能源化利用技術 2009年的國家科學技術獎勵大會上,“農業(yè)廢棄物氣化燃燒能源化利用技術與裝置”榮獲2008年度國家科技進步二等獎。獲獎成果的非同尋常之處在于,它形成了適合于我國國情的農業(yè)廢棄物氣化發(fā)電系統(tǒng),設備已全部實現國產化,技術處于國際先進水平,投資不到國外同類技術的2/3,運行成本也降低50%左右。近年來,農業(yè)廢棄物的能源化利用越來越受到科學家乃至大眾的關注。它在國家能源多元化戰(zhàn)略中占有怎樣的位置?技術上進展如何?推廣中難點何在?未來的發(fā)展之路又在何方?中科院廣州能源所有關專家對一系列問題做了解答。
秸稈正在變成“寶貝” “從‘七五’時期開始,我們已經在關注農業(yè)廢棄物能源化利用技術,至今已研究了近20年?!闭勂鹪擃I域的變化,中科院廣州能源所所長吳創(chuàng)之頗為感慨?!?0年前,石油問題并不像今天這么突出,因此農業(yè)廢棄物的能源化利用鮮有人去關注。而現在,它已經成為循環(huán)經濟和節(jié)能減排領域的重要課題?!?h3 class="title-text">農業(yè)廢物秸稈正在變成“寶貝”
吳創(chuàng)之介紹,我國是農業(yè)大國,每年產生的各類秸稈等農業(yè)廢棄物約6.5億至7億噸,其中約30%還田,20%至30%作為農村生活燃料,10%至15%作為飼料或造紙等工業(yè)原料,其余的在地里浪費。
近年來,隨著農村生活水平的提高,越來越多的農民開始使用煤炭、石油液化氣和天然氣等商品能源,以農業(yè)秸稈作為生活能源的地區(qū)越來越少,大量的秸稈在收割季節(jié)就地焚燒,產生大量濃煙和灰塵,污染大氣,成為特殊的環(huán)保難題。雖然國家和很多地方都出臺了秸稈禁燒文件,但由于各種秸稈廢棄物數量巨大,而目前可大規(guī)模有效利用的技術途徑較少,浪費和焚燒問題仍然很嚴重。
事實上,這些秸稈完全可以變成“寶貝”。和其他生物質一樣,農業(yè)秸稈也是植物通過光合作用,把太陽能固定于地球上的有機物,其化學成分與煤、石油、天然氣等化石類燃料相似,按所含能量計算,2噸秸稈相當于1噸標煤,這決定了它們具備能源化利用的潛質。
但是,由于秸稈能量密度低、種類復雜,適用于煤和石油的常規(guī)能源技術很難方便高效地用于秸稈。如何高效、低成本地利用秸稈中的能量,一直是實現農業(yè)廢棄物能源化利用的瓶頸問題。
農業(yè)廢棄物能源化利用方式多種多樣,可以壓塊成型,也可以液化利用,而發(fā)電利用是目前應用最多也最有效的方法。
傳統(tǒng)上,農業(yè)廢棄物發(fā)電技術主要采用直接燃燒,產生蒸氣發(fā)電的辦法。但這一辦法只有在規(guī)模大時效率才高,適于現代化大農場或大型加工廠的廢物處理,對于農業(yè)廢棄物較分散、收集運輸手段較落后的發(fā)展中農業(yè)國家則不適合。目前,國內建設的一些秸稈燃燒發(fā)電站都出現了較大的成本問題,說明大規(guī)模秸稈燃燒發(fā)電技術在我國確實有較大的局限性。但另一方面,我國農村經濟發(fā)展迅速,電力供應存在較大的缺口,開發(fā)適合我國農業(yè)特點的中小規(guī)模生物質發(fā)電技術,靈活高效地利用農業(yè)廢棄物資源,不失為一條有效的解決途徑。
“農業(yè)廢棄物氣化燃燒能源化利用技術與裝置”的研究正是著眼于中小規(guī)模的生物質發(fā)電。其推廣應用不僅為解決農村普遍存在的“秸稈焚燒”難題提供了有效途徑,更對發(fā)展農村經濟、提高農民就業(yè)創(chuàng)造了有利條件。
吳創(chuàng)之算了一筆賬:如果農民把秸稈賣去發(fā)電,1畝地1年可增收100元;每建設一個10兆瓦的項目,就可以解決200個農民的就業(yè)。
“我國還承擔著很重的節(jié)能減排任務,我們應該把農村的資源、農村的能源和農村的發(fā)展結合起來。”吳創(chuàng)之指出,如果一個鎮(zhèn)上建這樣一座10兆瓦的電廠,每年能夠減少大約6萬噸的二氧化碳,現在國際上減排1噸二氧化碳成本約為140美元,這樣算來,新的生物質發(fā)電技術如果得到推廣,將為國家省下一筆不菲的二氧化碳減排成本。
規(guī)模適當,效率要高 與傳統(tǒng)技術相比,新的中小型生物質氣化發(fā)電技術的優(yōu)勢何在呢?
吳創(chuàng)之介紹,最大的好處在于,傳統(tǒng)的大型燃燒技術需要一個縣或者幾個縣的規(guī)模,而新的技術只需一個鎮(zhèn)的規(guī)模,運輸半徑小于10公里。這樣,農民開著自己的手扶拖拉機等小型農用車隨時都能運送,大大降低了原料運輸和儲存的成本。規(guī)模雖然小了,發(fā)電效率卻得到了提高。新技術在10兆瓦以內,可以達到傳統(tǒng)技術25兆瓦以上的效率。
在核心技術上,廣州能源所的專家們實現了三大突破:一是突破了農業(yè)廢棄物高效氣化技術,能夠把秸稈、谷殼、花生殼、樹枝等各種不同特點的生物質統(tǒng)一變成可燃氣體,使其像煤氣一樣易于利用;二是研制出了簡單可靠的燃氣凈化集成系統(tǒng),能夠很好地凈化生物質燃氣中的雜質,使其達到發(fā)電設備的要求;三是突破了小規(guī)模獨立應用的發(fā)電技術,提高了發(fā)電效率。
經過近10年的研究,廣州能源所已經繪制了具有我國特色的農業(yè)廢棄物能源利用技術路線,研制出的農業(yè)廢棄物氣化發(fā)電系統(tǒng)具有鮮明的特點。一方面實用性和適應性強,在我國大部分地區(qū)都具有推廣的條件;另一方面又具有充分的靈活性,目前研制成功并應用的氣化發(fā)電系統(tǒng)最小規(guī)模為200千瓦,最大已達6000千瓦,可以根據規(guī)模的大小選用合適的發(fā)電系統(tǒng),符合我國農業(yè)廢棄物比較分散的特點。此外,還具有較好的潔凈性,環(huán)保效益明顯。
迄今為止,中小規(guī)模生物質氣化發(fā)電關鍵技術、核心設備和系統(tǒng)集成等方面已取得了6項發(fā)明專利,3項實用新型專利,而設備已全部實現國產化,投資不到國外同類設備的三分之二,運行成本比國外低50%左右。
廣州能源所的專家們正在已有技術的基礎上開發(fā)新的技術。原來只是將生物質用來發(fā)電,而下一步他們希望用相同的核心技術,將生物質變?yōu)橐后w燃料,代替農村現在用的液化氣,以解決今后農村面臨的能源緊張問題。
“現在農村的能源主要有三種:一種是在落后地區(qū)仍然在燒的秸稈、柴禾,另一種是燒煤,第三種是沿海發(fā)達地區(qū)農村已經普遍使用的液化氣。其實,使用液化氣是全國的趨勢,但農村不同于城市,存在搭建管道的難題。同時,液化氣肯定會越來越少、越來越貴。未來怎么辦?我們完全可以把秸稈變成液化氣的替代品,去滿足農村高層次的能源需求。而這也是國家‘十一五’863計劃正在攻克的一個難題?!眳莿?chuàng)之說。
推廣應用,初見端倪 在國家863項目支持下,利用生物質氣化發(fā)電技術在江蘇興化建成裝機容量為5兆瓦的示范電站,該電站示范運行中每天可發(fā)電8萬多千瓦時,年發(fā)電可達2500多萬千瓦時,最高發(fā)電效率達到27.8%左右,是目前亞洲最大的生物質氣化發(fā)電廠,也是國際上第一個可以實現商業(yè)運行的中型生物質氣化聯(lián)合循環(huán)電廠,性價比處于國際領先水平。運行結果表明,生物質發(fā)電的上網成本約為0.55元/千瓦時,而按我國已頒布的生物質發(fā)電補貼辦法,江蘇生物質能電價最高可達0.75元/千瓦時,具有明顯的社會經濟效益。
為了提高生物質氣化發(fā)電站的成套性和實用性,專家們在進行應用示范的同時,又開發(fā)了從400千瓦到10兆瓦的不同規(guī)格的氣化發(fā)電裝置。自2001年以來,已簽訂生物質氣化發(fā)電項目27個,總裝機容量40多兆瓦,累計銷售設備合同額近1.65億元,每年新增發(fā)電量近1億千瓦時。
在我國農村,這一新技術的推廣已經取得了顯著效益,在國內先后建成中小型生物質氣化發(fā)電站22座,為農村提供1000多人的就業(yè)崗位;先后利用廢料共30多萬噸,相當于節(jié)約標煤約15萬噸,避免了大量的焚燒污染,與燃煤電站相比,減排二氧化碳約35萬噸、二氧化硫約5000噸,節(jié)能減排效果明顯。
雖然長期的實踐已經證明了新技術的良好效益,但推廣難的問題也越來越清晰地顯現出來。
“最開始我們在農村缺電的地方推廣這項技術,應用于木材廠、碾米廠等鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè),由于電比較貴,供應又很不穩(wěn)定,這些企業(yè)可以用我們的設備自己發(fā)電自己用。秸稈焚燒難題凸現出來以后,我們開始瞄準農業(yè)秸稈豐富的地方,如湖北、江蘇等盛產棉花(13520,55.00,0.41%)、水稻的省份進行推廣。但目前看來,推廣還是比較困難,問題主要存在于三個方面?!眳莿?chuàng)之說。
問題之一在于生物質發(fā)電相對于水電和煤電來說貴了很多。生物質發(fā)電規(guī)模小,比較分散,效率偏低,為此,國家進行了每千瓦時電0.25元的補貼。但各種成本算在一起,電價仍然比較高,難以保證企業(yè)盈利,因而對投資者缺乏足夠的吸引力。
問題之二在于原料供應沒有保障。農民提供的原料是有季節(jié)性的,某幾個月有,某幾個月又沒有。同時,農民愿意賣就賣,不愿意賣也沒有辦法。由于對原料的市場控制能力差,電廠的運行時間無法保障。如果一個電廠年發(fā)電6000小時才能盈利,那么只發(fā)電4000小時肯定虧本。
問題之三在于新技術是適合于分散利用的,而現在分散利用的技術還不多,因而還沒有明確的政策支持。生物質能與風能等新能源不同,并不是越大越好。現有政策補貼明確要求12兆瓦以上的電站,而新技術適合10兆瓦以下的,國家補貼沒有明確規(guī)定,因而目前的小型發(fā)電項目大部分上網困難。
如何使這項利國利民的農業(yè)廢棄物能源化利用技術真正惠及千家萬戶?吳創(chuàng)之認為,這需要多策并舉:一方面,要盡快探索出有利于農業(yè)秸稈收集和管理的模式;另一方面,要發(fā)展更多適于分散利用的農業(yè)廢棄物發(fā)電技術。同時,應盡快出臺相關政策,支持農村分散利用生物質,而不僅僅是大規(guī)模的工業(yè)化利用。
“過去農業(yè)廢棄物氣化發(fā)電領域90%都是我們在做,量雖小,卻是一個很好的開端。今天,越來越多的研究者和企業(yè)已經開始關注這一領域,相信在國家的支持下,它將獲得快速發(fā)展,為國家節(jié)能減排和農村發(fā)展做出應有貢獻?!眳莿?chuàng)之滿懷信心地說。