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劉化
(國家糧食儲備局武漢科學(xué)研究設(shè)計院，湖北武漢430079)
摘要：我國大米加工企業(yè)稻殼發(fā)電歷史悠久，分布較廣，已形成規(guī)模效應(yīng)。稻殼發(fā)電及綜合利用技術(shù)日趨成熟，生物質(zhì)(稻殼)能源發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。
我國每年稻谷總產(chǎn)量約2億t左右，占世界稻谷總產(chǎn)量的36%左右，居世界第一。這也意味著我國是世界上最大的稻殼生產(chǎn)國。稻殼是稻谷加工過程中的主要副產(chǎn)品，富含纖維素和木質(zhì)素，作為能源燃料，其可燃成分達(dá)70%以上，發(fā)熱量12.5~14.6MJ/kg，約為標(biāo)準(zhǔn)煤的一半。稻殼揮發(fā)分高，達(dá)50%以上，易著火燃燒。稻殼自然堆積密度小，約130kg/m3，運(yùn)輸不便。一般處理方法是粉碎后作為飼料配料(營養(yǎng)物質(zhì)很少)或直接燃燒供熱，但仍有大量稻殼被廢棄不用，對環(huán)境造成了很大污染。
隨著我國環(huán)境法規(guī)日趨完善和國家生物質(zhì)能源開發(fā)政策的鼓勵，稻谷加工企業(yè)應(yīng)開拓能源生產(chǎn)的新渠道，采用直燃或稻殼氣化發(fā)電技術(shù)發(fā)電，就地為企業(yè)生產(chǎn)提供能源或?qū)㈦娏可暇W(wǎng)。這是稻殼作為能源燃料利用的有效方法，也是解決相關(guān)環(huán)境污染問題的有效途徑，同時還可提高稻殼的附加值，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，成為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新模式。
1發(fā)展歷程和主要成就
在我國，稻殼煤氣作為機(jī)械能源應(yīng)用較早。早在20世紀(jì)50年代，廣東珠三角地區(qū)、江蘇與浙江接壤地區(qū)以及湖北、四川、廣西等省區(qū)就開始應(yīng)用。下吸式氣化爐也是我國首創(chuàng)的爐型。為解決當(dāng)時能源不足的問題，原糧食部科研院曾在1960~1969年組織開展專門研究。1982~1990年，聯(lián)合國三次召開亞太地區(qū)有關(guān)人造煤氣、生物氣化和谷糠發(fā)電的研討會，會上對我國的稻殼煤氣發(fā)電十分贊賞。我國此項技術(shù)當(dāng)時在國際上處于領(lǐng)先地位[1]，研制了3套不同功率的下吸式稻殼煤氣發(fā)電試驗裝置，測定了系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。在國內(nèi)成功的基礎(chǔ)上，設(shè)計試制了援助馬里共和國碾米廠用的，輸出功率為140kW的6250M型中速稻殼煤氣發(fā)電裝置，1969年開始在馬里投產(chǎn)[2]。1982年，原聯(lián)邦德國經(jīng)濟(jì)合作部在非洲調(diào)研時發(fā)現(xiàn)后非常滿意，并采用作為他們援助發(fā)展中國家碾米廠的動力。
國內(nèi)在1982年開始研究采用我國批量生產(chǎn)的、標(biāo)準(zhǔn)化的135系列高速柴油發(fā)電機(jī)組改裝配用下吸式稻殼煤氣發(fā)生裝置，重點是降低煤氣焦油含量和廢水處理，已獲初步成果。湖南岳陽城陵磯糧庫于1987年動工興建裝機(jī)容量為1500kW的稻殼發(fā)電車間，1990年建成。
主要由稻殼鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。它是我國首個利用稻殼直燃技術(shù)(稻殼直接燃燒，產(chǎn)生過熱蒸氣，送入汽輪機(jī)內(nèi)作功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電)發(fā)電并上網(wǎng)的發(fā)電廠。當(dāng)時，整個發(fā)電廠投資500萬元左右，核定電價的單位成本為0.144元/kWh，而外購電綜合價格為0.25元/kWh，經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。通過不斷改進(jìn)和完善，稻殼消耗量從開始的2.4kg/kWh降到了1.8kg/kWh。
20世紀(jì)90年代是我國稻殼發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要時期。機(jī)械工業(yè)部、原糧食部科研院以及大型發(fā)電機(jī)和鍋爐設(shè)備制造廠紛紛投入人力、物力進(jìn)行稻殼發(fā)電技術(shù)和裝備的開發(fā)、研制工作，稻殼發(fā)電技術(shù)日趨成熟。國家和地方相關(guān)優(yōu)惠政策陸續(xù)出臺，包括政府及有關(guān)部門的投資補(bǔ)貼、財政低息貸款、電價補(bǔ)貼等。稻殼發(fā)電機(jī)組如雨后春筍拔地而起，尤其在產(chǎn)糧地區(qū)以及經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)展更快。據(jù)統(tǒng)計，這期間浙江省最為突出，有10多家碾米廠建設(shè)了以稻殼為原料的氣化發(fā)電工程，發(fā)電功率一般為160~600kW，電量供碾米廠自用。北方地區(qū)利用稻殼直燃通過蒸氣輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并加上抽氣冷凝機(jī)組實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。對多數(shù)糧食加工正常、發(fā)電正常的企業(yè)來說，稻殼發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，一般3~5年可收回投資，若有政策扶持，投資回收期更短。
21世紀(jì)以來，我國稻殼發(fā)電進(jìn)入快速發(fā)展時期。稻殼發(fā)電機(jī)組以每年30~40套的速度遞增，掌握了稻殼發(fā)電技術(shù)并能提供相關(guān)裝備的企業(yè)也越來越多，由原來的2~3家發(fā)展到15家左右。2004年北大荒米業(yè)公司應(yīng)用電力自動切換技術(shù)改寫了碾米廠自發(fā)電與國電不能自動切換的歷史。2006年，國家863環(huán)保示范項目，稻殼發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為5000kW。
2稻殼發(fā)電已形成規(guī)模
2.1稻殼發(fā)電企業(yè)的分布
我國的江蘇、湖北、湖南、浙江、福建、廣東、遼寧、吉林、黑龍江、江西、安徽、四川、河北、海南、臺灣等地都已有稻殼發(fā)電工程投產(chǎn)。黑龍江省是我國產(chǎn)糧大省，也是稻殼發(fā)電總裝機(jī)容量最大的省份。省內(nèi)幾乎每個縣市都有稻殼發(fā)電機(jī)組，如鶴崗市已建有4座200~600kW的發(fā)電車間，2009年又建成1座3000kW的稻殼發(fā)電廠，還有2座6000kW的稻殼發(fā)電車間在建。據(jù)不完全統(tǒng)計，浙江省稻殼發(fā)電企業(yè)有20~25家，湖南省有10家左右，湖北省10家左右，安徽省15家左右，江蘇省12家左右，江西省有20家左右。
據(jù)不完全統(tǒng)計，全國裝機(jī)容量為160~800kW的稻殼氣化發(fā)電機(jī)組共有280套左右。稻殼氣化發(fā)電機(jī)組的建設(shè)投資小，建設(shè)周期短，見效快，受到大多數(shù)碾米企業(yè)的青睞，一般其發(fā)電量為企業(yè)自用。
裝機(jī)容量1500kW以上，利用稻殼直燃技術(shù)的發(fā)電廠累計有60家左右，據(jù)統(tǒng)計目前已有45家發(fā)電上網(wǎng)。
2.2稻殼發(fā)電企業(yè)運(yùn)行情況分析
據(jù)調(diào)查，2000年前建設(shè)的稻殼發(fā)電廠(機(jī)組)，目前還在正常運(yùn)行的較少，2000~2005年上馬的稻殼發(fā)電機(jī)組也有一半未能正常運(yùn)行，2006年后建設(shè)投產(chǎn)的稻殼發(fā)電企業(yè)，停產(chǎn)的也有20%左右。導(dǎo)致以上結(jié)果的原因如下：
①稻殼發(fā)電技術(shù)與裝備是逐漸成熟的，迄今為止，還有燃?xì)夂銐汗夂徒褂瓦^量等技術(shù)難題未能解決。
②在市場經(jīng)濟(jì)的浪潮中，大米加工企業(yè)加工量不足，造成發(fā)電量達(dá)不到設(shè)計要求，使經(jīng)濟(jì)效益受影響。
③稻殼的綜合利用技術(shù)不斷開發(fā)，特別是農(nóng)村盛行溫室種植和反季節(jié)栽培，以及磚窯和稻殼鍋爐供熱、供汽都需要稻殼，導(dǎo)致稻殼的價格上漲，也相應(yīng)提高了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行成本。
④稻殼氣化時產(chǎn)生煤焦油，且煤焦油在煤氣凈化、冷卻和煤氣水封時均會產(chǎn)生含酚廢水。小型企業(yè)未進(jìn)行污水處理，排入內(nèi)河會引起水污染。
⑤正是因為煤焦油的產(chǎn)生以及焦油凈化未完全過關(guān)，導(dǎo)致機(jī)組維修工作量大，設(shè)備效率降低，從而影響到機(jī)組的正常運(yùn)行。
⑥稻殼發(fā)電的副產(chǎn)品處理也會影響到稻殼發(fā)電的效益，稻殼灰的市場尚未形成，處理稻殼灰需花費(fèi)一定成本。
⑦沒有政策扶持的稻殼發(fā)電企業(yè)生存相對比較艱難。
湖北康宏米業(yè)公司現(xiàn)有一條日處理稻谷120t的大米生產(chǎn)線，稻殼產(chǎn)量1t/h。2008年底公司投資170萬元建設(shè)了一套700kW稻殼氣化發(fā)電機(jī)組，2008-03開始發(fā)電，迄今已連續(xù)工作了1.5年，每天運(yùn)行24h，每天發(fā)電量約為15000kWh，稻殼用量約為900kg/h，發(fā)電成本為0.48元/kWh，所發(fā)電量足夠供全廠生產(chǎn)(日處理稻谷120t精米廠、5000萬kg糧食中轉(zhuǎn)庫)及生活(90人)用電。機(jī)組運(yùn)行正常，電壓也很穩(wěn)定。在這1.5年，該公司用電全部來自該機(jī)組。
黑龍江人和米業(yè)集團(tuán)公司2007年成立生物發(fā)電有限公司，2008年投資建設(shè)了3000kW的稻殼發(fā)電廠，建設(shè)期1.5年，2009-07正式運(yùn)營，所發(fā)電量全部上網(wǎng)。該項目總投資2989萬元，有1臺3000kW抽氣供熱機(jī)組，配1臺20t/h稻殼循環(huán)流化床鍋爐。項目建成投產(chǎn)后，年可消耗稻殼3.018萬，t年供電量1.558×107kWh，年供熱量4.48×104GJ，年總銷售收入83.23萬元，年創(chuàng)利稅375.92萬元，投資回收期6.38年。
3稻殼發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟
目前大米加工企業(yè)常用的稻殼發(fā)電生產(chǎn)方法分為稻殼氣化發(fā)電和稻殼直燃發(fā)電。稻殼(生物質(zhì))發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)路線有3種，見圖1。
3.1稻殼氣化發(fā)電
稻殼(生物質(zhì))原料通過給料設(shè)備進(jìn)入氣化爐，在爐內(nèi)高溫循環(huán)物料加熱作用下，與底部通入的空氣進(jìn)行氣化還原反應(yīng)，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓瑹嶂?000kJ/m3。灰渣通過螺旋分渣機(jī)連續(xù)排出，氣化產(chǎn)生的高溫燃?xì)夂猩倭炕覊m和焦油等雜質(zhì)，經(jīng)除塵處理后直接進(jìn)入燃燒設(shè)備。高溫燃?xì)馀c二次空氣通過燃燒器進(jìn)行完全燃燒，燃燒生成的高溫燃?xì)怛?qū)動煤氣輪機(jī)工作，帶動電機(jī)發(fā)電。燃燒生成的高溫?zé)煔饪膳c介質(zhì)進(jìn)行換熱，或直接混合冷風(fēng)應(yīng)用于干燥烘干，煙氣再由引風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪排向大氣。
適用范圍：稻殼氣化發(fā)電機(jī)組，單臺裝機(jī)最大為800kW，通過并聯(lián)使用發(fā)電機(jī)組可達(dá)2000kW裝機(jī)，200~800kW裝機(jī)機(jī)組運(yùn)用最廣泛。主要優(yōu)點：投資少，建設(shè)周期短，見效快。主要缺點：機(jī)組維護(hù)工作量大，有含酚廢水需要處理。
3.2稻殼直接燃燒發(fā)電
稻殼直接進(jìn)入蒸氣鍋爐中進(jìn)行燃燒。冷空氣由風(fēng)機(jī)引入預(yù)熱，加熱后由風(fēng)道引入等壓風(fēng)室再入爐膛。煙氣經(jīng)省煤器、空氣預(yù)熱器降溫，再經(jīng)電除塵器引風(fēng)機(jī)由煙囪排至大氣。產(chǎn)生的過熱蒸氣進(jìn)入氣輪機(jī)，氣輪機(jī)內(nèi)作功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
適用范圍：稻殼直接燃燒發(fā)電技術(shù)主要適用于大規(guī)模的生物質(zhì)利用項目(3000kW裝機(jī)以上)，尤其是實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)時更經(jīng)濟(jì)適用。主要優(yōu)點：效率高，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。主要缺點：投資高，不適于小規(guī)模米廠使用。
3.3技術(shù)參數(shù)
經(jīng)理論計算與實際測定，1kWh發(fā)電量平均消耗稻殼1.5~1.89kg。大米加工時稻殼量按所加工稻谷的20%左右計，則發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量可根據(jù)表1選擇。
3.4稻殼發(fā)電的綜合利用
(1)燃?xì)獯滓旱奶崛 Ｔ诎l(fā)電過程中，利用固定床氣化工藝，提取醋液，用于殺菌、消毒，可代替農(nóng)藥，目前該技術(shù)已成熟。
(2)采用抽氣冷凝機(jī)組，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，可提高燃料利用率，節(jié)約能源。
(3)稻殼灰的利用。含碳量高的稻殼灰可作為鋼鐵業(yè)的保溫材料，也可用作水泥添加劑，目前市場價為600~1500元/。
(4)機(jī)組冷卻水的利用。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的冷卻水的溫度在80左右，可用于供暖。
4稻殼發(fā)電潛力巨大
稻殼發(fā)電是一種節(jié)能、環(huán)保型項目，不但自身環(huán)保，更重要的是以廢棄且易污染環(huán)境的稻殼作原料，發(fā)電成本低。在當(dāng)前能源日趨緊張的形勢下，在我國稻谷主產(chǎn)區(qū)，在具有一定規(guī)模的大米加工企業(yè)或稻殼收集較方便的地點進(jìn)行推廣應(yīng)用，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
我國政府及有關(guān)部門對稻殼(生物質(zhì))能源利用極為重視，已連續(xù)在4個國家五年計劃中將生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點科技攻關(guān)項目。2005年生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究課題列入了國家863計劃，開展了生物質(zhì)能源利用技術(shù)的研究與開發(fā)，取得了多項優(yōu)秀成果。政策方面，2005-02，第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議通過了可再生能源法，2006-01-01已經(jīng)正式實施，并于2006年陸續(xù)出臺了相應(yīng)的配套措施。這表明政策已在法律上明確了可再生能源包括生物質(zhì)能源在能源中的地位，并在政策上給予了巨大的優(yōu)惠支持。2006年頒布的可再生能源發(fā)電價格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法規(guī)定，補(bǔ)貼電價標(biāo)準(zhǔn)為0.25元/kWh。
各地方政府相關(guān)財政貼息和稅收優(yōu)惠政策不斷出臺。在可再生能源發(fā)電有關(guān)管理規(guī)定中明確，發(fā)電企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極投資建設(shè)可再生能源發(fā)電項目，并承擔(dān)國家規(guī)定的可再生能源發(fā)電配額義務(wù)。大型發(fā)電企業(yè)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先投資可再生能源、生物質(zhì)能源發(fā)電項目，當(dāng)前國有大型發(fā)電公司，如五大發(fā)電集團(tuán)，凱迪電力、中糧集團(tuán)、北大荒米業(yè)集團(tuán)紛紛投資參與中國生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的建設(shè)運(yùn)營。根據(jù)國家十一五規(guī)劃綱要提出的發(fā)展目標(biāo)，未來將建設(shè)生物質(zhì)發(fā)電550萬kW裝機(jī)容量。可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃也確定了到2020年生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)3000萬kW的發(fā)展目標(biāo)，生物質(zhì)能源發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。
另一方面，稻殼發(fā)電技術(shù)與裝備的不斷開發(fā)，以及稻殼發(fā)電的副產(chǎn)品稻殼灰的綜合利用技術(shù)的推廣，還有稻殼預(yù)處理技術(shù)的提升，都將成為稻殼發(fā)電事業(yè)的技術(shù)支撐，并將進(jìn)一步成為提高稻殼發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益的保障。
[參考文獻(xiàn)]
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