PDF《生物质能分布式利用发展趋势分析》

吴创之 阴秀丽 刘华财 陈勇中国科学院广州能源研究所 广州

510640 摘要 分布式生物质能源技术对原料种类适应性强,项目规模灵活、可满足特殊用户的需 求,在小规模下具有更好的经济性,更易于商业化发展,符合生物质资源特点和我国国 情.

生物质能分布式利用方式主要包括生物质成型燃料和生物燃气两方面,关键技术包括 生物质成型燃料加工及燃烧、大中型沼气工程技术、生物质气化热解及燃气利用等.我国 分布式生物质能源技术目前主要处于进行技术完善和应用示范阶段,预计到

2030 年前大部 分关键技术将基本成熟,具备产业化的条件.我国分布式生物质能产业发展的主要方向是 传统燃煤燃气替代、城镇/农村清洁生活能源供应和农村生态环境保护,发展重点是服务节 能减排战略,利用生物质实现部分替代工业燃料,减少燃煤/燃油带来的污染,同时围绕国 家新型城镇化战略,为新农村建设提供可持续的清洁能源,提高农村生态环境保护水平. 目前制约分布式生物质能产业发展的最主要瓶颈是经济性和可靠性,国家应在技术创新和 政策支持方面增加投入,将生物质能的环境效益和社会效益转化为成本效益,推动生物质 能分布式利用产业的发展. 关键词 生物质能,分布式,成型燃料,生物燃气,路线图 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.005

1 生物质能分布式利用的意义 1.1 分布式利用符合生物质资源的特点 生物质资源来源多样、能量密度较低、分布分散,这些资源特点决定了因地制宜、分 布式利用是发展生物质能产业的必然要求.资源供应方面,应该就地开发、利用,不必长 距离运输,有效降低运输成本,符合生物质资源密度低,分布分散的自然属性;

能源使用 方面,应该就近使用,直接面向终端用户,多余能源可外送;

管理运行方面,应该具备独 立运行的能力和条件,必要时可以联网或与化石能源互补相利用. 分布式生物质能源技术应用的规模很灵活,可根据当地的实际情况满足不同的需要, 生物质能分布式利用发展趋势分析* *资助项目:中科院学部咨 询项目 大力发展分布式 可再生能源应用和智能微 网 ,国家自然科学基金 (51176194) 修改稿收到日期:2016年1 月21日 专题:分布式可再生能源和智能微网 The Distributed Renewable Energy and Smart Micro Grid System

192 2016年.第31卷.第2期如,既可以建设小型发电站,也可以作为居民生活燃 气,甚至可作为供热、工业窑炉的燃料等,是真正实现 生物质能 因地制宜 开发利用的有效途径.而且从产 业化上看,由于分布式生物质能源技术对原料种类和规 模适应性强,项目规模要求小、资金门槛要求低、投资 回报高,对各种用户需求的适应性较好,不同的规模下 都具有一定的经济性,所以生物质能分布式利用比集中 式利用更易于商业化.总的来说,分布式生物质能源技 术符合中国生物质资源分散的特点,适合分散利用和工 业应用,具有较强的适应能力和生存能力,在中国发展 分布式生物质能源技术有广阔的应用前景. 1.2 生物质能分布式利用符合我国发展现状 我国经济发展不平衡,各地居民能源消费结构有较 大差异.一方面,目前仍有约 1.33 亿户农村家庭将传统 生物质能作为主要炊事或采暖能源,许多中西部农村地 区仍然以秸秆、薪柴等直接燃烧的传统生物质能源作为 主要生活能源;

另一方面,随着东部沿海地区农村经济 的发展和生活水平的提高,传统生物质能作为生活能源 的情况已大幅减少,大量作物秸秆被遗弃在田间地头, 就地焚烧,空气污染十分严重. 我国正在大力推进新型城镇化及新农村建设,需 要大量的清洁能源供应,在广大农村地区充分利用丰富 廉价的生物质资源,加快生物质产业的发展,是解决农 村今后能源持续供应的有效途径.生物质能作为来源于 农林副产物的清洁能源,可以为农村城镇化提供生活能 源,包括采暖、燃气和电力等,形成农村能源自产自销 的新型供应模式.而分布式生物质能转化技术是最适合 农村分散利用的产业化方向,如利用秸秆为农村提供 热、电、气等生活能源,是新农村摆脱燃煤依赖的有效 措施.

2 生物质能分布式利用发展现状 生物质能分布式利用的主要方式是成型燃料和生 物燃气(沼气和气化).生物质成型燃料和生物燃气与 传统化石燃料的使用习惯一致,是煤或天然气的良好替 代品,符合可持续发展的要求,实现了低品位燃料向高 品位、低污染燃料的转变,可广泛用于各种小型热水锅 炉、热风炉、家庭取暖炉或壁炉,不仅可解决城乡家庭 的炊事取暖,也可用于小型发电供暖设施,为中小热电 厂能源结构的调整创造条件. 2.1 国外生物质能分布式利用现状 (1)成型燃料生产及应用.欧洲以及其他大部分 地区生产成型燃料主要以木质生物质为原料.目前大部 分用于各种小型热水锅炉、热风炉、家庭取暖炉或壁 炉,部分用于小型社区热电联供电站,满足居民供暖需 求.我国在新型城镇化规划中明确提出农村可再生能源 在10 年后要求达到 13%,其中利用生物质成型燃料为农 村、小城镇住户提供炊事和采暖能源,将是一个重要的 途径. 生物质固体颗粒燃料除通过专门运输工具定点供应 给发电厂和供热企业以外,还以袋装的方式在市场上销 售,已经成为许多家庭首选的生活燃料.2014 年,全球 木质颗粒产量达

2 410 万吨,欧盟约占 62%,北美地区约 占34%(图1).最大的生产国依次为美国(总产量的 26%)、德国(10%)、加拿大(8%)、瑞典(6%)和 拉脱维亚(5%)[1] .欧盟国家消费了世界上最多的木质 颗粒,2013 年消耗量为

1 500 万吨. (2)生物燃气生产及应用.生物燃气是指从生物 质转化而来的燃气,包括沼气、合成气和氢气.目前沼 图1木质颗粒燃料生产量 [1] (百万吨) 24.1百万吨 世界其他地区 亚洲其他地区 中国 俄罗斯 美国、加拿大和墨西哥 欧盟 院刊

193 气具有较大的成本优势,所以生物燃气经常特指沼气. 据国际能源署统计,2012 年,欧洲地区在运行的沼气发 电厂超过

13 800 家,装机容量 7.5 吉瓦.大部分是热电 联产,小部分被送入天然气管网,发电量和供热量分别 达44.5 吉瓦时和 1.1*105 吉焦.2013 年底,德国的沼气 生产厂已达

8 000 家左右,装机容量约 3.8 吉瓦,98% 用 于发电,并实行热电联供,当年供电 2.7*104 吉瓦时,供热1.2*104 吉瓦时,分别占全国供电和供热总量的 4.2% 和0.8%,据估计到

2020 年,生物燃气发电总装机容量将 达到

9 500 兆瓦.另有

169 家沼气厂向天然气管网输气, 输气量达

9 亿立方米. 2.2 我国生物质能分布式利用现状 (1)成型燃料生产及应用.近年我国开始重视生 物质成型燃料产业的发展,国家发改委在《可再生能 源长期发展规划》中提出,力争在

2020 年达到颗粒燃 料年利用量

5 000 万吨的目标.目前国内生物质成型燃 料主要应用于工业高温蒸汽供应,包括钢铁、纺织、 印染、造纸、食品、化工等行业,由于国内生物质成 型燃料行业还处起步阶段,企业分散,没有统一的行 业标准和产品标准,很难统计具体的产业规模,估算 为500 万吨/年左右.国家能源局在《2014 年能源工作 指导意见》强调年内新增生物质工业和民用供热折算分 别为

200 万吨和

80 万吨(蒸汽),而根据发改委、国家 能源局和环保部《关于印发能源行业加强大气污染防治 工作方案的通知》,争取

2017 年生物质成型燃料利用 量超过

1 500 万吨. (2)生物燃气生产及应用.我国生物质能资源丰 富,可用于制取生物燃气的资源品种繁多,包括作物秸 秆、畜禽粪便、林业废弃物等.据统计,我国每年可 用于生产生物燃气的资源总量约折合

7 亿吨标准煤(表1).若考虑技术可行性和市场竞争能力,目前可利用 的资源量约为 2.5 亿吨标准煤,可生产沼气量为

1 990 亿 立方米,约折合天然气

1 200 亿立方米,相当于我 国2014 年天然气消费量

1 800 亿立方米的 2/3. 表1 中国生物燃气资源潜力[2] 资源类型 总资源量 目前可利用资源量 实物量 (亿吨/年) 沼气当量 (亿立方米) 实物量 (亿吨/年) 产气量 (亿立方米) 畜禽粪便 25.0

1 500 12.5

750 作物秸秆 6.0

2 900 1.2

580 林业废弃物 2.7

1 500 0.8

450 农产品加工废弃物 2.0

60 1.0

30 污水污泥 0.1 (干重)

20 0.1

20 城乡生活垃圾 2.0

60 2.0

60 有机污水 20.0

100 20.0

100 农村人粪尿 ―

80 ― ― 合计

7 亿吨标煤

6 220 2.5 亿吨标煤

1 990 近年来,我国生物燃气产业取得较大进展,生物燃 气产量已达

150 亿立方米/年,实现 CO2 减排

765 万吨, 大中型生物燃气工程约

4 000 多个.但总的来看,我国处 理农业有机废弃物的沼气工程由于相对规模小,又远离 城镇,产生的沼气仅有少量用于发电和集中供气(沼气 发电用气量约占总产气量的 2.53%,集中供气约占总产 气量的

1 %),大量的沼气用于养殖场自身的生产、生活 燃料.农业沼气工程平均池容只有

283 立方米,池容在

1 000 立方米以上的大型沼气工程仅占 9% 左右,沼气技 术和产业的发展急需转型升级. (3)生物质气化发电及燃气应用.生物质气化发 电及燃气应用是具有我国特色的生物质能分布式利用方 式.基于生物质热解气化技术,我国开发出生物质热解 气化集中供气系统,以满足农村居民炊事和采暖用气, 相关技术已得到初步应用.其中,利用生物质热解炭化 技术,建设生物质炭、气、油多联产系统,为农村居民 提供生活燃气,同时生产生物质炭和生物焦油,取得了 较好的经济社会效益,在湖北、安徽和河南等地得到初 步推广,具有较好的发展前景.在生物质气化发电方 面,目前已开发出多种以木屑、稻壳、秸秆等生物质为 原料的固定床和流化床气化炉,成功研制了从

400 千瓦 到10 千瓦的不同规格的气化发电装置,出口到泰国、缅194 2016年.第31卷.第2期甸、老挝和我国的台湾地区,是国际上中小型生物质气 化发电应用最多的国家之一.

3 生物质能分布式利用的主要技术 目前有多种生物质能源分布式利用技术已基本成 熟,且最有可能实现市场化,包括沼气、生物质成型、 生物质气化、生物质采暖供热利用等,相关核心技术发 展现状如图

2 所示. 3.1 大中型沼气技术 沼气工程所处理的有机废弃物比较广泛,如:畜禽 粪便、青贮饲料、过期的残粮、厨余残渣、生活有机垃 圾、动物屠宰的废弃物、农副产品加工的废弃物等,或 由上述几种有机废物混合构成.由于我国近

10 年畜牧 养殖发展很快,畜禽粪便排放总量远远超过环境承载能 力,政府希望通过沼气工程建设项目的实施,基本解决 重点区域畜禽养殖场对周围环境的污染问题.因此,沼 气工程将发挥多功能的作用(生产能源、综合利用及环 境保护等),具有广阔的应用前景. 大中型沼气工程已非常成熟,是生物质能分布式利 用的主要方式,也是目前产业化发展最好生物质能利用方 向之一.然而,我国传统的沼气利用方式以家用沼气池为 主,规模小,效率低;

而大中型沼气工程与国外技术相比 仍存在较大差距,设备工艺和制造技术水平不高,如国际 上CSTR 工艺的产气率可达

15 m3 . m-3 . d-1 ,热电系统率达 90%,而我国产气率仅为 0.8―5.0 m3 . m-3 . d-1 ,发电效率 仅为 35%.目前我国已建的大中型畜禽粪污沼气工程在工 艺设计阶段没有考虑充分利用资源,大多数没有采用热电 联供,常温发酵或外加热源近中温发酵工艺在冬季不能维 持稳定产气,能源净输出率很低. 3.2 生物质成型技术 成型技术主要有两类:一类是颗粒燃料成型机,不 同规格的环模机是颗粒燃料成型机的主流机型;

另一类 是棒状或块状成型机,棒状或块状成型燃料主要在农场 应用,原料是作物秸秆,绝大多数是大螺距、大直径挤 压机,也有液压驱动活塞冲压式成型机.目前生物质成 型燃料从原料收集、干燥、粉碎、包装、销售环节全部 实现了生产线生产,自动化、规模化和商业化程度都很 高,单机生产规模大都在每小时

2 吨以上. 我国生产成型燃料以农作物秸秆为主要原料,秸秆 成型特性、燃烧特性方面与林业剩余物有很大不同,不 能照搬国外的技术以及设备.目前在生物质冲压式压块 技术及装置、挤压式压块技术及装置、烘烤炭技术及装 置等方面有了明显的进步,但我国生物质成型机还普遍 存在着能耗过高、磨损严重和使用寿命短等问题,需要 进一步加强技术研发改进,提高能源利用效率.另外, 秸秆燃料锅炉燃烧应用技术还不成熟,还缺乏核心技术 和设备,尚无技术成熟的锅炉产品制造厂家,锅炉燃烧 中容易出现结渣、结焦、腐蚀和飞灰严重等问题,运行 维护不易.因此,提高锅炉对秸秆成型燃料的适应性, 是大规模推广生物质成型燃料的关键技术之一. 3.3 生物质气化技术 生物质气化的主要优势是将难以燃用的生物质低品 位燃料转化为燃气,实现清洁和高效燃烧,是生物质分布 式利用的有效途径.我国的小规模生物质气化及利用技术 达到了国际先进水平,尤其在气化发电和生物燃气替代工 业燃料方面.但是总体来看,目前气化设备对燃料的适应 性较差,对原料水分、灰分或热值的变化比较敏感;

气化 发电还存在效率偏低、稳定性较差和燃气净化系统太复杂 图2分布式生物质能源技术现状 赢利能力沼气工程及其常规应用成型燃料用于工业供热和生活采暖生物质气化燃气代替燃油燃气垃圾及生物质直燃发电废油制备生物柴油生物质气化发电沼气制备生物燃气生物质热解液化纤维素燃料乙醇淀粉制备燃料乙醇气化合成燃料生物质制备化工品能源植物能源藻催化制备航空燃料具备与常规能 源竞争的能力 在补贴下可以 形成产业 目前不具备进 入市场的条件 技术产业化时间预测 2010年2015年2020年 院刊

195 等问题,需要提高生物质气化效率及其自动化控制水平;

生物质燃气燃烧存在燃气和常规燃烧设备(如锅炉、窑炉 等)匹配技术不成熟等问题,急需解决生物质燃气高效燃 烧、气化系统与工业锅炉/窑炉耦合调控等关键技术.所 以开发新型的生物质气化技术和设备,完善并提高燃气利 用效率,建设示范工程,形成分布式生物质气化利用的商 业化解决方案,是生物质气化技术发展的主要方向. 3.4 生物质热解技术 生物质热解技术可将低品位生物质转化为高品位的 木炭、燃油等,是高值化利用生物质的主要方式之一.我 国生物质热解技术方面研究较早,但产业化进展缓慢,主 要是因为研究以单项技术为主,缺乏系统性,与欧美等国 相比还有较大差距.特别是在高效反应器研发、工艺参数 优化、液化产物精制以及生物燃油对发动机性能的影响 等方面存在明显差距.同时,热解技术还存在如下一些问 题:生物油成本通常比矿物油高,生物油同传统液体燃料 不相容,需要专用的燃料处理设备;

生物油是高含氧量碳 氢化合物,物理、化学性质不稳定,长时间贮存会发生相 分离、沉淀等现象,并具有腐蚀性;

由于物理、化学性质 的不稳定,生物油目前不能直接用于现有的动力设备,必 须经过改性和精制后才可使用;

这些都是阻碍生物质热解 规模化利用的瓶颈所在.针对以上存在的差距和问题,今 后的研究重点是如何提高液化产物收率,寻求高效精制技 术,提高生物油品质,降低运行成本,实现产物的综合利 用和工业化生产等.

4 生物质能分布式利用发展前景分析 4.1 生物质能分布式利用发展潜力分析 发展分布式生物质能的关键是因地制宜,不能脱离 当地的社会经济发展条件,追求不切实际的发展目标.我 国目前开发利用生物质能的主要功能是环保和节能,目的 是减少污染,提供经济、可行的洁净替代能源,减少化石 能源的压力.在定位上........