生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)分析比較

第26卷第3期可再生能驃Vol, 26 No. 32008年6月Renewable Energy ResourcesJun.2008生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)分祈比較吳創(chuàng )之,周肇秋,馬隆龍,陰秀(中國科學(xué)院廣州能源研究所中國科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東廣州510640)摘要:文章主要對三類(lèi)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了分析比較。生物質(zhì)混燒發(fā)電技術(shù)在已有燃煤電站的基礎上生物質(zhì)與煤混嬈發(fā)電,投資成本是三類(lèi)技術(shù)中最少的,但可能降低原燃煤電站效率。由于低熱值燃氣輪機技術(shù)尚未成熟,因此生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)僅適用于10MW以下中小規模發(fā)電系統,氣化一余熱發(fā)電系統效率較高特別適用于5~6MW的發(fā)電系統。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)比較成熟,但在小規模發(fā)電系統中蒸汽參數難以提高,只有在大規模利用時(shí)才具有較好的經(jīng)濟性,比較適合于10MW以上的發(fā)電系統。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);發(fā)電;分析中圖分類(lèi)號:TK6;TM619文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2008)03-003404Comparative study on biomass power generation technologiesWU Chuang-zhi, ZHOU Zhao-qiu, MA Long-long, YIN Xiu-li(Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate of CAS, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinesedemy of Sciences, Guangzhou 510640, ChinAbstract: This paper presents a comparative analysis on three kinds of biomass power generationtechnologies. The results show that cofiring of biomass with coal in existing power boilers is consid-ered to be the most economic technology with relatively low investment, but the addition of biomassmay reduce the efficiency of the existing power plant. Biomass gasification and power generationtechnology are economically feasible if the capacity of plant is less than 10 MW, due to gas turbinefueled with low heating value fuel gases is not available at present, while biomass gasification-ex-hausted heat power generation technology with relatively high efficiency is more suitable for powerplants with capacities of 5-6 MW at present. Biomass direct combustion and power generation tech-nology is mature in technology, but it is only feasible for the power capacity of more than 10 Mdue to steam parameters of biomass boiler of small scale are difficult to be increasedKey words: biomass; power generation; analysis0引言布在廣大農村地區,數量非常巨大,全國每年可利隨著(zhù)煤、石油、天然氣等常規能源的日益枯用的生物質(zhì)能資源總量估計可達7億t標準煤以竭,可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用已受到世界各國的上嗎。生物質(zhì)能屬于清潔能源,生物質(zhì)能的利用可髙度重視。生物質(zhì)能是最有發(fā)展前景的可再生能實(shí)現CO2零排放,是替代煤、石油和天然氣等礦物源之一,它曾在人類(lèi)社會(huì )發(fā)展中起到過(guò)重要的作燃料的重要能源。通過(guò)各種能源轉換技術(shù)將生物質(zhì)用,目前研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種生物質(zhì)能轉換轉化為高品位的電能既可以滿(mǎn)足農村緊迫的電力利用技術(shù),其中,生物質(zhì)能發(fā)電已成為生物質(zhì)能現需求,提高農民生活水平,又可以改善農民居住環(huán)代化利用的重要方式之境。所以,開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能對于國家能源安全、我國是農業(yè)大國,生物質(zhì)資源種類(lèi)多,主要分CO2減排和社會(huì )可持續發(fā)展都具有重要意義。收稿日期:200804-09。中國煤化工基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2003AA514010)CNMHG作者簡(jiǎn)介:吳創(chuàng )之(1965-),男,研究員博土生導師,主要從事生物質(zhì)能源技術(shù)wxlyinems.gec. accn吳創(chuàng )之,等生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)分析比較1生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)12生物質(zhì)氣化發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要包括生物質(zhì)直接燃燒發(fā)生物質(zhì)氣化發(fā)電是指生物質(zhì)在氣化爐中氣化電、氣化發(fā)電以及與煤混合燃燒發(fā)電等技術(shù)。生成可燃氣體,經(jīng)過(guò)凈化后驅動(dòng)內燃機或小型燃氣1.1生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電輪機發(fā)電。氣化爐應對不同種類(lèi)的生物質(zhì)原料有較強生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電是指把生物質(zhì)原料送入的適應性。內燃機一般由柴油機或天然氣機改造而適合生物質(zhì)燃燒的特定鍋爐中直接燃燒,產(chǎn)生蒸汽,成,以適應生物質(zhì)燃氣熱值較低的要求燃氣輪機要帶動(dòng)蒸汽輪機及發(fā)電機發(fā)電。已開(kāi)發(fā)應用的生物質(zhì)求容量小,適于燃燒高雜質(zhì)、低熱值的生物質(zhì)燃氣鍋爐種類(lèi)較多,如木材鍋爐、甘蔗渣鍋爐、稻殼鍋爐生物質(zhì)氣化發(fā)電包括小型氣化發(fā)電和中型氣秸稈鍋爐等。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)包括化發(fā)電2種模式。小型氣化發(fā)電采用簡(jiǎn)單的氣原料預處理,生物質(zhì)鍋爐防腐提高生物質(zhì)鍋爐的多化一內燃機發(fā)電工藝,發(fā)電效率一般在14%~種原料適用性及燃燒效率蒸汽輪機效率等技術(shù)。20%,規模一般小于3MW。中型氣化發(fā)電除了采生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)中的生物質(zhì)燃燒方用氣化一內燃機(或燃氣輪機)發(fā)電工藝外,同時(shí)式包括固定床燃燒或流化床燃燒等方式。固定床燃增加余熱回收和發(fā)電系統,氣化發(fā)電系統的總效燒對生物質(zhì)原料的預處理要求較低,生物質(zhì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)率可達到25%-35%。另外,大規模的氣化一燃氣單處理甚至無(wú)須處理就可投入爐排爐內燃燒。流輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統作為先進(jìn)的生物質(zhì)氣化發(fā)化床燃燒要求將大塊的生物質(zhì)原料預先粉碎至易電技術(shù),能耗比常規系統低,總體效率高于40%,于流化的粒度,其燃燒效率和強度都比固定床高。但關(guān)鍵技術(shù)仍未成熟,尚處在示范和研究階段圍。另外,由于我國的生物質(zhì)種類(lèi)多,成分復雜,收集根據我國已完成的MW級生物質(zhì)氣化發(fā)電運輸困難,而且主要的農業(yè)廢棄物受到農業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)際情況,將生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟指和季節性的影響不能保證全年供應,所以與燃煤標列于表2。鍋爐對燃料單一性的要求不同,生物質(zhì)鍋爐要求表2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)指標能適應多種生物質(zhì)原料,以保證燃料供應的穩定Table 2 Technological indexes of biomass gasification and性。我國的生物質(zhì)鍋爐和小型蒸汽輪機技術(shù)已基power generaton1-3 MW6 MW本成熟,但設備規模較小,參數較低,與進(jìn)口設備指標氣化效率隔%相比效率較低。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)比較成廠(chǎng)自用電率%熟,在大規模生產(chǎn)條件下具有較高的效率。該技術(shù)電站發(fā)電效率%在我國應用較少,因為它要求生物質(zhì)資源集中,數年運行時(shí)間h“a6000量巨大,如果大規模收集或運輸生物質(zhì),將提高原生物質(zhì)用量(干)/ kg.kWh1.3-18料成本,因此該技術(shù)比較適于現代化大農場(chǎng)或大13生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電型加工廠(chǎng)的廢物處理。表1所示為6MW和25MW生物質(zhì)混合燃燒發(fā)電是指將生物質(zhì)原料應用生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)指標于燃煤電廠(chǎng)中,和煤一起作為燃料發(fā)電。生物質(zhì)與16Mw和25Mw生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)指標煤有2種混合燃燒方式:①生物質(zhì)直接與煤混合燃Table 1 Technological indexes of6 MW and25 MW bioma燒產(chǎn)生蒸汽,帶動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電。生物質(zhì)要進(jìn)行預direct combustion for power generation處理,生物質(zhì)預先與煤混合后再經(jīng)磨煤機粉碎或指標蒸汽參數/MPa℃343/435883/535生物質(zhì)與煤分別計量、粉碎。生物質(zhì)直接與煤混合長(cháng)期運行負荷/%燃燒要求較高,并非適用于所有燃煤發(fā)電廠(chǎng),而且年運行時(shí)間幾ha475007500生物質(zhì)與煤直接混合燃燒可能會(huì )降低原發(fā)電廠(chǎng)的鍋爐燃燒效率%效率。②將生物質(zhì)在氣化爐中氣化產(chǎn)生的燃氣與煤蒸汽輪機效率%系統發(fā)電效率%混合燃燒,產(chǎn)生蒸汽,帶動(dòng)蒸汽輪機發(fā)電即在小型廠(chǎng)自用電率%燃煤中國煤化工氣化設備將生燃料用量(干) kg.kwh148物質(zhì)CNMHG物質(zhì)燃氣的溫注:25MW參數為進(jìn)口設備。度為80飛左石,尢須凈化和柃卻,在鍋爐內完全可再生能源2008,26(3)燃燒所需時(shí)間短這種混合燃燒方式通用性較好,投資隨著(zhù)發(fā)電規模的增大而減小。對原燃煤系統影響較小。表3所示為20MW和6MW中型生物質(zhì)氣化電站采用內燃機一蒸40MW生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電技術(shù)指標。汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝,系統復雜,增加了余熱表320MW和40Mw生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電技術(shù)指標回收及汽輪機發(fā)電系統,并且電網(wǎng)接入項要求較Table3 Technological indexes of6 MW and25 Mw biomass高,因而單位投資較小型氣化電站高,達到6500direct combustion for power generation元八kW。內燃機一蒸汽輪機發(fā)電部分的投資(表620 MWO MW燃煤電站原發(fā)電效率/%中前4項)約占總投資的55%。氣化效率%表66Mw生物質(zhì)氣化電站投資概算氣化爐運行時(shí)間/ha60006000Table 6 Investment budget of 6 Mw biomass gasification秸稈用量Ah10for power generation project總發(fā)電量/萬(wàn)kWh·a工程或費用名稱(chēng)費用2生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)投資分析氣化系統/萬(wàn)元內燃機發(fā)電系統(4500kW)萬(wàn)2.1生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電項目投資余熱利用系統/萬(wàn)元生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電要求生物質(zhì)資源集中,汽輪機發(fā)電系統(1500kW)萬(wàn)元數量巨大,在大規模利用下才有明顯的經(jīng)濟效益。燃料供應系統/萬(wàn)元小型生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電系統已在我國南方地區除灰系統萬(wàn)元的許多糖廠(chǎng)得到應用,但一般只在甘蔗收榨季節化學(xué)及污水水處理系統/萬(wàn)元運行;大型系統應用的較少,國內在建的幾個(gè)大項供水系統萬(wàn)元電氣系統厲元目所用設備均從發(fā)達國家引進(jìn),進(jìn)口設備的投資熱工控制系統/萬(wàn)元成本幾乎是國產(chǎn)設備的2倍(表4)建筑及土地/萬(wàn)元豪46MW和25MW生物質(zhì)(秸稈)直接燃燒電站變壓電網(wǎng)接入系統/萬(wàn)元投資概算其它歷萬(wàn)元Table 4 Investment budget of 6 Mw and 25 MW biomass不可預見(jiàn)費名稱(chēng)3900名6MW(國產(chǎn))25MW(進(jìn)口)25MW(國產(chǎn)總投資萬(wàn)元項目總投資/萬(wàn)元420065002500015000投資成本/元kW投資成本/元kW70002.3生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電項目投資注:國產(chǎn)設備投資主要參照燃煤電站的市場(chǎng)價(jià)估算。在小型燃煤電站的基礎上增加一套生物質(zhì)氣2.2生物質(zhì)氣化發(fā)電項目投資化設備,無(wú)須增加發(fā)電系統并可直接利用燃煤電表5所示為1~3MW生物質(zhì)氣化電站投資概站原有建筑和基礎設施。主要投資項目包括氣化算。在新建小型MW級生物質(zhì)氣化電站的投資爐和燃料供應系統,這2項投資約占增加投資的中,主體設備投資約占總投資的60%左右,單位83%,單位投資在300元/W以下。表7所示為20表51-3MW生物質(zhì)氣化電站投資概算MW和40MW生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電投資概算。Tae5 Investment budget of 1-3 Mw biomass gasification表720MW和40MW生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電投資概算for power generation projectTable 7 Investment budget of 20 MW and 40 MW biomass工程或費用名稱(chēng)3 MW 2MW 1 MWification co-firing for power generation project主體設備(氣化爐、內燃發(fā)電機等)萬(wàn)元850610315工程或費用名稱(chēng)20MW40MW說(shuō)明安裝材料和配件歷元353018生物質(zhì)氣化系統/萬(wàn)元2452×245氣化爐建筑和基礎歷萬(wàn)元14012080燃料供應系統萬(wàn)元195255燃料烘干、粉碎及輸送設備安裝與調試/萬(wàn)元807565氣化爐監控系統/萬(wàn)元1515氣化及燃燒控制系統配套設備和配件歷元安裝材料和配件歷元2747設備安裝其它及不可預見(jiàn)費歷萬(wàn)元3010050廠(chǎng)房中國煤化工基礎及堆料場(chǎng)地總投資歷萬(wàn)元13151000560總投資投資成本/元kW投資威CNMHG吳創(chuàng )之,等生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)分析比較綜合比較以上各種生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟指有大規模利用才具有較好的經(jīng)濟性,目前我國標可以看出:①生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電的單位投資主要是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和設備加以利用。該成本是最經(jīng)濟的,而且系統簡(jiǎn)單;②同一發(fā)電技技術(shù)投資大,要求集中收集生物質(zhì)原料,原料術(shù)的單位投資成本一般隨著(zhù)發(fā)電規模的增大而成本高。減小,同一發(fā)電規模的進(jìn)口設備比國產(chǎn)設備投資參考文獻:成本高;③系統規模越大,系統越復雜,所以主體凹袁振宏吳創(chuàng )之,馬隆龍生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)□M設備投資占總投資比例隨著(zhù)系統規模的增大而北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200519-31減小。2]馬降龍,吳創(chuàng )之,孫立生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用3生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的適用性北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20034-14通過(guò)以上分析,可以得出以下結論。3]吳創(chuàng )之,馬隆龍生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)M]北京①生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)投資少,發(fā)化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8,149電效率決定于原燃煤電站的效率,其中生物質(zhì)氣化混燒發(fā)電對原有電站的影響比直接混燒發(fā)電對原有電站的影響小,通用性較強。農產(chǎn)品簿價(jià):②由于氣化發(fā)電技術(shù)關(guān)鍵設備一小型低熱生物熊井產(chǎn)業(yè)空前繁的縞錄?值燃氣輪機技術(shù)尚未成熟,因此對10MW以上的生物質(zhì)發(fā)電系統而言,比較有優(yōu)勢的技術(shù)是直接通貨膨脹已成為經(jīng)濟所面臨的首要問(wèn)題。燃燒發(fā)電。對10MW以下的生物質(zhì)發(fā)電系統而據調查統計,占全球產(chǎn)量1%,美國產(chǎn)量20%的言,氣化一余熱發(fā)電系統與直接燃燒發(fā)電系統投玉米,占巴西產(chǎn)量50%的甘蔗用于生產(chǎn)乙醇;占資接近,但氣化一余熱發(fā)電系統效率遠高于直接全球產(chǎn)量20%,占歐盟產(chǎn)量65%的萊籽油,占全燃燒發(fā)電系統,所以具有更大的優(yōu)勢特別適合于球產(chǎn)量2%的豆油,占東南亞產(chǎn)量30%的棕櫚5-6MW規模的生物質(zhì)發(fā)電系統。豐油用于生產(chǎn)生物柴油。短短幾年內,如此高比例各類(lèi)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在中國的適用性見(jiàn)表8。的糖類(lèi)和油料作物被轉入能源產(chǎn)業(yè),自然推動(dòng)表8各種生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在中國的適用性了其價(jià)格暴漲,而高價(jià)格又推動(dòng)這些作物與其Table 8 Applicability of several biomass power generation他糧食作物爭奪土地,結果導致農產(chǎn)品價(jià)格全technologies in China面上漲。但是,生物燃料的發(fā)展并沒(méi)有起到當初發(fā)電規模10MW其倡導者所宣稱(chēng)的改善環(huán)境和降低碳排放的作混合燃氣化混燃發(fā)電氣化混燃發(fā)電氣化混燃發(fā)電用,相反,農產(chǎn)品的高價(jià)格優(yōu)勢促使農民將大面燒發(fā)電直接混燃發(fā)電直接混燃發(fā)電直接混燃發(fā)電扌積草原、沼澤和森林改變?yōu)檗r場(chǎng),大大增加了碳熱電聯(lián)供直接燃燒發(fā)電直接燃燒發(fā)電直接燃燒發(fā)電氣化發(fā)電氣化發(fā)電排放,并惡化了環(huán)境。美國《科學(xué)》雜志2008年2月獨立發(fā)氣化發(fā)電氣化發(fā)電氣化發(fā)電份的研究報告指出,生物燃料在最終燃燒環(huán)節電系統直接燃燒發(fā)電直接燃燒發(fā)電直接燃燒發(fā)電上相對化石燃料所減少的每1kg碳排放,便相4結論應地因改變土地用途而增加17-420kg碳排放。在各類(lèi)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中,混燒發(fā)電技術(shù)當然,即使沒(méi)有政策推動(dòng),高油價(jià)也會(huì )催生的投資經(jīng)濟性最好但它須要附屬于已有的燃生物能源但規模不會(huì )如此巨大,述度不會(huì )如此煤電廠(chǎng),其發(fā)電經(jīng)濟性決定于原電廠(chǎng)的效率,扌迅猛,后果也不會(huì )如此嚴重。這再一次提醒我而且會(huì )對原電廠(chǎng)有一定的影響。生物質(zhì)氣化發(fā)十們,在事關(guān)金球環(huán)境這樣的事情上,政府并不一電技術(shù)的發(fā)電規模比較靈活,投資較少,適于定比市場(chǎng)更加有效。所幸的是,相比歐美發(fā)達國我國生物質(zhì)的特點(diǎn)但是技術(shù)還不成熟,須要家,中國的生物燃料產(chǎn)業(yè)起步較晚,規樓尚小,進(jìn)一步發(fā)展和完善。直接燃燒發(fā)電技術(shù)成熟,十還1第如士如誹在未來(lái)難以回中國煤化工但在小規模應用情況下蒸汽參數難以提高,只避CNMHG新能源網(wǎng)