生物质能(秸秆)发电的思考

第21卷第1期007年3月Dongfang Electric ReviMar.2007生物质能(秸秆)发电的思考闫廷满(四川省电力设计院,四川成都,610072)摘要:简要说明了由于石化能源在地球上资源量旳有限性,必须开发利用新能源和可再生能源的必要性。重点分析了生物质能的开发利用,主要是农作物秸秆的利用。从秸秆的特点出发,即秸秆品种的多样性、产地的分散性、产生的季节性和质地散抛性,提岀在开发利用过程中关于6个方面问题的思考。扼要阐述了解决这些问题的途径,以供讨论。关键词:生物质能;秸秆发电;问题探讨中图分类号:TM619文献标识码:A文章编号:1001-9006(2007)-0001-04Consideration for Generating Eletricityby Using Bio-protoplasmYAN Ting-man( Sichuan Power Design Institute, Chengdu 610072Abstract: This paper elaborates that as the finiteness of petrifactive energy on the earth, we must develop to use thenew energy and the renewable energy. It also analyzes the emphasis on the development and use of biological energy which mainly refered to the cropper straw stalk, also named agricultural rejectuse. Embarking from the straw stalk characteristics, such as the stram stalk variety multiplicity, the habitat dispersivity, the production seasonal property and the quality of material disperses, to take the six as-pects to ponder which appear in the development and use process. It presents briefly the approach toKey words: fresh matter i electricity generation by using straw stalk i quesion discussion能源对人类生存和社会经济发展极为重要,由北和东北)各省相当丰富。生物质能也是我国的优势于常规能源的有限性,近年来世界各国对可持续能资源,因我国是农业大国,生物质种类多,如:农源的未来给予了高度重视,寻找新型能源、提高能作物类、农业废弃物、林作物类和水生藻类等,据源利用率和节约能源已成为重要的战略任务。我国初步统计生物质资源总量每年可超过7亿吨标准煤在其中长期发展规划中已眀确提出可再生能源的发量。有专家分析计算,地球上的生物质能源资源量展目标:到2020年可再生能源新增装机容量要达到可相当于全世界能源消耗总量的10~20倍,而目前1亿千瓦,除太阳能、水电和其他能源外,风力发只有1%TV凵中国煤化工电装机3000万千瓦,生物质能发电装机2000万千但CNMHG发利用刚起步。西瓦。我国风力资源在沿海各省和”三北”(西北、华欧一些国家起步早一点,有了一些较成熟的经验收稿日期:2006-10-31作者简介1939—),男,教授级高工,四川省电力设计院原院长、总工程师。第21卷第1期007年3月Dongfang Electric ReviMar.2007但也有待进一步研究的问题。中国一欧盟合作项目(3)城市垃圾:工业、生活和商业垃圾的示范将为我国生物质能的开发利用积累经验。生(4)有机废水:工业和生活污水物质能开发利用在许多国家受到高度重视,联合国(5)粪便:牲畜、家禽和人的粪便等开发计划署(UNDP)、世界能源委员会、美国能源部(6)能源植物:生长超速、轮伐期短的高能乔都把它作为发展可再生能源的首要选择。世界粮农木、灌木和草本植物,如麻风树、芒草、棉籽、芝组织认为,生物质能有可能成为未来可持续能源系麻、花生、大豆等统的主要能源。预计到本世纪中叶,采用新技术生(7)水生植物:藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦产的各种生物质能替代燃料将占全球总能耗的40%苇、水风信子等。以上目前产量最大、用得最多的生物质就是农作物然而近年我国在开发生物质能发电的过程中出秸秆、林木和粪便。许多农村仍有相当多的农户利现了许多新的情况,如何健康地、可持续地发展我用各种农作物秸秆作为生活用燃料,也有一定数量国生物质能产业和技术,成了大家十分关注的问农户在国家和政府支助下利用人畜粪便产生沼气作为生活用燃料。1.4产地分散性1生物质能的特点这里指农业废弃物秸秆、牲畜粪便和林业废弃物,全国每年有超过7亿吨标准煤量,它的产生遍1.1可再生特性及全部农业生产地区和林业区(含加工地),由于产这里着重介绍农作物秸秆。它属可再生能源生面积大,农户管理特别分散。四川省是我国第三年复一年可保证能源的永续利用。有资料介绍,植大农业省,有占地面积48.5万平方公里,2005年物在燃烧过程中放出CO2,但它在生长过程中要吸末总人口为8750万人,绝大部分是农业人口,全收CO2,这放出和吸收是基本平衡的,所以对环境年农业秸秆总量加上牲畜粪便达1亿吨保护有利。同时从秸秆的化学成分和热值看亦有它1.5质地散抛性的优势,将它燃烧产生的灰分不小于10%,而且灰生物质能的体积密度相当低,如稻草和稻谷壳分还是一种好的农作物所需的肥料,是发展循环经的体积密度分别约50kg/m3和122kg/m3,就是目济的好项目。前打包成型的稻草体积密度也仅70~90kg/m31.2产生的季节性般,在自然堆积或单靠人工绑扎的条件下的体积密农作物的成熟期主要集中在春季和秋季,由于度就更低。当加压成型时其体积可小到原有的1/3它们的生长期和成熟期与气候密切相关,因地区不1/4,其体积密度为原有的3~4倍,但与煤相比它同也有一些差异。我国秸秆的产生量主要集中在春仍然是低的末或春夏交替期、夏末或夏秋交替期及秋季。由于不过生物质能与风能、太阳能不一样,生物质中国土地辽阔,秸秆的收获时间也存在一定的差能的独特优势是可储存性。异,但趋势是一致的。这里所谈季节性主要针对农作物成熟时产生的秸秆,至于农作物收获后,经过2需要思考、研究的问题加工过程产生的生物质资源如稻壳等不在此列,它根据粮食的市场需求加工产生。以上秸秆产生的特2.1正确认识生物质能发展前景点将对开发利用秸秆的管理和技术方面带来重大影能源的重要性已被广泛认识,但常规能源资源响。当然对于一些具体情况,应该具体问题具体分的有限性须引起全社会的关注,这对建立资源节约析处理。型社会和保持国民经济永续发展的能源战略的实施1.3产品种类多样性有着非常重要的章∨有资料介个绍全球的石油和天作为能源利用的生物质品种较多,主要有然气资涯中国煤化工整个地球的煤炭储(1)农业废弃物:各种农作物的秸秆、果壳、果量也只CNMHG专家分析,中国的核、玉米芯、蔗渣、甜菜渣等石油只能用20年左右,天然气也将在50年内耗(2)林业废弃物:薪柴、枝丫、树皮、树根、落尽。虽然各国都在进一步对常规石化能源作更加详叶、木屑、刨花等细地勘探,但仍增量有限。我国是世界人口大国,第21卷第1期007年3月3Dongfang Electric ReviMar.2007人均能耗很低,但单位GDP能耗却相当高,从总的最多,这里的石油、天然气也特别丰富,还有风能源储量看约占世界总储量的10%,但石油和天然能、太阳能。对于开发利用生物质能如何对该地区气只分别占世界的0.9%和2.2%的能源结构进行优化,含近期远期的发展规划,这鉴于以上所讲,我国是农业大国,生物质能资是很值得研究的问题。从远期的能源战略看,必须源丰富,其开发利用前景看好,所以就生物质能而从现在开始给以重视,逐步发展言,须引起各方面的足够重视2.3设备的适应性生物质能源转移技术包括化学转换、物理转换生物质能利用的形式和途径不同,所选择的设和生物转换技术。备就不同。这里主要是讲生物质中农作物秸秆开发2.2能源结构的匹配利用发电所采用的设备问题中国能源资源分布不均,在地区上分布极不平目前利用秸秆发电的途径有两种:一是秸秆气衡,经济发达的沿海地区能源储量仅占全国总储量化发电,二是秸秆直接燃烧发电,用得最广泛的是的8.74%。秸秆直接燃烧发电。秸秆发电与常规的火力发电的大别山—秦岭—昆仑山一线以北地区的煤炭资不同之处主要是燃料不同引起燃烧系统的变化,重源量约占全国总资源的93.6%,以南的西南、华点是燃烧设备的变化,而热力系统的其余部分和电东、中南广大地区仅占6.4%;新疆、内蒙古、山气系统与常规一般火电厂类同。这里所讲燃烧设备西和陕西四省区就占全国煤炭资源总量的81.3%,就是锅炉或产气炉,其他与之相配的辅机亦为常而仅山西一个省的煤炭储量就相等于全国煤炭资源规。现在国內外采用的秸秆直燃锅炉有层燃炉和流的30%,其产量约占全国总产量的20.9%;河南省化床锅炉,这类炉型,其实我国早已商品化,如已年产煤量约占全国总产量的7.5%。运行多年的蔗渣炉等,流化床锅炉亦有三四十年的石油资源陆地上主要集中在华北、西北和渤海生产制造和运行维护经验。因为锅炉选型与燃料特湾地区,东部地区的原油产量占全国的73%。性密切相关,当秸秆品种确定后,主要就是秸秆的天然气储量集中在川渝地区、陕甘宁盆地、塔形状,笔者认为只要锅炉厂根据秸秆的特性作一小ν里木盆地和鄂尔多斯盆地,仅这四大气区探明储量改进,是完全能满足燃料要求的,不一定就非要从就占了全国天然气总资源储量的65%。国外引进,这既大大降低电站建设的造价,又可创就全国各地区技术可开发的水能资源统计来新发展我国自主产业,这是目前在我国秸秆直燃发看,其分布亦差别极大:东北地区占全国总量的电最引人关注的问题之一。秸秆气化装置国外早有2%;华北地区1.2%;华东地区占3.6%;中南地运行,国内亦有运行,如绵阳某能源科技公司已运区占有15.4%;西南地区占67.9%,仅四川、重庆行几年了,现在是要进行将秸秆气的燃机国产化的就占据6.8%,云南占20.5%,西藏占有7.2研究问题。西北地区占9.9%。秸秆燃烧的另一途径是利用已经运行电厂中的风能资源主要分布在东南沿海及其岛屿,以及锅炉进行掺烧,这既可节约煤,又可增加秸秆利用内蒙古、甘肃北部,新疆北部和黑龙江、吉林东部的途径。各地电厂所配炉型不同,可以由秸秆的各带种成型来满足不同炉型锅炉燃烧要求。有一种在煤从上述能源资源量的分布看,各地区很不平粉炉中掺烧秸秆的思路是炉膛中下部稍加改造增加衡。但各地区的农作物秸秆量依各种农作物面积、块炉排烧秸秆,称之为联合燃烧。还有对将按要农作物产量而得。按其农作物产量得到的秸秆量求被关闭的小型火力发电厂,可以对其锅炉改造或其比例基本相同,只是总量有所不同,尤其是几个重新建设锅炉裝置,改造成为生物质能电厂,这也农业大省如河南、山东、四川、新疆等每年所产农是有利的途径作物秸秆量非常丰富,而这些省的常规能源资源量总之秸秆有燃发申而日中的锅炉设备选择既也相当多,如河南所产秸秆量在全国要数第一,并要慎重且该省煤炭资源也很多,占全国总量的75%;山科学发中国煤化工炉设备制造厂应按CNMHG性设计制造出高效西省秸秆资源量也不少,而煤炭储量更占了全国煤率、髙质量的新型秸秆燃烧锅炉,推动可再生能源炭总储量的30%;四川省的生物质,量也相当多,的发展。且省内水力资源量也很大;新疆省的棉花秸秆全国2.4秸秆成型问题第21卷第1期007年3月Dongfang Electric ReviMar.2007秸秆成型技术已趋成熟,目前秸秆成型的方式存储量的增加必然是堆积容积增大,总量的增有打捆、切割压缩,加工成颗粒或短柱型。切割压加可导致占地面积增加。电厂內的秸秆存储量霱满缩有高温切割压缩成型(即热压成型技术也有常温足电厂燃料消耗量的5~7天的要求。能否根据秸秆成型(即车载式成型技术)。就其加工设备讲,有引发电厂的特点,当设分散储存点且在运输上能满足进国外技术,国内也有几家该设备制造厂,如北京电厂要求时,电厂内可以减少储存容量。这个问题某科技有限公司与某大学研制生产的车载式固化成也牵涉到电厂运行安全性,必须给予足够重视型机,它体积小、能耗低、成本低、工艺简单,是2.6秸秆的收集与管理可移动式生物质生产基站设备。颗粒化产品用于气秸秆特性使其收集增加了不少难度。近年来由化、液化、直燃发电、造纸等应用领域,由于能量于秸秆收集的价格变化,更对开发利用秸秆发电项密度的提高,尤其体积密度的提高,解决了因秸秆目的建设带来很大的影响,普遍是秸秆单价涨辐太的散抛型、容重低所带来运输、储存的困难,但该大,而且涨速太快,这给有的正运行的电厂造成几设备尚处试运行,有待商品化。乎停产的危机,同时亦给正在开发前期工作的项目四川眉山也有一家企业能生产颗粒成型机。它几乎造成停顿。这一问题已引起了产业界的特别关是将秸秆的加工分部进行,先由切割机切碎,再由注。常规压缩机挤压成型。目前已有小容量机组投入运看来要使这一工作得到健康发展需要从多方面行。其他地区也有厂家生产制造。做工作。一是把农作物秸秆的收集管理纳入建设社至于秸秆打捆机在国外很早就有了,国内也有会主义新农村的建设目标,使其小生产与大市场融酝酿采用,但只是粗略地成型,有进一步改进更新为一体,以合作社为基础组织实施,县政府给予支的必要。所以在开发利用秸秆发电时,对燃料的成持并制定一些政策措施,使之收集管理工作规范型非常重视,它与燃烧技术和锅炉设备选型密切相化、完善化。二是把农业、农村、农民的用能用电关,这也是目前在生物质发电设计和规划时,需要与用肥统筹构思,使收售秸秆即农民和电厂的经济慎重研究的问题之一。单从成型物料角度,笔者认效益有机地结合起来,实现双赢。三是发展循环经为车载式固化颗粒成型技术的采用更有利于生物质济,把电厂燃料产生的灰渣作为肥料服务于农业,发电系统及全过程的优化。总之,成型技术的采用使之合理施用化肥,科学发展农业。据悉,目前中应从技术、经济、自耗能等综合分析论证,择其优国年使用化肥量为4100多万吨,平均施用量每公者而从之顷土地达400公斤以上,大大超出发达国家每公顷2.5秸秆的储运施用255公斤的安全上限。因大量使用化肥会破坏由于农作物秸秆品种的多样性、生产的季节农田生态平衡和生物多样性,造成大气、土壤和水性、产区的分散性、产品的松散性等特点,就给利体污染;化学农药残留在农作物內形成一定的积用秸秆发电带来储运的特殊要求。生物质能发电符累,造成人畜慢性中毒;许多农产品也因农药残留合能源品种多样化、规模小型化、建设分散化的世超标而不能岀口或遭到退货,造成经济损失数亿界能源的”三化”趋势,但仍然存在着运输、储存元,所以,科学地发展农业是在〃三农″问题上实问题。目前都是农户分散晾晒储存,分散到毎户农现科学发展观的重大战略。四,还可以将秸秆的收家的量很少,要建电厂,需要秸秆量相当大,就是集与社保、医保和公益活动结合起来,提高农民的一个县建一座2×12MW的生物质能电厂,年耗秸积极性。秆量20万吨。在冬季、春季和夏季,须作必要的秸秆储存。这有两方面的问题需慎重考虑:一是防3建议腐,秸秆中水份多了,堆积时间长了会产生腐烂,从而降低其燃烧热值;二是防火,且不同于一般常(1)各N且加大对开发利用可再生规的消防方案,必须在消防点和自动灭火装置的自能源的中国煤化工展新能源和可再生动化程度方面作高标准要求,以保证其安全性。能源战ICNMHG关于运输问题,它涉及车辆运输量和运输费(2)出台适当的政策措施,鼓励利用已有燃煤电用,这也直接影响到电厂成本。这与前面所讲成型厂掺烧秸秆或改烧农业废弃物和林业废弃物,以达技术有着有机联系。节约、利用两实现。(下转第18页)第21卷第1期007年3月Dongfang Electric ReviMar.2007其主要优点:①实现自动焊接,减低劳动强和扭曲度要求。度;②焊接质量好,合格率98%以上;③焊接效率高,提高效率1倍左右;④改善表面质量,不需要3主要制造工艺创新点打磨焊后采用热校和顶校复合校正。先在挠度反方(1)实现了长达31m,重量高达260t锅筒安全向用中性火焰加热校正区域,然后挠度上方再加热起吊和制造。首次成功地运用了下降管马鞍埋弧自到一定温度,利用局部加热产生压缩塑性变形,冷动焊新工艺,推广运用了窄间隙埋弧焊新工艺,其却后金属进行收缩以达到校正变形的目的。同时用制造水平与国际水平接轨千斤顶压校,圆弧卡爪夹紧,增加顶校力,加速筒(2)实现了高温过热器过渡管的制造,有效解决身的校直了异种钢对接以及过渡管与管子对接生产效率不高集箱端盖用椭球封头代替平端盖,厚度从的问题,提高了焊接质量,大大节约了生产成本。120mm减小到76mm,采用一次压制成型工艺,降(3)攻克了细长、超大、超重及一些新结构集箱低了制造成本的制造,掌握了焊接拘束、预热温度、层间温度对2.4双旋风筒燃烧器的工艺开发焊接变形的影响规律,积累了该类集箱宝贵的生产燃烧器是整台锅炉的重要部件,直接关系到锅经验。集箱环缝首次采用了窄间隙埋弧焊,其制造炉燃烧的稳定性。而圆锥体是燃烧器中最关键的零技术综合水平达到国内同行业先进水平。件之一。圆锥体高度高,壁厚较厚,小端內径小。(4)积极研制岀保证双旋风燃烧器和水冷壁的接圆锥体大小头直径(Dn)d739/d294,锥度1:30口尺寸的模拟裝配法,实现了600MW锅炉新型双锥体垂直高度H=1474,母线长度L=1483。在反旋风煤粉燃烧器的制造。复论证设备的卷制能力后,综合比较哈夫卷制和整(5)积极探索出超厚超宽汽包板式U形吊箍中体卷制两套方案,为更好保证锥体的椭圆度,减少频弯制的新方法,从下料方法的改进到弯制方法的焊接变形,最后采取了放样下料进行整体卷制,设创新,使东方锅炉吊箍制造工艺进入崭新时代。计制造简易调节工装保证锥体卷制角度。实际生产中证明整体卷制方案是可行的,能很好保证燃烧器4结语的设计尺寸要求2.5锅筒板式吊箍中频弯制在目前国内尚无成熟制造技术的条件下,整个金竹山工程U形吊箍为目前东方锅炉制造的板项目只用了18个月时间完成了金竹山600MW最厚、宽度最大的板式吊箍,材质P355GH、厚“w”火焰锅炉制造。该项目的成功实施,标志着度120mm、宽度248m、弯曲半径1052mm。由于东方锅炉已经掌握了大型“W"火焰锅炉制造技超厚、超宽,其下料变形、加热、弯曲成型都是术,在国内具有很大竞争优势,处于同行业领先地个新的难题位,同时带动了我国锅炉设计和制造技术水平上(1)由于数控气割自动化程度高,切割表面质量个新台阶,填补了国内大型”w"火焰锅炉成套制好,东锅首次采用了双头割嘴同时数控气割下料造技术的空白,为今后开发600MW超临界“W有效控制扭曲变形,改进了传统半自动气割后机械火焰锅炉提供了设计数据和宝贵的制造经验,为东加工的工艺方法,大大降低了制造成本。方锅炉赢得大型W"′火焰锅炉的市场份额提供了(2)探索使用中频弯制的方法代替传统的火工弯强有力的技术支持,推动了东方锅炉制造技术的进曲工艺。通过对材料性能分析、自动控制始弯终弯步,为企业创造了良好的经济效益和社会效益温度,设计相应夹紧送料装置,最终保证了平面度上接第4页)中国煤化工参考文献CNMHG[2]李和指标管理技术[M国电力出版社,2006!]翟秀静,刘奎仁,韩庆.新能源技术[M].化学工业3]李完凯,等.生物质颗粒燃料常温压缩成型技术及其应出版社,20用前景[R].北京国际可再生能源大会,2005