農林生物直燃發電是指以農林剩餘生物質作為燃料的直接燃燒發電技術。該項技術在國外已經是成熟技術，主要有直燃純燒發電，國內簡稱“直燃發電”。其特點是以農林生物質為燃料(在中國主要是指農作物秸稈剩餘物，林業生產和加工剩餘物以及發展中的能源植物等)，在專用鍋爐直接燃燒產生高溫高壓蒸汽，再通過汽輪機、發電機轉化為電能，同時餘熱可以作為工業或者民用的現代生物質能套用工程。
基本介紹
- 中文名：農林生物直燃發電
- 外文名：Agricultural and forest organisms generate direct electricity
- 類型： 發電技術
- 特點： 清潔發電
- 領域 ：能源
- 學科 ：新能源發電
簡介,生物直燃發電技術簡介,國能單縣項目情況簡介,經驗總結,展望,
簡介
我國的生物質能資源主要集中在農村，開發利用農林生物質能資源可以促進農村生產發展，顯著改善農村的村容村貌和居民生活條件，減少溫室氣體排放，保護環境，增加農民就業渠道，促進農民增收，是當前解決“三農”問題、實現工業反哺農業的現實“抓手”。目前，生物質直燃發電在我國是農林剩餘物消耗量最大、最直接、最易於規模化和工業化的一種能源利用方式。
2004年以來，中華人民共和國國家發展和改革委員會(簡稱國家發改委) 核准批覆了山東單縣、河北晉州和江蘇如東3個國家級秸稈發電示範項目，開始了生物質直燃發電試點示範。自2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》實施以來，生物質直燃發電產業在我國得到了快速發展。截至2007年底，據不完全統計，中國核准的生物質直燃發電項目約100個，裝機容量為2200MW以上，建成投產併網發電的項目總裝機容量約為400MW以上，生物質發電項目遍布全國各地。
以一個25 MW 左右的生物質電廠年運行5000～6000 h 計，年淨減排CO2量大概在10萬～15萬t，這是扣除了原料、項目全生命周期排放情況下的淨減排量。2007年9月聯合國指定環境事務部(Department of the Environment，DOE)核查機構對國能單縣生物發電清潔發展機制( clean developmentmechanism，CDM)項目進行現場核查，確認國能單縣項目在70 d 內的核查碳減排量為4 萬t(扣除加工、運輸、油耗等一切影響因素後的淨減排量)，按此計算全年CO2減排量達18 t。
截至2008年底，國家發改委已審批大約170餘個生物質發電項目，總裝機大約4 600 MW;已投產大約50 個項目，裝機大約1 100 MW。其中，國能生物發電集團已有18個項目投入商業運營，裝機容量400 MW。僅國能生物質發電集團一家公司已向電網供應綠色電力累計52億kW·h，消耗秸稈等農林廢棄物700萬t，減排436萬t CO2，農民新增現金收入19億元和獲得超過5萬個工作崗位，社會經濟效益顯著。2006年以來，隨著國家“十一五”科技支撐計畫重大項目“村鎮農林剩餘物直燃發電技術開發與示範”等系列國家科技項目立項實施，我國農林生物質產業化套用實踐在國家科技計畫的支持下得到了高起點、健康的發展，關鍵技術開發和示範成效顯著，取得了良好的產業示範推廣效果。“十一五”期間我國生物質發電裝機將達到5500MW，每年可以直接為當地農民帶來收入達100億元以上，可以為農民提供就業機會約18萬個。
生物質直燃發電技術消耗農林剩餘生物質原料種類多、數量大、利用方式直接，而且容易規模化和產業化發展，是我國目前農林生物質資源能源化利用最環保的一項綜合利用技術。由於生物質直燃發電是一個具有多重社會效益的朝陽產業，中國政府在《國民經濟和社會發展“十一五”規劃綱要》中提出了生物質發電2010 年裝機容量達到5500 MW，在《可再生能源中長期發展規劃》中提出了到2020年達到30000 MW 的發展目標，發展前景廣闊。
生物直燃發電技術簡介
中國近幾年發展較快的有一定規模的生物質發電主要是以農林剩餘生物質作為燃料的直接燃燒發電技術。該項技術在國外已經是成熟技術，主要有直燃純燒發電，國內簡稱“直燃發電”;直燃混燒發電，是指與化石燃料的混合燃料燃燒發電，國內簡稱“混燃發電”。我國目前建設、運行的大部分生物質發電項目都是以農林剩餘物直燃純燒發電項目(biomassdirect-fired power generation project)。其他直燃混燃發電、氣化發電、沼氣發電等，由於技術、政策、市場等方面的原因，多數處於示範推廣階段，還沒有實現規模化發展。
生物質直燃發電，是指農林生物質大容量純燒直燃發電，其特點是以農林生物質為燃料(在中國主要是指農作物秸稈剩餘物，林業生產和加工剩餘物以及發展中的能源植物等)，在專用鍋爐直接燃燒產生高溫高壓蒸汽，再通過汽輪機、發電機轉化為電能，同時餘熱可以作為工業或者民用的現代生物質能套用工程。“大容量”一般是指裝機單機規模大於等於12MW，“純燒”是指不摻入化石燃料，僅燃燒農林生物質燃料。
該系統工程主要包括農林生物質燃料收集、儲運和預處理系統、物質連續化輸送和上料系統、生物質專用鍋爐燃燒及輔機系統、汽輪發電機系統、變配電系統、餘熱以及灰渣收集利用系統等。其關鍵技術主要有以下3 項: 一是生物質收集、供應、加工與管理成套技術與裝備。國內在這一方面相關管理技術和成套設備都不成熟，目前隨著國內生物質規模化高效套用產業的發展，相關的技術和設備有廣闊的市場。二是生物質原料輸料、進料系統技術與設備。主要指在實現生物質工業化套用轉化過程中，多種生物質物料規模化的輸料、進料技術和成套設備。通過國內一些生物質直燃發電廠運行實踐表明，生物質原料輸送、進料系統是瓶頸關鍵技術。能夠適應不同的生物質原料、穩定可靠的輸送技術及系統設備目前在國內尚不成熟，這方面將是生物質資源國內工業化套用技術攻關方向之一。三是生物質能高效燃燒等轉化技術。在生物質直燃發電項目中是指生物質燃燒鍋爐和輔機設備。目前國內有國產的和引進丹麥技術在國內生產的鍋爐設備。
國能單縣項目情況簡介
國能單縣生物質發電項目是國家級生物質發電示範工程，為1 × 30 MW 單級抽凝式汽輪發電機組，配1 台130 t /h 生物質專用水冷振動爐排高溫高壓鍋爐，該鍋爐是由龍基電力集團有限公司所屬的濟南鍋爐廠引進丹麥BWE(Burmeister & Wain EnergyA/S)公司技術生產的。該項目位於山東省魯西南菏澤市的單縣，該縣當地農林業資源比較豐富，經濟條件比較落後，屬於山東省發展和改革委員會的幫扶縣。項目由國能生物發電公司投資建設，於2006年12月1日正式投產。國能單縣項目2007年全年穩定運行8200 多小時，發電2.29 億kW·h，消耗農林剩餘物20萬～30萬t，為當地農民增加收入6000萬元人民幣以上，帶動農村2000 多個增收就業崗位。
單縣生物發電工程於2005 年10 月20 日澆注第一方混凝土，10 月3 日施工單位正式進入現場;11 日4 日簽訂了鍋爐供貨契約，同時在全縣範圍組織了8 處秸稈燃料收購點;2006年11月完成72h滿負荷試運行。
該項目自2006 年併網發電以來，各項運行指標良好。其中2007—2009年的累計發電量為6.64145億kW·h，3年中每年利用小時數都超過了7000h。其中2007 年全年運行8200h 以上，全年發電量達2.29億kW·h，並實現兩個連續運行100d。按照30MW計算，年利用小時數達7600h以上是我國生物質電廠管理、運行的標桿數據之一，在國際上處於領先地位。該項目也是我國第一個投入運行的規模化生物質直燃發電項目，被國家發改委列為“2006年我國能源發展十件大事”。
2 項目工程技術簡介
國能單縣項目設計燃料主要為破碎後的林業剩餘物、棉花秸稈等木質類農林剩餘物( 大於60 %)和部分玉米、小麥秸稈等草本農業剩餘物。裝載破碎棉花秸稈的車輛進廠後，經重車衡稱重後進入卸料溝卸料採用側位卸料。卸料溝內設刮板輸送機。燃料經刮板輸送機、輸送皮帶、斗式提升機，再經移動帶分配至儲料倉。儲料倉共能儲料14000 m3，大約能夠滿足鍋爐5 d 的燃燒需求。倉底對頭布置2台直線螺旋給料機用於給料，每台輸送量40～200 m3 /h。卸料系統設有1 台電磁除鐵器，事故上料系統設有1台永磁除鐵器，上料系統還設有運行保護裝置。帶式輸送機兩側設有拉繩開關、跑偏開關、速度檢測、料流等感測元件保護裝置。燃料系統設工業電視監控系統。另外上料系統還設有除塵設備，斗提機在頂部設有除塵設備。
生物質專用燃燒鍋爐是由龍基電力集團有限公司引進丹麥BWE公司成熟的鍋爐技術並由BWE公司設計，經國內消化吸收、標準轉化，由濟南鍋爐廠組織生產製造的。該鍋爐屬於振動式爐排、高溫高壓、自然循環、單汽包、單爐膛、平衡通風、室內布置、固態排渣、全鋼構架、底部支撐結構、“M”型布置鍋爐。鍋爐型號為YG130 /9.2-T 型單汽包自然循環鍋爐，主蒸汽出口壓力為9.2MPa，出口溫度為540℃，額定蒸發量為130t /h，鍋爐設計效率為92%。
鍋爐的燃料通過螺旋取料機至螺旋輸料機，從螺旋輸料機再至螺旋配料機，送到播料機通過空氣輸送的方式將燃料播撒在爐排上。由於生物質燃料含有包括氯、鈉、鉀等在內的多種鹼金屬化合物，燃燒產生的煙氣具有很強的腐蝕性。另外它們燃燒產生的灰分熔點較低，容易高溫融化粘結在受熱面管子外表面，形成渣層，從而降低受熱面的傳熱係數，在燃料含水量較大時候腐蝕加劇。因此，該鍋爐在高溫受熱面的管系採用特殊的設計並採用特殊材料，同時配備有效的吹灰系統和除灰措施，防止腐蝕和大量渣層產生。爐膛內的灰渣經過振動爐排進入位於爐前的撈渣機中。鍋爐煙氣除塵採用的是布袋除塵器。汽輪發電機採用的是武漢汽輪發電機廠生產的一台30MW抽凝機組，額定電壓6.3 kV，經主變升壓至110kV後由單能線併入22萬單城變。
經驗總結
1 生物發電富民實踐
生物質發電項目最大的成本為燃料的購買成本，占電價的50%～60%。以一個30MW左右的生物質直燃發電項目為例，每年大概需要20萬～25萬t生物質燃料(根據燃料熱值和發電利用小時數不同)，以爐前價格300 元/t 核算，總計燃料費大概需支付6 000 萬～ 7 500 萬元，這些費用都是直接支付給出售燃料的農民和農民經紀人。國家給予的生物質發電項目的補貼為6000萬～7500萬元，因此國家的補貼大部分轉化為農民售賣燃料的收入。
一個生物質電廠內部本身運行管理人員數量與同等規模的煤電廠差不多，但是圍繞一個生物發電項目的燃料供應產業鏈，可以為2000名左右農民穩定增收( 在電廠存續運行期間，該部分農民會從中受益，比其他就業方式相對穩定)。中國有8億多農民，農村地區有很多秸稈可用於發電。目前收購農民秸稈生產生物質能的產業尚在完善中，只要有合理的生物發電的產業需求拉動，通過突破技術和產業鏈完善，這個問題應該是可以解決的。與現在已很成熟的化石能源如煤炭、石油等的開發相比，生物質能資源的開發完善要容易得多，但是目前我們在此領域的投入很少，相關的科研和技術創新剛剛開始。最初化石燃料的開發成本遠遠高於生物質能，農業糧食籽粒的收穫技術難度也遠遠高於秸稈。從近幾年產業化實踐經驗來看，秸稈的收穫難題只是暫時的，完全能夠通過技術創新、產業鏈完善來逐漸解決的。
中國開發農林生物質能源還有一個重要國情:目前我國有2000萬留守兒童，2000多萬留守老人，將近4700 多萬留守婦女過著“牛郎織女”的生活，金融危機後還有部分農民失業回鄉。如果用秸稈、林業剩餘物開發生物質能源，可以實現農民綠色就業，年收入1 萬～ 2 萬元，就可以保障家庭生活和給子女交學費等支出，實現富民安邦。另外，在我國沙地、鹽鹼地、坡地、山地等邊際性土地發展種植多年生灌木或者草本能源植物，既能美化綠化環境，固土減排，增加碳匯，又可隔年平茬作為生物能源原料。中國農民多、勤勞且有優良的種植傳統，這種因地制宜發展生物質能源，在給農民帶來經濟效益的同時又給國家帶來環境生態效益和能源效益，是一個潛力巨大的綠色產業。
2 生物發電項目的技術和產業潛力
農產品生產具有季節性，其價格也因此具有波動性，旺季時候便宜些或質量好一些，淡季時候貴一些或質量差一些。農作物秸稈等農林生物質也是如此，這就需要企業掌握好盈虧平衡點，根據全年控制好總體成本，在國家的補貼範圍內，實現盈利和可持發展。秸稈是副產品，是可再生的，從遠期看來，生物發電的原料成本與化石能源相比是個此消彼長的關係，筆者保守估計在今後二十年左右可能就會有一個交叉點，屆時生物質能源將是逐漸擺脫補貼實現更快發展新起點。生物質能既是現實的能源，又是未來的儲備，是我們未雨綢繆積極發展可再生能源的主要的一部分。
生物質發電產業與發展其他清潔能源技術套用不但不矛盾，而且可以相輔相成、相互支持。由於生物質能總量大、資源分布廣、種類多，具有獨特的儲能特性，獨具石化材料、液體燃料替代的潛力，雖然目前該產業總體工業化程度低，但也正預示著其巨大的發展潛力。
生物質直燃發電項目( 純燒、混燒) 儲備了工業熱源、電站，是現實的生物質資源工業化套用的嘗試，同時也為未來的生物質液體、氣體、材料開發打開了產業化發展之門。
在農區的農作物剩餘秸稈等生物質發電，發出的不僅僅是電，更是邊遠農村急需的分散式清潔能源，是縣域經濟發展的自備熱電廠，更是未來先進生物質能套用產業發展的必經之路，也將是未來我國農村城鎮化、城鎮城市化發展的有力支撐。
對城市垃圾生物質，我國現在一般是填埋或者焚燒處理，但前者存在土地限制，後者存在環保問題。因此可以考慮採用規模化生物質循環流化床氣化在生物質間接混合燃燒發電技術，將規模化生物質循環流化床產生的燃氣在生物質直燃鍋爐內混合燃燒，將可能做到環保高效，減少污染排放，值得研究和實踐。另外，針對我國必須關停的小火電，結合電廠技術和周邊生物質資源情況，將一部分符合條件的改造成生物質電廠。這既是地方區域熱電的補充，也是農村地區實現多重社會經濟效益的難得載體。
3 我國農林生物質資源高效套用技術路線的選擇
我國地域遼闊，東西、南北差異大，農林生物質資源總量豐富，但是種類多樣、分布分散。應該結合各地具體情況，因地制宜，採用多樣的農林生物質資源高效技術路線。同時，要考慮多種技術路線的優勢互補、協同發展。以直燃發電為例，適合的區域是氣溫較為乾燥、地勢較為平坦的華北、東北、新疆、內蒙古等區域，秸稈資源品種主要有小麥、玉米、棉花秸稈以及林業剩餘物等。在南方氣溫高、空氣濕潤、生物質易腐爛地區，則適合開展戶用或者工業化沼氣、小型氣化等項目。
生物質直燃發電項目的灰渣是很好的還田肥料，可以保證土壤中的礦物元素平衡。沼渣液與電廠灰渣結合可以生產綠色有機肥料還田，使土壤中的礦物元素保持平衡、有機質增加。這種綜合套用項目，一方面可以刺激農村戶用沼氣( 或者工業化沼氣)的快速發展，提升農村戶用炊事能源品位，節省下來秸稈(農村沼氣一般採用人、禽、畜糞便等作為發酵原料) 支持直燃發電等，這是一個雙贏甚至多贏的項目。
4 關於生物質直燃發電項目裝機容量的大小
由於燃料消耗量大，連續性要求高，大家對於生物質直燃發電廠裝機規模有不同的看法。有的專家認為，由於生物質燃料收集困難、成本高，因此為了保障電廠效益，生物質直燃發電廠裝機越小越好，一般不要超過12 MW。經過產業化實踐:12 MW 的生物質直燃電廠整體造價與25 MW 造價差別不大，但是發電量少了50 %; 另外，一年收集10 萬t 與20 萬t 生物質燃料相比較，單位收集成本差別不大。因此，12 MW 與25 MW 生物質電廠相比較，規模經濟效益要差很多。因此，我國生物質直燃發電裝機以30 MW 左右投資，經濟效益要好一些。
5 我國農林生物質資源規模化收集及其發展模式
生物質電廠投資初期考察資源是考察擬建項目的30 ～ 50 km 半徑範圍內資源分布和利用情況。由於原料來源和收集模式的不同，實踐中的資源收集半徑也會大於50 km 甚至更大，但是原料供應總量還是以近距離為主，少部分遠距離基本都是空車返程配貨。
生物質原料的工業化供應鏈產業需要考慮“經濟性成本、能量投入和產出成本、碳排放分析”三個相對獨立的因素。從項目的現實市場可行性考慮，需要考量資金投入和產出的“經濟性成本”;從項目的經濟模式設計和完善方面考慮則需要關注“能量投入和產出成本、碳排放分析”。項目的健康發展需要以上三個方面因素的有機統一，其中後兩者優先。但是，在產業實踐中有一些現實的特殊情況要避免以機械的思考方式予以評判。例如，在我國農區廣泛存在“空車返程配貨”的遠程貨物輸送現象，是不應該作為單程個案分析而得出單宗原料運輸距離過遠、碳排放和能耗較高的片面結論的。從往返全過程因素考察，這種“空車返程配貨”本身是一種資源的統籌最佳化配置和節能減排的具體實踐。
從經濟性方面考察( 一般而言，能量投入和碳排放與經濟性具有正相關性)，燃料的運輸費用僅是燃料總價格的一部分，其他還有燃料的原始購買費用、加工費、保存保管費用、利潤等。原料的主要成本在於原料收集、購買、加工和裝車等方面，加工處理後的生物質原料的運輸費用占總體比例較小。
在農村地區普遍存在機動車空車返程配貨運輸的情況下，運輸費用更不是主要考察因素。原料的成本降低需要在收集加工、裝卸儲運等方面的機械化、規模化裝備完善以及模式設計最佳化方面作出努力，而是僅僅考慮縮小原料收購量和收購半徑，這與傳統認識顯著不同。
從總體降低原料收集成本和農業農村現代化發展方向看，農林生物質資源收集要走“工業化、規模化、機械化”發展道路，只有這樣，農業農村才能留下更多的人才、資金，才能有自我良性循環發展的機會。現在工業不發達的農村地區，成年勞動力大多都外出打工了，除了農忙季節外，農村富餘的成年勞動力較難找到。農民雖然也有強烈的建設家鄉的願望，但是苦於缺乏資金、項目、技術、經驗，這種條件下更談不上吸引外地優秀人才和資金來參加新農村建設了。生物質發電產業對於農村上下游產業鏈多方向技術發展具有顯著的帶動效應，大量資金、人才將流向國內市場和農村建設。在目前無法指望在單一的農業基礎生產環節實現農業產業化、脫困情況下，這種帶動效應彌足珍貴。
6 生物質直燃發電項目關鍵系列設備攻關與發展
前面談過生物質直燃發電的關鍵技術主要有三部分，一是生物質收集、供應、加工與管理成套技術與裝備;二是生物質原料輸料、進料系統技術與設備;三是生物質能高效燃燒等轉化技術。其中第一個問題比較關鍵，由於目前缺乏生物質燃料高效收集、加工、供應和上料技術成套裝備，缺乏相關製造標準。第一、第二個問題相關的技術裝備的可靠性、適用性是當前以及未來國內生物質資源工業化套用產業健康發展的關鍵。
展望
我國發展農林剩餘物生物質能源化利用產業，可以實現農林生物質資源工業化、集約化發展和套用，拓展農業產業領域、改善生態環境、減少溫室氣體排放，這對於中國農村經濟建設和農業現代化發展都具有現實的意義，是我國農業產業應對氣候變化的具體作為。
生物質直燃發電產業具有環境友好、科技含量高、產業鏈長、社會效益大、遠景發展潛力大的特點。以該項產業為龍頭，可以有效帶動上下游相關產業鏈的發展，有利於農機設備的現代化發展。在減少秸稈田間焚燒污染、交通事故等經濟損失的同時，變廢為寶，生產環境友好、附加值高的綠色電能、工業熱能，燃燒後的灰渣可以直接還田或者加工生產肥料。發展生物質發電還可以帶動能源林產業的發展，有助於防止土壤沙化和水土流失，促進生態的良性循環。同時，由於農區的農作物秸稈等農林剩餘物工業化增值利用，有利於新農村建設和農民就業、增收，會增加農民種糧的積極性，因此也有利於糧食安全保障和農村區域的生產、生活穩定。這是發展農村分散式能源，實現農村城鎮化、農業工業化發展的重要一步。
在發展生物質能清潔能源的過程中，既可以保護生態環境，又能讓中國農民從中得到發展機會。中國的農林生物質能產業，是中國的國家發展戰略選擇，是歷史、現實、自然環境、國際政治經濟大環境下難得的多贏發展戰略。
