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生物质发电技术汇总及经济效益对比分析
时间:2018-11-05 08:49:33

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生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,它是仅次于煤炭、石油和天然气,居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

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一、生物质发电技术

生物质发电技术主要包括生物质直接燃烧发电、气化发电以及与煤混合燃烧发电等技术。

1、生物质直接燃烧发电

生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧,产生蒸汽,带动蒸汽轮机及发电机发电。已开发应用的生物质锅炉种类较多,如木材锅炉、甘蔗渣锅炉、稻壳锅炉、秸秆锅炉等。生物质直接燃烧发电的关键技术包括原料预处理,生物质锅炉防腐,提高生物质锅炉的多种原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率等技术。

生物质直接燃烧发电技术中的生物质燃烧方式包括固定床燃烧或流化床燃烧等方式。固定床燃烧对生物质原料的预处理要求较低,生物质经过简单处理甚至无须处理就可投入炉排炉内燃烧。流化床燃烧要求将大块的生物质原料预先粉碎至易于流化的粒度,其燃烧效率和强度都比固定床高。

另外,由于我国的生物质种类多,成分复杂,收集运输困难,而且主要的农业废弃物受到农业生产和季节性的影响不能保证全年供应,所以与燃煤锅炉对燃料单一性的要求不同,生物质锅炉要求能适应多种生物质原料,以保证燃料供应的稳定性。

我国的生物质锅炉和小型蒸汽轮机技术已基本成熟,但设备规模较小,参数较低,与进口设备相比效率较低。生物质直接燃烧发电技术比较成熟,在大规模生产条件下具有较高的效率。该技术在我国应用较少,因为它要求生物质资源集中,数量巨大,如果大规模收集或运输生物质,将提高原料成本,因此该技术比较适于现代化大农场或大型加工厂的废物处理。

表1. 6MW和25MW生物质直接燃烧发电技术指标

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注:25MW参数为进口设备

2、生物质气化发电

生物质气化发电是指生物质在气化炉中气化生成可燃气体,经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。气化炉应对不同种类的生物质原料有较强的适应性。内燃机一般由柴油机或天然气机改造而成,以适应生物质燃气热值较低的要求;燃气轮机要求容量小,适于燃烧高杂质、低热值的生物质燃气。

生物质气化发电包括小型气化发电和中型气化发电2种模式:小型气化发电采用简单的气化—内燃机发电工艺,发电效率一般在14%-20%,规模一般小于3MW。中型气化发电除了采用气化—内燃机(或燃气轮机)发电工艺外,同时增加余热回收和发电系统,气化发电系统的总效率可达到25%-35%。

另外,大规模的气化—燃气轮机联合循环发电系统作为先进的生物质气化发电技术,能耗比常规系统低,总体效率高于40%,但关键技术仍未成熟,尚处在示范和研究阶段。

根据我国已完成的MW级生物质气化发电技术的实际情况,将生物质气化发电技术经济指标列于表2。

表2. 生物质气化发电技术指标

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3、生物质混合燃烧发电

“生物质混合燃烧发电是指将生物质原料应用于燃煤电厂中,和煤一起作为燃料发电。生物质与煤有2种混合燃烧方式:

①生物质直接与煤混合燃烧,产生蒸汽,带动蒸汽轮机发电。生物质要进行预处理,生物质预先与煤混合后再经磨煤机粉碎,或生物质与煤分别计量、粉碎。生物质直接与煤混合燃烧要求较高,并非适用于所有燃煤发电厂,而且生物质与煤直接混合燃烧可能会降低原发电厂的效率。

②将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧,产生蒸汽,带动蒸汽轮机发电,即在小型燃煤电厂的基础上增加一套生物质气化设备,将生物质燃气直接通到锅炉中燃烧。生物质燃气的温度为800℃左右,无须净化和冷却,在锅炉内完全燃烧所需时间短。这种混合燃烧方式通用性较好,对原燃煤系统影响较小。

表3. 20MW和40MW生物质气化混烧发电技术指标

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二、生物质发电技术投资分析

1、生物质直接燃烧发电项目投资

生物质直接燃烧发电要求生物质资源集中,数量巨大,在大规模利用下才有明显的经济效益。小型生物质直接燃烧发电系统已在我国南方地区的许多糖厂得到应用,但一般只在甘蔗收榨季节运行;大型系统应用的较少,国内在建的几个大项目所用设备均从发达国家引进,进口设备的投资成本几乎是国产设备的2倍

表4. 6MW和25MW生物质(秸秆)直接燃烧电站

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注:国产设备投资主要参照燃煤电站的市场价估算

2、生物质气化发电项目投资

表5. 1~3MW生物质气化电站投资概算

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在新建小型MW级生物质气化电站的投资中,主体设备投资约占总投资的60%左右,单位投资随着发电规模的增大而减小。6MW中型生物质气化电站采用内燃机—蒸汽轮机联合循环发电工艺,系统复杂,增加了余热回收及汽轮机发电系统,并且电网接入项要求较高,因而单位投资较小型气化电站高,达到6500元/kW。内燃机—蒸汽轮机发电部分的投资(表6中前4项)约占总投资的55%。

表6. 6MW生物质气化电站投资概算

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3、生物质气化混烧发电项目投资

在小型燃煤电站的基础上增加一套生物质气化设备,无须增加发电系统,并可直接利用燃煤电站原有建筑和基础设施。主要投资项目包括气化炉和燃料供应系统,这2项投资约占增加投资的83%,单位投资在300元/kW以下。

表7. 20MW和40MW生物质气化混烧发电投资概算

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综合比较以上各种生物质发电技术经济指标可以看出:

①生物质气化混烧发电的单位投资成本是最经济的,而且系统简单;

②同一发电技术的单位投资成本一般随着发电规模的增大而减小,同一发电规模的进口设备比国产设备投资成本高;

③系统规模越大,系统越复杂,所以主体设备投资占总投资比例随着系统规模的增大而减小。

三、生物质发电技术的适用性

通过以上分析,可以得出以下结论:

①生物质与煤混合燃烧发电技术投资少,发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。

②由于气化发电技术关键设备——小型低热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燃烧发电。对10MW以下的生物质发电系统而言,气化—余热发电系统与直接燃烧发电系统投资接近,但气化—余热发电系统效率远高于直接燃烧发电系统,所以具有更大的优势,特别适合于5~6MW规模的生物质发电系统。

表8. 各种生物质发电技术在国内的适应性

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在各类生物质发电技术中,混烧发电技术的投资经济性最好,但需要附属于已有的燃煤电厂,其发电经济性决定于原电厂的效率,而且会对原电厂有一定的影响。

生物质气化发电技术的发电规模比较灵活,投资较少,适于我国生物质的特点,但是技术还不成熟,须要进一步发展和完善。直接燃烧发电技术成熟,但在小规模应用情况下蒸汽参数难以提高,只有大规模利用才具有较好的经济性,目前我国主要是引进国外先进技术和设备加以利用。该技术投资大,要求集中收集生物质原料,原料成本高。


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