三種生物燃料技術及其發展

日期：2010-05-14 16:44:13

生物質能源技術就是把生物質轉化為能源并加以利用的技術，按照生物質的特點及轉化方式可分為固體燃料生產技術、液體燃料生產技術、氣體燃料生產技術。固體生物燃料技術包括生物質成型技術、生物質直接燃燒技術和生物質與煤混燒技術，是廣泛應用且非常成熟的技術，生物質常溫成型技術代表著固體生物質燃料的發展趨勢；生物液體燃料可以替代石油作為運輸燃料，不僅能解決能源安全問題，還有利于減少溫室氣體排放，還可以作為基本有機化工原料，代表著生物能源的發展方向，液體生物燃料包括燃料乙醇、生物柴油、生物質經氣化或液化過程再竟化學合成得到的生物燃油BtL（Biomass to Liquid Fuel）；氣體生物燃料包括沼氣、生物質氣化、生物質制氫等技術，工業化生產沼氣以及沼氣凈化后作為運輸燃料GtL（Gas to Liquid Fuel）是近期內發展氣體生物燃料的現實可行技術。

1、固體生物質燃料

生物質成型燃料燃燒是把生物質固化成型后采用略加改進后的傳統燃煤設備燃用，該技術將低品味的生物質轉化為高品味的易儲存、易運輸、能量密度高的生物質顆粒（pellets）狀或狀（briquettes）燃料，熱利用效率顯著提高，能效可達45%（如瑞典的Kcraft熱電工廠），超過一般煤的能效。歐洲在生物質成型燃料方面起步較早，900萬人口的瑞典年顆粒燃料使用量為120萬噸，瑞典20%集中供熱是生物質顆粒燃料完成的；600萬人口的丹麥年消費成型燃料70萬噸。瑞典還開發了生物質與固體垃圾共成型燃燒技術，解決了垃圾燃燒有害氣體二惡英（dioxin）超標問題。

直接燃燒作為能源轉化形式是一項傳統的技術，具有低成本、低風險等優越性，但效率相對較低，還會因燃燒不充分而污染環境。鍋爐燃燒采用現代化的鍋爐技術，適用于大規模利用生物質；垃圾焚燒也采用鍋爐燃燒技術，但由于垃圾的品味低及腐蝕性強等原因，對技術水平和投資的要求高于鍋爐燃燒。通過技術改進，生物質直接燃燒的能效已顯著提高，直接燃燒的能效已達30%（如丹麥的Energy 2秸桿發電廠，瑞典的Umea Energy垃圾熱電廠）。美國生物質直接燃燒發電約占可再生能源發電量的70％，2004年美國生物質發電裝機容量為9799MW，發電370億Kwh。

1)生物質固體燃料生產技術

目前國內外普遍使用的生物質成型工藝流程如圖1-1所示。壓縮技術主要包括螺旋擠壓式成型技術、活塞沖壓成型技術和壓輥式成型技術，其中前兩種技術發展較快，技術比較成熟，應用較廣。但一般的成型技術需要將生物質加熱到80°C以上才能使其成型，所以能耗較高，增加了生物制成型燃料的成本。

現有的生物質成型技術必須在加熱條件下進行，常溫成型技術則打破了這一傳統概念。目前，中國（清華大學）和意大利（比薩大學）兩國分別開發出生物質常溫（<40°C）成型技術，使生物質成型燃料的成本顯著降低，為生物質成型燃料的廣泛應用奠定了基礎。生物質材料的力傳導性極差，但通過縮短力傳導距離，給其一個剪切力，可使被木質素包裹的纖維素分子團錯位、變形、延展，在較小的壓力下，可使其相鄰相嵌、重新組合而成型。利用這一理論制造的機械設備，可以實現自然含水率生物質不用任何添加劑、粘結劑的常溫壓縮成型。常溫成型技術為生物質低成本地高效利用打開了方便之門，不僅可以生產高效固體清潔燃料，而且提高了生物質的能量密度，方便運輸，可以作為液體燃料和生物化工產品的生產原料。成型燃料還解決了直接燃燒能效低的問題，使顆粒燃料可以在千家萬戶作為炊事、取暖燃料，而以往的生物質直燃技術只適用于大型鍋爐系統，小型直燃系統能效僅為10-15%，且因燃燒不完全造成環境污染。但是，在原料脫水預處理、提高單機生產能力方面尚需做大量的工作。

瑞典的Stockholm Energy公司1970年代末首先將3座100MW燃油鍋爐改為使用生物質顆粒燃料；Kraft熱電工廠在世界上首先開發熱、電、顆粒燃料聯產技術并投入商業化生產，能效高達86%。瑞典的生物質成型燃料已廣泛應用于供熱和工業鍋爐，其中集中供熱的20%是由顆粒燃料提供。瑞典的人均燃料占有量為130kg，居世界第一位。

2)生物質直接燃燒技術

生物質水分較高(有的高達60％左右)，熱值較低，燃燒過程還要考慮結渣和腐蝕問題。芬蘭從1970年就開始開發流化床鍋爐技術，現在這項技術已經成熟，并成為生物質燃燒供熱發電工藝的基本技術。這種技術大規模條件下效率較高，單位投資也較合理。但它要求生物質集中，數量巨大。如果考慮生物質大規模收集或運輸，成本也較高，適于現代化大農場或大型加工廠的廢物處理，對生物質較分散的發展中國家可能不適合。

一般生物質直接燃燒發電的過程包括：生物質與過量空氣在鍋爐中燃燒，產生的熱煙氣和鍋爐的熱交換部件換熱，產生出的高溫高壓蒸汽在蒸汽輪機中膨脹做功發出電能根據不同的技術路線，分為氣輪機、蒸氣機和斯特林發動機等。意大利開發了適合村鎮使用的小型生物質發電（Village power plant）技術，燃燒秸桿或木屑生熱，鍋爐中的介質是油而不是通常的水，再通過油加熱有機硅油產生蒸汽驅動透平機發電，該系統熱能利用率比普通系統高5%以上，已在德國使用。

3)生物質與煤混燒技術

現有電廠利用木材或農作物的殘余物與煤的混合燃燒是比較現實的技術，除了能夠提高農林廢物利用率外，還可以降低燃煤電廠NOx的排放。從20世紀90年代起，丹麥、奧地利等歐洲國家開始對生物質能發電技術進行開發和研究。經過多年的努力，已研制出用于木屑、秸稈、谷殼等發電的鍋爐。在美國，有300多家發電廠采用生物質能與煤炭混合燃燒技術，裝機容量達6000ＭＷ。國內已有多家鍋爐廠家生產生物質和煤混燒的鏈條爐和流化床爐，分別在東南亞國家和我國廣東等省運行。