生物能发电原理（生物质发电原理）

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、 垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等。世界生物质发电起源于 20 世纪 70 年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自 1990 年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大力发展。

我国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆 6 亿多吨，其中可以作为能源使用的约 4 亿吨，全国林木总生物量约 190 亿吨，可获得量为 9 亿吨，可作为能源利用的总量约为 3 亿吨。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。

一、生物质发电市场空间测算

2007-2015 年国家出台相关政策扶持农林生物质能源的发展， 国家对行业的扶持主要从三个方面： 税收优惠， 农林生物质发电享受占比收入 10%的所得税免除和增值税即征即退的优惠； 电价补贴， 农林生物质享受 0.75 元/度的发电收入，高出火电约 0.4 元/度； 竞争性保护， 政策规定在粮食主产区，每个县或者 100 公里内不得重复建设生物质发电厂。从能源局在 2016 年底发布的《可再生能源发展“十三五”规划》 可知， 根据生物质资源条件，有序发展农林生物质直燃发电和沼气发电，到 2020 年，农林生物质直燃发电装机达到 700 万千瓦，沼气发电达到 50 万千瓦。到 2020 年，生物质发电总装机达到 1500 万千瓦，年发电量超过 900 亿千瓦时，其中农林生物质发电装机达到 700 万千瓦。

二、生物质发电的技术原理

(1) 发电原理：与燃煤发电原理相同

生物质直接燃烧发电与燃煤火力发电在原理上没有本质区别，主要区别体现在原料上，火力发电的原料是煤，而直接燃烧发电的原料主要是农林废弃物和秸秆。直接燃烧发电是把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定蒸汽锅炉中，产生蒸汽，驱动蒸汽机转动从而带动发电机发电。具体流程如下：将秸秆等生物质加工成适于锅炉燃烧的形式(粉状或块状)，送入锅炉内充分燃烧，使储存于生物质燃料中的化学能转变成热能；锅炉内的水烧热后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在过热器内继续加热成过热蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮发电机组旋转，将蒸汽的内能转换成机械能，最后由发电机将机械能变成电能。生物质发电厂的发电设备和同样规模的燃煤发电设备是非常相似的，目前我国大多数生物质直燃发电厂内所使用的燃烧工具主要包括生物质水冷振动炉排锅炉、生物质循环流化床锅炉以及联合炉排锅炉， 其中运用最广泛的是水冷振动炉排锅炉。蒸汽发电机组多采用高温高压抽凝式汽轮机组。

(2)生物质发电核心不同在于燃烧锅炉。

虽然生物质发电厂的发电设备与传统燃煤发电设备相似，但是由于生物质在燃烧过程中的特殊性，对所使用的燃烧锅炉具有较高的技术要求。目前最常用的生物质发电锅炉主要有：水冷振动炉排炉和循环流化床锅炉。

1、 水冷振动炉排炉：

水冷振动炉排锅炉本体由四部分组成：炉膛、冷却室、过热器室和尾部竖井。

炉膛底部布置水冷振动炉排，炉排下部设置四个独立风室，沿锅炉宽度方向对称布置，一次由风室穿过炉排孔进入炉内。燃烧室在炉膛下部，其断面积较大，炉膛中下部前后墙水冷壁形成收腰机构，设二次风管，及时投入二次风助燃。适当的一二次风系统，加上通过调节水冷振动炉排频率和周期，可适用不同的秸秆燃料燃烧。

2、循环流化床（CFB）锅炉：

循环流化床锅炉是在传统锅炉基础上发展起来用于燃煤锅炉的一代高效、低污染清洁燃烧技术。之前常用于燃煤锅炉，其主要特点在于燃料及脱硫剂经过多次循环，反复的进行低温燃烧和脱硫反应，可以降低氮氧化物和硫氧化物的排放。循环流化床的燃烧发生在炉膛的整个容积空间中，是一种三维液态化燃烧方式。

由于其相对与传统燃煤锅炉对原料适用性更广，也可以用来进行生物质燃烧。 由于生物质燃料与煤的性质不同，在使用循环流化床进行生物质发电的时候，锅炉状态会发生相应的变化。

3、循环流化床锅炉适用于生物质原料时的一些不适应问题：

（1）生物质燃料熔点低，易结焦。生物质中富含钾和钠，容易形成低熔点的共晶体，将沙粒粘接。因此在锅炉设计中应严格控制循环燃烧系统的温度水平。

（2）生物质中的碱金属对炉膛具有腐蚀性。

1. 同样由于钾氧化物和纳氧化物熔点很低，在炉膛正常燃烧温度下很容易升华，在膛内表观为气相，并会在高温过热器上面凝结，对受热面造成腐蚀。

（3）不同生物质产生热量不同给燃料供给系统增大困难。

循环流化床锅炉对进料的粒径大小、密度等要求较高，而生物质燃料具有季节性变化，不同生物质性质不同，给循化流化床的设计建设难以定型，随着锅炉容量增加，这一问题更为突出。由于循环流化床锅炉结构的原因，需要解决受热面的磨损、循环物料平衡和物料结焦等问题。对中压参数锅炉，其尾部受热面布置需要认真考虑受热面腐蚀问题。另外，厂用电率高也是机组运行需要考虑的问题。

(3)以生物质为燃料的两种锅炉对比

水冷振动炉排炉与循环流化床炉相比，虽然设备初期投资较大，但考虑到燃烧效率高使得单位发电量燃料耗量低、设备运行稳定使得年发电小时数多；设备磨损较流化床炉轻使得日常维修、部件更换费用低；设备厂用电率低使得同等装机容量的电厂上网电量多；从整体生命周期综合考虑，水冷振动炉排炉的整体指标和效益，优于循环流化床锅炉。