(5.7)-生物質(zhì)發(fā)電生活中的新能源

2/4/20241生物質(zhì)能源發(fā)電技術(shù)2/4/20242參考書目《可再生能源發(fā)電技術(shù)》程明等編著，機械工業(yè)出版社；《可再生能源發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用瓶頸》，王子琦等主編，中國水利水電出版社；《可再生能源發(fā)電》，孫冠群等編著，機械工業(yè)出版社；《生物質(zhì)能及其發(fā)電技術(shù)》，中國電力科學(xué)研究院生物質(zhì)能研究室編，中國電力出版社2/4/2024331.生物質(zhì)的燃燒發(fā)電技術(shù)2.生物質(zhì)的氣化發(fā)電技術(shù)3.生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)能發(fā)電基本形式2/4/202444生物質(zhì)能具有以下特點：

a.生物質(zhì)利用過程中具有二氧化碳零排放特性；由于生物質(zhì)在生長期需要的CO2相當(dāng)于它排放的CO2的量，因而生物質(zhì)能的利用對大氣的CO2凈排放量近似等于零，可有效降低溫室效應(yīng)；

b.生物質(zhì)含硫、含氮都較低，灰分含量也較少，燃燒后SOx、NOx和灰塵排放量都較化石燃料小得多，是一種清潔的燃料；

c.生物質(zhì)資源分布廣、產(chǎn)量大、轉(zhuǎn)化方式多種多樣；2/4/202455d.生物質(zhì)單位質(zhì)量熱值較低，而且一般生物質(zhì)中水分含量大而影響了生物質(zhì)的燃燒和熱解特性；e.生物質(zhì)的分布比較分散，收集運輸和預(yù)處理的成本較高；

f.可再生性。生物質(zhì)通過植物的光合作用可以再生，與風(fēng)能、太陽能等同屬于可再生能源，其資源豐富，可保證能源的永續(xù)利用。2/4/202466我國發(fā)展和利用生物質(zhì)能源的意義拓寬農(nóng)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域、增加農(nóng)民收入緩解我國能源短缺、保證能源安全治理有機廢棄物污染、保護生態(tài)環(huán)境廣泛應(yīng)用生物技術(shù)、發(fā)展基因工程2/4/202477由于電能具有清潔、易傳輸、易使用等優(yōu)良特性，只要提供電能，幾乎所有的設(shè)備都可以滿足各自的需要。因而生物質(zhì)能除了直接轉(zhuǎn)化成熱能供消費外，最終消費形式還是以轉(zhuǎn)化成電能為主。生物質(zhì)能的發(fā)電主要有沼氣發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電以及生物質(zhì)燃料發(fā)電等形式。2/4/202488生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)示意圖2/4/2024991.生物質(zhì)的燃燒發(fā)電技術(shù)燃燒：燃料中的可燃成分與氧發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中釋放出大量熱量，并使燃燒產(chǎn)物的溫度升高。生物質(zhì)燃燒過程的四個階段：預(yù)熱和干燥階段揮發(fā)分析出及木炭形成階段揮發(fā)分燃燒階段固定碳燃燒階段2/4/20241010生物質(zhì)燃燒技術(shù)：主要分為層燃、懸浮燃燒和流化床等三種形式。層燃過程

層燃過程：爐排和灰渣層預(yù)熱冷空氣，在氧化層預(yù)熱的空氣與熾熱的木炭相遇發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，大量消耗氧氣并生成二氧化碳和一氧化碳，在氧化層末端氣體的溫度將達到最高；在還原層，氣流中二氧化碳與碳起還原反應(yīng)，即CO2+C→2CO，溫度越高，速度越快；生物質(zhì)投入爐中形成的新燃料層被加熱干燥、干餾，將水汽、揮發(fā)分等帶離燃料層進入爐膛空間，揮發(fā)分及一氧化碳著火燃燒，形成木炭。 形式：固定爐排、滾動爐排、振動爐排、往復(fù)推動爐排等。2/4/20241111生物質(zhì)直燃發(fā)電

生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電技術(shù)類似于傳統(tǒng)的燃煤技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)基本達到成熟階段。在發(fā)達國家，目前生物質(zhì)燃燒發(fā)電方式占可再生能源（不含水電）發(fā)電量的70%左右。自2004年以來，秸稈發(fā)電技術(shù)開始在我國推廣和普及，目前，在我國江蘇、山東、河北等地建有多個生物質(zhì)秸稈發(fā)電廠。2/4/20241212生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電

受燃料的來源、運輸和儲存等問題限制，純生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)基本用于小型生物質(zhì)發(fā)電廠，生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電則充分利用了現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備，在現(xiàn)階段是一種低成本、低風(fēng)險可再生能源利用方式，可用于大型生物質(zhì)發(fā)電廠。2/4/202413

生物質(zhì)混燃發(fā)電方式的比較發(fā)電方式直接混燃間接混燃技術(shù)特點生物質(zhì)與煤直接混合后在鍋爐中燃燒生物質(zhì)氣化后與煤在鍋爐中一起燃燒主要優(yōu)點技術(shù)簡單、使用方便；不改造設(shè)備情況下投資最省通用性較好、對原燃煤系統(tǒng)影響很小；經(jīng)濟效益明顯主要缺點生物質(zhì)處理要求較嚴、對原系統(tǒng)有些影響增加氣化設(shè)備、管理較復(fù)雜。有一定的金屬腐蝕問題應(yīng)用條件木材類原料、特種鍋爐要求處理大量生物質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)2/4/20241414目前我國對垃圾處理的主要手段：填埋和焚燒填埋是大量消納城市生活垃圾的有效方法，所謂直接填埋法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的。焚燒法是將垃圾置于高溫爐中，使其中可燃成分充分氧化的一種方法，產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電和供暖。隨著中國“十一五”規(guī)劃對發(fā)展新能源，提倡環(huán)保型循環(huán)經(jīng)濟的進一步重視，國家對垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)的政策扶持會繼續(xù)加強。2/4/20241515城市廢棄物焚燒發(fā)電利用焚燒爐對城市廢棄物中可燃物質(zhì)進行焚燒處理，通過高溫焚燒后消除城市廢棄物中大量的有害物質(zhì)，達到無害化、減量化的目的，同時利用回收到的熱能進行供熱、供電，達到資源化利用。隨著中國城市建設(shè)的發(fā)展和社會進步，城市廢棄物的構(gòu)成已發(fā)生了質(zhì)的變化，有機物含量開始高于無機物含量。廢棄物組成正由多灰、多水、低熱值向較少灰、較高熱值的方向發(fā)展，給中國城市廢棄物的焚燒處理奠定了基礎(chǔ)。焚燒處理是目前國際使用較為普遍的城市廢棄物處理方法之一。2/4/20241616垃圾焚燒發(fā)電的效益（1）資源化

垃圾焚燒后熱量用于發(fā)電，做到廢物綜合利用。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料稱，截至2005年，我國城市垃圾清運量已達1×1013t/a，若按平均低位熱值2900kJ/kg，相當(dāng)于1.4×107t標(biāo)煤。如其中有1/4用于焚燒發(fā)電，年發(fā)電量可達60億度，相當(dāng)于安裝了1200MW火電機組的發(fā)電量。2/4/20241717（2）無害化 垃圾焚燒發(fā)電可實現(xiàn)垃圾無害化，因為垃圾在高溫(1000℃左右)下焚燒，可進行無菌和分解有害物質(zhì)，且尾氣經(jīng)凈化處理達標(biāo)后排放，較徹底地?zé)o害化。（3）減量化 垃圾焚燒后的殘渣，只有原來容積的10%～30％，從而延長了填埋場的使用壽命，緩解了土地資源的緊張狀態(tài)。因此，興建垃圾電廠十分有利于城市的環(huán)境保護，尤其是對土地資源和水資源的保護，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。18生物質(zhì)燃燒的污染排放與控制生物質(zhì)燃燒主要污染物及其對環(huán)境的影響污染物來源對大氣、環(huán)境和人類健康的影響煙塵未完全燃燒的炭顆粒、飛灰及鹽分等影響人類呼吸系統(tǒng)，致癌CO2燃燒的主要產(chǎn)物溫室效應(yīng)（生物質(zhì)生長期要吸收CO2，對環(huán)境的影響可抵消）CO未完全燃燒的產(chǎn)物通過O2形成非直接的溫室效應(yīng)NOx（NO、NO2）一般為生物質(zhì)含有的N；另外，一定條件下可由空氣中的N形成溫室效應(yīng)，酸雨，破壞植被，形成煙霧，腐蝕材料；影響人類呼吸系統(tǒng)SOx（SO2、SO3）生物質(zhì)中含有的S酸雨，破壞植被，形成煙霧，腐蝕材料；影響人類呼吸系統(tǒng)HCl生物質(zhì)中含有Cl酸雨，破壞植被，腐蝕材料；影響人類呼吸系統(tǒng)重金屬生物質(zhì)中含有的重金屬在食物鏈中積累，有毒素，致癌2/4/202419生物質(zhì)燃燒發(fā)電工程瓶頸技術(shù)問題發(fā)電設(shè)備問題生物質(zhì)燃燒發(fā)電燃料問題建設(shè)和運營陳本2/4/202420技術(shù)問題生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長的干燥時間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高。生物質(zhì)發(fā)熱量低，爐內(nèi)溫度場偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難。由于生物質(zhì)揮發(fā)成分含量高，燃料著火溫度較低，一般在250-350℃溫度下?lián)]發(fā)成分就大量析出并開始劇烈燃燒，此時若空氣供應(yīng)量不足，將會增大燃燒的化學(xué)不完全燃燒損失。揮發(fā)成分析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢、燃盡困難，如不采取適當(dāng)?shù)谋匾胧?，將會?dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大機械不完全燃燒損失。2/4/202421此外，生物質(zhì)密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起，因而懸浮燃燒的比例較大；生物質(zhì)燃料含有較高的堿金屬，燃燒過程中容易析出與燃料中的非金屬元素反應(yīng)生成低熔點的共晶化合物，造成鍋爐結(jié)渣等。這些特性決定了其燃燒方式及鍋爐型式的不同特點。由于每種技術(shù)都有各自的特點，所以在選擇技術(shù)路線時，必須充分考慮項目所在地的實際情況，采用最適合的技術(shù)。2/4/202422發(fā)電設(shè)備問題鍋爐效率低丹麥進口的高溫高壓水冷振動爐排鍋爐，其秸稈單耗可控制在1200g/（kW.h）以下，有的甚至可低于10001200g/（kW.h），我國的一般在1600-2000g/（kW.h），甚至超過2000g/（kW.h）。設(shè)備穩(wěn)定性差一般需要經(jīng)歷2-3年的不穩(wěn)定運行期，甚至更長，最長連續(xù)生產(chǎn)時間僅為3個月左右，最短還不到1個月。2/4/202423生物質(zhì)燃燒發(fā)電燃料問題燃料成本的高低將直接影響生物質(zhì)電廠的經(jīng)濟效益。據(jù)專家調(diào)查和測算，收集秸稈在15km半徑范圍內(nèi)，其運輸成本增加很少；半徑15km可以提供的秸稈為10km的一倍以上。可在此范圍內(nèi)有選擇性地收購，以有效防范秸稈收購價格被惡意抬升的風(fēng)險。2/4/202424建設(shè)和運營成本生物質(zhì)燃燒發(fā)電廠的建設(shè)投資成本高，單位投資成本一般為8000-10000元/kw左右，相當(dāng)于火電廠的2倍。燃燒成本高達0.40-0.60元/（kw.h），加上財務(wù)成本、設(shè)備折舊等費用，即使售電價0.75元/（kw.h），仍難以盈利。2/4/202425252.生物質(zhì)的氣化發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)為原料，以氧氣（空氣或者富氧、純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)化為可燃氣的過程。生物質(zhì)氣化時產(chǎn)生的生物質(zhì)燃氣，主要有效成份為CO、H2和CH4等。2/4/20242626生物質(zhì)氣化工藝

根據(jù)所處氣體的環(huán)境，生物質(zhì)氣化可分為空氣氣化、富氧氣化、水蒸氣氣化和熱解氣化名稱氣化劑評價空氣氣化空氣最簡單、最經(jīng)濟，燃氣中含大量氮氣（50～55％），燃氣熱值較低富氧氣化氧氣生成與城市煤氣相當(dāng)?shù)闹袩嶂等細狻Ｐ柚蒲踉O(shè)備，電耗和成本增加水蒸氣氣化水蒸氣生成中熱值燃氣，燃氣H2含量高。需蒸汽發(fā)生器和過熱設(shè)備，系統(tǒng)獨立性差熱解氣化無又稱干餾氣化，產(chǎn)生固定炭、焦油和可燃氣，中熱值燃氣2/4/20242727生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)按燃氣發(fā)電方式可分為內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)、燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)及燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。生物質(zhì)氣化發(fā)電1-煤氣發(fā)生爐；2-煤氣冷卻過濾裝置；3-煤氣發(fā)動機；4-發(fā)電機；5-配電盤；6-離心過濾器；7-灰粉收集器；8-底座；9-燃料輸送帶；10-生物質(zhì)燃料2/4/20242828城市固體廢棄物氣化熔融技術(shù)垃圾焚燒對大氣環(huán)境造成二次污染。新一代的廢物處理技術(shù)——城市固體廢棄物氣化熔融技術(shù)是結(jié)合生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)和高溫熔融技術(shù)，提出并發(fā)展起來的，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳霸摷夹g(shù)應(yīng)用主要集中在西歐、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)。氣化熔融技術(shù)是先將廢棄物送入氣化爐，在400～700℃的還原性氣氛下廢棄物中的有機物迅速熱解或者氣化，產(chǎn)生可燃氣體，大部分金屬在還原性氣氛中不會被氧化，可以隨底渣排出，經(jīng)過磁選或重力分離后可進一步回收利用。分選后的底渣中含二惡英和重金屬都很少，可以直接填埋。氣化爐中生成的可燃氣體進入燃燒熔融爐，在較低的過量空氣系數(shù)下完全燃燒，使含碳灰渣在1350～1400℃條件下熔融，成為玻璃態(tài)物質(zhì)，二惡英完全分解、重金屬被固化到熔渣中，高溫?zé)煔饨?jīng)過余熱鍋爐和煙氣凈化處理系統(tǒng)后排出。2/4/202429生物質(zhì)氣化發(fā)電工程瓶頸生物質(zhì)收集和預(yù)處理二次污染裝備技術(shù)水平限制2/4/202430生物質(zhì)收集和預(yù)處理因為生物質(zhì)能量密度低和分散，其收集和運輸費用是生物質(zhì)價格的主要部分。另外，生物質(zhì)預(yù)處理葉需要設(shè)備投資。這兩部分增加了生物質(zhì)氣化發(fā)電的運行費用。當(dāng)生物質(zhì)價格高于200元/t，產(chǎn)電價格將達到0.5元/（kw.h），生物質(zhì)氣化發(fā)電將失掉競爭力。當(dāng)前情況下，如果生物質(zhì)收集范圍大于50km，氣化發(fā)電價格就會大于電網(wǎng)價格（0.55）元/（kw.h），而失掉經(jīng)濟型方面的優(yōu)勢。2/4/202431二次污染氣化過程中的氣體凈化、除焦等環(huán)節(jié)產(chǎn)生二次污染問題-----廢水廢水處理-----成本較高，生物質(zhì)氣化發(fā)電廠越小，廢水處理成本越高。2/4/202432裝備技術(shù)水平限制在氣化側(cè)：我國尚未建立氣化系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及施工規(guī)范，燃氣凈化及焦油的處理技術(shù)落后，整套裝置的可靠性差、使用壽命短。在發(fā)電側(cè)：燃氣輪機對燃氣質(zhì)量要求高，未實現(xiàn)國產(chǎn)化，系統(tǒng)造價高；內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)較簡單，但是燃燒效率較低，造成整體氣化發(fā)電效率不高。2/4/202433333.生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù)沼氣發(fā)電

沼氣是一種微生物在厭氧條件下分解有機物產(chǎn)生的可燃性氣體，它的主要成分是甲烷、二氧化碳和少量的硫化氫、氨、氫、一氧化碳、氮、氧等氣體。其中甲烷約占50～70％，二氧化碳約占30～40％，其他成分含量極少，約占總體積的5％。

沼氣利用是一種生物質(zhì)獲取清潔能源的有效途徑。沼氣可用作燃料及化工原料，沼氣裝置排出的料液和沉渣，可用作肥料和飼料。2/4/20243434沼氣發(fā)酵原理 發(fā)酵是復(fù)雜的生物化學(xué)變化，有許多微生物參與。根據(jù)三階段理論，沼氣發(fā)酵可以分為如下三個階段：液化階段——發(fā)酵性細菌分泌胞外酶，水解復(fù)雜有機物；發(fā)酵性細菌通過發(fā)酵作用獲得有機酸和醇類物質(zhì)產(chǎn)酸階段——產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機酸和醇類分解轉(zhuǎn)化為乙酸、H2和CO2，耗氫產(chǎn)乙酸菌利用H2＋CO2或者代謝方式產(chǎn)生乙酸產(chǎn)甲烷階段——產(chǎn)甲烷菌在厭氧條件下將前3群細菌代謝終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CH4和CO2要正常地產(chǎn)生沼氣，必須為微生物創(chuàng)造良好的條件，使它能生存、繁殖。2/4/202435沼氣發(fā)電工程瓶頸資源條件技術(shù)產(chǎn)業(yè)化條件現(xiàn)有機制條件2/4/202436資源條件飼養(yǎng)量小飼養(yǎng)場規(guī)模小2/4/202437技術(shù)產(chǎn)業(yè)化條件大中型沼氣工程的設(shè)計及施工沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；自動化程度仍待提高；一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備還未達到工業(yè)化和商業(yè)化的要求；菌種的生產(chǎn)與供應(yīng)還未達到產(chǎn)業(yè)化程度。2/4/20243838

現(xiàn)有機制的制約首先，我國尚未建立嚴格的環(huán)境污染處罰體系，禽畜糞便和工業(yè)有機廢水超標(biāo)排放的企業(yè)不需要為自身造成的環(huán)境污染等支付相應(yīng)的成本，致使企業(yè)缺乏投資沼氣工程治理污染的積極性；其次，目前沼氣發(fā)電工程建設(shè)規(guī)模一般較小，屬于典型的分布式發(fā)電。中國目前尚缺乏大規(guī)模分布式電站運行管理的經(jīng)驗，致使沼氣發(fā)電的并網(wǎng)和售電遇到許多困難。中國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的基本要求要求發(fā)電技術(shù)對生物質(zhì)種類的適應(yīng)性較強；生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模上要有靈活性；生物質(zhì)發(fā)電項目必須能適應(yīng)不同的資金條件。2/4/202439生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的特點比較直燃發(fā)電技術(shù)在大規(guī)模下效率較高，但要求生物質(zhì)集中，數(shù)量巨大，考慮大規(guī)模收集或運輸，成本較高；而小規(guī)模直燃發(fā)電技術(shù)效率較低。生物質(zhì)和煤混合燃燒發(fā)電技術(shù)，規(guī)模靈活，經(jīng)濟性較好。美國和歐盟已建設(shè)了許多混合燃燒示范工程，中國尚處技術(shù)研究階段。其缺點是燃煤鍋爐的燃燒溫度高于生物質(zhì)的灰熔點，容易引起潔渣等。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)具有投資少，發(fā)電成本較低，靈活性好的特點，是同類技術(shù)中最具有競爭力的技術(shù)之一，比較符合發(fā)展中國家的情況。但其配套設(shè)備和系統(tǒng)優(yōu)化集成方面仍然存在不足，電廠的自動化控制程度仍較低，生物質(zhì)企劃發(fā)