生物质能发电

定义

生物质能发电指以生物质为载体，把储存在有机物质中的化学能经燃烧、气化或生物发酵等途径转换成电能的过程^[1]。其中生物质一般指通过光合作用形成的各种有机体，包括植物、动物及其废弃物^[5]。

按燃料来源，这类发电通常分为农林生物质发电、垃圾焚烧发电和沼气发电三类；农林生物质发电从技术上又可分成直接燃烧发电与混合燃烧发电^[1]。沼气发电则多与垃圾填埋场、污水处理和畜禽养殖的有机废弃物处理相结合^[6]。

原理

直接燃烧路线中，生物质在锅炉内燃烧，把水加热为高温高压蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机组做功发电；若同时向附近用户供应蒸汽或热水，则构成热电联产^[2][5]。生物质还可与煤炭在同一锅炉内混燃，或先气化再以燃气形式送入炉膛，从而借助既有的燃煤机组与环保设施发电^[1]。

气化路线先把固体生物质转化为可燃气，经净化除去灰分、焦炭和焦油后，送入燃气内燃机或燃气轮机燃烧发电；为提高效率，还可在其后加装余热锅炉与蒸汽轮机^[7]。燃气的化学能经燃烧变为热能，再经机械功转换为电能，整个过程可概括为 $\eta = W_{电}/Q_{生物质}$，其中 $Q_{生物质}$ 为入炉燃料的热量^[8]。

沼气路线的核心是厌氧消化：有机物在隔绝空气的条件下经微生物分解产生以甲烷为主的可燃气体，净化脱硫除水后进入燃气发电机组燃烧做功^[8][9]。垃圾填埋场内的有机物在填埋后经一至两年趋于稳定产气，气体经穿孔管收集、加压、干燥后即可供机组使用^[6]。

flowchart LR

A[生物质原料] --> B[直接燃烧锅炉]

A --> C[气化炉]

A --> D[厌氧消化]

B --> E[蒸汽轮机]

C --> F[燃气内燃机或燃气轮机]

D --> G[沼气发电机组]

E --> H[发电机与并网]

F --> H

G --> H

发展历程

沼气发电在20世纪70年代初首先在国外兴起，为利用有机废弃物处理过程中产生的沼气，多采用往复式沼气发电机组，并对排气与冷却水余热加以回收^[9]。到80年代中期，中国已有上海内燃机研究所、广州能源研究所等十余家单位开展沼气机与沼气发电机组的研制，产品逐步系列化^[9]。

20世纪80年代的能源危机促使部分欧洲国家从能源安全角度尝试生物质利用，丹麦在秸秆直燃技术上先行，1986年建成并商业化运营相关电厂^[10]。中国在20世纪60年代初曾开展生物质气化发电研究，此后陆续完成不同原料、不同规模的技术基础工作，中国科学院广州能源研究所利用自主研发的循环流化床气化发电技术建成了3.5至5兆瓦的示范装置^[7]。

进入21世纪后，生物质发电在中国形成规模化装机。截至2023年底，全国生物质发电装机为0.44亿千瓦，当年新增282万千瓦，发电量1980亿千瓦时，占全部发电量的2.1%^[11]。2024年，国家发展和改革委员会与国家能源局印发《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027年)》，把生物质掺烧列为煤电低碳化改造的技术路径之一，要求改造后机组具备掺烧10%以上生物质燃料的能力^[4][3]。

应用

农林生物质直燃发电是应用较广的形式，中国的生物质电厂多以农林剩余物为燃料，锅炉采用高温高压振动炉排或流化床，单机容量从早期的12兆瓦级发展到30兆瓦级^[12]。此类项目常按热电联产运行，汽轮机抽汽供工业用户，乏汽用于居民供热^[5]。

沼气发电主要用于垃圾填埋场、餐厨与厨余垃圾处理以及畜禽粪污处理等场景，所发电力多数并入公共电网，机组余热可进一步回收利用^[6][13]。以填埋气为燃料时，内燃机负荷调节范围较宽，可在20%以上负荷运行，并支持多台机组并联^[13]。

与燃煤机组耦合是近年推广的方向，方式包括把生物质直接破碎后与煤同磨同烧的直接耦合、把生物质气化后再送入炉膛的间接耦合，以及生物质锅炉与燃煤锅炉并联运行。煤与生物质掺烧后再配以碳捕集与封存，可实现负碳排放，被列为煤电深度减排的技术选项^[14][4]。

局限

生物质资源分散、能量密度低且具有季节性，收集、储存和运输费用高，这一特点使生物质发电呈现「小电厂、大燃料」的格局^[12][15]。有测算显示，生物质电厂单位投资约为燃煤电厂的2倍，达到0.8万至1.0万元/千瓦，锅炉热效率虽可达88%至90%，但受炉膛温度偏低影响，整体发电效率仅约26%^[12]。

燃料特性带来设备问题。秸秆等农林废弃物中钾、钠等碱金属与氯含量较高，燃烧时易造成受热面结渣、积灰和高温腐蚀；掺烧比例较高时，锅炉效率还会下降，排烟温度上升^[16][17]。欧洲经验表明，生物质热输入控制在20%以内时结焦与腐蚀不明显，比例继续提高则需采取针对性改造^[17]。

经济性依赖政策支持。按热值折算，生物质发电成本大多高于煤炭，缺少补贴时掺烧生物质往往难以盈利；掺烧发电量难以精确计量，也使相关项目获取财政支持存在障碍^[16]。除计量问题外，生物质燃料质量标准与掺烧比例标准尚不健全，不利于绿色电力交易与政策激励落地^[17]。此外，原料供应不稳定会直接影响机组的连续运行与经济收益^[15]。

参见

• 生物质 —— 本词条的燃料来源，指经光合作用形成的各种有机体及其废弃物。

• 生物质气化 —— 把固体生物质转化为可燃气后再发电的技术路线。

• 沼气 —— 有机物厌氧消化产生的可燃气体，是沼气发电的燃料。

• 垃圾焚烧发电 —— 以生活垃圾为燃料的发电方式，常与生物质发电并列归类。

• 碳捕集与封存 —— 与生物质掺烧结合后可实现负碳排放的技术。

• 热电联产 —— 发电同时供应蒸汽或热水的运行方式，常见于生物质电厂。