生物质发电技术分析比较

第26卷第3期可再生能骠Vol, 26 No. 32008年6月Renewable Energy ResourcesJun.2008生物质发电技术分祈比较吴创之,周肇秋,马隆龙,阴秀(中国科学院广州能源研究所中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,广东广州510640)摘要:文章主要对三类生物质发电技术进行了分析比较。生物质混烧发电技术在已有燃煤电站的基础上生物质与煤混娆发电,投资成本是三类技术中最少的,但可能降低原燃煤电站效率。由于低热值燃气轮机技术尚未成熟,因此生物质气化发电技术仅适用于10MW以下中小规模发电系统,气化一余热发电系统效率较高特别适用于5~6MW的发电系统。生物质直接燃烧发电技术比较成熟,但在小规模发电系统中蒸汽参数难以提高,只有在大规模利用时才具有较好的经济性,比较适合于10MW以上的发电系统。关键词:生物质;发电;分析中图分类号:TK6;TM619文献标志码:A文章编号: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引言布在广大农村地区,数量非常巨大,全国每年可利随着煤、石油、天然气等常规能源的日益枯用的生物质能资源总量估计可达7亿t标准煤以竭,可再生能源的开发与利用已受到世界各国的上吗。生物质能属于清洁能源,生物质能的利用可髙度重视。生物质能是最有发展前景的可再生能实现CO2零排放,是替代煤、石油和天然气等矿物源之一,它曾在人类社会发展中起到过重要的作燃料的重要能源。通过各种能源转换技术将生物质用,目前研究人员已经开发出多种生物质能转换转化为高品位的电能既可以满足农村紧迫的电力利用技术,其中,生物质能发电已成为生物质能现需求,提高农民生活水平,又可以改善农民居住环代化利用的重要方式之境。所以,开发利用生物质能对于国家能源安全、我国是农业大国,生物质资源种类多,主要分CO2减排和社会可持续发展都具有重要意义。收稿日期:200804-09。中国煤化工基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2003AA514010)CNMHG作者简介:吴创之(1965-),男,研究员博土生导师,主要从事生物质能源技术wxlyinems.gec. accn吴创之,等生物质发电技术分析比较1生物质发电技术12生物质气化发电生物质发电技术主要包括生物质直接燃烧发生物质气化发电是指生物质在气化炉中气化电、气化发电以及与煤混合燃烧发电等技术。生成可燃气体,经过净化后驱动内燃机或小型燃气1.1生物质直接燃烧发电轮机发电。气化炉应对不同种类的生物质原料有较强生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入的适应性。内燃机一般由柴油机或天然气机改造而适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧,产生蒸汽,成,以适应生物质燃气热值较低的要求燃气轮机要带动蒸汽轮机及发电机发电。已开发应用的生物质求容量小,适于燃烧高杂质、低热值的生物质燃气锅炉种类较多,如木材锅炉、甘蔗渣锅炉、稻壳锅炉生物质气化发电包括小型气化发电和中型气秸秆锅炉等。生物质直接燃烧发电的关键技术包括化发电2种模式。小型气化发电采用简单的气原料预处理,生物质锅炉防腐提高生物质锅炉的多化一内燃机发电工艺,发电效率一般在14%~种原料适用性及燃烧效率蒸汽轮机效率等技术。20%,规模一般小于3MW。中型气化发电除了采生物质直接燃烧发电技术中的生物质燃烧方用气化一内燃机(或燃气轮机)发电工艺外,同时式包括固定床燃烧或流化床燃烧等方式。固定床燃增加余热回收和发电系统,气化发电系统的总效烧对生物质原料的预处理要求较低,生物质经过简率可达到25%-35%。另外,大规模的气化一燃气单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧。流轮机联合循环发电系统作为先进的生物质气化发化床燃烧要求将大块的生物质原料预先粉碎至易电技术,能耗比常规系统低,总体效率高于40%,于流化的粒度,其燃烧效率和强度都比固定床高。但关键技术仍未成熟,尚处在示范和研究阶段围。另外,由于我国的生物质种类多,成分复杂,收集根据我国已完成的MW级生物质气化发电运输困难,而且主要的农业废弃物受到农业生产技术的实际情况,将生物质气化发电技术经济指和季节性的影响不能保证全年供应,所以与燃煤标列于表2。锅炉对燃料单一性的要求不同,生物质锅炉要求表2生物质气化发电技术指标能适应多种生物质原料,以保证燃料供应的稳定Table 2 Technological indexes of biomass gasification and性。我国的生物质锅炉和小型蒸汽轮机技术已基power generaton1-3 MW6 MW本成熟,但设备规模较小,参数较低,与进口设备指标气化效率隔%相比效率较低。生物质直接燃烧发电技术比较成厂自用电率%熟,在大规模生产条件下具有较高的效率。该技术电站发电效率%在我国应用较少,因为它要求生物质资源集中,数年运行时间h“a6000量巨大,如果大规模收集或运输生物质,将提高原生物质用量(干)/ kg.kWh1.3-18料成本,因此该技术比较适于现代化大农场或大13生物质混合燃烧发电型加工厂的废物处理。表1所示为6MW和25MW生物质混合燃烧发电是指将生物质原料应用生物质直接燃烧发电技术指标于燃煤电厂中,和煤一起作为燃料发电。生物质与16Mw和25Mw生物质直接燃烧发电技术指标煤有2种混合燃烧方式:①生物质直接与煤混合燃Table 1 Technological indexes of6 MW and25 MW bioma烧产生蒸汽,带动蒸汽轮机发电。生物质要进行预direct combustion for power generation处理,生物质预先与煤混合后再经磨煤机粉碎或指标蒸汽参数/MPa℃343/435883/535生物质与煤分别计量、粉碎。生物质直接与煤混合长期运行负荷/%燃烧要求较高,并非适用于所有燃煤发电厂,而且年运行时间几ha475007500生物质与煤直接混合燃烧可能会降低原发电厂的锅炉燃烧效率%效率。②将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤蒸汽轮机效率%系统发电效率%混合燃烧,产生蒸汽,带动蒸汽轮机发电即在小型厂自用电率%燃煤中国煤化工气化设备将生燃料用量(干) kg.kwh148物质CNMHG物质燃气的温注:25MW参数为进口设备。度为80飞左石,尢须净化和柃却,在锅炉内完全可再生能源2008,26(3)燃烧所需时间短这种混合燃烧方式通用性较好,投资随着发电规模的增大而减小。对原燃煤系统影响较小。表3所示为20MW和6MW中型生物质气化电站采用内燃机一蒸40MW生物质气化混烧发电技术指标。汽轮机联合循环发电工艺,系统复杂,增加了余热表320MW和40Mw生物质气化混烧发电技术指标回收及汽轮机发电系统,并且电网接入项要求较Table3 Technological indexes of6 MW and25 Mw biomass高,因而单位投资较小型气化电站高,达到6500direct combustion for power generation元八kW。内燃机一蒸汽轮机发电部分的投资(表620 MWO MW燃煤电站原发电效率/%中前4项)约占总投资的55%。气化效率%表66Mw生物质气化电站投资概算气化炉运行时间/ha60006000Table 6 Investment budget of 6 Mw biomass gasification秸秆用量Ah10for power generation project总发电量/万kWh·a工程或费用名称费用2生物质发电技术投资分析气化系统/万元内燃机发电系统(4500kW)万2.1生物质直接燃烧发电项目投资余热利用系统/万元生物质直接燃烧发电要求生物质资源集中,汽轮机发电系统(1500kW)万元数量巨大,在大规模利用下才有明显的经济效益。燃料供应系统/万元小型生物质直接燃烧发电系统已在我国南方地区除灰系统万元的许多糖厂得到应用,但一般只在甘蔗收榨季节化学及污水水处理系统/万元运行;大型系统应用的较少,国内在建的几个大项供水系统万元电气系统厉元目所用设备均从发达国家引进,进口设备的投资热工控制系统/万元成本几乎是国产设备的2倍(表4)建筑及土地/万元豪46MW和25MW生物质(秸秆)直接燃烧电站变压电网接入系统/万元投资概算其它历万元Table 4 Investment budget of 6 Mw and 25 MW biomass不可预见费名称3900名6MW(国产)25MW(进口)25MW(国产总投资万元项目总投资/万元420065002500015000投资成本/元kW投资成本/元kW70002.3生物质气化混烧发电项目投资注:国产设备投资主要参照燃煤电站的市场价估算。在小型燃煤电站的基础上增加一套生物质气2.2生物质气化发电项目投资化设备,无须增加发电系统并可直接利用燃煤电表5所示为1~3MW生物质气化电站投资概站原有建筑和基础设施。主要投资项目包括气化算。在新建小型MW级生物质气化电站的投资炉和燃料供应系统,这2项投资约占增加投资的中,主体设备投资约占总投资的60%左右,单位83%,单位投资在300元/W以下。表7所示为20表51-3MW生物质气化电站投资概算MW和40MW生物质气化混烧发电投资概算。Tae5 Investment budget of 1-3 Mw biomass gasification表720MW和40MW生物质气化混烧发电投资概算for power generation projectTable 7 Investment budget of 20 MW and 40 MW biomass工程或费用名称3 MW 2MW 1 MWification co-firing for power generation project主体设备(气化炉、内燃发电机等)万元850610315工程或费用名称20MW40MW说明安装材料和配件历元353018生物质气化系统/万元2452×245气化炉建筑和基础历万元14012080燃料供应系统万元195255燃料烘干、粉碎及输送设备安装与调试/万元807565气化炉监控系统/万元1515气化及燃烧控制系统配套设备和配件历元安装材料和配件历元2747设备安装其它及不可预见费历万元3010050厂房中国煤化工基础及堆料场地总投资历万元13151000560总投资投资成本/元kW投资威CNMHG吴创之,等生物质发电技术分析比较综合比较以上各种生物质发电技术经济指有大规模利用才具有较好的经济性,目前我国标可以看出:①生物质气化混烧发电的单位投资主要是引进国外先进技术和设备加以利用。该成本是最经济的,而且系统简单;②同一发电技技术投资大,要求集中收集生物质原料,原料术的单位投资成本一般随着发电规模的增大而成本高。减小,同一发电规模的进口设备比国产设备投资参考文献:成本高;③系统规模越大,系统越复杂,所以主体凹袁振宏吴创之,马隆龙生物质能利用原理与技术□M设备投资占总投资比例随着系统规模的增大而北京:化学工业出版社,200519-31减小。2]马降龙,吴创之,孙立生物质气化技术及其应用3生物质发电技术的适用性北京:化学工业出版社,20034-14通过以上分析,可以得出以下结论。3]吴创之,马隆龙生物质能现代化利用技术M]北京①生物质与煤混合燃烧发电技术投资少,发化学工业出版社,2003.8,149电效率决定于原燃煤电站的效率,其中生物质气化混烧发电对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小,通用性较强。农产品簿价:②由于气化发电技术关键设备一小型低热生物熊井产业空前繁的缟录?值燃气轮机技术尚未成熟,因此对10MW以上的生物质发电系统而言,比较有优势的技术是直接通货膨胀已成为经济所面临的首要问题。燃烧发电。对10MW以下的生物质发电系统而据调查统计,占全球产量1%,美国产量20%的言,气化一余热发电系统与直接燃烧发电系统投玉米,占巴西产量50%的甘蔗用于生产乙醇;占资接近,但气化一余热发电系统效率远高于直接全球产量20%,占欧盟产量65%的莱籽油,占全燃烧发电系统,所以具有更大的优势特别适合于球产量2%的豆油,占东南亚产量30%的棕榈5-6MW规模的生物质发电系统。丰油用于生产生物柴油。短短几年内,如此高比例各类生物质发电技术在中国的适用性见表8。的糖类和油料作物被转入能源产业,自然推动表8各种生物质发电技术在中国的适用性了其价格暴涨,而高价格又推动这些作物与其Table 8 Applicability of several biomass power generation他粮食作物争夺土地,结果导致农产品价格全technologies in China面上涨。但是,生物燃料的发展并没有起到当初发电规模10MW其倡导者所宣称的改善环境和降低碳排放的作混合燃气化混燃发电气化混燃发电气化混燃发电用,相反,农产品的高价格优势促使农民将大面烧发电直接混燃发电直接混燃发电直接混燃发电扌积草原、沼泽和森林改变为农场,大大增加了碳热电联供直接燃烧发电直接燃烧发电直接燃烧发电气化发电气化发电排放,并恶化了环境。美国《科学》杂志2008年2月独立发气化发电气化发电气化发电份的研究报告指出,生物燃料在最终燃烧环节电系统直接燃烧发电直接燃烧发电直接燃烧发电上相对化石燃料所减少的每1kg碳排放,便相4结论应地因改变土地用途而增加17-420kg碳排放。在各类生物质发电技术中,混烧发电技术当然,即使没有政策推动,高油价也会催生的投资经济性最好但它须要附属于已有的燃生物能源但规模不会如此巨大,述度不会如此煤电厂,其发电经济性决定于原电厂的效率,扌迅猛,后果也不会如此严重。这再一次提醒我而且会对原电厂有一定的影响。生物质气化发十们,在事关金球环境这样的事情上,政府并不一电技术的发电规模比较灵活,投资较少,适于定比市场更加有效。所幸的是,相比欧美发达国我国生物质的特点但是技术还不成熟,须要家,中国的生物燃料产业起步较晚,规楼尚小,进一步发展和完善。直接燃烧发电技术成熟,十还1第如士如诽在未来难以回中国煤化工但在小规模应用情况下蒸汽参数难以提高,只避CNMHG新能源网