1、2020年2月5日 生物质分布式能源的特点及应用生物质分布式能源的特点及应用 薛 飞 自我简介自我简介 2?薛 飞 工学博士，研究员，博士研究生导师 上海市能源研究会理事，复旦大学环境经济中心研究员 同济南汇科技产业园副总经理，上海同祺新能源技术有限公司总经理 曾任中船重工集团上海齐耀新能源技术有限公司总经理 自2002起，从事分布式能源系统的技术开发和工程运用，先后负责和主持了20多项新能源工程项目的设计和建设工作，领域涉及天然气冷热电供能、大型沼气发电、工业余热回收、生物乙醇燃料等。主持的科研课题曾入选上海市科技“启明星”、市科委重大攻关、国防科工委“军转民”、科技部创新基金、国家海洋局再
2、生能源示范等基金，发表学术论文19篇，获专利授权4项。目录目录 一、概述 二、生物质分布式能源的特点 三、几种主要的生物质分布式能源技术 四、相关国家政策 五、行业发展趋势 3 一、概述一、概述 【分布式能源的特点】?选址：靠近用户?能效：梯级利用?设备：小型化、清洁化、智能化?燃料：就地取材 4 分布式能源的概念 指在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网，且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施。国家发改委分布式发电管理暂行办法（20131381号文）【分布式能源的一次能源种类】天然气 太阳能 小型风能 氢能 小水电 生
3、物质能 海洋能 地热能 一、概述一、概述 我国每年有7亿多吨农作物秸秆剩余物和2亿多吨林地废物与木材加工利用剩余物，未得到充分利用。5 转化类型 初级产品 次级产品 直接燃烧 热能 热能或电力 生物转换 乙醇 燃料 沼气 燃料、电力 热化学转换 气化 热能或电力 热裂解液化 燃料、化工原料 高压液化 燃料、化工原料 其他转换 压缩成型 燃料 生物柴油 燃料 制氢 燃料【分布式能源中生物质能的主要工程化利用方式】【分布式能源中生物质能的主要工程化利用方式】一、概述一、概述?生物质沼气（厌氧菌种作用）垃圾填埋气 畜禽粪污、餐厨垃圾处理产生的沼气 污水、污泥处理厌氧环节产生的沼气?生物质热解气（裂解
4、生物质）?生物质直接作为燃料燃烧供热或热电联产 生物质颗粒燃料 秸秆焚烧处理 垃圾焚烧处理（包括垃圾衍生燃料 RDF）污泥焚烧处理 大部分的生物质能项目属于分布式能源范畴 6【特点一：与环境治理紧密联系】【特点一：与环境治理紧密联系】?填埋气 有利于消除安全隐患、改进周边大气环境?畜禽粪污沼气 解决规模化养殖的污水问题，保护水资源?污水污泥沼气 降低处置成本，消除安全隐患?生物质裂解和颗粒燃料 减少农林废弃物在田间焚烧造成的大气污染 二、生物质分布式能源的特点二、生物质分布式能源的特点 生物质分布式能源 环保工程 7 案例：城市生活垃圾焚烧?强调生活垃圾的“资源化”，忽视“无害化”，为行业发展
5、树立了错误的目标。日本垃圾发电最多，达149座，但装机效率只有9%，效率之所以较低，反映了项目不同的出发点，即环境保护，而非“以电养电”。?项目的过度市场化竞争，加上对技术手段和后期运行的监管不严，使国内的垃圾焚烧发电成为人人喊打的过街老鼠。焚烧发电厂 附属健康中心 东京市第23区垃圾焚烧发电厂 8【特点一：与环境治理紧密联系】【特点一：与环境治理紧密联系】二、生物质分布式能源的特点二、生物质分布式能源的特点 【特点二：决定生物质能项目的关键是原料成本】【特点二：决定生物质能项目的关键是原料成本】?填埋气 技术成熟，成本可控，有大量成功运行的商业化案例?畜禽粪便沼气 技术成熟，投资大，存在环保
6、压力，项目以示范为主?污水沼气 技术成熟，多作为污水处理的配套工程，成本可控，难以独立商业运行?生物质热解气 技术未完全成熟，气体处理工艺复杂，投资大，存在环保压力，示范阶段?生物质颗粒燃料 技术成熟，城市应用存在环保压力，以供热为主 二、生物质分布式能源的特点二、生物质分布式能源的特点 9 案例：秸秆焚烧 缺乏省市一级和地区一级的规划，并在地方相应的立法中未得到体现，这对新能源资源丰富的省区尤其影响大。【特点二：决定生物质能项目的关键是原料成本】【特点二：决定生物质能项目的关键是原料成本】二、生物质分布式能源的特点二、生物质分布式能源的特点?低能流密度的生物质能源需要集约化开发，如果缺乏对资
7、源的详细规划和法制化管理，会造成过度的市场化竞争，导致收益前景不确定，打击投资者的积极性，影响了行业的长远发展。10【特点三：项目选址往往靠近资源而不是用户，能源梯级利用有限】【特点三：项目选址往往靠近资源而不是用户，能源梯级利用有限】?填埋气 选址在垃圾场附近，以发电为主，余热应用困难?畜禽粪便沼气 选址在养殖厂，余热冬季供应保温和加热，利用率有限?污水沼气 选址在厂矿的污水处理站，余热有应用前景?生物质颗粒燃料 可以靠近用户选址，但是受城市环保的限制 二、生物质分布式能源的特点二、生物质分布式能源的特点 11 1.生活垃圾填埋气发电技术生活垃圾填埋气发电技术 三、几种主要的生物质分布式能源
8、技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 生活垃圾经填埋处理后，其中的有机物厌氧发酵，产生填埋气（50%甲烷）。沼气通过机械导排后经过干燥、脱硫，可以作为燃料供发电机组发电。12?好氧期：持续时间为几天到数周，产生的主要气体是CO2；?厌氧、不产甲烷期：厌氧分解开始，产生大量的CO2和H2；?厌氧、产甲烷不稳定期：出现甲烷，CO2的产生量减少，H2被耗尽；?厌氧、产甲烷稳定期：气体的成分趋于稳定，通常要达到厌氧稳定状态需12年的时间。【填埋气的产生过程】【填埋气的产生过程】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 13 上海齐耀新能源技术有限公司 时间 日填埋量 年填
9、埋量 填埋气收集流量(Nm3/h)年填埋气收集量(Nm3/y)年甲烷收集量(tCH4/y)发电装机容量（kW）(吨/天)(吨)2011 333 121,593 276 2,414,720 869 571 2012 346 126,457 355 3,113,299 1,121 737 2013 360 131,515 431 3,771,748 1,358 893 2014 375 136,776 447 3,919,153 1,411 928 2015 390 142,247 465 4,075,919 1,467 965 2016 405 147,937 484 4,238,956 1,5
10、26 1,003 2017 422 153,855 503 4,408,514 1,587 1,043 2018 438 160,009 523 4,584,854 1,651 1,085 2019 456 166,409 544 4,768,249 1,717 1,128 2020 474 173,065 566 4,958,979 1,785 1,174 2021 493 179,988 589 5,157,338 1,857 1,221 2022 513 187,188 612 5,363,631 1,931 1,269 2023 533 194,675 637 5,578,177 2,
11、008 1,320 2024 555 202,462 662 5,801,304 2,088 1,373 2025 577 210,561 689 6,033,356 2,172 1,428 【填埋气的产量预测】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 14【填埋气的收集工程】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 15 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 【生活垃圾填埋气发电案例】发电机组 发电厂房 上海老港四期垃圾填埋气发电 15MW 16 长春三道垃圾填埋场填埋气发电项目 山东莱芜填埋气发电项目
12、福州红庙岭垃圾填埋气发电项目 广东潮州填埋气发电项目 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 【生活垃圾填埋气发电案例】17 宁波鄞州垃圾填埋气发电项目 2.厌氧沼气热电联产技术厌氧沼气热电联产技术 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 生物质经过预处理后进入厌氧反应器，在厌氧菌的作用下产生沼气（60%甲烷），气体经脱硫、过滤、除湿后，送入发动机发电，发电产生余热用于厌氧反应器的加热。18【污水厌氧沼气的原理】【污水厌氧沼气的原理】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术?液化过程（水解和发酵）：?多糖单
13、糖乙醇和脂肪酸?蛋白质氨基酸脂肪酸和氨?脂类脂肪酸和甘油脂肪酸和醇类?酸化过程（产氢、产乙酸）：脂肪酸和醇类乙酸、氢气和二氧化碳?产甲烷过程：70%来自乙酸分解，少量来自氢气和二氧化碳的结合。?沼气在4到65之间都能产气，产量在35和54左右出现两个产气高峰。大中型沼气发酵工程的温度波动不超过3。?沼气发酵通常在中性至微碱性环境，最适pH值为7.10.3，超出此范围对产气都有抑制作用。?在35、发酵时间60d条件下，常用原料每千克干物质的产气量为0.3-0.5立方，20条件降低至60%。19【污水厌氧沼气热电联产的规划问题】【污水厌氧沼气热电联产的规划问题】三、几种主要的生物质分布式能源技术三
14、、几种主要的生物质分布式能源技术?问题1：不同原料的产气规律和前处理方案不同 常用原料的产气速率(单位：%)及产气量 发酵时间/d 10 20 30 40 60 产气量/(m3/kg)猪粪 74.2 86.3 97.6 98 100 0.42 人粪 40.7 81.5 94.2 98.2 100 0.43 马粪 63.7 80.2 89.0 94.5 100 0.34 牛粪 34.4 74.6 86.2 92.7 100 0.30 玉米秸 75.9 90.7 96.3 98.1 100 0.50 麦秸 48.2 71.8 85.9 91.8 100 0.45 稻草 46.2 69.2 84.6
15、 91.0 100 0.40 青草 75.0 93.5 97.8 98.9 100 0.40 原料 麦秸 稻米 玉米秸 树叶 豆秧 花生秧 野草 羊粪 牛粪 猪粪 人粪 马粪 C/N值 87 67 53 41 32 19 26 29 25 13 3.9 24 常用原料的碳氮比 20 有机废弃物 沼液池 压滤机 发酵罐 沼液 沼渣 沼气【污水厌氧沼气热电联产的规划问题】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术?问题2：沼液排放量大，后续处理费用高，沼渣堆肥空气污染 对策：采用干式厌氧技术，减少污水排放量20以上；采用沼液滴灌技术和鱼菜共生系统消耗部分沼液?问题3：沼气
16、产生量小，产生电力不满足上网电量的标准，就地没有足够负荷 对策：采用沼气提纯技术，作为商用天然气使用；普遍采用“T接”方式接入电网 21?锅炉燃烧 沼气用于锅炉燃烧产生蒸汽，蒸汽用于生产的工艺过程。?锅炉燃烧+蒸汽轮机发电 沼气用于锅炉燃烧产生蒸汽，蒸汽用于蒸汽轮机发电，多余蒸汽或发电之后的乏汽用于生产的工艺过程。【污水厌氧沼气热电联产的技术路线问题】【污水厌氧沼气热电联产的技术路线问题】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 22?燃气内燃机/燃气轮机发电 沼气经过预处理后直接引入燃气内燃机/燃气轮机发电机组发电，发出电力用于厂区使用或出售给电网，发电同时产生的
17、高温余热产生蒸汽用于生产的工艺过程。?燃气内燃机/燃气轮机发电 以“以热定电”为指导，则高热电比的燃气轮机应有一席之地；在诸如酒精废水等大型沼气工程中，采用较大功率的燃气轮机可减少占地和设备投资。燃气内燃机 燃气轮机燃气轮机 【污水厌氧沼气热电联产的技术路线问题】【污水厌氧沼气热电联产的技术路线问题】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 23【污水厌氧沼气热电联产的主要设备】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 沼气储存稳压系统：将沼气引入到一个沼气储气柜中，可起到缓冲和压力平衡的作用。沼气脱硫及预处理系统：发电机组对气体中的硫化
18、氢含量要求为250ppm；沼气必须经过前处理，达到了沼气发电机组对燃气品质温度、湿度、压力和清洁度的要求后，才能进入发电机组。24 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 上海牛奶集团大丰农场 牛粪厌氧沼气发电，1.0MW 山东民和牧业 鸡粪厌氧沼气发电，3.0MW【畜禽粪污沼气热电联产案例】【畜禽粪污沼气热电联产案例】25 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 浙江平湖景兴纸业 造纸厂污水沼气发电，2.0MW 三得利上海东海啤酒厂 啤酒厂污水沼气发电，80kW【工业污水沼气热电联产案例】【工业污水沼气热电联产案例】26 3.生物质
19、裂解气生物质裂解气 三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 生物质热解是生物质在缺氧的高温条件下，将大分子的生物质转化小分子的液体、气体、固体三种产物。热解气（含CO、H2和CH4）就是产物之一，通过净化后可以用于发电。温度 气体基本成分 热值 CO2 CO CH4 CnHm H2 N2 O2 kJ/Nm3 820 16.3 16.5 6.71 1.3 4.17 55.3 1.0 5667 27?干燥区 产物为干物料和水蒸气?热分解区（裂解区）产物为炭、H2、水蒸气、CO、CO2、CH4、焦油及其他烃类物质；热气体上升进入干燥区，炭进入还原区?还原区（吸热）产物为
20、CO、CO2、H2；热气体上升进入裂解区；未反应炭进入氧化区?氧化区（放热）产物为CO、CO2；热气体上升进入还原区；灰进入灰室【生物质裂解气原理】【生物质裂解气原理】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 28 焦油含量少，热值高 焦油含量多，热值低 适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质【生物质裂解气化炉的形式】【生物质裂解气化炉的形式】三、几种主要的生物质分布式能源技术三、几种主要的生物质分布式能源技术 29 四、相关国家政策四、相关国家政策?2001年5月国家环保总局发布畜禽养殖污染防治管理办法?2002年11月国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局颁布
21、畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001）?畜禽养殖业污染防治技术规范（HJ/T81-2001）?环境空气质量标准（GB3095-1996）?地表水环境质量标准（GB3838-88）?农田灌溉水质标准（GB5084-92）?农用污泥中污染物控制标准（GB4284-84）?污水综合排放标准（GB8978-1996）?粪便无害化卫生标准（GB7959-87）?沼气工程规模分类（NY/T667-2003）?沼气压力表（NY/T858-2004）?沼气工程技术规范（NY/T1220-2006）?规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程（NY/T1221-2006）?规模化畜禽养殖场
22、沼气工程设计规范（NY/T1222-2006）?沼气发电机组（NY/T1223-2006）30 四、相关国家政策四、相关国家政策?可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法发改价格（2006）7号“第七条 生物质发电项目上网电价实行政府定价的，由国务院价格主管部门分地区制定标杆电价，电价标准由各省（自治区、直辖市）2005 年脱硫燃煤机组标杆上网电价加补贴电价组成。补贴电价标准为每千瓦时 0.25 元”。?关于完善农林生物质发电价格政策的通知（发改价格20101579号）“一、对农林生物质发电项目实行标杆上网电价政策。未采用招标确定投资人的新建农林生物质发电项目，统一执行标杆上网电价每千瓦时0.
23、75元（含税，下同）”。31 四、相关国家政策四、相关国家政策?财政部、国家税务总局国家鼓励的资源综合利用认定管理办法（发改环资20061864号）“第六条 申报资源综合利用认定的综合利用发电单位，应具备以下条件：（五）回收利用煤层气（煤矿瓦斯）、沼气（城市生活垃圾填埋气）、转炉煤气、高炉煤气和生物质能等作为燃料发电的，必须有充足、稳定的资源，并依据资源量合理配置装机容量。”32 四、相关国家政策四、相关国家政策?财政部、国家税务总局关于资源综合利用及其他产品增值税政策的通知（财税2008156号的通知）“三、对销售下列自产货物实行增值税即征即退的政策：（二）以垃圾为燃料生产的电力或者热力。垃
24、圾用量占发电燃料的比重不低于80%，并且生产排放达到GB132232003第1时段标准或者GB184852001的有关规定。所称垃圾，是指城市生活垃圾、农作物秸杆、树皮废渣、污泥、医疗垃圾。”33 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 1.提高生物质能的综合用能效率，充分利用余热，解决与用户之间的距离问题提高生物质能的综合用能效率，充分利用余热，解决与用户之间的距离问题 余热通过热水的形式对外销售 利用填埋气发电余热对渗漏液浓缩液进行干化处理 与分布式光伏或风电结合充分利用场地资源 34 上海老港生活垃圾填埋场占地面积达6.5平方公里，日处理生活垃圾8000吨 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 2
25、.结合新农村建设，建设小型化的生物质供能中心结合新农村建设，建设小型化的生物质供能中心 通过燃料适应性较好的小型化流化床焚烧炉或热解炉产生蒸汽发电和供热，避免了大规模收集秸秆的困难。35 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 3.沼气提纯技术的发展沼气提纯技术的发展 沼气提纯制天然气的技术正在逐渐成熟，随着天然气价格的上涨，其经济性将会提高，可能会改变生物质沼气的利用模式。36 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 3.沼气提纯技术的发展沼气提纯技术的发展 不同沼气脱碳技术方案对比 单位 水洗法 NHD DEA PSA 膜分离法 产品气甲烷浓度 vol.-%97 96 99 96 99 甲烷损失率%1
26、.5 2-4 0.2 3/6-10-工作压力 bar 8 8 1 5 5 气液比 m3/m3 0.2 0.07 0.015-前处理-H2S H2S H2S 后处理-干燥 干燥 干燥-再生温度 -55-80 160-【注】NHD：物理吸收；DEA：化学吸收；PSA：变压吸附法。37 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 4.国产发电设备的技术逐渐成熟国产发电设备的技术逐渐成熟 在全球化的背景下，国产品牌燃气发电机组技术水平近年来得到了大幅度的提高，显著降低项目投资，维护成本更加可控，为未来的生物质分布式能源项目带来新的机遇。型号 KE512 JMS320 发动机功率kW 1200 1077 缸数 1
27、2 20 润滑油消耗率g/kWh 0.5 0.3 发电功率kW 1152 1048 电效率%39.5 38.9 热效率%43.6 48.8 总效率%83.1 87.7 38 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 5.干式厌氧发酵技术的推广应用干式厌氧发酵技术的推广应用?利用畜禽粪便和秸秆为原料，采用干式厌氧工艺有利于沼渣、沼液的后续利用，可达到以下指标：?厌氧消化固形物浓度 15%?容积产气率达到 1.01.2 m3/(m3.d)?废水产量较湿式厌氧消化削减 60%?干式厌氧发酵技术的关键工艺：?预处理工艺：物理化学强化水解（利用碱法蒸煮的方法，在碱性高温条件下加入生物质中粗纤维的水解）；生物强化
28、水解（利用高效微生物菌剂将生物质中的粗纤维软化、糖化，提高生物质的厌氧消化水解速率）。?以卧式折流板反应器为原型，在该反应器内构建水解酸化过程和甲烷化过程相分离的反应机制。39 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 5.干式厌氧发酵技术的推广应用 40 生物炼制 Biorefinery Gasification and synthesis Papermaking and textile fibers from Cellulose Glucose,bioethanol from Cellulose Biochemicals from Hemicelluloses Fertilizer from Ash Non-Food and Non-Wood biomass Solid biofuel Power,Steam Adhesives and polymers from Lignin Biodiesel 五、行业发展趋势五、行业发展趋势 6.生物质能的未来生物炼制 41 欢迎批评指正！欢迎批评指正！2015年4月
