浅析生物质能的综合高效经济利用

浅析生物质能的综合高效经济利用

段晓军 ,牛建波 ,卫明山 ,姜松 ,王强

（临猗县国耀新能源有限公司） 山西  运城 044100 

摘要：基于双碳目标，生物质能源在中国取得较为快速的发展和利用。目前生物质能源用于直燃发电较为普遍，对于高效利用还有很大的发展空间。鉴于目前生物质发电，尤其是农林秸秆直燃发电的燃料成本不断升高，仅靠发电、供汽等维持企业经营较为困难，本文就农林废弃物的高效利用及经济收益进行对比分析。

关键词：生物质发电  生物质热解  经济性  高效利用  农林废弃物

引言：国内生物质能源（农林废弃物）利用目前主要直燃火力发电形式进行利用的，但农林作物中氮元素含量主要在燃料的挥发份，在燃烧过程中挥发份析出和燃烧同时进行，势必有部分未能完全燃烧，造成气体未完全燃烧损失较多。氮元素物质燃烧过程又有大量氮氧化物生成，造成环境污染。如果将农林作物进行热解等过程处理后，会有效提取挥发份及其他有机物质，如木煤气、焦油等高经济附加值产品；同时产生的木炭等可用于发电等。

农林作物季节性及农林作物点多面广，收集困难等因素影响，导致生物质发电远不像煤电机组朝着高参数、大容量去发展，更多偏向于高温（超）高压参数的供汽、供热锅炉去发展。根据目前能源发展规划，其他新能源也积极向供热和供汽方向发展，对于生物质锅炉燃料降成本经济运行带来很大的挑战。势必要求生物质行业考虑自身的优势和发展方向。

一、生物质热电联产面临的困局

1、原料收购困难、价格不断攀升，且原料质量难以把控，造成生物质发电燃料成本不断升高，无政策电价补贴时生物质发电企业会严重亏损。

2、政策电价补贴存在时间问题，导致生物质发电企业现金流极为紧张，需要不断融资才能满足经营需求，而融资又造成经营效益下降；同时补贴政策逐步退坡，企业发展更加困难。

3、热电联产，受制于工业热用户需求端的不稳定性，虽然目前盈利性较好，但后续会面临其他新能源挑战；民用热需求主要为季节性需求，价格及利润空间受政策影响较大，资金回收存在一定难度。

4、生物质直接燃烧，对生物质能的利用较为单一，不能充分利用生物质所蕴含丰富的物质和能量，更不能发挥生物质本身的优势。

二、依据生物质本身的优势和结合行业发展，从以下几点进行分析：

1、降低发电成本分析

追踪生物质发电技术革新，由于生物质直燃发电技术与煤电相通，区别为所用燃料蕴含的能量不同。目前煤电的超临界、超超临界技术是可以应用到生物质发电行业，进一步提升发电业务的综合热效率。仅就技术而言，将高温超高压发电约31%的热效率提升至超临界技术约43%的热效率，供电能耗理想下降20%，仅能在生物质燃料价格不高于300元/吨基本实现标杆电价覆盖发电燃料价格；同时要求对外按设计汽量进行工业供汽和居民供暖的条件下实现盈亏平衡，和现金流平衡（无政策电价补贴），受生物质燃料特性等因素不适宜高成本设备投入。

2、生物质高效利用

考虑生物质燃料自身优势，热解不仅可以提取生物质本身的挥发份等高附加值有机物，也可得到热解的最终剩余产物木炭。高附加值的有机物和含杂质较少木炭可作为化工企业的原料，含杂质较多的木炭及木煤气可作为生物质锅炉的燃料用于热电联产和作为生物质热解的热源（高热值木炭（约5000—8000大卡/千克），可有效提升生物质直燃热电联产经济效益）。

生物质燃料热解分为干馏、碳化、气化、液化等不同技术路径，不同路径对生物质要求均为干燥、无土，其中无土最为重要；干燥可以在干馏、碳化、液化初期阶段实现；木材气化，由于水蒸气也是气化剂的一种，对干燥要求相对较低；但所得产物基本为木炭、木醋液与木焦油、木煤气（生物质热解过程在275℃以下，450℃以上为吸热，275℃至450℃之间为放热）。

木炭主要成份为C（碳）含量在50%—80%之间；根据预处理方式不同，产量不同，一般情况下木炭产量在20%（热值相对偏高），在30%—35%（热值相对偏低）。木炭及其深加工产物应用场景非常丰富，市场价格在1500至3000元/吨。

木醋液与木焦油为生物质气化处理的伴生物，通过冷凝收集的结果为木醋酸和木焦油的混合物以及杂质，仍可蒸馏等方法继续分离纯化。木醋液是一种有机酸，可以作为土壤改良剂、除臭剂、植物生长调节剂、饲料添加剂、肥料添加剂、美容产品添加物等。市场价格与提炼纯度有关，产品价格约在1000元/吨左右。木焦油是一种含烃类、酸类、酚类的有机化合物，主要用于消毒、防腐；深加工后可获得酚油、抗聚剂、浮选起泡剂，木沥青等产品，市场价格预计在500-600元/吨。

木煤气成份主要为氢气、甲烷、一氧化碳等烷烃类碳氢化合物，同时含有二氧化碳、氮气、氧气等；其中组分氮气、二氧化碳含量高低与选择的技术路径有关；每公斤木材可产生标准气压下1.8-2.3立方米木煤气（空气作为气化剂），热值区间在1100-1300Kal/Nm³，主要原因为氮气和二氧化碳含量约占比60%，导致热值较低，纯化后对应天然气为0.72-0.92m³，且热值得到大幅提升。

生物质热解多联产案例：

南京林业大学周教授2008年在安徽建成了第一个0.5MW稻壳气化发电联产炭、液、热工程，帮助企业实现经济效益产出。截止2015年已扩产至3MW。

2014年在平泉建立的“3MW杏壳气化发电联产炭、热、肥工程”荣获国家科技进步奖二等奖。项目年消耗原料4万吨，发电2100万度（每度0.75元），价值1575万元，活性炭6000吨（每吨9000元），价值5400万元，热水（80℃）20万吨（每吨20元），价值400万元，提取液7200吨（生产液体肥1.5万吨，每吨5000元），价值7500万元。总产值1.5亿元，年成本约9000万元，年利税6000万元，总减排二氧化碳3.8万吨。

2015年7月，以稻壳为原料的“2.5MW生物质气化发电——3万吨炭基肥料联产”项目在湖南宁乡建成投产，实现发电同时联产稻壳炭、热水、木醋等。 

2018年，团队在江苏兴化建成2台4吨锅炉稻壳气化为油脂加工绿色供热（替代煤炭燃烧）联产炭示范工程，帮助企业实现零成本用热。

   通过以上分析，采用生物质热解技术将生物质原料先一步热解，进而取得生物质油（木醋液、木焦油混合物），木煤气、木炭。三者占比约为：木醋液和焦油混合液45-48%，木煤气16%—18%，木炭35%-38%，（干馏法占比）。三种产物中：①木醋液和焦油混合物，需探寻将其转变为高价值产品或大规模工业化应用的市场；②木煤气纯化为天然气，直接接入城市天然气管道；③木炭，由于其热值高，可直接以较低价格出售给生物质热电公司，提升了电厂的经济效益和抗风险能力。【假设：木醋液与焦油混合的生物油销售价为0.8元/千克，木煤气纯化后的天然气1.2元/立方米，木炭价格0.6元/千克，对照平泉项目产物分别占比：生物油18%，木炭15%，气0.8立方米，则每公斤生物质燃料所产生的最终价值为1.338元/千克，结合目前生物质燃料收购价在0.3至0.4元/千克，相当于价值提升了235%—346%】即：生物质热解可实现经济效益，与其配套的生物质发电的抗风险性就获得了大幅度提升，且现金流获得极大补充。生物质裂解产物实现大规模应用，是国家鼓励项目，在设立之初即可申请国家相关研发补贴，项目获得经济收益后可推广至所有生物质电厂。

3、农作物固碳循环利用

虽然农林废弃物可利用价值极高，但难点在于分散导致收集困难；且根据所处地理位置不同，不同的农林废弃物收集受到季节性因素，同时因散布较广，收集难度极大且价格受市场供需及农村劳动力存有量的影响较大。

若生物质热解实现较好的收益，生物质燃料分散难收集，以及生物燃料质量难以把控等问题，在足够的自循环现金流和合理价格区间会有较好的改观。考虑即将老龄化的国情以及外部风险性投资支撑下，响应国家振兴乡村计划，可成立农村合作社，充分利用农民自有土地，雇佣农民为职员领取固定月薪，对土地进行统一规划管理，收获农作物产生经济效益同时，利用大规模机械作业，将废弃秸秆进行清洁打包销售至热解热电联产企业进行深加工，以保障质量和收集力度。最终完成区域内农作物秸秆的控制经营，并保障了生物质热电联产、生物质热解的原料需求；最终实现农林固碳→生物质热解→热电联产释放的碳循环产业模式，真正实现零碳排放。

综合以上分析，生物质发电参照煤电高参数发展或甚至更先进的二氧化碳替代水蒸汽作为能量转换介质的发电技术等，都未能有效解决生物质能的高效和最大经济价值利用。采用生物质热解和生物质锅炉结合的高效利用，即生物质热解热源取自生物质锅炉，热解后的固定碳等返回生物质锅炉燃烧等。以此来实现生物质能源的最大经济和最高效利用，目前煤碳的清洁高效利用也开始采取此种结合方式。另外项目建设可以通过EOD生态模式进行融资等。

结语：综上所述，农林废弃物热解等可实现农林废弃物高效循环和高收益利用，在较为理想的前提下真正保持生物质行业健康有序循环发展，集约合作是解决生物质燃料稳定产量的理想方式。具备上述条件时可真正实现农林作物固碳、高效利用，真正实现零碳发展，循环发展。以上是作者的一些拙见，望各位专家批评指正！

作者：段晓军 生于1986年2月，高级工程师，从事电力生产及新能源管理工作。

牛建波，生于1984年11月，会计师，从事电力财务经营管理。