簡介
全球變暖引起世界各國對溫室氣體排放量的關注,《京都議定書》規定了締約國溫室氣體排放量的限額。為了實現《京都議定書》的減排目標,可再生能源的開發利用和能效的提高已成為各國減排的主要途徑。提高熱電部門的供應效率為近期溫室氣體減排提供了一個機會。傳統化石燃料發電系統的平均綜合效率數十年以來一直保持在35%-37%,而一般的熱電聯產系統的綜合效率達60%-80%,最先進的熱電聯產系統的綜合效率可達到90%以上。熱電聯產具有可減少溫室氣體排放量、降低熱電網輸送系統的投資、增強能源供給的穩定性等優點,理論上幾乎適合於任何燃料,如天然氣、煤、柴油、城市固體廢棄物(MSW)和生物質等,其中生物質的套用日益受到重視。生物質原料包括農業廢棄物、動物廢棄物、林業木材廢棄物、專用能源種植物、城市固體垃圾和掩埋氣、污水處理生物質氣、城市木材廢棄物以及食品殘渣。目前有機廢棄物和殘渣一直是主要的生物質資源,但專用能源種植物正逐漸受到重視。用生物質代替化石燃料有許多潛在的優點,具體取決於生物質的來源和用途,通常包括:降低溫室氣體和其它污染物排放;節省成本;加快地方經濟發展;減少廢棄物的數量;增強國內燃料供給的穩定性;同時生物質更加靈活可靠。生物質能與其它可再生能源,如太陽能、風能、水能相比,不受氣候條件、季節或晝夜變化的影響,且可以儲存。另外,其碳中性的特性符合減排、可持續發展的局勢。但是,生物質作為燃料,其能源密度較低,這也正是其只能小規模套用或混合燃燒的原因。
生物質熱電聯產是一個綜合的能源系統,系統形式和組成取決於生物質燃料類型和末端用戶的需求。生物質原料的燃料特性差別很大,因此在套用過程中所考慮的問題也不同。不同的生物質原料需要不同的收集、儲存、運輸以及轉化技術。
用於熱電聯產的生物質的轉化路線,大體分為二類:直接燃燒技術和氣化技術,後者包括固體生物質直接氣化、固體生物質高溫分解生成生物油後氣化,以及濕生物質(如動物廢棄物)經厭氧發酵生成生物質氣。
生物質熱電聯產系統的原動機具有不同類型,如蒸汽輪機、燃氣輪機、燃料電池、往復式發動機和燃料電池等。模組化系統出現了一些正處於研發階段或正在商業化過程中的新技術,如有機朗肯循環(ORC)、“熵”循環、熱空氣透平以及斯特林發動機 。
生物質熱電聯產中的生物質轉化技術
生物質轉化是將生物質轉化為可用於發電供熱的能源的過程。用於生物質熱電聯產的主要轉化技術為直接燃燒技術與氣化技術。
直接燃燒技術直接燃燒技術可追溯至19世紀,當今依然廣泛套用。
生物質燃燒的鍋爐為爐排鍋爐和流化床鍋爐,這2種鍋爐完全依靠生物質來維持燃燒或者將煤與生物質混合燃燒。爐排鍋爐根據燃料供給位置的不同分為下送爐排(underfeed)和上送爐排(overfeed)鍋爐,前者從爐排下向上供給燃料和空氣,而後者的燃料從爐排上供給,空氣則由爐排下向上送。上送爐排進一步分為集中式供給(massfeed)和撒布式供給(spreader),在集中式供給爐排里,燃料被連續地送至爐排的一端,當燃燒的時候,燃料沿著爐排運動,在爐排的另一端清除灰渣;撒布式供給爐排是最普通的爐排鍋爐,燃料被均勻地散在爐排面上,空氣從爐排下供給。爐排鍋爐的效率約為65%。
流化床鍋爐分為常壓流化床鍋爐和帶壓流化床鍋爐。根據流化速度的不同,常壓流化床鍋爐又分為沸騰(或稱為泡沫)流化床鍋爐和循環流化床鍋爐。與爐排鍋爐相比,流化床鍋爐燃燒效率高,可有效燃燒生物質和低級燃料,SO²和NOx的排放量低。流化床鍋爐的效率約為85%。影響生物質燃燒效率的主要因素是生物質的含水量、引入鍋爐的過量空氣和未燃燒或部分燃燒的生物質的百分比。高熱值、低含水量的生物質比低熱值、高含水量的生物質效率高。直接燃燒生物質熱電聯產系統與燃煤熱電聯產系統相比,增加了生物質準備工場、生物質處理設備(乾燥器、篩選機和研磨機等)、捕集大顆粒粉塵的旋風分離器、處理細微粒的囊式集塵室、乾式篩分系統、氮氧化物排放量控制裝置以及其它控制設備。
直接燃燒包括混合燃燒(cofiring)和專用生物質燃燒。混合燃燒指的是將少量的生物質原料與化石燃料混合作為鍋爐的燃料。生物質燃料的熱值占鍋爐總熱值的5%-15%時,鍋爐以及配套設備幾乎不用做大的改動就可以運行。混合燃燒具有降低原料成本、改善空氣污染物排放量、多樣化原料供應以及適於節能改造的優點。但是鹼含量高的生物質燃料在燃燒過程中會在換熱器等設備表面出現結渣、結垢問題;氯含量高的生物質燃料在燃燒過程中,尤其在高溫時,會加速對設備的腐蝕。這些問題可以通過以下途徑解決:篩選掉氯、鹼含量高的生物質原料,如青草、乾草;用燃料添加劑。大多數木製材料與廢紙不會出現結渣、結垢和腐蝕問題。將既有鍋爐改造成適合混合燃燒的鍋爐,附加成本大約占到生物質系統的15%-30%。
（2）氣化技術
氣化技術是指將生物質通過高溫分解或厭氧發酵產生中、低熱值的合成氣。合成氣的熱值在3726-18630kJ/m³之間,具體數值取決於生物質的含碳量、含氫量以及氣化器的特性。
氣化器包括固定床氣化器與流化床氣化器。按照空氣氣流方向不同,固定床氣化器可分為向下送風式、向上送風式與交叉流。向下送風式是指空氣通過固定床由上向下流動,合成氣在爐排下側流出;向上送風式是指空氣通過爐排由下向上流動,在固定床上側收集合成氣;交叉流是指空氣流向與固定床交叉,空氣從一側進入,合成氣從另一側流出。按空氣氣流流速由小到大的順序,流化床氣化器可分為沸騰式、再循環式與夾帶式。與固定床氣化器相比,流化床氣化器結構複雜,造價高。然而,流化床氣化器具有較好的靈活性,可處理大範圍的生物質原料,甚至包括含水率達到30%的生物質。
影響氣化器運行性能的主要因素包括生物質含水率、氣體淨化及工作壓力。生物質原料中水分的含量會影響到合成氣的熱值。水分含量越高,合成氣熱值越低,可利用程度越小。如果水分含量過高且沒有外部熱源時,氣化器不能正常工作。固定床氣化器的生物質原料含水率通常要小於20%,流化床氣化器的生物質原料含水率通常要小於30%。
氣化器製成的合成氣中含有多種類型的污染物,在用作下游設備的燃料之前,需要進行淨化。如燃料電池、蒸汽輪機、發動機都需要清潔的氣體。氣體淨化過程中損失了顯熱,目前針對此問題的高溫氣體淨化技術正在研究中。氣化器可在常壓或高壓下運行,高壓下產生的合成氣無需壓縮可直接引入燃氣輪機燃燒。厭氧發酵製成富甲烷的沼氣技術不在此贅述。
氣化技術與直接燃燒技術相比,具有氣體燃料用途廣泛、適於處理不同類型的生物質原料以及低排放量的特點,是一項很有潛力的技術。一些研究甚至表明氣化熱電聯產與傳統的燃煤熱電聯產廠經濟性相同。直接燃燒技術與氣化技術的商業化程度固定爐排鍋爐直接燃燒技術已有100多年的歷史,流化床鍋爐直接燃燒技術近年已在歐洲、美國廣泛推廣,混合燃燒適合於多種類型的鍋爐。固定床氣化器是正在出現的技術,目前全世界在運行的生物質氣化系統的實際數量估計低於25個。流化床氣化器的商業化程度比固定床氣化器要好 。
不同原動機的綜合生物質熱電聯產技術
蒸汽輪機(steamturbine)、蒸汽機(steamengine)、內燃機、燃氣輪機、燃料電池、微型透平都是較成熟的技術。蒸汽輪機中的動力機械為旋轉式,而蒸汽機為往復式動力機械,蒸汽機的主要缺點是電熱比低。內燃機包括柴油發動機和奧托發動機(汽油發動機),具有單位投資成本低、建設周期短、啟閉快、部分負荷時高效、容易維修以及適合多種燃料的特點。直接燃燒鍋爐蒸汽輪機生物質熱電聯產、模組化直燃鍋爐小型蒸汽輪機生物質熱電聯產以及以厭氧發酵生物質氣為燃料的內燃機、微型透平、燃氣輪機熱電聯產都是已商業化的技術。
（1）有機朗肯循環(OrganicRankineCycle,ORC)
有機朗肯循環是用有機流體替代水作為工質的朗肯循環。ORC可回收地熱、太陽能輻射熱量和低溫餘熱用於發電。ORC工質的選擇對ORC過程的使用起著關鍵的作用,工質類型取決於其用途和餘熱能級。
ORC很適合於用生物質作為燃料的熱電聯產系統。低溫時,有機流體有著更高的循環效率;套用於小規模的生物質熱電聯產廠時,部分負荷下有機流體的透平效率較高,這就是ORC用於生物質熱電聯產的主要原因。在大多數生物質的套用中,八甲三矽氧烷(OMTS)一直被選為ORC的工質,但是OMTS也有缺陷,高溫ORC過程中總熱回收效率偏低。生物質能,尤其是生物質厭氧發酵能是達到歐洲實施可再生能源目標的最具吸引力的選擇之一,具有替代化石燃料的潛力。然而,這項技術僅在有補貼時,在經濟方面才是可行的。
將動物廢棄物、有機垃圾和能源種植物倒入儲存裝置,根據需要送入發酵罐制生物質氣(富甲烷),產生的生物質氣流入氣體儲存罐,根據需求調節供氣量,氣體脫硫後進入大型內燃機(LargeInternalCombustionEngine)發電,餘熱供給ORC系統的蒸發器,驅動系統運行,從而實現同時發電供熱。簡單地說,該循環為採用內燃機的餘熱加熱的ORC循環。 ORC的發電效率為6%-17%,雖然發電效率低,但是它有其它的優點:維修量小、人工費低;有機流體的高壓與膨脹蒸汽之間的焓差小,相應地質量流量大,從而減小了間隙損耗;ORC氣輪機效率可達到85%以上;顯著的部分負荷性能。生物質ORC技術目前還未完全商業化,其發電範圍為300-1500kW。
（2）斯特林發動機
斯特林發動機是一種外燃往復式發動機。用外部能源加熱汽缸內的氣體,此氣體加熱後帶壓膨脹,驅動活塞作功,然後已釋放能量的膨脹氣體被冷卻壓縮準備下一輪加熱循環。斯特林發動機的構造主要分成3類:α型、β型與γ型。α型發動機由2個成 90°夾角的獨立汽缸組成,其中一個汽缸被加熱,另一個汽缸用水或空氣間接冷卻;β型由具有熱區與冷區的一個汽缸組成,置換劑在汽缸裡面;γ型是在β型的基礎上改造的,由2個單獨的汽缸組成,置換劑在其中的一個汽缸內。
斯特林發動機的類型斯特林發動機具有相當低的排放量、噪音小、運行安靜、維修量小。但是斯特林發動機的發電效率相當低,當用天然氣作為燃料時,發電效率大約為25%-30%;當用固體燃料,如生物質作為燃料時,效率低達15%;但總效率與其它熱電聯產方式差不多。斯特林發動機適合於住宅、賓館等場所,其發電量通常低於100kW。德國的SOLO斯特林GmbH在2004年已生產了一系列燃氣斯特林161發動機。SOLO斯特林161(2-9.5kW;8-26kW)的參數如下。
1)發動機數據:V2斯特林發動機缸容量為160cm³,運行氣體為氦,介質最大運行壓力為150bar,發動機公稱轉速為1500r/min。
2)性能數據:外環最大出口溫度為65℃,加熱入口性能溫度為50℃,輸出電力為2-9.5kW,發電效率為22%-24.5%,輸出熱能力為8-26kW,制熱效率為65%-75%,總效率為92%-96%。
3)外形尺寸:長為1280mm,寬為700mm,高為980mm,重量為460kg。
4)燃燒器與燃燒室:燃燒器性能最小為16kW,最大為40kW,燃料為天然氣和液態氣,系統為無焰氧化系統。
5)燃料消耗量與排放量:NO排放物為80-120mg/m³,CO排放物為40-60mg/m³,燃料消耗量(淨熱值10kWh/Nm³)為1.2-3.8Nm³/h。
6)冷卻系統:冷卻流體體積(內部)為4.121m³。用生物質作為燃料的斯特林熱電聯產系統的研發工作在丹麥技術大學的主持下已進行了10多年,已開發了1台9kW的生物質氣斯特林機、1台35kW的以木柴片為燃料的斯特林機,並在奧地利建成了1個35kW的小規模生物質熱電聯產廠。現場測試的斯特林發動機發電效率為20%,熱電聯產的總發電效率為9.2%,綜合效率為90%,測試所用木柴片含水率為30%左右。斯特林生物質熱電聯產是新的技術,目前處於研發示範階段。
（3）熵循環、熱空氣透平
熵循環與有機朗肯循環(ORC)相似,而熱空氣透平就是布雷頓循環,目前都處於研發階段。這2項技術以及ORC均適用於直燃模組系統。
歐洲生物質熱電聯產技術發展狀況
歐盟2010年的可再生能源目標是國內總能源消耗量中可再生能源份額為12%,綠色電力為22.1%。要實現這個目標,即意味著2010年需要大約74Mtoe的生物質,生物質發電量為32Mtoe。
芬蘭
芬蘭在熱電聯產方面的發展居世界領先地位。2007年,熱電聯產發電量已占到國內總發電量的29%,芬蘭的能源局勢主要受到本國的寒冷氣候、降低能源進口以及努力降低碳排量3方面的影響。生物質在芬蘭是最大的可再生能源供應源,在2001年占到可再生能源的85%。為了促進可再生能源的發展,芬蘭政府長期資助此方面的研發工作。在芬蘭,生物質熱電聯產廠已有20年的歷史,已建成10多個生物質熱電聯產廠。如2001年建成的爐排鍋爐與蒸汽輪機組合的以樹皮、木片和鋸末為燃料的Karstula電廠,年發電量為5GWh,年供熱量為45GWh;原Kymijarvi電廠經改造後成為氣化技術結合燃氣輪機的生物質熱電聯產廠,氣化技術使當地的廉價燃料得以利用;建於1992年的以木材廢棄物為燃料的Kuhmo電廠採用了循環流化床技術,額定發電量為418MW,額定供熱量為1219MW;2002年建成的以泥炭、木片為燃料的Kokkola電廠採用沸騰流化床技術,額定發電量為20MW,額定供熱量為50MW;在芬蘭的皮耶塔爾薩里,2002年投產的目前世界上規模最大的生物質熱電聯產廠—AlholmensKraft發電廠,其燃料以廢木材、泥炭為主,煤炭和油為輔,常在啟動時使用,其總發電容量為240MWel,蒸汽產量為100MWth。
瑞典
瑞典能源主要依靠核能與水能,所以熱電聯產發電在2001年僅占7%。據瑞典國家能源部門的預測,2010年瑞典總發電量的8%將由熱電聯產供給。
在瑞典,與集中供熱熱網相連的生物質熱電聯產廠約有15個,其中3個生物質熱電聯產廠由於經濟原因已停止運行,仍在運行的生物質熱電聯產廠,如FalunEnergi生物質熱電聯產廠採用沸騰流化床鍋爐,以樹皮、木材廢棄物和木片為燃料,額定發電量為8MW,額定供熱量為22MW;Kristianstad生物質熱電廠採用循環流化床,以木材為燃料,額定發電量為1315MW,額定供熱量為35MW。然而,從政治方面考慮,瑞典可能會減少核電廠,同時禁止水力發電的建設,從而會推動生物質熱電聯產的發展。
丹麥
丹麥熱電聯產發電量占到其年發電量的70%,在供電供熱方面占著重要的份額。丹麥政府能源政策自1986年以來一直推廣熱電聯產,1992年後,能源政策設法鼓勵使用本土燃料,對生物質熱電聯產的示範工程還給予額外補貼。到1999年,丹麥已有10個生物質熱電聯產廠和10個研發工程在運行。
總結
爐排鍋爐與蒸汽輪機相結合的技術是一項標準化的技術;混合燃燒作為一項有效的節能改造技術,商業化程度高,實際套用很成功;流化床鍋爐直燃技術近年在歐洲套用廣泛,是一項新技術;氣化技術是正在出現的技術;模組化生物質熱電聯產技術因具有使用靈活方便、啟停快的優點,尤其適合於遠離城市的偏遠地帶的發電供熱,如直燃小型蒸汽輪機生物質熱電聯產已商業化。用生物質作為熱電聯產的燃料,與燃氣熱電聯產相比,系統會出現許多問題,如結垢、結渣和腐蝕等,而且不同的生物質原料會存在不同的問題。然而,碳中性以及能源供給穩定的特性使生物質在可再生能源中占有重要位置。
生物質熱電聯產在歐洲各國發展狀況不同,與國內能源結構及政府能源政策有關。瑞典主要以核能和水能發電,生物質熱電聯產份額不高;芬蘭和丹麥政府支持生物質熱電聯產,且國內生物質資源豐富,該系統發展很好。與太陽能、風能等可再生能源相比,生物質能源供給穩定、溫室氣體排放量接近零、可規模化發電供熱、可加強本土資源的利用、降低對進口能源的依賴性、減少國內市場受到國際能源局勢的衝擊。生物質熱電聯產在解決能源問題的同時,環境影響很小,符合目前減排的局勢,在近些年應具有很好的發展前景 。
