浅谈生物质供热技术在区域能源项目中的应用
浅谈生物质供热技术在区域能源项目中的应用
生物质能集中供热应用背景
生物质能源的利用是可再生能源利用的一种重要方式，我国传统的生物质能源利用方式目前主要在生物质发电领域。截至2016年底，我国共有30个省份投产了665个生物质发电项目，全国生物质发电并网装机容量1214万千瓦，占全国电力装机容量的0.7%，占可再生能源发电装机容量的2.1%。据统计，2016年全国农林生物质发电量为333亿千瓦时，年平均利用小时数为5835小时。
我国生物质能发电产业体系已基本形成，农林生物质发电规模居世界首位。但目前生物质能源利用在运项目，绝大多数都是单纯发电，这种业务单一、低效、低附加值和完全依靠国家补贴的供能模式已不能满足社会发展的需要。
截至2015年，全球生物质发电装机容量约1亿千瓦。为提高生物质能源的利用效率，特别是在北欧国家，传统单纯的生物质发电正被生物质热电联产或生物质供热所替代。以中温中压机组为例，生物质能源化若仅用于发电，能源利用效率仅有40%左右，若实现热电联产，能源利用效率可达60%以上，若单纯供热，能源利用效率可达到70%以上，甚至更高。
为了保证我国生物质能源有序发展，国家发改委、国家能源局印发了《生物质能发展“十三五”规划》（国能新能〔2016〕291号）以及《可再生能源发展“十三五”规划》（国能发新能〔2017〕31号）。
特别是2017年12月6日，国家发展改革委、国家能源局以《关于印发促进生物质能供热发展指导意见的通知》（发改能源〔2017〕2123号），提出生物质能供热具有经济环保的明显优势，是重要的清洁供热方式，可为中小型区域提供清洁供暖和工业蒸汽，实现直接在用户侧替代化石能源。
我国农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物等生物质资源丰富，每年可供能源化利用约4亿吨标煤，发展生物质能供热具有较好的资源条件。生物质能供热根据资源条件可实现就地收集原料、就地加工转化、就近消费，构建城镇分布式清洁供热体系，既减少了农村秸秆露天焚烧，又提供清洁热力，带动生物质能转型升级。为了促进我国生物质能的发展，国家出台了以下鼓励政策：
1.根据财政部、国家税务总局《关于调整完善资源综合利用产品及劳务增值税政策的通知》（财税〔2011〕115号），对以农作物秸秆为燃料生产的电力或者热力，实行增值税即征即退100%的政策。
2.根据发改委颁发的《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》（发改价格〔2010〕1579号），农林生物质发电项目统一执行标杆上网电价每千瓦时0.75元(含税)，也远高于目前燃煤国电机组的上网电价。
3.根据《企业所得税实施条例》规定，生物质发电因资源综合利用可享受收入减计10%的所得税优惠。
可见，在国家政策的大力支持下，生物质能源在热电联产或集中供热领域的综合利用，是可再生能源项目发展的一个重要方向。
生物质供热主要技术路线
生物质能源化利用主要分为生物质直接燃烧和生物质气化两种方式。
生物质直接燃烧是生物质在过量空气的条件下燃烧，产生高温烟气，高温烟气与锅炉内受热面进行换热，把水加热成饱和蒸汽或过热蒸汽供企业及用户使用。
生物质气化是指在一定的热力学条件下，利用气化反应器将生物质的碳氢化合物转化为含有H₂、CO和低分子烃类的可燃气体，生物质燃气体在经绝热燃烧产生高温烟气，高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽，供企业及客户使用。
1.生物质直燃技术
生物质直燃目前主要采用层燃炉及流化床炉进行生物质原料的高效燃烧。层燃技术的种类较多，其中包括固定床、移动炉排、旋转炉排、振动炉排、水冷移动炉排等，目前国内应用最多、技术最成熟的是从丹麦引进的BWE技术—水冷振动炉排炉。
水冷振动炉排炉适用的生物质燃料以秸秆、稻草等为主，锅炉的燃烧效率在85%左右。排放烟气中氮氧化物值在300mg/Nm³左右，按照现行环保政策并考虑将来对污染物排放要求的提高，需要进行脱硝处理。（水冷振动炉排炉系统如图1所示。）
另外一种应用比较广泛的生物质直燃锅炉是循环流化床锅炉。流化床锅炉主要依靠高温惰性物料来维持床内燃料燃烧的温度，流化空气使得物料保持剧烈运动状态，气固换热效果好，床内物料混合和床温均匀，有利于生物质的完全燃烧，提高了锅炉热效率；锅炉内部能够维持850℃左右的燃烧温度，并且燃料燃尽后不易结渣，减少了NOx、SOx等有害气体的生成。流化床锅炉的燃料适应性广，有利于减轻生物质供给的季节性波动及能源政策的影响。
循环流化床锅炉适用的生物质燃料以树枝、树皮、板材边角料为主，锅炉的燃烧效率一般在90%左右。烟气排放中氮氧化物值在200mg/Nm³，考虑到将来环保政策对污染物排放值要求的提高，需要进行脱硝处理。（流化床锅炉系统示意图如图2所示。）
在具体项目中生物质直燃炉型的选择，要根据当地生物质燃料、用户蒸汽参数进行综合分析确定。
2.生物质气化技术
生物质气化主要是通过热解反应，利用气化剂(一般为空气、氧气或水蒸汽),将生物质中的碳氧化，生成CO、H₂、CH₄及CnHm等可燃气体。
生物质气化需要在生物质气化炉中完成，气化炉是生物质气化设备的核心部件。生物质气化炉按运行方式分类，可分为固定床和流化床气化炉两类。
固定床气化炉是将生物质原料从炉子顶部投入气化炉中,物料在炉内按层次地进行气化反应,反应产生的气体在炉内的流动靠风机实现，要求单一原料，生物质燃料以稻壳、木屑为主，生物质气化燃烧后余热锅炉利用热效率一般在90%以上，烟气排放满足环保要求，不需要进行烟气净化处理。（具体示意图如图3所示。）
流化床气化炉是采用循环流化床的燃烧原理，循环流化床气化强度高，可大型化，对原料要求相对宽泛，生物质燃料以秸秆压块、木片、玉米杆为主，生物质气化燃烧后余热锅炉利用热效率在90%以上，并且烟气排放满足环保要求，不需要进行烟气净化处理。（具体示意图如图4所示。）
具体生物质气化炉型的选择，要根据当地气化原料的种类、生物质燃料的价格以及项目的实际情况进行综合分析。
生物质集中供热案例
1.直燃生物质热电联产项目案例
江苏国信如东生物质发电厂是国内第一批获得国家核准的秸秆直燃发电项目之一的企业，于2008年7月1日起正式投入商业运行。
该项目建设一套25MW高温高压秸秆发电机组，锅炉采用水冷振动炉排炉。据调研，该厂锅炉自投运以来运行稳定，汽轮发电机组全年发电量1.74亿度，年上网发电量1.56亿度，秸秆年消耗量约25万吨，每年为当地农民增收秸秆销售收入近1500万元，解决了当地秸秆资源浪费和环境污染问题，具有良好的经济与环境效益。
2.生物质气化技术应用案例
江苏省泰兴市黄桥镇精细化工园区，2016年建成生物质气化供热能源站一座，该项目以稻壳为主要原料，配置“3台固定床反应器+2台中瓢虫反应器+1台20吨余热锅炉”，项目占地面积2万平米，年稻壳处理量4万吨，主产品蒸汽产量为8.25万吨/年，副产品稻壳炭产量约1.3万吨/年，项目年销售收入在3000万左右，具有良好的经济效益和社会效益，为当地园区取缔燃煤锅炉，实现清洁能源的集中供热做出了贡献。
吴都能源生物质集中供热项目概况
吴都能源发展有限公司自2016年底成立以来，按亚新官方网站领导的指示，认真研判国家能源政策的导向，瞄准国内能源市场的需求，针对国内能源、环保的总体形势，根据需要以环保经济的方式进行能源供应的情况，我公司陆续在江苏、湖南、安徽等地进行了生物质区域集中供热项目的开发。
目前在江苏南通和湖南益阳两地，计划投资建设生物质集中供热项目。
1.南通生物质直燃集中供热项目
项目所在产业园的总体发展规划已得到南通市政府批准，产业园规划面积约10平方公里，一期4.5平方公里。目前园区内已经完成了3.4平方公里的土地开发和四通一平工作。区内尚未建设集中供热基础设施，企业传统的燃煤供热方式不能满足环保要求。为完善园区集中供热基础设施，降低园区内企业用汽成本，提高产业园对外招商竞争力，经与产业园管委会协商研究，决定在园区内投资建设生物质直燃供热项目。该项目的投资协议已经签署，厂址规划已经落实，并进入可行性研究报告编制阶段。
根据对产业园周边乡镇的燃料量和燃料种类的调研，并考虑目前产业园区企业蒸汽用量，规划一期建设1台50t/h直燃生物质水冷振动炉排供热系统，并留有扩建的余地，项目总投资约7500万元，每年供蒸汽约10.23万吨。按照目前初步确定的边界条件，本项目内部收益率大约在8%以上。
2.湖南益阳生物质气化集中供热项目
项目所在产业园区为国家高新技术产业开发区，区内尚未实现集中供热，现有企业采用自建燃气锅炉供热，其蒸汽使用成本较高。为完善产业园区的公用事业基础设施，降低园区内企业用汽成本，计划在园区内投资建设以稻壳等生物质为主要原料的生物质气化供热项目，实现园区集中高效供热，同时解决益阳市一定范围内稻壳利用难题，实现当地农作废弃物的循环高效利用。
根据对产业园及附近区域燃料量和燃料种类的调研，并考虑区内目前企业以及即将建成企业蒸汽用量，规划一期建设6套生物质气化集中供热系统，项目总投资约6300万元，每年供蒸汽量约17万吨。按照目前初步确定的边界条件，项目内部收益率大约在12%以上。
结论
1.采用生物质集中供热，符合我国能源产业政策，是我国鼓励发展的可再生能源综合利用的有效方式，并将成为我国能源供应的重要组成部分。
2.生物质集中供热，不涉及电力上网问题，没有天然气热电联产项目所需的气量、气价难题，与燃气、燃煤供热方式相比较，明显经济环保。
3.将农林废弃物等生物质收集并进行综合利用，不但解决了当地秸秆等生物质资源浪费和环境污染的大问题，而且具有良好的经济与环境效益，具有广阔的发展前景和可持续性。
综上所述，生物质直燃技术和生物质气化技术目前已比较成熟，但在我国还处于起步阶段，在各级各类开发区中，具有广阔的发展前景和明显的竞争能力。针对潜在的项目，我公司经过紧张周密的技术经济比较、设备可靠性分析、燃料适应性调查，项目已经进入实质性的前期阶段。吴都能源发展有限公司抓住当前政策的有利时机，整合该产业链中相关研发设计、设备制造单位，领先一步，抢占市场，使生物质集中供热这项分布式可再生能源项目成为公司业务发展的重要支撑点。
生物质能源的利用是可再生能源利用的一种重要方式，我国传统的生物质能源利用方式目前主要在生物质发电领域。截至2016年底，我国共有30个省份投产了665个生物质发电项目，全国生物质发电并网装机容量1214万千瓦，占全国电力装机容量的0.7%，占可再生能源发电装机容量的2.1%。据统计，2016年全国农林生物质发电量为333亿千瓦时，年平均利用小时数为5835小时。
我国生物质能发电产业体系已基本形成，农林生物质发电规模居世界首位。但目前生物质能源利用在运项目，绝大多数都是单纯发电，这种业务单一、低效、低附加值和完全依靠国家补贴的供能模式已不能满足社会发展的需要。
截至2015年，全球生物质发电装机容量约1亿千瓦。为提高生物质能源的利用效率，特别是在北欧国家，传统单纯的生物质发电正被生物质热电联产或生物质供热所替代。以中温中压机组为例，生物质能源化若仅用于发电，能源利用效率仅有40%左右，若实现热电联产，能源利用效率可达60%以上，若单纯供热，能源利用效率可达到70%以上，甚至更高。
为了保证我国生物质能源有序发展，国家发改委、国家能源局印发了《生物质能发展“十三五”规划》（国能新能〔2016〕291号）以及《可再生能源发展“十三五”规划》（国能发新能〔2017〕31号）。
特别是2017年12月6日，国家发展改革委、国家能源局以《关于印发促进生物质能供热发展指导意见的通知》（发改能源〔2017〕2123号），提出生物质能供热具有经济环保的明显优势，是重要的清洁供热方式，可为中小型区域提供清洁供暖和工业蒸汽，实现直接在用户侧替代化石能源。
我国农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物等生物质资源丰富，每年可供能源化利用约4亿吨标煤，发展生物质能供热具有较好的资源条件。生物质能供热根据资源条件可实现就地收集原料、就地加工转化、就近消费，构建城镇分布式清洁供热体系，既减少了农村秸秆露天焚烧，又提供清洁热力，带动生物质能转型升级。为了促进我国生物质能的发展，国家出台了以下鼓励政策：
1.根据财政部、国家税务总局《关于调整完善资源综合利用产品及劳务增值税政策的通知》（财税〔2011〕115号），对以农作物秸秆为燃料生产的电力或者热力，实行增值税即征即退100%的政策。
2.根据发改委颁发的《关于完善农林生物质发电价格政策的通知》（发改价格〔2010〕1579号），农林生物质发电项目统一执行标杆上网电价每千瓦时0.75元(含税)，也远高于目前燃煤国电机组的上网电价。
3.根据《企业所得税实施条例》规定，生物质发电因资源综合利用可享受收入减计10%的所得税优惠。
可见，在国家政策的大力支持下，生物质能源在热电联产或集中供热领域的综合利用，是可再生能源项目发展的一个重要方向。
生物质供热主要技术路线
生物质能源化利用主要分为生物质直接燃烧和生物质气化两种方式。
生物质直接燃烧是生物质在过量空气的条件下燃烧，产生高温烟气，高温烟气与锅炉内受热面进行换热，把水加热成饱和蒸汽或过热蒸汽供企业及用户使用。
生物质气化是指在一定的热力学条件下，利用气化反应器将生物质的碳氢化合物转化为含有H₂、CO和低分子烃类的可燃气体，生物质燃气体在经绝热燃烧产生高温烟气，高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽，供企业及客户使用。
1.生物质直燃技术
生物质直燃目前主要采用层燃炉及流化床炉进行生物质原料的高效燃烧。层燃技术的种类较多，其中包括固定床、移动炉排、旋转炉排、振动炉排、水冷移动炉排等，目前国内应用最多、技术最成熟的是从丹麦引进的BWE技术—水冷振动炉排炉。
水冷振动炉排炉适用的生物质燃料以秸秆、稻草等为主，锅炉的燃烧效率在85%左右。排放烟气中氮氧化物值在300mg/Nm³左右，按照现行环保政策并考虑将来对污染物排放要求的提高，需要进行脱硝处理。（水冷振动炉排炉系统如图1所示。）
另外一种应用比较广泛的生物质直燃锅炉是循环流化床锅炉。流化床锅炉主要依靠高温惰性物料来维持床内燃料燃烧的温度，流化空气使得物料保持剧烈运动状态，气固换热效果好，床内物料混合和床温均匀，有利于生物质的完全燃烧，提高了锅炉热效率；锅炉内部能够维持850℃左右的燃烧温度，并且燃料燃尽后不易结渣，减少了NOx、SOx等有害气体的生成。流化床锅炉的燃料适应性广，有利于减轻生物质供给的季节性波动及能源政策的影响。
循环流化床锅炉适用的生物质燃料以树枝、树皮、板材边角料为主，锅炉的燃烧效率一般在90%左右。烟气排放中氮氧化物值在200mg/Nm³，考虑到将来环保政策对污染物排放值要求的提高，需要进行脱硝处理。（流化床锅炉系统示意图如图2所示。）
在具体项目中生物质直燃炉型的选择，要根据当地生物质燃料、用户蒸汽参数进行综合分析确定。
2.生物质气化技术
生物质气化主要是通过热解反应，利用气化剂(一般为空气、氧气或水蒸汽),将生物质中的碳氧化，生成CO、H₂、CH₄及CnHm等可燃气体。
生物质气化需要在生物质气化炉中完成，气化炉是生物质气化设备的核心部件。生物质气化炉按运行方式分类，可分为固定床和流化床气化炉两类。
固定床气化炉是将生物质原料从炉子顶部投入气化炉中,物料在炉内按层次地进行气化反应,反应产生的气体在炉内的流动靠风机实现，要求单一原料，生物质燃料以稻壳、木屑为主，生物质气化燃烧后余热锅炉利用热效率一般在90%以上，烟气排放满足环保要求，不需要进行烟气净化处理。（具体示意图如图3所示。）
流化床气化炉是采用循环流化床的燃烧原理，循环流化床气化强度高，可大型化，对原料要求相对宽泛，生物质燃料以秸秆压块、木片、玉米杆为主，生物质气化燃烧后余热锅炉利用热效率在90%以上，并且烟气排放满足环保要求，不需要进行烟气净化处理。（具体示意图如图4所示。）
具体生物质气化炉型的选择，要根据当地气化原料的种类、生物质燃料的价格以及项目的实际情况进行综合分析。
生物质集中供热案例
1.直燃生物质热电联产项目案例
江苏国信如东生物质发电厂是国内第一批获得国家核准的秸秆直燃发电项目之一的企业，于2008年7月1日起正式投入商业运行。
该项目建设一套25MW高温高压秸秆发电机组，锅炉采用水冷振动炉排炉。据调研，该厂锅炉自投运以来运行稳定，汽轮发电机组全年发电量1.74亿度，年上网发电量1.56亿度，秸秆年消耗量约25万吨，每年为当地农民增收秸秆销售收入近1500万元，解决了当地秸秆资源浪费和环境污染问题，具有良好的经济与环境效益。
2.生物质气化技术应用案例
江苏省泰兴市黄桥镇精细化工园区，2016年建成生物质气化供热能源站一座，该项目以稻壳为主要原料，配置“3台固定床反应器+2台中瓢虫反应器+1台20吨余热锅炉”，项目占地面积2万平米，年稻壳处理量4万吨，主产品蒸汽产量为8.25万吨/年，副产品稻壳炭产量约1.3万吨/年，项目年销售收入在3000万左右，具有良好的经济效益和社会效益，为当地园区取缔燃煤锅炉，实现清洁能源的集中供热做出了贡献。
吴都能源生物质集中供热项目概况
吴都能源发展有限公司自2016年底成立以来，按亚新官方网站领导的指示，认真研判国家能源政策的导向，瞄准国内能源市场的需求，针对国内能源、环保的总体形势，根据需要以环保经济的方式进行能源供应的情况，我公司陆续在江苏、湖南、安徽等地进行了生物质区域集中供热项目的开发。
目前在江苏南通和湖南益阳两地，计划投资建设生物质集中供热项目。
1.南通生物质直燃集中供热项目
项目所在产业园的总体发展规划已得到南通市政府批准，产业园规划面积约10平方公里，一期4.5平方公里。目前园区内已经完成了3.4平方公里的土地开发和四通一平工作。区内尚未建设集中供热基础设施，企业传统的燃煤供热方式不能满足环保要求。为完善园区集中供热基础设施，降低园区内企业用汽成本，提高产业园对外招商竞争力，经与产业园管委会协商研究，决定在园区内投资建设生物质直燃供热项目。该项目的投资协议已经签署，厂址规划已经落实，并进入可行性研究报告编制阶段。
根据对产业园周边乡镇的燃料量和燃料种类的调研，并考虑目前产业园区企业蒸汽用量，规划一期建设1台50t/h直燃生物质水冷振动炉排供热系统，并留有扩建的余地，项目总投资约7500万元，每年供蒸汽约10.23万吨。按照目前初步确定的边界条件，本项目内部收益率大约在8%以上。
2.湖南益阳生物质气化集中供热项目
项目所在产业园区为国家高新技术产业开发区，区内尚未实现集中供热，现有企业采用自建燃气锅炉供热，其蒸汽使用成本较高。为完善产业园区的公用事业基础设施，降低园区内企业用汽成本，计划在园区内投资建设以稻壳等生物质为主要原料的生物质气化供热项目，实现园区集中高效供热，同时解决益阳市一定范围内稻壳利用难题，实现当地农作废弃物的循环高效利用。
根据对产业园及附近区域燃料量和燃料种类的调研，并考虑区内目前企业以及即将建成企业蒸汽用量，规划一期建设6套生物质气化集中供热系统，项目总投资约6300万元，每年供蒸汽量约17万吨。按照目前初步确定的边界条件，项目内部收益率大约在12%以上。
结论
1.采用生物质集中供热，符合我国能源产业政策，是我国鼓励发展的可再生能源综合利用的有效方式，并将成为我国能源供应的重要组成部分。
2.生物质集中供热，不涉及电力上网问题，没有天然气热电联产项目所需的气量、气价难题，与燃气、燃煤供热方式相比较，明显经济环保。
3.将农林废弃物等生物质收集并进行综合利用，不但解决了当地秸秆等生物质资源浪费和环境污染的大问题，而且具有良好的经济与环境效益，具有广阔的发展前景和可持续性。
综上所述，生物质直燃技术和生物质气化技术目前已比较成熟，但在我国还处于起步阶段，在各级各类开发区中，具有广阔的发展前景和明显的竞争能力。针对潜在的项目，我公司经过紧张周密的技术经济比较、设备可靠性分析、燃料适应性调查，项目已经进入实质性的前期阶段。吴都能源发展有限公司抓住当前政策的有利时机，整合该产业链中相关研发设计、设备制造单位，领先一步，抢占市场，使生物质集中供热这项分布式可再生能源项目成为公司业务发展的重要支撑点。