一種新型生物質(zhì)電廠燃料組織模式的探討

[摘 要] 文章針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)生物質(zhì)電廠在燃料的收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了一種新型的燃料組織模式：種植皇竹草作為原料。通過(guò)對(duì)這種新型燃料組織模式的探討，筆者希望能為以后的生物質(zhì)電廠的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

[關(guān)鍵詞] 生物質(zhì)電廠；燃料；皇竹草；組織模式

[作者簡(jiǎn)介] 劉毅，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院工程師，研究方向：熱能與動(dòng)力，廣東 廣州，510663

[中圖分類(lèi)號(hào)] S216 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）06-0019-0003

生物質(zhì)發(fā)電主要利用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物作為發(fā)電燃料，是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的可再生能源產(chǎn)業(yè)。根據(jù)2005年國(guó)家頒布實(shí)施的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，可再生能源被列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，是國(guó)家大力推動(dòng)的能源產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中，生物質(zhì)發(fā)電也被列為能源領(lǐng)域中重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)，并作為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著石油、煤、天然氣等資源日益枯竭，生物質(zhì)發(fā)電將越來(lái)越受到重視，在未來(lái)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

從目前國(guó)內(nèi)已建成的生物質(zhì)電廠運(yùn)行情況來(lái)看，多數(shù)電廠在燃料的收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中均存在難題。特別是50MW的大型機(jī)組，燃料組織環(huán)節(jié)的問(wèn)題已成為制約電廠生存與發(fā)展的關(guān)鍵因素。針對(duì)這種情況，本文提出一種新型的燃料組織模式：種植皇竹草作為原料。通過(guò)對(duì)這種新型燃料組織模式的探討，筆者希望能為以后的生物質(zhì)電廠燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新思路。

一、傳統(tǒng)的燃料組織模式

生物質(zhì)電廠的燃料一般采用在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物，如秸稈、鋸末等。這些燃料具有密度小、熱值低、分布范圍廣等特點(diǎn)，且具有季節(jié)性。一個(gè)容量為2×50MW的生物質(zhì)電廠每年所需燃料量大約為60×104t，燃料收集半徑大約為30～60km，根據(jù)各地資源分布情況不同而有所差異。

目前最常見(jiàn)的燃料組織模式大致分為以下幾個(gè)步驟：a）從農(nóng)戶(hù)處收集燃料；b）在廠外收儲(chǔ)站對(duì)收集到的燃料進(jìn)行切碎、打包等再處理；c）將處理好的燃料運(yùn)輸至場(chǎng)內(nèi)儲(chǔ)料場(chǎng)儲(chǔ)存。

而為了降低電廠的初始投資及管理難度，減少電廠的人員，并兼顧燃料供應(yīng)安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)，大多數(shù)電廠的燃料組織都是采用電廠自主組織完成和由當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)戶(hù)或經(jīng)紀(jì)人組織完成相結(jié)合的方式，只是在各自完成的比例上有所差異。

二、燃料組織過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題

（一）燃料收集困難

首先，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)具有很強(qiáng)的季節(jié)性，在農(nóng)林作物未收獲的時(shí)段，將會(huì)產(chǎn)生燃料供應(yīng)不足的問(wèn)題。其次，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物的所有權(quán)分屬千家萬(wàn)戶(hù)，在收集過(guò)程中電廠要與收集半徑內(nèi)的多個(gè)農(nóng)戶(hù)個(gè)體或經(jīng)紀(jì)人打交道，工作量非常大。再次，電廠作為需方，缺乏對(duì)供方的約束力，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)農(nóng)戶(hù)單方面漲價(jià)或突然停止提供燃料的情況。最后，農(nóng)戶(hù)對(duì)燃料的收集主要是以人力為主，效率低下，導(dǎo)致其積極性不高。上述因素都會(huì)導(dǎo)致燃料收集困難。

（二）燃料運(yùn)輸成本高

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)實(shí)行土地承包責(zé)任制，少有機(jī)械化集中生產(chǎn)，人均耕地面積少，導(dǎo)致燃料分布零散，運(yùn)輸工作量大，成本高。無(wú)論是電廠挨家挨戶(hù)去收取，還是由農(nóng)戶(hù)各自送貨上門(mén)，運(yùn)輸成本最終都會(huì)反映到燃料成本上。即使設(shè)置廠外收儲(chǔ)站，也只能使運(yùn)輸成本高的問(wèn)題有所緩解，而無(wú)法得到根本改觀。

（三）燃料質(zhì)量難以保證

目前生物質(zhì)電廠普遍采用爐排爐和循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐對(duì)燃料含水率的設(shè)計(jì)值一般在20～30%。但農(nóng)戶(hù)均采用自然風(fēng)干的辦法對(duì)燃料進(jìn)行處理，最終含水率一般在30%以上。有時(shí)由于風(fēng)干時(shí)間不夠長(zhǎng)，含水率甚至?xí)h(yuǎn)超30%。同時(shí)，在燃料收集過(guò)程中，由于不可能做到每戶(hù)每次都詳細(xì)檢測(cè)，農(nóng)戶(hù)往燃料中摻水摻石塊的事情時(shí)有發(fā)生。

含水率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致燃料在儲(chǔ)存時(shí)易發(fā)酵、自燃，從而產(chǎn)生安全隱患，而且在進(jìn)入爐膛燃燒時(shí)會(huì)增加鍋爐排煙損失，使鍋爐效率下降。往燃料中摻石塊則可能會(huì)損壞解包機(jī)、給料機(jī)等上料設(shè)備。

（四）燃料供應(yīng)的安全性難以保證

生物質(zhì)燃料具有密度小、體積大的特點(diǎn)，因此儲(chǔ)存設(shè)施占地大，儲(chǔ)量卻很少。而出于成本控制方面考慮，儲(chǔ)存設(shè)施的容積也會(huì)受到一定的限制。

但是在燃料的組織過(guò)程中，存在諸多經(jīng)常遇到且難以回避的困難。例如，燃料供應(yīng)的季節(jié)性影響、燃料收購(gòu)的價(jià)格上漲、電廠與農(nóng)戶(hù)之間產(chǎn)生糾紛、惡劣的氣候因素影響等。當(dāng)這些因素的影響超過(guò)廠內(nèi)和廠外儲(chǔ)存設(shè)施的緩沖承受能力時(shí)，電廠將不可避免地遭遇“無(wú)米下鍋”的尷尬情景。

據(jù)筆者了解，國(guó)內(nèi)的生物質(zhì)電廠曾出現(xiàn)過(guò)多例因燃料供應(yīng)緊張，燃料收購(gòu)價(jià)格在短時(shí)內(nèi)大幅上漲的事件，甚至還曾有電廠因?yàn)槿鄙偃剂隙黄韧C(jī)。

三、新型燃料組織模式

為了電廠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)某生物質(zhì)電廠工程正在嘗試采用一種新型的燃料組織模式。該電廠主要采用在電廠周邊50km范圍內(nèi)種植的皇竹草作為燃料，同時(shí)也可以收集該半徑內(nèi)的各類(lèi)農(nóng)林業(yè)廢棄物作為燃料。

電廠規(guī)模為2×50MW機(jī)組，年利用小時(shí)按6000h計(jì)，年消耗燃料量折合成含水率10%的皇竹草約為48×104t。

（一）皇竹草的特性

皇竹草是我國(guó)從南美洲哥倫比亞引進(jìn)的高產(chǎn)量?jī)?yōu)質(zhì)牧草，其植株高大，根系發(fā)達(dá)，為多年生植物，主要繁殖方式為無(wú)性繁殖，適宜種值于各種類(lèi)型的土壤，并具有很強(qiáng)的耐酸性和抗干旱能力?；手癫菪誀罱橛谳度斉c高粱之間，其外形和生長(zhǎng)形態(tài)類(lèi)似甘蔗，但中空，節(jié)間較脆嫩，屬于軟質(zhì)秸稈。

皇竹草最適宜在熱帶和亞熱帶氣候條件下生長(zhǎng)，而且對(duì)氣溫條件的適應(yīng)性較強(qiáng)，在靠近北方的地區(qū)也可以種植，但是溫度較低會(huì)抑制其生長(zhǎng)。在我國(guó)南方地區(qū)種植皇竹草生長(zhǎng)周期短，收獲期長(zhǎng)，春季栽植后2～3個(gè)月即可收割，每年可收割4～6次，栽植一次可連續(xù)收割6～7年，每畝每年可產(chǎn)鮮草達(dá)25t。

皇竹草鮮草含水量為75%左右，除去水分，主要成分為纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，占固體物料總重量的80%以上。除此之外，還含有蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、灰分、果膠、低分子的碳水化合物等。對(duì)含水率10%的皇竹草進(jìn)行元素分析，結(jié)果表明，在同等含水率基礎(chǔ)上，其熱值低于樹(shù)枝、鋸末的熱值，而與水稻、玉米秸稈等大多數(shù)生物質(zhì)的熱值相當(dāng)。

（二）種植模式及規(guī)模

該電廠所在地區(qū)為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的山區(qū)，有大量山坡地可用來(lái)種植皇竹草。項(xiàng)目公司計(jì)劃利用山坡荒地共約15×104畝，由當(dāng)?shù)卣龑?dǎo)農(nóng)戶(hù)種植，項(xiàng)目公司負(fù)責(zé)技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)，并回購(gòu)收獲的皇竹草作為電廠的燃料。

依靠種植，這些荒地年產(chǎn)皇竹草鮮草最高可達(dá)375×104t，折合含水率10%的干草約為105×104t，作為電廠的主要燃料。同時(shí)在周邊地區(qū)收集當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林廢棄物，每年約26×104t，可作為補(bǔ)充，滿(mǎn)足電廠需要。

（三）燃料組織模式

該電廠的燃料組織模式策劃為：項(xiàng)目公司+政府+燃料公司+經(jīng)紀(jì)人+農(nóng)戶(hù)。首先，項(xiàng)目公司和當(dāng)?shù)卣炗嗧?xiàng)目合作協(xié)議書(shū)，政府在政策上給予大力支持，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)的種植予以科學(xué)引導(dǎo)。然后，由項(xiàng)目公司組建燃料公司，同時(shí)發(fā)動(dòng)并培育一批當(dāng)?shù)氐慕?jīng)紀(jì)人，并在每一個(gè)種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)為電廠配套建設(shè)燃料收儲(chǔ)站（約20個(gè)）。

農(nóng)戶(hù)種植皇竹草可以采用兩種模式，一種是自己承包土地種植，將收獲的產(chǎn)品賣(mài)給燃料公司；另一種則由經(jīng)紀(jì)人承包土地，農(nóng)戶(hù)受其雇傭進(jìn)行種植。

皇竹草收獲后，就地進(jìn)行晾曬，然后由農(nóng)戶(hù)自行送至電廠或廠外收儲(chǔ)站，或者由燃料公司或經(jīng)紀(jì)人上門(mén)收取。收集到燃料后，合格的直接入庫(kù)儲(chǔ)存，需要再處理的則經(jīng)過(guò)切碎、脫水等處理之后再入庫(kù)儲(chǔ)存。

電廠設(shè)置20個(gè)廠外收儲(chǔ)站和1個(gè)廠內(nèi)儲(chǔ)料場(chǎng)，共可滿(mǎn)足2臺(tái)機(jī)組65天的燃料量。

（四）優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

這種新型的燃料組織模式有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：a）農(nóng)戶(hù)或經(jīng)紀(jì)人可以承包大面積的土地進(jìn)行種植，燃料的分布變得比較集中，收集工作比較容易；b）燃料產(chǎn)地集中，使運(yùn)輸工作量和成本大大降低；c）電廠收購(gòu)燃料需面對(duì)的對(duì)象較少，可以建立起規(guī)模較大的長(zhǎng)期、穩(wěn)定的合作關(guān)系，而且可以在收購(gòu)時(shí)進(jìn)行抽檢，都有助于保證燃料的質(zhì)量；d）皇竹草的種植有當(dāng)?shù)卣晚?xiàng)目公司組織和引導(dǎo)，有利于維持燃料市場(chǎng)的穩(wěn)定、有序?；手癫莸纳L(zhǎng)受季節(jié)的影響要比其它農(nóng)作物小得多，通過(guò)合理調(diào)配收割時(shí)間，燃料供應(yīng)可以做到全年無(wú)間斷。這些都是電廠燃料供應(yīng)安全性的有力保障。

以上是新型燃料組織模式的優(yōu)點(diǎn)，但任何事物都具有兩面性，這種模式也有一些缺點(diǎn)：a）皇竹草的種植需要大面積的土地，同時(shí)農(nóng)戶(hù)的利益也需要擔(dān)保，這些都需要政府部門(mén)的積極參與和大力支持，而且項(xiàng)目實(shí)施的初始階段難度較大；b）該模式具有一定的地域性限制，較適合在南方地區(qū)進(jìn)行。因?yàn)榛手癫蓦m然對(duì)氣溫條件的適應(yīng)性較強(qiáng)，但是越靠近北方其產(chǎn)量越低，該模式的經(jīng)濟(jì)性越差；c）該模式尚未經(jīng)過(guò)工程實(shí)際檢驗(yàn)，擬采用該模式的生物質(zhì)電廠尚處于可行性研究報(bào)告審查通過(guò)的階段，在以后的項(xiàng)目實(shí)施階段是否會(huì)遇到新的困難尚未可知。

四、結(jié) 語(yǔ)

因?yàn)槠年P(guān)系，本文僅在技術(shù)層面對(duì)新型燃料組織模式和傳統(tǒng)燃料組織模式進(jìn)行對(duì)比分析，未再在經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行探討。

本文提出的這種新型的生物質(zhì)電廠燃料組織模式從技術(shù)上來(lái)說(shuō)完全可行，而且可以明顯改善甚至解決一些在傳統(tǒng)的燃料組織過(guò)程中無(wú)法回避的難題。但是它也有自己不可忽視的缺點(diǎn)，希望能有后來(lái)者繼續(xù)這個(gè)課題，找到能夠改善的辦法。

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