发的机组,该技术已先后在江苏、黑龙江等地通过多种投资方式建立了多台发电机组。此项技术容量较小,对燃料要求较为苛刻,且气体净化要求高。故多建在木材加工厂、米厂等周围,宜作为此类工厂的自备电厂,不便于大规模、大面积推广。同时,秸秆气化热值低,在稳定运行、焦油消除、气体净化等技术上也需进一步提高。
2.3 沼气发电
沼气来自畜禽粪污或是含有机物的工业废水,经过厌氧发酵产生以CH4和CO2为主体的混合气体，CH4含量的多少决定沼气热值的高低,从而对沼气的发电效率产生影响。此技术发电容量较小,氧消化产气率低且不稳定,系统运行和管理的自动化水平低,产业化发展缓慢,我国自20世纪70年代起,沼气发电技术曾在农村多次推广,该技术适用于农户家庭,使农户用电自给,不宜作为公用电源建设。
3 存在问题及建议
3.1 主要问题
尽管我国生物质能发电具有巨大的资源潜力,部分技术实现了商业化,产品、产业也有了一定发展,但由于对再生清洁能资源利用的认识和研究还远远不够,缺乏先进技术与高效率的装备,生物质能转换规模小,资源利用率低。就目前而言,多种生物质能发电技术中,能够作为我国电力能源的有力补充,改变我国电力能源结构,并能大规模、实用化推广的发电技术主要为生物质直燃发电中的秸秆焚烧发电,但该项技术目前面临以下问题和障碍。
(1)缺乏成熟的核心技术和设备。
到目前为止,用于生物质焚烧发电的锅炉及燃料输送系统的技术和设备绝大部分依靠进口,国内尚无成熟的产品制造厂家,这成为制约我国生物质能发电事业快速发展的瓶颈。同时,由于与国外生产运输方式、工作习惯和文化的差异,技术和设备引进后也存在消化不良、机组无法安全、稳定、满负荷运行的情况。另外,因为缺乏核心技术,投产后生物质能发电企业很有可能长期受制于国外企业。
(2)秸秆燃料购、储、运组织困难。
生物质秸秆的收购、运输过程组织面广、储运量大,涉及到千家万户,且无现成模式可借鉴或套用。首先,秸秆收购价低,液化气燃料价格高,农民不愿进行生活燃料结构调整,出售秸秆的积极性不高,且农村收集秸秆的力量不足,造成秸秆收购困难。其次,秸秆密度轻,体积大,需要广阔的存储场地,还需进行防雨、防潮、防火和防雷设施建设,造成秸秆储存难。再者,秸秆密度小,运输量大,对公路运输也会形成巨大压力。固化则必须投入巨资购买大量的打包机,打包规格需符合锅炉燃料系统的技术要求,这些均造成了秸秆运输难的局面。
(3)发电运营成本偏高
据国外生物质能发电厂运行实际统计和我国权威部门测算,生物质能发电成本为燃煤发电成本的1.5～2.0倍,成本高的原因有初期投资高、燃料成本高、机组热效率低等,高成本成为制约秸秆发电技术推广的重要因素。
3.2 相关建议
针对当前生物质能发电转换规模小、资源利用率低的现状,建议:
(1)加大可再生资源开发的宣传力度。通过多种方式提高群众,尤其是农作物所有者对可再生资源的认识,理解生物发电对国家、社会和个人的作用,增强其出售秸秆、参与可再生资源利用的积极性。
(2)政府支持,法律保障。我国的生物质能发电尚处于发展初期,还有许多困难需要克服,其益于环境的外部经济性往往无法通过市场调节来实现。国内外的经验表明,政府扶持是其发展的重要推进剂。具体如保护电价、减免税费、财政补贴、贴息贷款等。此外,建议通过立法,强制电力公司建设供应或购买(上网)再生能源电力,以吸引民间资本,提高生物质能发电投资商的信心。
(3)加快对国外先进技术、装置的吸收转化,提高技术水平。加大对生物质能发电技术和设备的研发和投入,实现设备制造本地化、国产化,逐渐摆脱对国外技术和设备的依赖。此外,降低发电成本,需通过研究开发具有自主知识产权的核心技术和设备、提高转换元件的转换效率来降低生产成本,改进系统的经济性、可靠性和稳定性。
(4)示范试点,逐步推广。逐步加强示范推广工作,确定并扶持一批可再生能源开发利用的示范点或示范区,再逐步推广。根据农村城乡地区特点,先发展小容量至几兆瓦容量的系列产品。政府可负责组织建立起整个收购、储存和运输网络,在有条件的地方将热电联产有机组合起来,在热负荷中心地带选定厂址,实行热电联产,以提高能源利用率,降低成本,待条件成熟时逐步市场化,生物质能发电企业应加快构建自主生物质收、储、运网络和模式,用较快的时间建立起市场化运营的模式。
(5)建立再生能源管理体系,构建布局合理的市场。生物质能发电体系是涉及面庞大的社会系统工程,会引起国家农村经济和能源环境的巨大变化,因此建议各级政府和发电企业开拓思维、革新管理,创新技术,确保秸秆成型、收集、储藏、运输模式安全、生产经济,使生物质能发电尽快地走向市场,参与竞价上网。此外,我国还存在生物质能分布不均的现状。几个农业大省如河南、山东、四川、新疆等每年产生的农作物秸秆量非常丰富,建议在这些地区进行能源结构优化,将生物质能发电纳入近期、远期发展规划,因地制宜地建设生物质能发电企业,构建布局合理的市场。
4 应用前景
常规能源(煤、油、天然气等不可再生能源)终究是有限的,建立资源节约型社会、保持国民经济永续发展,必须走可持续能源的发展战略。我国是农业大国,生物质能资源丰富,开发潜力巨大,生物质能资源量约为7亿t标准煤,随着退耕还林和种植薪炭林,估计到2020年生物质能资源量可达9亿～10亿t标准煤,因此,利用生物质发电是我国能源结构调整的重要内容之一。
国家也给予了极大的认可和支持,国家发布的“十一五”规划纲要提出未来将建设生物质能发电550万kW装机容量,已公布的《可再生能源中长期发展规划》也将生物质能列入四大重点发展的能源之一,并确立了到2020年生物质能发电装机容量3 000万kW的发展目标。此外,国家已经决定安排资金支持可再生能源的技术研发、设备制造及检测认证等产业服务体系建设。
随着能源资源结构调整、农村环境保护的进一步实施、建设社会主义新农村建设的深入开展,我国快速发展生物质能发电的机遇和历史责任已经来临,已有的生物质能发电工程、可借鉴的发达国家开发经验以及国家对可再生能源的政策导向,都将促进生物质能发电进入一个蓬勃发展的时期,相信生物质能发电行业将有突破性进展和广阔的发展前景。
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