謝軍，吳創(chuàng)之，陰秀麗，林勇杰

（中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州510640）

摘要：隨著我國經濟的高速發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染問題日益嚴峻，人類正急切地尋求新型可再生能源。介紹了生物質氣化發(fā)電技術的歷史、原理和應用概況。闡明生物質氣化發(fā)電技術是所有可再生能源技術中最經濟的發(fā)電技術，其綜合發(fā)電成本已接近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平。文章對這種新型可再生能源的商業(yè)化推廣，作了經濟性評估和社會效益測評。認為伴隨著我國5可再生能源開發(fā)利用法6的即將出臺，生物質氣化發(fā)電技術必將成為發(fā)展最快的新型產業(yè)之一。

進入21世紀，中國經濟高速發(fā)展，能源短缺、環(huán)境污染等問題日益突出。2003年夏天，全國爆發(fā)了前所未有的大面積電荒，31個省市自治區(qū)中，有19個拉閘限電；2004年拉閘限電的省市自治區(qū)，從19個增加到24個。2004年的春天，全國電力供應缺口已超過了30MW/h。2004年我國全年進口原油突破1.2億t，已超過日本，成為僅次于美國的世界第二個石油消費國。

2002年的監(jiān)測數據表明，53.5%的城市顆粒污染物超過二級標準，16.6%的城市SO2超過二級標準，其中絕大部分是煤燃燒和汽車尾氣造成的[1]。我國在新世紀全面實現現代化建設進程中，面臨著嚴峻的能源資源短缺和環(huán)境污染兩大挑戰(zhàn)，開發(fā)新型、高效、清潔的能源，已成了當務之急。因此，大力推廣和應用包括生物質能在內的各種可再生能源和新能源意義十分重大。

1生物質能概況

生物質能是指蘊藏在生物質(泛指一切有生命的可以生長的有機物質)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而存在生物質內部的能量。煤、石油和天然氣等化石能源也是由生物質能轉變而來的。生物質能是可再生能源，通常包括：(1)木材及森林工業(yè)廢棄物；(2)農業(yè)廢棄物；(3)水生植物；(4)油料植物；(5)城市及工業(yè)有機廢棄物；(6)動物糞便。

生物質能就其能量當量而言，僅次于煤、石油、天然氣而列第4位，在世界能源消耗中，生物質能占總能耗的14%，在發(fā)展中國家占到多達40%以上[2]。根據生物學家估算，地球上每年生長的生物質能總量約為14001800億t(干重)，相當于目前世界總能耗的10倍。我國生物質能資源極為豐富，年產量折合成標準石油當量超過8億t。能源總量超過了30EJ(E=1018)。隨著我國農業(yè)和林業(yè)的發(fā)展，特別是隨著速生炭薪林的開發(fā)推廣，我國的生物質資源將越來越多，有非常大的開發(fā)和利用潛力。

生物質燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，熱效率低下，勞動強度大，污染嚴重。通過生物質能轉換技術，可以高效地利用生物質能源，生產各種清潔燃料，代替煤炭、石油和天然氣等燃料；還可用來生產電力，減少對礦物能源的依賴，保護國家能源資源，減少能源消費給環(huán)境造成的污染。

生物質氣化技術是通過熱化學反應，將固態(tài)生物質轉換為氣體燃料的過程。生物質氣化技術已有100多年的歷史。最初的氣化反應器產生于1883年，它以木炭為原料，氣化后的燃氣驅動內燃機，推動早期的汽車或農業(yè)排灌機械。生物質氣化技術的鼎盛時期出現在第2次世界大戰(zhàn)期間，當時幾乎所有的燃油都被用于戰(zhàn)爭，民用燃料匱乏，因此，德國大力發(fā)展了用于民用汽車的車載氣化器，并形成了與汽車發(fā)動機配套的完整技術。

我國在能源困難的20世紀50年代，也曾使用這種方法驅動汽車和農村排灌設備。當時固定床氣化反應器的技術水平，已達到相當完善的程度。二戰(zhàn)后隨著廉價優(yōu)質的石油廣泛被使用，生物質氣化技術在較長時期內陷于停頓狀態(tài)。但2次石油危機后，使得西方發(fā)達國家重新開始審視常規(guī)能源的不可再生性和分布不均勻性，出于對能源和環(huán)境戰(zhàn)略的考慮，紛紛投入大量人力物力，進行可再生能源的研究。作為一種重要的新能源技術，生物質氣化的研究重新活躍起來，各學科技術的滲透，使這一技術發(fā)展到新的高度。

我國生物質氣化技術在20世紀80年代以后得到了較快發(fā)展。主要的技術為固定床氣化和流化床氣化，一般情況下已不再使用木炭，而是使用各種木材、林業(yè)殘余物和稻殼，產生出主要用于發(fā)電的可燃氣體。在生物質氣化聯合循環(huán)發(fā)電(B/IGCC)方面，國外做了很多大型的示范電站，如美國Battelle(63MW)和夏威夷(6MW)項目，意大利(12MW)，英國(8MW)示范工程等。在國內，很多單位也做了很多生物質氣化方面的基礎研究和應用研究，如中國科學院廣州能源研究所，成功地把流化床技術應用到生物質氣化發(fā)電方面，使用木屑或稻殼的1MW流化床發(fā)電系統(tǒng)已經投入商業(yè)運行，分別在海南三亞、廣東揭東建立了MW級氣化發(fā)電示范工程，并取得了良好的經濟和社會效益。該技術設備還出口到泰國，受到國際專家的廣泛好評。目前，產品已經升級到4MW生物質氣化聯合循環(huán)發(fā)電，正在江蘇興化市興建，預計2005年5月份投產運行。

2生物質氣化發(fā)電技術

2.1氣化發(fā)電技術原理

生物質氣化發(fā)電技術的基本原理，是把生物質轉化為可燃氣，再利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。它既能解決生物質難于燃用而且分布分散的缺點，又可以充分發(fā)揮燃氣發(fā)電技術設備緊湊而且污染少的優(yōu)點，所以，氣化發(fā)電是生物質能最有效、最潔凈的利用方法之一。

氣化發(fā)電過程主要包括3個方面：一是生物質氣化，在氣化爐中把固體生物質轉化為氣體燃料；二是氣體凈化，氣化出來的燃氣都含有一定的雜質，包括灰分、焦炭和焦油等，需經過凈化系統(tǒng)把雜質除去，以保證燃氣發(fā)電設備的正常運行；三是燃氣發(fā)電，利用燃氣輪機或燃氣內燃機進行發(fā)電，有的工藝為了提高發(fā)電效率，發(fā)電過程可以增加余熱鍋爐和蒸汽輪機[2]。

以江蘇省興化市4MW生物質氣化燃氣)蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電示范工程為例(正在建造中)，該聯合循環(huán)發(fā)電裝置主要由進料機構、燃氣發(fā)生裝置、余熱鍋爐(蒸汽發(fā)生裝置)、焦油裂解裝置、燃氣凈化裝置、空氣預熱裝置、燃氣發(fā)電機組、蒸汽輪機發(fā)電機組、循環(huán)冷卻水裝置、水處理裝置、電氣控制裝置及廢水、廢渣處理裝置等幾部分組成。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2.2氣化發(fā)電技術分類

2.2.1從氣化過程上分

由于生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)采用氣化技術和燃氣發(fā)電技術的不同，其系統(tǒng)構成和工藝過程有很大的差別。從氣化形式上看，生物質氣化過程可以分為固定床氣化和流化床氣化兩大類。

(1)固定床氣化，包括上吸式氣化、下吸式氣化和開心層式氣化，這3種形式的氣化發(fā)電系統(tǒng)現在都有代表性的產品。

(2)流化床氣化，包括鼓泡床氣化、循環(huán)流化床氣化及雙流化床氣化，這3種氣化發(fā)電工藝目前都在研究，其中研究和應用最多的是循環(huán)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)。另外，國際上為了實現更大規(guī)模的氣化發(fā)電方式，提高氣化發(fā)電效率，正在積極開發(fā)高壓流化床氣化發(fā)電工藝。

2.2.2從燃氣發(fā)電過程上分

氣化發(fā)電可分為內燃機發(fā)電系統(tǒng)、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣)蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

(1)內燃機發(fā)電系統(tǒng)，以簡單的內燃機組為主，可單獨燃用低熱值燃氣，也可以燃氣、燃油兩用，它的特點是設備緊湊，系統(tǒng)簡單，技術較成熟和可靠。

(2)燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，采用低熱值燃氣輪機，燃氣需增壓，否則發(fā)電效率較低，由于燃氣輪機對燃氣質量要求較高，并且需有較高的自動化控制水平和燃氣輪機改造技術，所以，一般單獨采用燃氣輪機的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)較少。

(3)燃氣)蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，是在內燃機、燃氣輪機發(fā)電的基礎上，增加余熱蒸汽的聯合循環(huán)，這種系統(tǒng)可以有效地提高發(fā)電效率。一般來說，燃氣)蒸汽聯合循環(huán)生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)，采用的是燃氣輪機發(fā)電設備，而且最好的氣化方式是高壓氣化，構成的系統(tǒng)稱為生物質整體氣化聯合循環(huán)系統(tǒng)。它的一般系統(tǒng)效率可達40%以上，是目前發(fā)達國家重點研究的內容。

2.2.3從發(fā)電規(guī)模上分

生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為小型、中型、大型，如表1所示。

(1)小型氣化發(fā)電系統(tǒng)：簡單靈活，其主要功能為農村照明或作為中小企業(yè)的自備發(fā)電機組，它所需的生物質數量較少，種類單一，可以根據不同生物質形狀選用合適的氣化設備，一般發(fā)電功率小于200kW。

(2)中型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)：主要作為大中型企業(yè)的自備電站或小型上網電站，它適用于一種或多種不同的生物質，所需的生物質數量較多。生物質需要粉碎、烘干等預處理，所采用的氣化方式主要以流化床氣化為主，中型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)用途廣泛，適用性強，是當前生物質氣化發(fā)電技術的主要方式，功率一般為0.53MW。

(3)大型生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)：主要作為上網電站，它適用的生物質較為廣泛，所需的生物質數量巨大，必須配套專門的生物質供應中心和預處理中心，是今后生物質利用的主要方式。該系統(tǒng)功率一般在5MW以上，雖然與常規(guī)能源比仍顯得非常小，但在技術發(fā)展成熟后，它將是今后替代常規(guī)能源電力的主要方式之一。

2.3氣化發(fā)電技術特點

生物質氣化發(fā)電技術是生物質能利用中有別于其他利用技術的一種獨特方式，具有3個特點：

(1)技術有充分的靈活性：生物質氣化發(fā)電可用內燃機，也可用燃氣輪機，甚至結合余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，所以生物質氣化發(fā)電可以根據規(guī)模的大小選用合適的發(fā)電設備，保證在任何規(guī)模下都有合理的發(fā)電效率。這一技術的靈活性能很好地滿足生物質分散利用的特點。

(2)具有較好的潔凈性：生物質本身屬可再生能源，可以有效地減少CO2、SO2等有害氣體的排放。而氣化過程一般溫度較低(約在700900bC)，NOx的生成量很少，所以能有效控制NOx的排放。

(3)經濟性：生物質氣化發(fā)電的靈活性，可以保證在小規(guī)模下有較好的經濟性，同時，燃氣發(fā)電過程簡單，設備緊湊，也使生物質氣化發(fā)電技術，比其他可再生能源發(fā)電技術投資更小。

綜上所述，生物質氣化發(fā)電技術是所有可再生能源技術中最經濟的發(fā)電技術，綜合的發(fā)電成本已接近小型常規(guī)能源的發(fā)電水平。

3生物質氣化發(fā)電的經濟性評估

根據我國目前的經濟環(huán)境和能源價格情況，以華南地區(qū)主要能源價格為例，電力為138.5元/GJ；柴油或LPG為450元/GJ；優(yōu)質煤為14.0元/GJ；劣質煤為10元/GJ；稻草為6.5元/GJ；谷殼為6元/GJ；木屑為6元/GJ。

可以對幾種典型的生物質氣化技術的經濟性指標進行估算，結果如表2所示[3]。從表2中可見，農村氣化供氣的經濟性較差，特別是500戶以下供氣項目，單純從經濟角度考慮是不可行的。而在電力緊張的地區(qū)，如果電價達到138.5元/GJ，即0.5元/(kW#h)，生物質氣化發(fā)電項目都有較好的經濟性，特別對于1MW以上的項目，經濟性更好。

從影響生物質項目經濟性的角度分析，對生物質項目影響最大的因素是能源價格、投資大小和設備運行時間。農村氣化供氣經濟性較差的主要問題是投資較大，規(guī)模太小。生物質氣化發(fā)電的投資也比較高，但由于產出的能源形式，電力價格比較高，所以經濟性仍然較好。

從實際應用情況看，很多生物質氣化項目的用戶雖然單從經濟角度考慮是不可行的，但由于生物質利用項目可以為用戶解決很多相關的問題，如可為缺電、缺燃料的地區(qū)提供電力和潔凈燃料，或可為用戶解決廢料堆放和污染問題(如碾米廠、木材廠等)，所以很多生物質項目雖然投資回收期小于或等于5年，其中主要項目的獲利能力小于或等于0，仍為社會所接受，如生物質氣化供氣項目和小型發(fā)電項目等。

4生物質氣化發(fā)電的社會效益

(1)生物質氣化發(fā)電技術推廣應用的社會效益是明顯的

首先從能源利用角度上看，達到了開源節(jié)流的目的。它可以充分利用能量品位較低的農業(yè)生物質，減少能量品位較高的煤、油等的消耗，從而減少目前/煤荒0、/油荒0帶來的能源資源短缺的壓力。例如：一個1.5MW的生物質氣化發(fā)電設備，每年可以減少柴油耗量超過2000t。

其次，從電力供應的角度看，可以緩解局部地區(qū)日趨緊張的矛盾，對缺少煤炭資源的農村意義更為重大。以南方某個農業(yè)縣為例，如果每年糧食產量達35萬t，則農業(yè)生產的生物質有40萬t以上，只要1/4的生物質能集中起來發(fā)電，即可滿足一個15kW的氣化發(fā)電廠使用。最后，從環(huán)境角度看，它能有效地減少空氣污染。生物質屬潔凈可再生能源，與煤、油相比，其使用過程對空氣的污染極少，而且由于減少農業(yè)生物質在地里焚燒，可以進一步減少CO2等有害氣體的釋放。

(2)利用農業(yè)生物質發(fā)電具有顯著的間接經濟效益

它能極大地提高農業(yè)的產出，增加農民的收入，從而提高農業(yè)的經濟效益。以往，農業(yè)生物質作為一種生產的副產物，利用價值不大?，F在進行氣化發(fā)電，具有較高的使用價值，農業(yè)的經濟效益自然提高。以水稻為例，假如每畝地(1畝=666.6m2)每年產量為800kg，其稻草、稻殼約為800kg。以往這些生物質價格很低，現收購用于發(fā)電，以100元/t計，則每666.6m2增收0.12元，約相當于原來稻谷收入的15%。也就是說，每單位耕地的產出可以增加約15%，這是相當可觀的數字。另一方面，農民所增加的收入也反映在氣化發(fā)電廠的成本核算上，如15MW的生物質氣化發(fā)電廠，每年用于收購農業(yè)生物質的成本約1000萬元，這些基本為農民所得?？偟膩碚f，利用農業(yè)生物質進行氣化發(fā)電，對農村的建設及農業(yè)現代化有著較大的意義[4]。

5生物質氣化發(fā)電的應用前景

雖然新能源的發(fā)展面臨成本、政策立法和公眾意識等多方面的障礙，但在全球變暖、油價上漲等因素的推動下，新能源在替代傳統(tǒng)能源方面有著巨大潛力。隨著技術進步，新能源在未來不長的時間內就可能明顯改變世界能源格局。

有專家認為，生物質能源將成為未來持續(xù)能源的重要組成部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質能源。目前，世界各國在調整本國能源發(fā)展戰(zhàn)略中，已把高效利用生物質能擺在技術開發(fā)的一個重要地位，作為能源利用的重要課題。目前歐洲生物質能約占總能源消費量的2%，預計15年后將達到15%。制定的計劃要求到2020年，生物質燃料將代替20%的石化燃料。荷蘭要求到2010年生物質發(fā)電量達1.5TW#h，比2000年提高10倍。美國在生物質發(fā)電方面發(fā)展較快，目前已裝機9GW，并以每年7%的速度增加，預計到2010年計劃總裝機容量達到6.1GW，到2020年將達到200TW[5]。同時，其他國家也制定了相應得生物質能開發(fā)研究計劃，如日本的新陽光計劃，巴西的乙醇能源計劃等。

我國即將出臺5可再生能源開發(fā)利用法6，以加快新能源開發(fā)領域的步伐，緩解已經出現的能源緊張問題?？梢灶A期，未來幾十年內，生物質氣化發(fā)電將成為我國發(fā)展最快的新型產業(yè)之一。

參考文獻：

[1]中國社會科學院環(huán)境與發(fā)展研究中心.中國環(huán)境與發(fā)展評論[M].北京：文獻出版社.2004.

[2]馬隆龍，吳創(chuàng)之，孫立.生物質氣化技術及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社.2003.

[3]吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質能現代化利用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社.2003.

[4]吳創(chuàng)之，羅曾凡，陰秀麗.農村生物質氣化發(fā)電技術應用分析[J].新能源.1995，17(5)：511.

[5]朱錫鋒.生物質熱解原理與技術[J].中國科學技術大學.2004．