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2017年中国生物质能发电发展现状与前景展望
发布时间:2017-01-25 新闻来源:德州六顺电气自动化设备有限公司 浏览次数:
一、生物质能结构与利用方式
(1)中国生物质能资源分布情况
智研咨询发布的《2017-2022年中国生物质能发电市场研究及发展趋势研究报告》显示,生物质能技术主要包括生物质发电、生物液体燃料、生物质成型燃料、生物质燃气、生物制氢技术等。目前,世界上技术较为成熟、实现规模化开发利用的生物质能利用方式主要包括生物质发电、生物液体燃料、沼气和生物质成型燃料等。我国生物质能资源丰富,具有巨大的发展潜力,已呈现出规模化发展的良好势头。目前我国可利用生物资源量可转换为能源的潜力约5亿吨标煤,随着造林面积的扩大和经济社会的发展,我国生物质资源转换为能源的潜力可达到10亿吨标煤,占我国能源消耗总量的28%。目前我国生物质能技术研发水平总体上与国际处于同一水平,在生物质气化及燃烧利用技术、生物质发电、垃圾发电等方面居领先水平,但是存在生物质能产业结构不均衡、生物质成型燃料缺乏核心技术、燃料乙醇关键技术有待突破等问题。

中国风能太阳能、水能、生物质能资源分布

资料来源:公开资料整理
中国生物质能资源分布

资料来源:公开资料整理
我国生物质能原料分布明显不均,主要集中在东南西北中间带,最大的是广西地区。生物质资源包括农业、林业生产和生活过程中产生的所有生物质,生物质能原料主要指的是畜禽粪便、餐厨垃圾、能源作物、农产品废弃物四种可获取的原料,这就是图1和2存在不一致的原因。
(2)中国生物质能资源的利用方式
1、生物质发电领域
在生物质发电方面,国能生物发电集团和凯迪电力股份有限公司是我国生物质发电的领军企业。国能生物发电集团是目前全球最大的生物质发电专业公司。
2、生物质成型燃料领域
在生物质成型燃料方面,我国生物质成型燃料比较著名的研究机构主要包括中国林业科学院林产化工所、西北农林科技大学、南京林业化工研究所等。生物质成型设备厂家,如清华大学国能惠远生物质发展有限公司,北京盛昌绿能科技有限公司,广州迪森热能公司、辽宁华光生态工程技术研究所,江苏正昌粮机股份有限公司,河南省能源研究所,洛阳恒生能源设备有限公司,郑州九洲通用液压设备有限公司等。
3、生物质燃气领域
国内沼气行业比较知名的研究机构主要有中国科学院广州能源研究所、农业部沼气研究所、农业部规划设计研究院、成都生物研究所和东北农业大学等。知名领军企业主要包括杭州能源环境工程有限公司、青岛天人环境股份有限公司和北京盈和瑞环保工程有限公司等。
4、生物液体燃料
我国燃料乙醇知名企业主要有吉林燃料乙醇有限公司、河南天冠企业集团有限公司等。以纤维素类生物质为原料生产燃料乙醇的国内企业主要有山东龙力生物科技有限公司、安徽丰源集团、河南天冠集团等。在生物柴油方面,我国主要是以小企业居多。截至目前,全国生物柴油生产厂家超过200家,主要代表企业有海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建能源发展公司等。
中国生物质能产业相关企业情况表

资料来源:公开资料整理
2014年全球生物柴油产量近3000万吨,已建和在建生物柴油装置年产能接近5000万吨,生物柴油迅猛发展,成为21世纪正在崛起的新兴产业。我国目前生物柴油产量只有100多万吨,远远不能满足市场需求。每年需求从国外进口大量生物柴油。
当前,我国生物柴油原料的供应问题十分突出,资源没有得到合理的引导和配置。以地沟油为代表的废弃油脂原本是生物柴油的主要原料,却在高额利润的诱惑下,大量流向食用油市场。虽然国内餐饮废油每年潜在的供应量已达到1000万吨,生产生物柴油的企业已超过50家,但装置的开工率不到30%。中石化正在积极地推广生物柴油新技术,加快工业装置的建设速度,2013年在江苏建设一套10万吨/年生物柴油示范装置,同时还筹划在秦皇岛建设一套10万吨/年生物柴油示范装置。为了长远解决生物柴油的原料来源问题,中石化与中国科学院2010年启动了“微藻生物柴油成套技术的研发”项目。
2014年我国生物柴油行业销售市场规模约112.9亿元,同比2013年的68.37亿元增长了65.1%,近几年我国生物柴油行业市场规模情况如下图所示:
2005-2014年中国生物柴油行业市场规模情况

资料来源:RespectMarketingResearchInc
二、生物质能发电发展现状
(1)秸秆发电发展现状
2014年,我国秸秆资源量约为9亿吨。秸秆还田、饲料利用、工业原料约占60%,约40%可以能源化利用(含农村生活用能)。
一、秸秆是生物能源的重要组成部分之一
生物能源是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源,在世界能源系统中占有重要地位。生物能源是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的可再生能源,是唯一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其他化工原料或者产品的资源。
生物能源主要来自三个方面:一是农业资源,包括农业作物、农作物收获时残留秸秆、农业加工业的废弃物等;二是林业资源,包括森林生长和林业生产过程提供的能源资源、木材采运和加工过程中的废弃物、林业副产品废弃物;三是城市生活餐厨垃圾和工业有机废弃物。
我国每年有0.8亿吨林业剩余物、30亿吨畜禽养殖粪便、1.5亿吨生活和有机垃圾、逾10亿吨农产品加工废弃物。
二、秸秆能源化利用方式
除作为农村生活能源外,秸秆能源化利用方式主要有秸秆固化、秸秆炭化、秸秆气化、秸秆发电、秸秆液化、秸秆沼气等。而适合产业化的方式主要是秸秆发电、秸秆液化、秸秆沼气。
第一,秸秆发电
秸秆发电是以农作物秸秆为原料的一种发电方式,根据秸秆利用方式的不同,主要有以下2种技术路线:秸秆直接燃烧发电和秸秆气化发电。
其一,秸秆直接燃烧发电是指把秸秆原料送入锅炉中直接燃烧产出高压水蒸汽,通过汽轮机的涡轮膨胀做功,驱动发电机发电。目前,秸秆直接燃烧发电技术主要有2类:水冷式振动炉排燃烧发电技术和流化床燃烧发电技术。
其二,秸秆气化发电,首先使生物质原料在缺氧状态下发生热化学反应转化为气体燃料(一氧化碳、氢气、甲烷),然后将转化后的可燃气体由风机抽出,经冷却除尘去焦油和杂质后,供给内燃机或者小型燃气轮机,带动发电机发电。
第二,秸秆液化
秸秆液化是指通过物理化学或生物学方法,使秸秆中的木质素、纤维素等转化为醇类可燃性油或其他化工原料;主要分为直接液化、高温高压液化、微波液化3种形式。
其一,直接液化是指在中低温、高压并有催化剂参与情况下,将生物质转化为液体的热化学反应过程,通常有还原性气体(例如氢气、一氧化碳等)参与反应。
其二,高温高压液化是指在高压下发生热化学反应的过程,典型的液化工艺是在较高的压力和温度(33-500摄氏度)以及在催化剂存在下进行。
其三,微波液化是指利用微波辐射使小分子极性物质产生物理效应,从而加速反应改变反应机理或启通新的反应通道。
第三,秸秆沼气
秸秆沼气是指以秸秆为发酵原料,在隔绝空气并维持一定温度、湿度、酸碱度等条件下,经过特定细菌的发酵作用产生的气体。沼气是一种混合气体,主要成分是甲烷,其次为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢等,其中甲烷含量为55-70%,沼气热值为20-25兆焦/立方米。
三、秸秆能源化利用现状
第一,秸秆发电
2004年以来,我国先后核准批复了200多个秸秆直燃发电示范项目。截至2012年底,我国生物质发电累计并网容量为5819兆瓦,其中,直燃发电技术类型项目累计并网容量为3264兆瓦,占全国累计并网容量的55%;垃圾焚烧发电技术类型项目累计并网容量为2427兆瓦,占全国累计并网容量的41.71%;沼气发电技术类型项目并网容量为206兆瓦,占全国累计并网容量的3.54%。《可再生能源“十二五”规划》明确规定,2015年我国生物质发电装机达到1.3万兆瓦,其中农林生物质发电8千兆瓦、沼气发电2千兆瓦、垃圾焚烧发电3千兆瓦。
我国目前建设、运行的生物质发电厂普遍采用二代技术。一代生物质发电厂机组规模一般为2×12兆瓦,采用中温中压技术,存在能耗较高、发电热效率偏低等问题;二代电厂机组规模一般为1×30兆瓦,采用高压和超高压技术,与一代技术相比,能耗显著下降,发电热效率显著提高,其锅炉热效率一般在85%-90%,发电热效率可达30.4%,年平均发电标准煤耗约404g/千瓦时。从当前生物质电厂的运行来看,主要是原料供应缺乏保障,100公里范围内布局了多家生物质电厂,大多电厂的原料收购经济半径超过30公里以上,收购成本较高。第二,秸秆液化(纤维素乙醇)
纤维素乙醇在我国仍处于产业化起步阶段,其关键技术主要是高效预处理技术与装备、低成本纤维素酶制剂的生产和戊糖发酵菌种技术。
2014年,我国燃料乙醇产量达到233.2万吨,混配E10乙醇汽油约2140万吨,接近当年汽油总消费量的四分之一,目前已在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、广西6省区及湖北、山东、河北、江苏、内蒙古5省区的30个市试点车用乙醇汽油,实现了乙醇汽油的封闭运行。纤维素非粮乙醇产量仅3.2万吨。国内已建成山东龙力5.15万吨/年装置(以玉米芯废渣为原料)与河南天冠3万吨/年的乙醇-沼气联产示范装置,以上两套装置均未采用戊糖/己糖共发酵生产乙醇技术。在建及规划的项目包括中粮集团采用自主知识产权预处理工艺及戊糖/己糖共发酵技术的5万吨/年醇电联产项目、安徽国祯和意大利M&G公司的合资项目以及河南天冠的3万吨/年纤维素乙醇规划项目。
第三,秸秆沼气
据统计,2010年我国大型沼气工程有5万处,沼气产量为10亿立方米。我国沼气建设逐步由小型、分散化、经济效益差的农村户用沼气向规模化的沼气工程发展。近几年,通过引进并结合自主开发的技术,已建成以畜禽粪便为主要原料的蒙牛澳亚牧场(装机容量1.26兆瓦)、北京德清源(装机容量2兆瓦)、山东民和牧业(装机容量3兆瓦)等大型沼气并网发电项目。
我国沼气净化提纯制取生物天然气正处于起步阶段,部分净化提纯关键技术还需从国外引进,目前在广西南宁、山东博兴、内蒙古通辽等地已建成沼气净化提纯制取生物天然气示范项目。
四、秸秆能源化利用应注意的问题
秸秆能源化利用产业发展是一项横跨不同行业、不同学科的系统工程,要加强科研投入,在考虑能源安全、减排等社会、环境因素下,也要兼顾经济效益,因地制宜,分阶段选择技术上成熟的秸秆能源化利用模式。
第一,燃料的充足供应是生物质电厂正常运行的关键因素
当前秸秆发电普遍经济效益较差的原因:一是电厂布局不合理。在同一生物质经济供给半径内,存在多家生物质电厂,或其他生物质能源加工企业,导致这些企业之间恶性竞争生物质原料,增大了运行成本。二是燃料运输半径过大,收购生物质原料的半径超过30公里以上。三是燃料收购组织措施不合理,导致收购成本过高。实践证明,生物质电厂发电技术可靠,生物质原料供应保障,以及收购储运价格是确保生物质电厂获得经济效益的关键。
第二,沼气利用应注重装备开发,强调高值化利用解决经济性问题
我国沼气产业以往因受“环保主导”模式以及工艺技术的约束,多数大中型沼气工程的技术经济指标普遍低下,不具备经济上的可持续性,在秸秆规模化转化沼气工程技术上与国外差距较大。未来国内沼气应重视开发标准化和成套化装备,重点解决高干物浓度发酵、多元原料共发酵、中/高温发酵过程中产生的问题。沼气应向高值化利用途径方向发展,如净化后沼气发电,尤其是净化提纯后用作车用燃气,解决自身经济性问题。
第三,纤维素乙醇应继续降低成本,发展“醇-电-沼气联产”工艺
纤维素乙醇产业发展的关键问题是协同预处理技术开发,降低酶制剂成本,提高戊糖转化乙醇效率。虽然该产品仍旧处于产业化实践阶段,但从国内外示范装置现有情况来看,运行测试基本达到预期,具备产业化推广条件。上述技术经济性评价也表明,从能量转化效率、产品价值及效益等角度分析,纤维素乙醇竞争力更强。随着生物技术的进步,产酶菌株的效率、酶的活性以及共发酵菌株的糖醇转化效率会不断提高,酶制剂成本与能耗会不断下降,纤维素乙醇成本更有竞争力,成为最具发展潜力的秸秆能源转化产品。从能源转化角度来看,对秸秆最好的利用方式应该是以生产液体燃料纤维素乙醇为主,醇-电-沼气联产,实现原料的梯级利用,带动产业持续健康发展。



中国农村秸秆优质化利用情况

资料来源:农业部科技教育司
(2)垃圾发电发展现状
我国垃圾焚烧发电起步于20世纪90年代末,发展至今仅二十年时间,但随着我国城镇化进程和城市人口的增加,我国城市生活垃圾对环境造成的压力不断加大,垃圾无害化处理技术已越来越引起我国重视并快速发展起来。由于垃圾焚烧较之传统的垃圾填埋或堆肥法具有处理速度快、节省大量用地、实现资源综合利用等优点,随着垃圾焚烧技术的不断提高,垃圾焚烧处理已逐渐成为我国东南沿海经济发达地区的主要处理方式。
特别是2002年以来,国家和有关部门陆续出台和实施了市政公用事业的开放政策、特许经营政策、投资体制改革政策、鼓励非公经济政策等一系列相关的改革政策措施,加快了市政公用行业的改革开放和市场化经济的发展。作为最为传统的市政公用事业,垃圾处理领域也改变了政府单一的投融资渠道,而走向了投资主体多元化和融资渠道多样化的发展道路。
根据统计数据:截至2013年底我国垃圾发电装机容量达到340.03万千瓦时,较2012年增长35%。2014年我国垃圾发电装机容量430.8万千瓦时。
2009-2014年中国垃圾发电装机容量

资料来源:公开资料整理
(3)沼气发电发展现状
沼气发电技术是一项利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物(例如酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等),经厌氧发酵处理产生的沼气,驱动沼气发电机组发电,并可充分将发电机组的余热用于沼气生产的综合技术。该技术不仅提供电能这一清洁能源,同时解决了沼气工程中的环境问题,消耗了大量废弃物,减少了温室气体排放,属于典型的资源循环利用项目,具有良好的经济效益和环境效益,在农村地区推广潜力巨大。
虽然我国沼气发电已经初具规模,但沼气发电利用比例极低,提升空间巨大。欧美国家沼气工程产生的沼气基本用于发电或提纯代替天然气;而在我国,工业企业将沼气用于锅炉燃料,农场沼气则用于养殖食堂炊事燃料,超过90%的沼气没有得到高效利用,垃圾填埋场亦存在沼气大规模放空的处理方式,填埋气回用率低于20%。
三、生物质能发电发展潜力与前景
(1)秸秆发电发展潜力与前景
目前,我国生物质能源发展呈现出蓬勃的发展态势,其中,农作物秸秆发电最具代表性、战略性和可持续性,秸秆的利用改造是开发生物质能源的一种有效途径。秸秆是清洁无污染的可再生能源,是最具有开发利用潜力的新能源之一,具有良好的社会、经济和生态效益。秸秆发电是秸秆优化利用的最主要形式之一,呈现快速增长的趋势。目前秸秆发电大体上可以分为以下几种方式。
1、建造利用秸秆燃烧来发电的中小型电厂
目前生物质能发电技术主要有两大类:一是利用锅炉直接燃烧生物质燃料,例如秸秆产生的热量加热锅炉中的水,使水汽化,推动汽轮机发电机组来发电。这类技术与常规的煤燃烧发电相类似,只是用秸秆来代替煤。
另一类是气化发电技术,由气化炉和煤气内燃发电机组来发电。利用生物质气化炉将秸秆转化为可燃气体,燃气经过分离净化,然后在锅炉等设备中进行燃烧,推动发电机输出电能。
2、分散式的小型发电机组
由于建造中小型电厂存在的问题,分散式的小型发电机组逐渐受到人们的重视,尤其是在我国广大农村更有推广的条件。这里将着重介绍与秸秆发电关联密切的斯特林发电机和新型的热声发电机,它们为生物质发电机器的小型化提供了可能。
斯特林机又名热气机,是一种闭式回热循环发动机,它具有高效率、低噪声、低污染以及多能源适应性等特点。由于世界石油资源日趋短缺,对环境保护的要求日益强烈,目前各国都很重视对斯特林机的研究。日本制定了开发节能新技术的“月光计划”,6年内投入100亿日元开发通用热气机。
斯特林机可以适用于多种燃料。从高品质的石油、天然气等,到低品质余热废热,甚至可燃垃圾等,都可以作为斯特林机的驱动热源。
热声发电机基于热声效应而工作,是一种新型的能源转换机械。热声发电机的突出优点是其高可靠性和对自然环境的卓越环保特性。它的高可靠性来源于系统中完全没有运动部件或者运动部件极少;它的环保特性来源于它的工作介质是常见的惰性气体,对大气臭氧层无破坏,没有温室效应,也没有可燃性。与斯特林机类似,热声发电机也采用外燃加热的方式。热声驱动的发电机装置,通过设计合理的燃烧装置,将秸秆燃烧驱动热声发电机发电。
在新能源的开发利用中,秸秆发电具有重要的意义,对于建设小康社会,节能减排具有深远的影响。伴随着煤炭、石油和天然气等化石能源的逐渐枯竭,寻找新能源已成为一个紧迫的任务。秸秆作为一种绿色和可再生的能源,其作用将会越来越突出,这不仅关系到环境保护的问题,还关系到国家的能源战略问题。
(2)垃圾发电发展潜力与前景
进入21世纪以来,随着环境问题的日益加剧,节能、环保成为各国的发展主题,垃圾处理也迎来了产业发展的机会。全世界垃圾年均增长速度为8.42%,而中国垃圾增长率达到10%以上。全世界每年产生4.9亿吨垃圾,仅中国每年就产生近1.5亿吨城市垃圾。中国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨,城市有三分之二被垃圾包围。预计2015和2020年中国城市垃圾年产量将达2.60亿吨和3.23亿吨。在中国人多地少、能源紧缺,城市化进程快速发展的现实情况下,选择垃圾发电无疑是符合国情最明智的选择。
2013-2022年垃圾发电行业产值规模预测

资料来源:公开资料整理
(3)沼气发电发展潜力与前景
假设沼气60%用于发电,则2014年144亿立方米的沼气产生量估算,可产生150亿千瓦时电量,对应装机200万千瓦,达到现有规模的4倍;以2020年915亿立方米沼气资源量估算,扣除自用沼气300亿立方米资源外,可用于沼气发电的气量达到615亿立方米,产生922.5-1230亿千瓦时电力(每立方米沼气产生1.5-2千瓦时电力),装机容量能达到1537.5-2050万千瓦,达到现有沼气装机规模的15倍以上。
目前在我国,如果要实现工业化,沼气的生产原料主要来自于4个方面:畜禽养殖场粪污、工业有机废水、市政污水的污泥和生活垃圾填埋场的垃圾填埋。上述4类沼气发电市场开发在我国均处于起步初期,市场空间仍较大。具体来看,畜禽养殖和工业废水类项目由于规模小或运营主体多为原有业主等原因,专业运营市场空间较小,未来的市场主要集中于设备领域;市政污水沼气多用于污水处理厂自用电补给或动力补给,多以原有业主投资运营,大规模第三方运营市场空间不大,未来市场也多集中于设备领域。垃圾填埋气领域则相对项目规模较大、且国内已有一定规模的第三方运营商出现,运营市场值得期待。

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