生物质能发电技术路线探讨

1. 引言
 
我国生物质能蕴藏丰富，潜力巨大，自古以来，生物质能曾经是我国重要的能源。即便在用电普及的今天，生物质能仍然是广大农、林、牧区的重要能源。据“中国可再生能源规模化发展项目管理办公室”2008年6月出版的“生物质有关技术装备及产业化应用调查报告”称：“中国是一个农业大国，生物质能源十分丰富，生物质废弃物的总量，约相当于我国煤炭年开采量的50％，总计约6.56亿吨标煤。但是长期以来，这些生物质并未得到充分合理的利用，目前利用率仅在30％左右，而且其能源利用方式极为原始，大多数物质以直接燃烧为主，这是一项巨大的资源浪费。”
 
建国以来，鉴于生物质能利用效率低下，以及对环境和生活品质的不良影响，各技术机构开展了长期、广泛的研究和改良。诸如节柴灶、沼气、气化等，取得显著的成效。我国生物质能利用在可再生能源利用中始终位列前矛。现在，生物质能发电也逐步列入议事日程。
 
其实，生物质能发电在我国早已有之，如造纸业、制糖业作为废料处理的黑液发电、甘蔗渣发电；近年开展的垃圾发电和填埋气发电卓有成效。
 
大规模地直接以散布在大地上的秸秆等农、林、牧“三废”等大宗生物质来发电，还只有不多的项目。
 
由于生物质能发电有保证出力，调节性能好等特点，它可以参加电网调峰，和电网容易匹配，它不受煤矿、铁路的能力和价格变动制约。在各种电力中，生物质能电力是最好的电力。因此，近年来，对生物质能发电，国家无论在规划层面还是在开发利用层面的投入和政策优惠都优于其他可再生能源。例如：2010年风力发电的规划容量为500万千瓦，而生物质能发电的规划容量为550万千瓦；风电上网电价按竞价确定，生物质能电价按标杆电价加二角五分。
 
可是令人惋惜的是，生物质能发电的发展速度，明显地低于太阳能、风力发电的发展速度。据报导，2007年我国风力发电装机总容量已达590万千瓦，位列世界第五名。而生物质能发电装机难以达到规划水平了。


 
2. 政策优惠之外，技术路线也很重要
 
眼下生物质能发电技术路线有两大类：一是把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电厂，燃料是秸秆、谷壳等  散料，用锅炉-汽轮发电机组来发电。一般装机容量在2-4万千瓦。二是中等规模气化发电机组，以气化炉和煤气内燃发电机组来发电。
 
把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电是前一时期从国外引进的模式。这种模式属于集中化、大电网的模式。
 
  这种模式的电厂规模做不小，因为小机组的蒸汽参数低，热效率更低。而且此类电厂管理和技术水准的要求比较高。规模小了，相应的管理成本会显得很高。只能往大里做。尽管如此，受燃料收集范围的制约，充其量也只能做到高温高压等级，而这种蒸汽参数的发电机组，因其效率低、排放大、在燃煤火电已属关停范围。

这种电厂都是固定式的。这就带来另外一项风险，那就是：一旦电厂周边地域内农业转产，电厂就将面临燃料来源问题。
 
由于生物质能低密度的特点，大量收购必然带来长途搬运，运输成本高昂，原料采集范围大到几十公里，其运输规模庞大，甚至出现运输业大于发电业的喧宾夺主现象。长途搬运耗费大量油料，使得这种发电方式的“绿色”受到质疑。

大量收购的另一个问题是抬高整体燃料价格。原本运距较短的近区燃料供不应求，必然会以远区燃料的高位价码为参照，从而抬高了近区燃料价格。

更成问题的是，生物质原本存在多种用途，如：肥料、饲料、造纸、燃料等等。真正成为废物或有害废物的只是一部分。发电企业介入收购，必然对其他产业已经形成的供应链和价格体系形成巨大冲击，造成原料市场价格非理性化。有些地区甚至出现老乡从烧秸秆改烧煤炭的情形，这与节能减排背道而行。
 
原料采集范围大了，还可能加重技术上的困难：原料采集范围越大，品种越混杂，使得灰融点进一步下降，造成炉膛严重结焦，难以连续运行，电厂难以为继。还可能产生高温、低温金属腐蚀，降低可用率，增加维修成本。
 
这条路线的另一个问题是需要消耗相当多的淡水，当然如果把电厂建在有相当大的持续热用户的城市，可以热电联供。但是必然带来同样的问题，那就是要取代已经存在的供热产业链，而且，一般说，供热半径小不了，使得供热管网建设和运行成本上升。

这种电厂的燃料储藏也是一件大事。燃煤电厂的存煤，一般考虑15至25日的消耗量。可是生物质的存量需考虑青黄不接，总要按数月设计。不论集中一处或多处，必然占用大量土地。其消防也成为大事。

这类电厂因其附属设施庞大、料场占用大片土地，其单位造价比起燃煤火电单位造价要高出一倍多；一般说单位千瓦造价在万元以上。因为技术原因，其效率却只有燃煤火电的80％；加上燃料昂贵；用人多；运维费用高等等。即便有电价津贴，仍然无利可图。一般说，生物质能电厂的上网电价盈亏平衡点在0.8元/千瓦时左右。远高于风力发电上网电价。(一般说，风力发电的正常上网电价盈亏平衡点在0.60元/千瓦时)。因此，把生物质能发电厂做成万千瓦级的直燃式小火电的技术路线是一种缺乏竞争力的路线。
 
作为生物质能发电的另一条技术路线，中等规模气化发电模式，应该说其规模比前者要现实得多。但是经过多年开发，始终难以推广。究其原因是燃气净化这一关难以逾越。内燃机是一种对燃料十分挑剔的机械。这就要求对燃气作精细的净化，这样就会造成燃气净化设施比气化设施大许多倍，庞杂的净化设施提高了投资额，运行维护复杂，需要大量用水，还要处理含焦油废水。

燃气在净化过程中温度下降，已经造成很大的热损失，使其总体效率不高。一般说发一度电需1.5至2公斤燃料。倘若燃料价0.2元/公斤，燃料成本达到0.3至0.4元/千瓦时，相应上网电价可想而知。

此类电厂管理和技术水准的要求也比较高。因而用人也很多，这种发电企业的规模也不能做得太小，否则管理成本会显得过高。同样存在运费高昂的问题。

气化发电推广缓慢，它的上游供应商，如：燃气内燃机供应商，对技术开发不敢大量投入，使整个产业链不成熟，难以期望在短期内有重大突破。
 
上述两条技术路线久攻不克，使我国的生物质能发电事业发展不理想。近来读到不少文章要求给生物质能发电以更多政策优惠。本人认为除了政策优惠，技术路线也很重要。技术路线的失误，同样产生灾难性后果。似乎应该采取完全不同的技术路线。

3. 发展以村为单位的生物质能分布式发电企业的技术路线

3.1 生物质原料市场

生物质种类繁多，分布面广。生物质的生长受品种、日照、气温、降水、肥料、土壤、耕作等的影响，其产量相差悬殊。以我国地域划分，大体上南方、东部高于北方、西部。粗略的估计每亩干生物质产量在0.5至2吨。其亩产对富集成本影响巨大。也就是品位对投入产出十分敏感。

生物质产品大多已有其他用途，浪费的只是一部分。一旦发电企业开始收购就可能与其他收购者竞争，抬高价格，牵动面很大。应该与兄弟收购者保持足够的间距，以利彼此发展。

有些生物质已经完成了富集，并成为有害废物。利用来发电，使其无害化、资源化，对发电企业而言是最有利的。这样不单不用付燃料费，还可取得一些治污补偿。例如谷壳。粗略估计以我国生产的谷壳的10％作为发电燃料，就可装机600万千瓦。这也是我国气化发电企业大多成为粮食企业自备电厂的原因。可是据了解，这种发电方式上网难度很大，而且几乎不可能取得国家对生物质能发电的价格津贴。虽说600万千瓦也不能说是个小数目。但是相对于散布在田间的秸秆的巨大潜力，毕竟还只能说是个不大的数目。
 
对于散布在田间的秸秆，以非常粗略的估算，每公顷(15亩)的生物质够1千瓦发电机组发电1年之用。每平方公里(1500亩，相当于一个村)可供100千瓦。这样用我国10％的国土生产的秸秆，取其20-30％，就够装机1亿千瓦。这只是现在的估计，将来原料市场充分理性化了，就有可能使所有“废物”都充分利用。更何况，一旦生物质能发电成为一个有利的大产业，就可能出现新的能源作物。其产量难以估计。

3.2 生物质能发电厂的规模

为了降低富集成本，按照燃料市场的特点，似乎生物质能发电企业的规模越小越有利。但是考虑到管理成本，就不能太小。一般上马之初似乎应以半径1-2公里的范围(一个村)建一个电厂为宜。因此电厂容量在50到150千瓦，用工2到4人较适合。成为农村分布式的小电厂，这些小电厂效率还不能太低，用人也不能过多，还要少占地。

3.3 装备技术路线--直燃式热气机生物质能发电机组
 
蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机这三种最普遍使用的热力机械都不能满足这种小电厂的要求。倒是一种古老而未经利用的热力机械-斯特林引擎(热气机)可能会解决问题。其名称为：直燃式热气机生物质能发电机组。

   直燃式热气机生物质能发电机组由直燃炉和热气机--发电机组合而成。
 
   直燃炉基本沿用节柴灶技术。我国研制推广节柴灶已有数十年的经验，技术成熟，形式多样，生产企业多，便于选用。近年研制的百千瓦级生物质颗粒燃料热水锅炉，其效率直逼90％，其化学和机械未燃烧热损失己经不多。如果容量更大些，配以烟道省煤器和空气予热器，进一步降低排烟温度，减少排烟热损失，其效率还能进一步提高。

节柴灶采用高温直燃，原料处理简便，几乎不存在焦油问题。炉膛内结焦则可以用机械方法清理，所得草木灰为优质肥料。
 
热气机(Stirling Engine) 由苏格兰牧师Robert  Stirling在1816年发明，是一种由外部向气缸内的工质供热，使工质气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环的往复式发动机，所以又称斯特林发动机。其热力循环由定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程等四个过程组成。热气机因其燃料在气缸外燃烧而区别于燃料在气缸内燃烧的内燃机，所以热气机又被称作外燃机。

热气机的工质可为氢、氮、氦或空气等。已设计制造的热气机有多种结构，热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。配气活塞式热气机，在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动；双作用式热气机，每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。各缸的上部为热腔，下部为冷腔。各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。
 
与内燃机比较，热气机适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统，如热管，进行间接加热时，几乎可以使用任何热源，例如：生物质能、太阳能集热、核反应等。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，因而自用能少。由于外燃，允许燃料具有较高的杂质含量。热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的震爆做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。按中船重工集团711研究所的介绍，热气机高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。热气机单机容量可以因地制宜地增减，使用灵活性大。结构简单，零件数比内燃机少40％，降价空间大，同时维护成本也较低。
 
虽然热气机原理早在1816年由斯特林发明。而且斯特林循环是活塞式热气发动机概括性卡诺循环，效率达到理想值。可是，长期以来，限于技术条件，未能商品化。只有一些模型和玩具产品。近30年来，由于相关条件的改变，斯特林引擎引起了相当的关注。国外已有用于哥特级潜艇。效率有高达50％。丹麦有35千瓦和75千瓦生物质能热电联产机组产品。
 
我国中船重工集团711研究所正在将热气机推向民用市场。当然，军品向民品的转化需要一个过程。据中船重工集团711研究所介绍眼下还只有50千瓦的气体燃料机组，固体燃料机组还有待开发。其单位千瓦造价介于万千瓦级的直燃式小火电和中等规模气化发电机组之间，其热效率则比二者略高。
 
据有关专家估计：在我国，几十千瓦等级的固定式斯特林发动机的研制、开发；引进、吸收、消化；军转民等从技术层面上说，都不会有什么大问题。眼下关键在于认识和商业运作问题，
 
3.4 直燃式热气机生物质能发电机组的开发和产业化
 
虽然直燃式热气机生物质能发电机组的单机容量可从几千瓦到几十千瓦以适应从户用到村用的需要，与各类生物质采集范围优化匹配，但是，一开始研制，就应该使其产品标准化、系列化，一旦推广就能大规模生产，降低成本。似乎一开始只要30千瓦、50千瓦两个型号即可。炉灶部分要考虑不同农、林、牧“三废”散料或成型料的需要。
 
为了避免重蹈“以市场换技术”的覆辙，一开始研制，首先要采用国内的科研成果，支持国内研发。应注意研制未动、专利先行。
 
为了避免国外制造业抢占市场。一开始研制，就要对上、下游进行部署，应该尽量采用国产化的零、部件产品，培植成熟的产业链。一旦推广就能带动上、下游产业的兴旺。
   
为了尽快形成产业，在设备定型后就应形成数千台至万台的批量，以形成批量优势，降低造价。
    
一开始研制，就考虑到这些装备的运行维护工作量之中大部分要做成只需要低技术要求的工作，以适应广大农、林、牧区劳动力技术能力的实际，增加就业；其中技术要求较高的部件则做成高可靠性，必要时轮替返回服务中心集中维修。

一开始研制，就要部署从研发、设计、认证、加工、装配、运输、安装、调试、运行、维护等乃至管理、市场、营销、服务各专业、各工种、组织机构设置的研究和各层次职工的培训。

3.5 直燃式热气机生物质能发电厂的特点。

这种微型电厂分散座落在广大农村，以农产品为原料，就业人员大多来自农村，属于农村电力。电厂的投资、建设、经营、管理应该以农民为主。这是一项划时代的改革-农民成为电力的主人。可以说，唯有广大农村、农民的积极参与，这项事业才能成功。
 
直燃式热气机生物质能发电机组，需要足够的水源，作为冷却设备之用。电厂取水及水处理应与当地村、镇水务建设和供热统一规划。

该类设备的副产物是热水，热水可供生活、采暖等用途，最后提供给灌溉。由于电厂规模小，相应的供热距离短，管网投资小，散热和输水功率小，易于解决。应该尽可能做成热电联供。还可能采用电厂以更多、更舒适的水暖、热水串换老乡烧坑、烧热水的柴火，从而实现发电利用高温能量，用做功后低温能量供热，来降低整体综合能耗。
 
在这里还应该感激我国电网企业完成了村村通电和户户通电，使得小规模的直燃式热气机生物质能发电企业得以就近上网。直燃式热气机生物质能发电机组可联接到国家电网以确保周波稳定，电压稳定。电价回收，补贴落实。
 
它可承担电力高峰负荷以减轻国家电网调峰压力，它在电网末端调整电压可以提高电能质量，降低电网和线路电能损失。一旦大网出现偶发性问题，可以确保一方用电安全，甚至对邻近地域作出支援。对供电安全乃至国防都有显著效益。

这种电厂可以断续运行。运行方式灵活多样，还可以无电源启动。它也可与小水电、太阳能、风力发电良性互补。机组做成半固定式，遇到农业转产，可以轻松迁徙。
 
这种百千瓦上下的小电厂的上网问题似乎给人们带来困惑。但是，要知道，对于规模几千瓦到几千千瓦的众多农村小水电厂而言，百千瓦的电厂已属中等规模。有些电网有大批小水电站并网运行，它们已经积累了丰富的农村电源上网经验。不论是规章制度还是调度通讯、保护、运行方式、各类装置都很成熟，因此这种电厂上网模式，可以参照已经十分成熟的小水电厂上网模式，稍加改进即可运用。关于这方面的知识属于农村电力范畴。

对于电网企业，众多小型生物质能发电企业的并入，是一件不太麻烦而有诸多好处的新业务，也是一件政治和经济效益都十分可观的业务扩充。

采用直燃式热气机生物质能发电机组的电厂的规模可大可小：单机容量灵活，机组数量也灵活。基本着眼于就地电力需求。分期规模随着电力市场和原料供应增长而成长。

综上所述，本技术路线着眼于以直燃式热气机生物质能发电厂来发展以村为单位的可再生资源分布式电源。这种电厂可以形容为微型生物热电厂。要让这种电厂如繁星一般缀满中国大地，使农户成为电力的主人。只要生物还在生长，我们就可以在家门口获取电力，就地原料就地转化就地使用，改变农村产业结构和生活方式。它使国家发电能源多元化、分散化，成为继风力发电快速增长之后的新的可再生能源增长点。它能够形成一个千亿产值，百万从业大军的新兴绿色环保产业。因此它是一条高效率、低成本、市场化、规模化、上马快、见效快的路线，比较符合自然规律和我国国情。符合党和国家关于科学发展和可持续发展以及建设新农村的方针。如果一个电厂100千瓦，以12年的努力，建成100万个这样的电厂，总容量就有1亿千瓦，占全国发电能力十分之一。