我國生物質能發電技術路線探討
1.引言
我國生物質能蘊藏豐富，潛力巨大，自古以來，生物質能曾經是我國重要的能源。即便在用電普及的今天，生物質能仍然是廣大農、林、牧區的重要能源。據“中國可再生能源規模化發展項目管理辦公室”2008年6月出版的“生物質有關技術裝備及產業化應用調查報告”稱：“中國是一個農業大國，生物質能源十分豐富，生物質廢棄物的總量，約相當于我國煤炭年開采量的50％，總計約6.56億噸標煤。但是長期以來，這些生物質并未得到充分合理的利用，目前利用率僅在30％左右，而且其能源利用方式極為原始，大多數物質以直接燃燒為主，這是一項巨大的資源浪費。”
建國以來，鑒于生物質能利用效率低下，以及對環境和生活品質的不良影響，各技術機構開展了長期、廣泛的研究和改良。諸如節柴灶、沼氣、氣化等，取得顯著的成效。我國生物質能利用在可再生能源利用中始終位列前矛。現在，生物質能發電也逐步列入議事日程。
其實，生物質能發電在我國早已有之，如造紙業、制糖業作為廢料處理的黑液發電、甘蔗渣發電；近年開展的垃圾發電和填埋氣發電卓有成效。
大規模地直接以散布在大地上的秸稈等農、林、牧“三廢”等大宗生物質來發電，還只有不多的項目。
由于生物質能發電有保證出力，調節性能好等特點，它可以參加電網調峰，和電網容易匹配，它不受煤礦、鐵路的能力和價格變動制約。在各種電力中，生物質能電力是最好的電力。因此，近年來，對生物質能發電，國家無論在規劃層面還是在開發利用層面的投入和政策優惠都優于其他可再生能源。例如：2010年風力發電的規劃容量為500萬千瓦，而生物質能發電的規劃容量為550萬千瓦；風電上網電價按競價確定，生物質能電價按標桿電價加二角五分。
可是令人惋惜的是，生物質能發電的發展速度，明顯地低于太陽能、風力發電的發展速度。據報導，2007年我國風力發電裝機總容量已達590萬千瓦，位列世界第五名。而生物質能發電裝機難以達到規劃水平了。
2.政策優惠之外，技術路線也很重要
眼下生物質能發電技術路線有兩大類：一是把生物質能發電廠做成萬千瓦級的直燃式小火電廠，燃料是秸稈、谷殼等散料，用鍋爐-汽輪發電機組來發電。一般裝機容量在2-4萬千瓦。二是中等規模氣化發電機組，以氣化爐和煤氣內燃發電機組來發電。
把生物質能發電廠做成萬千瓦級的直燃式小火電是前一時期從國外引進的模式。這種模式屬于集中化、大電網的模式。
這種模式的電廠規模做不小，因為小機組的蒸汽參數低，熱效率更低。而且此類電廠管理和技術水準的要求比較高。規模小了，相應的管理成本會顯得很高。只能往大里做。盡管如此，受燃料收集范圍的制約，充其量也只能做到高溫高壓等級，而這種蒸汽參數的發電機組，因其效率低、排放大、在燃煤火電已屬關停范圍。
這種電廠都是固定式的。這就帶來另外一項風險，那就是：一旦電廠周邊地域內農業轉產，電廠就將面臨燃料來源問題。
由于生物質能低密度的特點，大量收購必然帶來長途搬運，運輸成本高昂，原料采集范圍大到幾十公里，其運輸規模龐大，甚至出現運輸業大于發電業的喧賓奪主現象。長途搬運耗費大量油料，使得這種發電方式的“綠色”受到質疑。
大量收購的另一個問題是抬高整體燃料價格。原本運距較短的近區燃料供不應求，必然會以遠區燃料的高位價碼為參照，從而抬高了近區燃料價格。
更成問題的是，生物質原本存在多種用途，如：肥料、飼料、造紙、燃料等等。真正成為廢物或有害廢物的只是一部分。發電企業介入收購，必然對其他產業已經形成的供應鏈和價格體系形成巨大沖擊，造成原料市場價格非理性化。有些地區甚至出現老鄉從燒秸稈改燒煤炭的情形，這與節能減排背道而行。
原料采集范圍大了，還可能加重技術上的困難：原料采集范圍越大，品種越混雜，使得灰融點進一步下降，造成爐膛嚴重結焦，難以連續運行，電廠難以為繼。還可能產生高溫、低溫金屬腐蝕，降低可用率，增加維修成本。
這條路線的另一個問題是需要消耗相當多的淡水，當然如果把電廠建在有相當大的持續熱用戶的城市，可以熱電聯供。但是必然帶來同樣的問題，那就是要取代已經存在的供熱產業鏈，而且，一般說，供熱半徑小不了，使得供熱管網建設和運行成本上升。
這種電廠的燃料儲藏也是一件大事。燃煤電廠的存煤，一般考慮15至25日的消耗量。可是生物質的存量需考慮青黃不接，總要按數月設計。不論集中一處或多處，必然占用大量土地。其消防也成為大事。
這類電廠因其附屬設施龐大、料場占用大片土地，其單位造價比起燃煤火電單位造價要高出一倍多；一般說單位千瓦造價在萬元以上。因為技術原因，其效率卻只有燃煤火電的80％；加上燃料昂貴；用人多；運維費用高等等。即便有電價津貼，仍然無利可圖。一般說，生物質能電廠的上網電價盈虧平衡點在0.8元/千瓦時左右。遠高于風力發電上網電價。(一般說，風力發電的正常上網電價盈虧平衡點在0.60元/千瓦時)。因此，把生物質能發電廠做成萬千瓦級的直燃式小火電的技術路線是一種缺乏競爭力的路線。
作為生物質能發電的另一條技術路線，中等規模氣化發電模式，應該說其規模比前者要現實得多。但是經過多年開發，始終難以推廣。究其原因是燃氣凈化這一關難以逾越。內燃機是一種對燃料十分挑剔的機械。這就要求對燃氣作精細的凈化，這樣就會造成燃氣凈化設施比氣化設施大許多倍，龐雜的凈化設施提高了投資額，運行維護復雜，需要大量用水，還要處理含焦油廢水。
燃氣在凈化過程中溫度下降，已經造成很大的熱損失，使其總體效率不高。一般說發一度電需1.5至2公斤燃料。倘若燃料價0.2元/公斤，燃料成本達到0.3至0.4元/千瓦時，相應上網電價可想而知。
此類電廠管理和技術水準的要求也比較高。因而用人也很多，這種發電企業的規模也不能做得太小，否則管理成本會顯得過高。同樣存在運費高昂的問題。
氣化發電推廣緩慢，它的上游供應商，如：燃氣內燃機供應商，對技術開發不敢大量投入，使整個產業鏈不成熟，難以期望在短期內有重大突破。
上述兩條技術路線久攻不克，使我國的生物質能發電事業發展不理想。近來讀到不少文章要求給生物質能發電以更多政策優惠。本人認為除了政策優惠，技術路線也很重要。技術路線的失誤，同樣產生災難性后果。似乎應該采取完全不同的技術路線。
3.發展以村為單位的生物質能分布式發電企業的技術路線
3.1生物質原料市場
生物質種類繁多，分布面廣。生物質的生長受品種、日照、氣溫、降水、肥料、土壤、耕作等的影響，其產量相差懸殊。以我國地域劃分，大體上南方、東部高于北方、西部。粗略的估計每畝干生物質產量在0.5至2噸。其畝產對富集成本影響巨大。也就是品位對投入產出十分敏感。
生物質產品大多已有其他用途，浪費的只是一部分。一旦發電企業開始收購就可能與其他收購者競爭，抬高價格，牽動面很大。應該與兄弟收購者保持足夠的間距，以利彼此發展。
有些生物質已經完成了富集，并成為有害廢物。利用來發電，使其無害化、資源化，對發電企業而言是最有利的。這樣不單不用付燃料費，還可取得一些治污補償。例如谷殼。粗略估計以我國生產的谷殼的10％作為發電燃料，就可裝機600萬千瓦。這也是我國氣化發電企業大多成為糧食企業自備電廠的原因。可是據了解，這種發電方式上網難度很大，而且幾乎不可能取得國家對生物質能發電的價格津貼。雖說600萬千瓦也不能說是個小數目。但是相對于散布在田間的秸稈的巨大潛力，畢竟還只能說是個不大的數目。
對于散布在田間的秸稈，以非常粗略的估算，每公頃(15畝)的生物質夠1千瓦發電機組發電1年之用。每平方公里(1500畝，相當于一個村)可供100千瓦。這樣用我國10％的國土生產的秸稈，取其20-30％，就夠裝機1億千瓦。這只是現在的估計，將來原料市場充分理性化了，就有可能使所有“廢物”都充分利用。更何況，一旦生物質能發電成為一個有利的大產業，就可能出現新的能源作物。其產量難以估計。
3.2生物質能發電廠的規模
為了降低富集成本，按照燃料市場的特點，似乎生物質能發電企業的規模越小越有利。但是考慮到管理成本，就不能太小。一般上馬之初似乎應以半徑1-2公里的范圍(一個村)建一個電廠為宜。因此電廠容量在50到150千瓦，用工2到4人較適合。成為農村分布式的小電廠，這些小電廠效率還不能太低，用人也不能過多，還要少占地。
3.3裝備技術路線--直燃式熱氣機生物質能發電機組
蒸汽輪機、燃氣輪機和內燃機這三種最普遍使用的熱力機械都不能滿足這種小電廠的要求。倒是一種古老而未經利用的熱力機械-斯特林引擎(熱氣機)可能會解決問題。其名稱為：直燃式熱氣機生物質能發電機組。
直燃式熱氣機生物質能發電機組由直燃爐和熱氣機--發電機組合而成。
直燃爐基本沿用節柴灶技術。我國研制推廣節柴灶已有數十年的經驗，技術成熟，形式多樣，生產企業多，便于選用。近年研制的百千瓦級生物質顆粒燃料熱水鍋爐，其效率直逼90％，其化學和機械未燃燒熱損失己經不多。如果容量更大些，配以煙道省煤器和空氣予熱器，進一步降低排煙溫度，減少排煙熱損失，其效率還能進一步提高。
節柴灶采用高溫直燃，原料處理簡便，幾乎不存在焦油問題。爐膛內結焦則可以用機械方法清理，所得草木灰為優質肥料。
熱氣機(StirlingEngine)由蘇格蘭牧師RobertStirling在1816年發明，是一種由外部向氣缸內的工質供熱，使工質氣體在不同溫度下作周期性壓縮和膨脹的閉式循環的往復式發動機，所以又稱斯特林發動機。其熱力循環由定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程等四個過程組成。熱氣機因其燃料在氣缸外燃燒而區別于燃料在氣缸內燃燒的內燃機，所以熱氣機又被稱作外燃機。
熱氣機的工質可為氫、氮、氦或空氣等。已設計制造的熱氣機有多種結構，熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。按缸內循環的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機，在一個氣缸內有兩個活塞作規律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動；雙作用式熱氣機，每個氣缸內只有一個活塞，兼起配氣活塞和動力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經加熱器、回熱器和冷卻器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。
與內燃機比較，熱氣機適用于各種能源，無論是液態的、氣態的或固態的燃料，當采用載熱系統，如熱管，進行間接加熱時，幾乎可以使用任何熱源，例如：生物質能、太陽能集熱、核反應等。同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，因而自用能少。由于外燃，允許燃料具有較高的雜質含量。熱氣機在運行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，獨立于燃氣的工質通過加熱器吸熱，并按斯特林循環對外做功，因此避免了類似內燃機的震爆做功和間歇燃燒過程，從而實現了高效、低噪和低排放運行。按中船重工集團711研究所的介紹，熱氣機高效：總能效率達到80%以上；低噪：1米處裸機噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達到歐5標準。熱氣機單機容量可以因地制宜地增減，使用靈活性大。結構簡單，零件數比內燃機少40％，降價空間大，同時維護成本也較低。
雖然熱氣機原理早在1816年由斯特林發明。而且斯特林循環是活塞式熱氣發動機概括性卡諾循環，效率達到理想值。可是，長期以來，限于技術條件，未能商品化。只有一些模型和玩具產品。近30年來，由于相關條件的改變，斯特林引擎引起了相當的關注。國外已有用于哥特級潛艇。效率有高達50％。丹麥有35千瓦和75千瓦生物質能熱電聯產機組產品。
我國中船重工集團711研究所正在將熱氣機推向民用市場。當然，軍品向民品的轉化需要一個過程。據中船重工集團711研究所介紹眼下還只有50千瓦的氣體燃料機組，固體燃料機組還有待開發。其單位千瓦造價介于萬千瓦級的直燃式小火電和中等規模氣化發電機組之間，其熱效率則比二者略高。
據有關專家估計：在我國，幾十千瓦等級的固定式斯特林發動機的研制、開發；引進、吸收、消化；軍轉民等從技術層面上說，都不會有什么大問題。眼下關鍵在于認識和商業運作問題，
3.4直燃式熱氣機生物質能發電機組的開發和產業化
雖然直燃式熱氣機生物質能發電機組的單機容量可從幾千瓦到幾十千瓦以適應從戶用到村用的需要，與各類生物質采集范圍優化匹配，但是，一開始研制，就應該使其產品標準化、系列化，一旦推廣就能大規模生產，降低成本。似乎一開始只要30千瓦、50千瓦兩個型號即可。爐灶部分要考慮不同農、林、牧“三廢”散料或成型料的需要。
為了避免重蹈“以市場換技術”的覆轍，一開始研制，首先要采用國內的科研成果，支持國內研發。應注意研制未動、專利先行。
為了避免國外制造業搶占市場。一開始研制，就要對上、下游進行部署，應該盡量采用國產化的零、部件產品，培植成熟的產業鏈。一旦推廣就能帶動上、下游產業的興旺。
為了盡快形成產業，在設備定型后就應形成數千臺至萬臺的批量，以形成批量優勢，降低造價。
一開始研制，就考慮到這些裝備的運行維護工作量之中大部分要做成只需要低技術要求的工作，以適應廣大農、林、牧區勞動力技術能力的實際，增加就業；其中技術要求較高的部件則做成高可靠性，必要時輪替返回服務中心集中維修。
一開始研制，就要部署從研發、設計、認證、加工、裝配、運輸、安裝、調試、運行、維護等乃至管理、市場、營銷、服務各專業、各工種、組織機構設置的研究和各層次職工的培訓。
3.5直燃式熱氣機生物質能發電廠的特點。
這種微型電廠分散座落在廣大農村，以農產品為原料，就業人員大多來自農村，屬于農村電力。電廠的投資、建設、經營、管理應該以農民為主。這是一項劃時代的改革-農民成為電力的主人。可以說，唯有廣大農村、農民的積極參與，這項事業才能成功。
直燃式熱氣機生物質能發電機組，需要足夠的水源，作為冷卻設備之用。電廠取水及水處理應與當地村、鎮水務建設和供熱統一規劃。
該類設備的副產物是熱水，熱水可供生活、采暖等用途，最后提供給灌溉。由于電廠規模小，相應的供熱距離短，管網投資小，散熱和輸水功率小，易于解決。應該盡可能做成熱電聯供。還可能采用電廠以更多、更舒適的水暖、熱水串換老鄉燒坑、燒熱水的柴火，從而實現發電利用高溫能量，用做功后低溫能量供熱，來降低整體綜合能耗。
在這里還應該感激我國電網企業完成了村村通電和戶戶通電，使得小規模的直燃式熱氣機生物質能發電企業得以就近上網。直燃式熱氣機生物質能發電機組可聯接到國家電網以確保周波穩定，電壓穩定。電價回收，補貼落實。
它可承擔電力高峰負荷以減輕國家電網調峰壓力，它在電網末端調整電壓可以提高電能質量，降低電網和線路電能損失。一旦大網出現偶發性問題，可以確保一方用電安全，甚至對鄰近地域作出支援。對供電安全乃至國防都有顯著效益。
這種電廠可以斷續運行。運行方式靈活多樣，還可以無電源啟動。它也可與小水電、太陽能、風力發電良性互補。機組做成半固定式，遇到農業轉產，可以輕松遷徙。
這種百千瓦上下的小電廠的上網問題似乎給人們帶來困惑。但是，要知道，對于規模幾千瓦到幾千千瓦的眾多農村小水電廠而言，百千瓦的電廠已屬中等規模。有些電網有大批小水電站并網運行，它們已經積累了豐富的農村電源上網經驗。不論是規章制度還是調度通訊、保護、運行方式、各類裝置都很成熟，因此這種電廠上網模式，可以參照已經十分成熟的小水電廠上網模式，稍加改進即可運用。關于這方面的知識屬于農村電力范疇。
對于電網企業，眾多小型生物質能發電企業的并入，是一件不太麻煩而有諸多好處的新業務，也是一件政治和經濟效益都十分可觀的業務擴充。
采用直燃式熱氣機生物質能發電機組的電廠的規模可大可小：單機容量靈活，機組數量也靈活。基本著眼于就地電力需求。分期規模隨著電力市場和原料供應增長而成長。
綜上所述，本技術路線著眼于以直燃式熱氣機生物質能發電廠來發展以村為單位的可再生資源分布式電源。這種電廠可以形容為微型生物熱電廠。要讓這種電廠如繁星一般綴滿中國大地，使農戶成為電力的主人。只要生物還在生長，我們就可以在家門口獲取電力，就地原料就地轉化就地使用，改變農村產業結構和生活方式。它使國家發電能源多元化、分散化，成為繼風力發電快速增長之后的新的可再生能源增長點。它能夠形成一個千億產值，百萬從業大軍的新興綠色環保產業。因此它是一條高效率、低成本、市場化、規模化、上馬快、見效快的路線，比較符合自然規律和我國國情。符合黨和國家關于科學發展和可持續發展以及建設新農村的方針。如果一個電廠100千瓦，以12年的努力，建成100萬個這樣的電廠，總容量就有1億千瓦，占全國發電能力十分之一。
初步設想的電廠(供具體想象)：
裝機容量100千瓦，
裝機臺數2臺，予留2至4臺擴建可能，單機容量50千瓦，
總投資額60萬元，籌措資本金12萬元，貸款48萬元，
年發電利用小時4000，年發電量40萬千瓦時，
上網電價0.60元/千瓦時，年發電銷售收入24萬元，(供熱及出售草木灰肥料未計)
還貸期6年，每年還本付息8.5萬元，
上網電壓400伏或1萬伏，
員工總數4人，
燃料供應按每千瓦15畝，總面積1平方公里。
年耗燃料40萬千克(400噸，每天1.2噸)，燃料費8萬元，
余下7.5萬元為電網、稅金、工資、分紅等等費用。
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