一、引言
生物質發電是發展規模最大、最成熟的現代生物質能利用技術。我國生物質資源豐富，主要包括農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便、城市生活垃圾、有機廢水和廢渣等，每年可作為能源利用的生物質資源總量相當于約4.6億噸標準煤。2019年，全球生物質發電裝機容量從2018年的1.31億千瓦增加到約1.39億千瓦，增長約6%。年發電量從2018年的5460億千瓦時增至2019年的5910億千瓦時，增長約9%，增長主要集中在歐盟和亞洲，特別是中國。中國《生物質能發展“十三五”規劃》提出至2020年，生物質發電總裝機容量應達到1500萬千瓦，年發電量900億千瓦時。截至2019年底，中國生物發電裝機容量從2018年的1780萬千瓦增長到2254萬千瓦，年發電量超過1110億千瓦時，超出了“十三五”規劃目標。近年來我國生物質發電產能增長的重點是將農林廢棄物和城市固體廢物用于熱電聯產系統，為城市地區提供電力和熱能。
生物質發電起源于上世紀70年代，世界性能源危機爆發后，丹麥等西方國家開始利用秸稈等生物質能進行發電。20世紀90年代以來，生物質能發電技術在歐洲和美國都得到了大力發展與應用。其中丹麥發展生物質發電的成就最為顯著，從1988年建成投運世界第一座秸稈生物燃燒發電廠，迄今為止，丹麥已經創建了一百多家生物質發電廠，成為世界各國發展生物質發電的標桿。另外，東南亞國家在以稻殼、甘蔗渣等為原料的生物質直接燃燒方面也取得了一定的發展。我國生物質發電起步于20世紀90年代，進入21世紀后，隨著國家扶持生物質發電發展政策的出臺，生物質發電廠的數量和能源份額都在逐年上升。在如今氣候變化和要求CO2減排的大形勢下，因生物質發電可有效降低CO2和其他污染物排放，甚至可實現CO2的零排放，因此成為近年來研究人員爭相進行研究的重要內容。
生物質發電技術根據工作原理可劃分為直接燃燒發電技術、氣化發電技術和耦合燃燒發電技術三大類。
生物質直接燃燒發電在原理上與燃煤鍋爐火力發電十分類似，即將生物質燃料（農業廢棄物、林業廢棄物、城市生活垃圾等）送入適合生物質燃燒的蒸汽鍋爐中，利用高溫燃燒過程將生物質燃料中的化學能轉化為高溫、高壓蒸汽的內能，通過蒸汽動力循環轉化為機械能，最終通過發電機將機械能轉變為電能。
生物質氣化發電要經過如下環節：（1）生物質氣化，經過破碎干燥等其他預處理的生物質在高溫環境下熱解氣化，產生含有CO、
CH
4
和
H
2
等可燃組分的氣體；（2）氣體凈化，氣化過程生成的可燃氣體通入凈化系統，去除其中的灰分、焦炭和焦油等雜質，以滿足下游發電設備的入口要求；（3）氣體燃燒發電，凈化后的可燃氣通入燃氣輪機或者內燃機燃燒做功發電，也可以通入鍋爐內燃燒，利用產生的高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電。
由于生物質資源分散，能量密度低，收集運輸困難，使得生物質直接燃燒發電對燃料供應的持續性和經濟性有較高的依賴度，導致了生物質發電高昂的成本。生物質耦合發電是利用生物質燃料替代部分其他燃料（通常指煤）進行混燒的發電方式，在提高生物質燃料靈活性的同時減少煤炭用量，實現了燃煤火電機組的CO2減排問題。現階段生物質耦合發電技術主要包括：直接混燃耦合發電技術、間接燃燒耦合發電技術和蒸汽耦合發電技術。
基于目前生物質直燃的發電機組，按照工程實踐中使用比較多的爐型可主要分為層狀燃燒技術和流態化燃燒技術兩種[2]。
層狀燃燒是指將燃料輸送到固定或移動的爐排上面，空氣從爐排的底部通入，通過燃料層進行燃燒反應。具有代表性的層狀燃燒技術是引進由丹麥BWE公司研發的水冷振動爐排技術，并于2006 年建造了中國第一座生物質發電廠- 山東單縣電廠。由于生物質燃料的灰分低、燃燒溫度高，爐排片很容易因為過熱不能很好的冷卻而損壞，水冷振動爐排最重要的特點是其特殊的結構和冷卻方式，解決了爐排過熱的問題。隨著丹麥水冷振動爐排技術的引進及推廣運行，國內多家企業通過學習和消化推出了具有自主知識產權的生物質爐排爐燃燒技術，已規模化投入運行，代表廠家包括上海四方鍋爐廠、無錫華光鍋爐有限公司等。
流化床技術作為一種以固體顆粒流態化為特征的燃燒技術在燃用生物質方面相比層燃技術有著眾多優點。首先流化床內有大量惰性床料，熱容高，對高含水率生物質燃料的適應性強；其次，流化床內氣固混合物的高效傳熱傳質使得生物質燃料進入爐膛后可以迅速加熱升溫，同時高熱容床料可維持爐膛溫度，保證在燃用低熱值生物質燃料時的燃燒穩定性，在機組負荷調整方面也具有一定優勢。在國家科技支撐計劃支持下，清華大學開發了“高蒸汽參數生物質循環流化床鍋爐技術”，并采用該技術成功開發了目前世界容量最大的125 MW超高壓一次再熱生物質循環流化床鍋爐、首臺純燃玉米秸稈的130 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐。
由于生物質尤其是農業廢棄物堿金屬和氯含量普遍較高，燃燒過程中存在高溫受熱面積灰、結渣和腐蝕等問題，國內外生物質鍋爐蒸汽參數多為中溫中壓，發電效率不高，生物質層燃直燃發電的經濟性制約了其健康發展。
生物質氣化發電采用特殊的氣化反應器，把生物質廢棄物，包括木料、秸稈、稻草、甘蔗渣等轉換為可燃氣體，產生的可燃氣體再經過除塵除焦等凈化工序后，送到燃氣輪機或內燃機進行發電[3]。目前常用的氣化反應器可以劃分為固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐。在固定床氣化爐中，物料床層相對穩定，會順序完成干燥、熱解、氧化以及還原等反應，最后轉化為合成燃氣。根據氣化劑與合成燃氣流動方向的差異，固定床氣化爐主要有上吸式（逆流式）、下吸式（順流式）、橫吸式氣化爐三種形式。流化床氣化爐由氣化室和布風板等組成，氣化劑通過布風板均勻給入氣化爐中，按氣固流動特性不同，可以分為鼓泡流化床氣化爐和循環流化床氣化爐。氣流床中氣化劑（氧氣、水蒸氣等）夾帶生物質顆粒，通過噴嘴噴入爐膛。細顆粒燃料分散懸浮于高速氣流中，高溫下細顆粒燃料與氧氣接觸后迅速反應，釋放大量熱，固體顆粒瞬間熱解、氣化轉化生成合成燃氣及熔渣。對于上吸式固定床氣化爐，合成氣中焦油含量較高。下吸式固定床氣化爐構造簡單，加料方便，可操作性好，在高溫作用下，生成的焦油可充分裂解為可燃性氣體，但氣化爐出口溫度較高。流化床氣化爐優點是氣化反應速度快，爐內氣固接觸均勻，反應溫度恒定，但其設備結構復雜，合成氣中灰分含量高，對下游凈化系統要求較高。氣流床氣化爐對物料預處理要求較高，必須粉碎成細小顆粒，以保證物料可以在短暫的停留時間內反應完全。
生物質氣化發電規模小的時候經濟性較好，成本低，適合農村偏遠分散地區，對于補充我國能源供應具有重要意義。需要解決的主要問題是生物質氣化產生的焦油問題。氣化過程產生的氣體焦油遇冷會形成液態焦油，造成管道堵塞，影響發電設備無法正常運行。
單純焚燒農林廢棄物發電的燃料成本是制約生物質發電產業的最大難題。生物質直燃發電因機組容量小、參數低，經濟性不高，也限制了生物質的利用量。采用生物質耦合多源燃料燃燒，或是降低成本的一個途徑。目前來說最能有效降低燃料成本的方式是生物質與燃煤耦合發電。2016年國家下發了《關于推進燃煤與生物質耦合發電的指導意見》，大大地促進了生物質耦合發電技術的研究和推廣。近年來，通過現役燃煤電廠改造，采用燃煤耦合生物質發電的方式，借助大型燃煤發電機組高效、低污染的技術優勢，顯著提高了生物質發電效率。技術路線可分為3種類別：（1）破碎/制粉后直接燃燒耦合，又包括同磨同燃燒器、異磨同燃燒器、異磨異燃燒器混燒三種；（2）氣化后間接燃燒耦合，生物質經過氣化過程生成可燃氣體后送入爐膛燃燒；（3）專用生物質鍋爐燃燒后蒸汽耦合。
直接燃燒耦合是一種可大規模實施、性價比高、投資周期短的利用方式，在耦合比例不高時燃用生物質帶來的燃料處理、存儲、沉積、流動均勻性及其對鍋爐安全性和經濟性產生的影響都已在技術上得到解決或控制。間接燃燒耦合技術將生物質和煤分別處理，對生物質種類適應性強，單位發電量生物質消耗少，節省燃料，能夠一定程度上解決生物質直接燃燒過程中堿金屬腐蝕、鍋爐易結焦等問題，但工程可擴展性差，不適用于大型化鍋爐。國外多以直接燃燒耦合方式為主，由于間接燃燒方式生物質耦合發電量計算較為可靠，因此基于循環流化床氣化的間接燃燒耦合發電目前是我國生物質耦合發電應用的主導技術。2018年國首臺660MW超臨界燃煤發電機組耦合20MW生物質發電示范項目大唐長山電廠獲得圓滿成功。該項目采用自主研發的生物質循環流化床氣化耦合發電工藝，每年大約消耗生物質秸稈10萬噸，實現生物質發電1.1億千瓦時，節省標煤約4萬多噸，減排CO2約14萬噸。
隨著我國碳減排制度體系和碳排放交易市場建設的日益完善，以及支持燃煤耦合生物質發電政策的不斷落實，生物質耦合燃煤機組發電技術正在迎來良好的發展機遇。農林廢棄物和城市生活垃圾的無害化處理一直是地方政府亟待解決的城鄉環境問題的核心，如今生物質發電項目規劃權已經下放到地方，地方政府可在項目規劃上將農林生物質和城市生活垃圾捆綁在一起，推動廢棄物一體化發電項目。
生物質發電產業不斷發展的關鍵除了燃燒技術外，配套輔助系統的自主開發以及成熟和完善也至關重要，比如生物質燃料的收集、破碎、篩選和給料系統等。同時，開展先進的生物質燃料預處理技術，提高單一設備對多種生物質燃料的適應性是未來實現低成本大規模應用生物質發電技術的基礎。
生物質直燃發電機組的容量一般都較小（≤50MW），相應的鍋爐蒸汽參數也較低，一般為高壓參數或更低。因此純燒生物質發電項目的發電效率一般不高于30%。基于300MW級亞臨界機組或600MW及以上的超臨界或超超臨界機組開展生物質直接耦合燃燒技術改造，可將生物質發電效率提高至40%甚至更高。此外，生物質直燃發電項目機組能否持續運行完全取決于生物質燃料的供應情況，而生物質耦合燃煤發電機組的運行則不依賴于生物質的供應。這種混燃方式使得發電企業生物質收集市場具有更強的議價能力。生物質耦合發電技術還可利用燃煤電廠現有的鍋爐、汽輪機及輔助系統，僅需新增生物質燃料處理系統，對鍋爐燃燒系統進行部分改動，因此初投資更低。上述措施都將大大提高生物質發電企業的盈利能力，降低對國家補貼的依賴。在污染物排放方面，生物質直燃發電項目執行的環保標準較為寬松，煙塵、SO2、NOx排放限值分別為20、50、200mg/Nm3。生物質耦合發電依托原有燃煤火電機組，執行超低排放標準，煙塵、SO2、NOx排放限值分別為10、35、50mg/Nm3。與同等規模的生物質直燃發電相比，煙塵、SO2、NOx排放分別減少50%、30%、75%，社會環保效益顯著。
大型燃煤鍋爐開展生物質直接耦合發電改造的技術路線目前可歸納為生物質顆粒——生物質磨機——管道分配系統——煤粉管道，盡管目前生物質直接耦合燃燒技術有難以計量方面的缺點，但解決該問題后直接耦合發電技術將成為生物質發電的主要發展方向，可以實現大型燃煤機組生物質的任意比例耦合燃燒，同時具有成熟、可靠、安全的特點，該技術在國際上已經得到廣泛應用，已有15%、40%甚至100%耦合比例的生物質發電技術。可先在亞臨界機組開展工作，逐步擴大，最終實現超超臨界參數+生物質耦合燃燒+區域供熱的CO2深度減排目標。
生物質燃料多具有高含水率、高含氧量、低能量密度、低熱值的特點，限制了其作為燃料的使用，對其高效熱化學轉化產生不利影響。首先原料中含有較多的水分，會延遲熱解反應，破壞熱解產物的穩定性，降低鍋爐設備的穩定性，增加系統能耗等。因此，在熱化學應用前對生物質燃料進行預處理是十分必要的。
生物質致密成型加工技術可以減少因為生物質燃料能量密度過低而造成運輸和儲存成本的增加。在惰性氣氛和一定溫度的環境下對生物質燃料進行烘培處理相比干燥技術，能夠釋放生物質中的水分和部分揮發分，改善生物質的燃料特性，降低O/C和O/H，烘焙后的生物質表現出疏水性且更容易粉碎成細小顆粒，能量密度提高，有利于提高生物質的轉化利用效率。粉碎是生物質能轉化利用重要的前期處理工序，對于生物質成型燃料，顆粒尺寸的減小可以增加比表面積以及壓縮過程中顆粒間粘結作用。粒徑過大會影響燃料的升溫速率乃至揮發份的析出,進而影響氣化產物的質量。未來可以考慮在電廠內或電廠附近建設生物質燃料預處理工廠對生物質物料進行烘焙和粉碎。國家“十三五”規劃中也明確指出將生物質固體顆粒燃料技術升級，生物質成型燃料年利用量3000萬噸，因此大力深入研究生物質燃料預處理技術有及其深遠的意義。
相比常規火電機組，生物質發電的主要區別在于生物質燃料輸送系統和相關燃燒技術。目前我國生物質發電的主要燃燒設備鍋爐本體等已實現了國產化，但生物質的輸送系統還存在一定的問題。農業廢棄物一般具有極為松軟的質地，在發電過程中的消耗量相對比較大，發電廠須根據具體的燃料使用量來制備上料系統。現有的燃料種類極多，混合使用多種燃料會導致上料系統產生燃料不均勻甚至堵料的情況，鍋爐內部的燃料工況極易出現劇烈波動。可充分利用流化床燃燒技術在燃料適應性方面的優勢，先基于流化床鍋爐開展篩選和上料系統的研發與改進。
生物質發電技術的發展不像其他可再生能源，發電量多少僅會影響經濟效益，不會對社會產生影響。生物質發電同時還要無害化、減量化處理農林廢棄物和生活垃圾，它的環保效益、社會效益要遠遠大于其能源效益。盡管生物質發電技術發展帶來的收益值得肯定，但是相關管理制度，如生物質耦合發電計量方法與標準的不健全，國家財政補助力度不強，以及對新技術的開發力度相對欠缺等因素導致生物質發電生產活動中的部分關鍵技術問題不能被有效的處理，是限制生物質發電技術發展的原因，因此需要采取合理的措施進行促進。
（1）雖然技術引進和自主開發同是目前國內生物質發電產業發展的主要方向，但是要清楚地認識到要想有最終的出路，就得努力走自主開發之路，進而不斷完善國產技術。現階段主要是對生物質發電技術的開發和完善，部分經濟性較好的技術可以率先開展商業應用；隨著生物質逐漸成為主要能源以及生物質發電技術的逐步完善和成熟，生物質將具備與化石燃料競爭的條件。
（2）可以通過減少部分純燃農業廢棄物發電機組數量和發電公司的數量，降低社會管理成本，同時加強存量生物質發電項目的監測管理。在燃料收購方面，保障原料充足、高質量的供給，為電廠穩定高效運行奠定基礎。
（3）進一步完善生物質發電稅收優惠政策，依托熱電聯產改造來提升系統效率，鼓勵支持縣域多源廢棄物清潔供熱示范項目建設，限值只發電不供熱的生物質項目。
（4）BECCS（生物質能結合碳捕集與封存技術）提出了一種將生物質能利用和二氧化碳捕集與封存聯合的模式，具有碳負排放和提供碳中性能量的雙重優勢。BECCS 是一項長期減排技術，目前我國在這一領域的研究較少，作為一個資源消耗和碳排放的大國，中國應將BECCS納入應對氣候變化的戰略框架中，增加這方面的技術儲備。
文章來源：火電廠技術聯盟
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