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黑龙江省生物质能产业发展研究

来源:龙江科技情报 作者:秩名 2019/03/29 16:57

  中华生物质能网讯:生物质能是一种可再生能源,在当前能源日益紧缺的大背景下,推动黑龙江省生物质能产业化发展,对促进黑龙江经济可持续发展、调整和改善全省能源消费结构、加快农业经济增长方式的转变具有重要的战略意义。

  一、生物质能产业发展现状

  相较于传统能源,生物质能具备大规模替代石油能源、产品多样化、可循环利用和环保等优点,原材料的来源主要是能源植物、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五类。

  (一)国外发展现状

  在生物质能综合利用现状方面,截至2015年底,全球生物质发电装机容量约1亿千瓦,其中美国1590万千瓦、巴西1100万千瓦。全球生物质成型燃料产量约3000万吨,欧洲是世界最大的生物质成型燃料消费地区,年均约1600万吨。全球沼气产量约为570亿立方米,其中德国沼气年产量超过200亿立方米,瑞典生物天然气满足了全国30%车用燃气需求。全球生物液体燃料消费量约1亿吨,其中燃料乙醇全球产量约8000万吨,生物柴油产量约2000万吨。

  在生物质能发电方面,2015年全球生物质能及垃圾发电新增装机容量达到1120万千瓦,同比增长77.8%。全球生物质及垃圾发电累计装机容量达到10650万千瓦,与2014年相比增加了11.8%。欧洲仍是全球最大的生物质及垃圾发电市场,累计装机容量达3470万千瓦,巴西和美国分别为1530万千瓦及1500万千瓦,分列二、三位。2015年,全球生物质及垃圾发电量达到3896.2亿千瓦时,同比增长12%。

  (二)我国发展现状

  在生物质能综合利用现状方面,截至2015年底,我国生物质发电总装机容量约1030万千瓦,其中,农林生物质直燃发电约530万千瓦,垃圾焚烧发电约470万千瓦,沼气发电约30万千瓦,年发电量约520亿千瓦时,生物质发电技术基本成熟。生物质成型燃料年利用量约800万吨,主要用于城镇供暖和工业供热等领域。生物质成型燃料供热产业处于规模化发展初期,成型燃料机械制造、专用锅炉制造、燃料燃烧等技术日益成熟,具备规模化、产业化发展基础。全国沼气理论年产量约190亿立方米,其中户用沼气理论年产量约140亿立方米,规模化沼气工程约10万处,年产气量约50亿立方米,沼气正处于转型升级关键阶段。燃料乙醇年产量约210万吨,生物柴油年产量约80万吨。生物柴油处于产业发展初期,纤维素燃料乙醇加快示范,我国自主研发的生物航煤已成功应用于商业化载客飞行示范。(如表1所示)

表1 我国生物质能利用现状

  在生物质能发电方面,我国生物质能发电占可再生能源的结构不断上升,生物质能发电的地位不断上升。截至2017年12月,全国已投产生物质发电项目744个,较2016年增加79个;全国可再生能源发电装机容量6.5亿千瓦,占总电力装机的36.6%,其中生物质发电装机1476万千瓦,同比增长22.6%,占总电力装机的0.73%。生物质发电量795亿千瓦时,同比增长22.7%,占总发电量的1.2%。其中垃圾焚烧发电装机容量达725.1万千瓦,农林生物质发电装机容量达700.77万千瓦,沼气发电装机容量达49.9万千瓦。

  (三)黑龙江省发展现状

  在生物质储量方面,据黑龙江省统计局数据和《中国统计年鉴2017》数据,黑龙江省农业生物质可收集利用量约为9000万吨,折合标煤量为4500万吨;林业生物质可收集量约为960万吨,折合标煤量为548.6万吨;禽畜粪便可收集利用量约分别为3800万吨,折合标煤量126.7万吨;城市生活垃圾可收集利用量约为541.9万吨,折合标煤量为86.7万吨;有机废水可收集利用量约为138335万吨,折合标煤量为508.8万吨;有机废渣可收集利用量约为6940万吨,折合标煤量为29.2万吨。黑龙江省生物质资源可转换为能源的潜力约为5800万吨(如表2所示)。

  在生物质能综合利用现状方面,根据黑龙江省发展与改革委于2017年12月发布的《黑龙江省能源发展“十三五”规划》,截至2016年末,全省生物质发电装机容量65万千瓦,年均增长23.7%;全省生物质天然气利用达到36亿立方米,年均增长3.7%;2016年正常生产运营秸秆固体成型燃料企业50家,加工秸秆固体成型燃料23万吨。

表2黑龙江省生物质能的利用潜力

  在生物质发电方面,截至2017年12月31日,全省农林生物质项目达到32项,农林生物质发电装机容量为81.6万千瓦,农林生物质发电量达到44.5亿千瓦时,农林生物质上网电量达到40.8亿千瓦时。全省垃圾焚烧发电项目达为6项,垃圾焚烧发电装机容量为8.1万千瓦,垃圾焚烧发电量达到2.9亿千瓦时,垃圾焚烧上网电量达到2.1亿千瓦时,处理垃圾量98.6万吨。全省沼气发电项目为2项,沼气发电装机容量为0.39万千瓦,沼气发电量为675.61万千瓦时,沼气上网电量为650.9万千瓦时。

  二、黑龙江省生物质产业链及能源转化途径分析

  生物质产业链是建立在生物质原料收集、储存、运输、预处理到能源转化反应成为各种生物质能源,并应用于热能、电能等领域的技术体系和产业模式的基础上。

  (一)产业链分析

  生物质产业链如图1所示,生物质产业链的上游包含生物质原料的收集、储存、运输及预处理。生物质产业链的中游包括生物质原料的分离与筛选、破碎、干燥、混合、能源转化反应及各种装备。生物质产业链的下游为各种气体、液体、固体生物质能源,以及各种生物质能源在发电、供气与燃料等领域的应用。在生物质能开发利用过程中,根据不同的生产工艺,可形成多种类型的能源燃料,用于提供电能、热能和交通能源等能量。目前,技术成熟且综合效益较高的利用方式主要有生物质液体燃料、生物质供气、生物质发电和生物质固体燃料等。

  (二)生物质能源转化途径及技术发展现状分析

  1.生物质供气

  沼气技术在国外快速发展,特别是在欧洲应用较为普遍,瑞典、丹麦和德国的生物燃气技术在世界上处于领先地位。在沼气工程相关技术与设备方面,我国已在完全混合型工艺、塞流折流工艺以及两步厌氧消化等工艺取得一些突破。黑龙江省在气化供气方面主要以沼气为主,由于扶持政策以及改进技术,并引入“三位一体”、“四位一体”沼气建设模式,使黑龙江省沼气应用得到了快速发展。2015年,黑龙江省农村沼气用户数量达到5000多万户,农村沼气池产气量9462亿立方米,建成200多项联户沼气工程、1533项大中型的沼气工程,设计容积量为1000立方米的大型沼气池100多个。

  2.生物质固化成型技术

  美国在20世纪30年代就已开始研究固化成型燃料技术,但生物质成型设备当以欧洲国家发展最快且最先进。瑞典是应用生物质成型燃料最好的国家之一,生物质固体成型燃料热效率可达到80%-95%。我国生物质成型技术起步较晚,但生物质成型技术和设备研究已进入了良好的发展阶段。黑龙江省目前在此领域发展较缓慢,生物质固体燃料的适用对象主要集中在大中型生物质企业和区域联户工程上,只有个别企业在生产生物质固体燃料。

  3.生物质液化技术

  加拿大西安大略大学开发的生物质直接超短接触液化技术是生物质液化技术的重大突破,生物质液体燃料生产成本已可与常规的石化燃料相竞争;沙特的INTERCHEM公司建造的大型涡旋反应器加料流量达1350kg/h;美国太阳能研究所的生物质裂解油试验装置,产油率达70%左右。而我国生物质液化技术的研究尚处于起步阶段。近年来,河南农业大学机电工程学院、浙江大学、山东能源研究所、山东工程学院、沈阳农业大学、东北林业大学在此方面均开展了相关研究。黑龙江省是全国五个首批在全省开展乙醇汽油试点的省份之一,每年产生乙醇燃料可达1000万吨。但生物柴油生产起步较晚,企业规模不大。

  4.生物质发电技术

  生物质发电起源于20世纪70年代,近年来国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注,以高效直燃发电为代表的生物质发电技术发展已较为成熟。黑龙江省生物质发电项目的数量和质量都明显提升。2009年1月,齐齐哈尔依安县、拜泉县与韩国RTS公司合作建立2.5万千瓦生物质发电厂。2010年5月,双鸭山市友谊生物质发电厂接入系统工程,装机容量为30MW。2011年,大唐黑龙江省发电有限公司五常生物质发电厂建成规模为130t/h秸秆锅炉和30MW高抽凝式、低真空汽轮发电机组。2012年3月,望奎县引进全国第一个以植物秸秆为原料的生物发电项目,年处理植物秸秆30.8万吨,年发电2.75亿度。2012年12月,黑龙江省万源生物质电厂并网工程通过鹤岗电业局西郊变电站一次并网成功,总装机容量6000kW,成为全省乃至全国加工链条最长、规模最大、产品附加值最高的循环经济示范基地和龙头企业。巴彦生物发电项目是哈尔滨市首个利用环保清洁的生物质发电项目,通过将先进的生物质直接燃烧发电技术和农村地区丰富的生物质资源相结合,不断向上下游产业延伸,如今己形成了初具规模的生产与加工生物质资源和灰渣循环再使用的开发利用模式。

  三、黑龙江省生物质能产业发展分析

  近年来,随着生物质产业基础设施的不断完善,黑龙江省生物质能产业发展虽然取得了积极的进展,但由于黑龙江省生物质能产业起步晚,许多项目尚处于试验和示范阶段,产业发展仍未形成规模效应。

  (一)现有基础

  黑龙江省拥有一批重大生物质项目,截至目前,共有生物质发电项目44个(如表3)。例如,由黑龙江帅亿集团公司投资建设的年产15万吨秸秆燃料乙醇、20万吨生物油项目,采用国际先进的酶裂解和微波技术,以玉米、高粱等农作物秸秆为原料,加工生产乙醇燃料、生物油及其他副产品,是黑龙江省首个产业化生物能源项目。黑龙江省建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂和甜高粱种植、甜高粱秆制取乙醇的基地,拥有国内首家利用稻壳燃烧技术进行发电的生物质发电厂——虎林清河泉米业有限责任公司,在充分利用稻壳燃烧发电的同时,还将剩余的电量和蒸汽用于其他生产,可实现每年发电8000万度,支持供热的面积达100万平方米。齐齐哈尔市克山县的生物质能产业园区主要进行生物质设备制造、生物质颗料制造、生物质钾肥生产制造和生物质发电与供热。

表3 黑龙江省主要生物质发电项目表

  (二)科研实力

  黑龙江省的生物质能技术研究起步较晚,目前专门从事生物质能科研技术开发的大型科研机构有黑龙江省能源环境研究院中的生物质能源实验室和东北农业大学生物质能技术工程中心,此外黑龙江省农业科学院、黑龙江农业工程职业学院、黑龙江省农垦科学院、黑龙江省农业生物技术职业学院等农业科技院所均有着较强的科研实力(如表4)。

表4 黑龙江省主要从事生物质能研究科研团队

  在生物质转化与利用方面,已建设有高水平的生物质能源实验室、综合生化分析实验室,具有承担国家级大型项目、接纳国内外学者开展科学研究的能力,并取得了解决农业废弃物在转化过程中的某些关键问题的成果,可降低生物质能源转化过程中的生产成本,提供实用化生产技术和设备,这对推动黑龙江省生物质能利用技术的发展及其产业化进程具有十分重要的意义。黑龙江省在沼气生产工业化和沼气商品化,利用厌氧发酵的原理有效地处理畜牧场废弃物、生活垃圾以及农业废弃物研究方面也建有高水平的实验室并有先进的成果。此外,黑龙江省在厌氧条件下的微生物筛选和优良菌种培育;农业秸秆、生活垃圾、牲畜粪便混合物的同时粉碎、筛选分离;高浓度酸化装置中的料液分离和酸化液的输送方法,微生物高密度保持反应器;太阳能和沼气联合加热保温系统调控技术;沼液沼渣快速好氧制肥技术等方面均取得了突破性进展。

  (三)存在问题

  黑龙江省生物质资源十分丰富,收集、储存、运输具备一定的区位优势和设备优势,具有发展生物质能利用产业的资源优势。但是,由于黑龙江省生物质能产业起步较晚,许多项目尚处于试验和示范阶段,发展层次低、产业链条短、集中度低;产业发展基础比较薄弱,尚未建立起完备的产业体系;总体规模偏小、难以发挥规模效应。

  1.生物质能利用成本较高

  在生物质能的利用过程中所产生的成本主要包括原材料成本和生产成本两方面。由于生物质资源比较分散,收运机械化程度低,收集和运输成本较高使生物质资源的附加成本近几年不断增加,以粮食为原材料的生物质能源燃料成本更高。此外,由于黑龙江省核心技术和关键装备支撑能力不足,相关的配套产业尚未形成产业化,导致生物质工程一次性的投资较大,其中设备折旧费用、财务成本和固定资产投资等费用相对较高。例如,黑龙江省较成熟的燃料乙醇的生物转化方法是以玉米为原料,但其原料成本高达总成本的70%-80%,生产成本每吨3500元左右,而巴西以甘蔗生产燃料乙醇的成本在1998年就降到300美元以下。成本过高使生物质能产品缺乏市场竞争能力,导致企业的投资风险较高,使资本市场的投入积极性差。同时,低回报率使投资者的积极性大打折扣,而销售价格持续走高又导致生物质能市场化推广不顺畅。

  2.产业链尚不完善

  总体来看,黑龙江省生物质能源产业整体上还处于低层次、规模小的发展局面,技术研发成果转化为生产力的速度较慢,生产设备及产品的技术标准还不统一。从产业发展领域来看,黑龙江省生物质发电相对比较成熟,但其发展规模受到原料和需求的制约;生物液体燃料虽然在粮食燃料乙醇方面位居全国前列,但受国家粮食安全战略的限制,而非粮食燃料乙醇正处在研发阶段,且生物柴油产业发展规模偏小;生物质燃气中的沼气基本停留在“一户一建”模式的基础上,集约化程度低,大型沼气工程和秸秆气化集中供气工程数量少、运行体系和服务体系不完备;生物质固体成型燃料虽然技术比较成熟,但与全国先进水平相比还有较大差距。

  3.生物质能利用技术落后

  黑龙江省生物质能产业发展的核心工艺和技术均依赖国外引进,在生物质能技术方面仍然以直接燃烧技术为主,物理转化、化学转化和生化转化技术是近几年才在黑龙江省发展,目前以热解气化方式制造生物质燃气和特种酶生化转化等技术仍然停留在实验室研发阶段,还不能实现大规模的生产。黑龙江省生产燃料乙醇主要是利用糖和淀粉发酵制取,技术相对比较成熟,但是在被誉为“第二代燃料乙醇技术”的纤维素发酵制乙醇技术方面的进展缓慢。此外。由于气温低和原料供给不足等原因,黑龙江省户用沼气推广较慢,多项大型沼气项目已经报废,寒地沼气分布式供能等工程技术亟待发展。

  4.生物质能生产设备进口依赖度高

  黑龙江省生物质能源的生产设备国产化程度不高,国产设备稳定性和可靠性较低。例如,生物质气化过程中产生的焦油容易堵塞气化设备的管道、污染气缸,导致发电与供气设备无法正常运行,同时也给司炉操作带来了较重的负担;生物质液化存在高压工艺设备昂贵、高压泵送给料困难、产量偏低等技术难题。在这些关键技术上,国产设备与进口设备有较大差距,导致黑龙江省对于发展生物质能所需的设备多依赖进口,缺少拥有自主研发的生物质能生产设备,由于设备投入所占比重较大,导致产品成本高,产品竞争能力弱,无法实现生物质能的规模化生产,对黑龙江省生物质能产业发展带来了巨大的障碍。

  四、关于推进黑龙江省生物质能产业发展的对策建议

  (一)加大利用废弃物类原料,降低利用成本

  黑龙江省废弃物类原料丰富,主要包括秸秆、禽畜粪便和生活垃圾、有机废水等,应尽快开发基于纤维素类原料的第二代生物质能。同时,黑龙江省要以秸秆、粪便、垃圾等废弃物类原料的转化技术为重点,促进关键技术研发,加快试点工程建设,促进其产业化,研发将回收利用、焚烧、填埋、堆肥等多种处理技术有机结合的联合处理工艺,提高废弃物的利用率,使其无害化、减量化、资源化的程度更高。加快能源作物的相关技术研发,积极筛选、开发、培育适应于不同生态环境和气候条件的优良品种,充分发挥其产量高、抗逆性强、生长迅速且加工转化性能好的优点。

  (二)构建完备的政策体系,营造良好产业发展环境

  加强生物质能市场准入保障,制定保障性收购生物质能政策,研究有关市场准入的规范和标准,包括产品质量标准、收购价格及价格分摊机制、支付程序等,建立对违反保障性收购的企业惩罚机制。明确热网企业优先全额收购符合标准的生物质能热力,天然气管网企业优先全额收购符合标准的生物燃气,成品油供应企业优先全额收购符合标准的生物质液体燃料。要强化生物质发展的规划导向,要依据“不与人争粮、不与粮争地”的基本原则,根据黑龙江省的资源特点制定适合黑龙江省省情的生物质能发展规划,从相关政府部门、产业界、学术界遴选具有生物质资源技术的专家组建工作团队,制定符合黑龙江省省情的生物质产品与生物质能源发展的发展路线图,明确黑龙江省生物质能产业发展模式,加快形成产业体系。

  (三)加强研发投入,突破核心技术

  整合高校和科研院所的研发资源,实行产学研联合,加强生物质技术创新重点实验室和工程中心建设,加快生物质能公共研发和服务平台建设,打造生物质技术创新联盟。重点开展生物质能源转换技术,速生、高效、富含碳氢化合物的植物物种选育及推广示范,植物油脂的改性及相关性能试验,垃圾能源的规模化利用与示范推广,利用有机废水的微生物发酵制氢,生物质热解液化的实用化技术,寒地沼气分布式供能和热解气化的集中供气系统相关技术等。着力突破一批关键核心技术,以北方寒冷地区能量平衡型沼气发酵系统研发为目标,重点突破包括针对多元化生物质原料的高效产甲烷功能菌群构建及其生物增强技术,高能量转化效率、高稳定性的系列化甲烷设备和多元生物转化工艺。在生物质的应用技术方面,重点解决居民生活用能,减少对化石能源尤其是煤炭的使用,大力推广成型燃料及专用取暖炉,以取代煤炉取暖的小型锅炉,研究开发专门使用生物质的直接燃料锅炉。

  (四)提升能源装备制造实力,降低对外依存度

  加强自主国产化生物质成套设备的研究与产业化开发,通过关键装备研发逐步实现大中型沼气、固体成型燃料等生物质能源产业装备的国产化和产业化。重点推进生物质锅炉(窑炉)、成型燃料、发电设备、先进气化、碳化、生物发酵等领域关键装备的研发和产业化。制订《生物质能源装备核心企业和配套企业认定标准》和《产品目录》,对制造、生产、购买、使用生物质能源装备的企业和个人,在产品研发、风险补偿、首台套示范应用、政府采购、金融信贷、优先立项、人才激励等方面给予资金扶持。

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