农作物秸秆发电项目调研报告精.doc

农作物秸秆发电项目调研报告精

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2020年4月19日
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农作物秸秆发电项目研究报告
全球经济发展迅速,煤炭、石油、天然气等一次性能源的消耗量不断增加,终有枯竭的一天,人类为了自身的生存和发展,不断寻找新的能源以减少或替代一次性能源的消耗。由于生物质秸秆能源具有热值含量高、易获得、清洁等优势,生物质秸秆发电近年来不断发展,成为一项利用可再生能源的新技术,被越来越多的国家研究和利用。
秸秆发电的历史和现状
秸秆发电在欧洲,特别是北欧的一些国家已有 20 多年的历史。随着一次性能源的逐渐减少及人们对环境质量的进一步要求,开发新能源和可再生能源在发达国家已方兴未艾。1973 年的石油危机,促使丹麦开始研究生物质能秸秆发电技术。其中丹麦BWE 公司率先研发秸秆生物燃烧发电技术,并在 1988 年投运了世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂(Haslev,5MW,此后BWE 公司在西欧设计并建造了大量的生物发电厂,其中最大的发电厂是英国的 Ely发电厂,装机容量为38MW,现在以秸秆发电等可再生能源已经占丹麦能源消耗的 24%以上。瑞典、芬兰、西班牙等国由丹麦BWE 公司提供技术设备建成了秸秆发电
厂,许多国家还制定了相应的计划,如日本的“阳光计划”,美国的“能源农场”,印度的“绿色能源工厂”等,它们都将生物质能秸秆发电技术作为 21 世纪发展可再生能源战略的重点工程。欧美国家把秸秆资源作为优先发展的可再生能源并予以高度重视并给予政策和资金的大力支持。欧洲国家秸秆利用技术成熟,政策较为完善。
《可再生能源中长期发展规划》确定了 2020 年生物质发电装机 3000万千瓦的发展目标。秸秆直接燃烧技术的研究在中国起步较晚,缺乏合适的技术和规模 年以来,国家发改委先后批复江苏如东、山东单县和河北晋州 3 个国家级秸秆发电示范项目,拉开了中国秸秆发电建设的序幕。 年,国家发改委批准河北省晋州市秸秆发电厂建设项目,这是中国第一个完全利用秸秆燃烧发电的发电厂。 年,宿迁秸秆直燃发电示范项目在江苏宿迁正式投产。这是中国投入点火运行的首个拥有自主知识产权的国产化秸秆直燃发电示范项目。近年来,全国各地生物质能电厂蓬勃发展。
无论在国内还是国外,秸秆的收集和储存都是一个难以忽略的问题。由于国内秸秆市场体系还不够健全和完善,导致当前秸秆发电项目燃料成本过高,这是制约当前中国秸秆发电产业进一步发展的障碍。可是从长远来看,秸秆发电项目仍将因其
在减少二氧化碳排放、保护环境、可再生等方面的优越性而获得足够的发展空间。客观地讲,中国的秸秆发电产业发展初期走得并不顺利,在最初的热情和兴奋过去之后,秸秆发电行业暴露出关键设备运行效果不好、运行经营难度大、现有扶持力度下效益不佳等诸多问题。即便是那些早期介入采用相对成熟的引进技术的大公司也在频频抱怨秸秆电厂的运行和经营困难。秸秆电站该如何发展,成了当下国内各秸秆电厂都面临的一个难题。
秸秆发电的技术分析
秸秆能够经过锅炉直接燃烧发电和供热,也能够气化之后再发电,从技术上说,气化发电虽然效率更高,但尚有不少技术难题未能完全解决,建设成本较高,实用性较差。相比而言,直接燃烧发电和供热更加方便可行。
秸秆发电与普通的燃煤电站发电原理相同,都分为給料系统、锅炉系统、汽轮机系统、空气冷凝器和环境保护系统。相比燃煤电站,秸秆的收集和处理是秸秆电站遇到的主要问题之一,秸秆的进料和退料系统都需要进行专门的设计。另外,秸秆发电会造成比较严重的结渣问题以及腐蚀问题,这些问题都对秸秆电站的锅炉提出了更高的要求。
1、秸杆的给料系统
发电厂内建设独立的秸杆仓库。运输货车送来的秸杆需要测试含水量。任何一包秸杆的含水量不能超过25%,否则为不合格。
秸秆粉碎压块儿成品在欧洲的发电厂中,这项测试由安装在自动起重机上的红外传感器来实现。在中国,现在常见手动探测器插入每一个秸杆捆中测试水分。货车卸货时,叉车将秸杆包放入预先确定的位臵;在仓库的另一端,叉车将秸杆包放在进料输送机上;进料输送机有一个缓冲台,可保留秸杆 5分钟;秸杆从进料台经过带密封闸门(防火的进料输送机传送至进料系统;秸杆包被推压
到两个立式螺杆上,经过螺杆的旋转扯碎秸杆,然后将秸杆传送给螺旋自动给料机,经过给料机将秸杆压入密封的进料通道,然后达到炉床。炉床为水冷式振动炉床,是专门为秸杆燃烧发电厂而开发的设备。
2、锅炉系统
秸秆电站的锅炉一般采用自然循环的汽包锅炉,过热器分两级布臵在烟道中,烟道尾部布臵省煤器和空气预热器。由于秸杆灰中碱金属的含量相对较高因此,烟气在高温时(450℃以上具有较高的腐蚀性。另外,飞灰的熔点较低易产生结渣的问题。如果灰分变成固体和半流体,运行中就很难清除,就会阻碍管道中从烟气至蒸汽的热量传输。严重时甚至会完全堵塞烟气通
道,将烟气堵在锅炉中。由于存在这些问题,因此,专门设计了过热器系统,并在国际上的大多数秸杆发电厂中得到运用。
3、汽轮机系统
工艺流程图涡轮机和锅炉必须在启动、部分负荷和停止操作等方面保持一
致,协调锅炉、汽轮机和空冷凝汽器的工作非常重要。
4、空冷凝汽器
丹麦的所有发电厂都是海水冷却的,西班牙的 Sanguesa 发电厂是河水冷却,英国的Ely发电厂装有空气冷凝器。在中国,空气冷凝器是一种很成熟的产品,能够在秸秆发电厂中采用。
5、环境保护系统
在湿法烟气净化系统之后,安装一个布袋除尘器,以便收集烟气中的飞灰。
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布袋除尘器的排放低于 25mg/Nm 。
欧洲各国由于利用生物质能时间较早,经过几十年的研究与实践,在农作物秸秆和农林废弃物在整个能源总量中占较大的比重。丹麦在秸秆和农林废弃物直燃发电领域处于世界顶尖水平,1986 年丹麦政府经过了一项能源政策,规定在1995 年之前,将建造利用丹麦国内燃料(秸秆、木屑、垃圾、沼气和天然气总发电功率为450MW
的分布式热电厂。1990年丹麦政府又经过另一项有关增加使用天然气和农作物秸秆和农林废弃物的政策,主要经过新建热电厂和将现有燃煤和燃油区域供热系统转为实用天然气和秸秆和农林废弃物燃料热电厂来实现。丹麦已建立了 130 多家秸秆发电厂, 年,丹麦可再生能源占全国能源总消耗量的12%,其中,秸秆和农林废弃物占其中的 81%。丹麦的秸秆发电技术已经成熟,而且向世界各国出口。
德国的秸秆发电技术也已相当成熟,其可再生能源发电总量比例已经从1998 年的4.7%提升到 年的8%,政府计划到 2020 年达到20%。德国在秸秆和农林废弃物直燃发电、发电机组配套涡轮机、生物质预处理等方面技术都已成熟,其经过预处理的生物质密度和热值大幅提高,基本接近于劣质煤碳,便于运输和储存。
中国在生物质能利用方面起步较晚,秸秆发电技术尚不太成熟。表1 列举了中国现运行的5 家秸秆电厂的运行现状。
英国的Ely发电厂装有空气冷凝器。在中国,空气冷凝器是一种很成熟的产品,能够在秸秆发电厂中采用。
5、环境保护系统
在湿法烟气净化系统之后,安装一个布袋除尘器,以便收集烟气中的飞灰。3布袋除尘器的排放低于 25mg/Nm 。欧洲各国由于利用生物质能时间较早,经过几十年的研究与实践,在农作物秸秆和
农林废弃物在整个能源总量中占较大的比重。丹麦在秸秆和农林废弃物直燃发电领域处于世界顶尖水平,1986 年丹麦政府经过了一项能源政策,规定在1995 年之前,将建造利用丹麦国内燃料(秸秆、木屑、垃圾、沼气和天然气总发电功率为450MW的分布式热电厂。1990年丹麦政府又经过另一项有关增加使用天然气和农作物秸秆和农林废弃物的政策,主要经过新建热电厂和将现有燃煤和燃油区域供热系统转为实用天然气和秸秆和农林废弃物燃料热电厂来实现。丹麦已建立了 130 多家秸秆发电厂, 年,丹麦可再生能源占全国能源总消耗量的12%,其中,秸秆和农林废弃物占其中的 81%。丹麦的秸秆发电技术已经成熟,而且向世界各国出口。德国的秸秆发电技术也已相当成熟,其可再生能源发电总量比例已经从1998 年的4.7%提升到 年的8%,政府计划到 2020 年达到20%。德国在秸秆和农林废弃物直燃发电、发电机组配套涡轮机、生物质预处理等方面技术都已成熟,其经过预处理的生物质密度和热值大幅提高,基本接近于劣质煤碳,便于运输和储存。中国在生物质能利用方面起步较晚,秸秆发电技术尚不太成熟。经过以上技术对比能够得到如下结论:
1 国产秸秆锅炉在振动炉排的密封上设计不细,造成炉排密封效果差,炉排面缺风,秸秆燃烧不充分,效率低;
2 给料均匀性、炉排振动装臵及振动效果较差,经常出故障,
对锅炉稳定燃烧影响很大;
3 没有考虑到秸秆燃烧的特点以及国内秸秆品种的复杂性,前期投运的秸秆锅炉没有设计未燃尽秸秆颗粒分离装臵,再加上锅炉负压大,造成布袋频繁烧坏;
4 除渣系统的设备以及设计不成熟。
在经济性方面,中国现有的秸秆电厂存在如下问题:
1 比投资高,除 B电厂以外,其它所有的电厂比投资都在10000 元/千瓦以上,远高于一般火电厂 6000-7000 元/千瓦的投资;
2 燃料价格昂贵;从农民手中的收购价加上运输费用加上中间人费用,每吨秸秆的价格在 300-400 元之间,导致了沉重的成本负担;
3 年利用时间短,设计时间为 5500 小时但由于燃料、故障等问题,实际利用时间都在 3000-4000 小时之间,年发电量为8000-9000 万千瓦时。
4 由于沉重的成本负担以及由于各种原因导致的较小的发电量,中国大部分秸秆电厂都处于亏损状态。
国产设备相比国外引进的设备来说,在价格上有较大的竞争力,可是在产品质量上有所欠缺,特别是对于秸秆电厂的某些专门设备方面由于研究和经验的欠缺,与国际水平相差较大,特别是有些设
备上的缺陷影响到了电厂的正常运行说明国产秸秆锅炉在设计、制造、运行等方面与国外先进技术相比还存在一定的差距。同时,相比西方国家二十多年的运行经验,中国各秸秆电厂起步较晚,经验较少,尚需一定时间的积累,才能在各方面赶上西方发达国家。
秸秆发电的经济性分析
影响秸秆电厂投资运营效益的主要因素有:建设投资、燃料价格、机组热效率以及上网电价政策等。
江苏地区秸秆电厂的主力机型为 15MW 和 25MW,工程建设的投资成本构成比例和煤电基本类似,设备购臵费用约占 49%,建筑安装工程费约占 35%,其它费用约为 16%。秸秆电厂的比投资在 10000 元/kWh 左右,远远高于煤电的000-4000 元/kWh。秸秆电厂项目造价高的原因主要有:
1 设备造价高。锅炉、秸秆破碎和上料等设备的设计和制造在中国尚处于不成熟阶段,加上秸秆中碱金属含量较高,容易腐蚀金属表面,为防止秸秆锅炉的受热面服饰而大量采用耐腐蚀钢材;
2 燃料储藏成本高。且燃料易受潮,不容易保存;
3 秸秆电厂项目单位造价高,使其折旧费和财务费用也相应较高。
秸秆的价格对于秸秆电厂的影响非常巨大。秸秆价格高的原因主要是运输储存成本高。中国的南方农业机械化程度较差,且秸秆
都散落在田间,不具备机械化收集的条件。秸秆体积大、易腐烂、储存损耗大。而且,秸秆除了做燃料之外秸秆还田、饲料、造纸以及加工板材等综合利用水平不断提高,增加了对秸秆的需求。另外,一旦一个地区出现距离较近的秸秆电厂,很容易出现争购秸秆的场面,更加增高了燃料成本。
考虑到秸秆这种燃料的特殊性,秸秆电厂的单机容量都较小。秸秆锅炉的实际运行效率很低。同时,秸秆电厂的辅助设备比燃煤电厂多,厂用电率约为 10%,远高于常规燃煤电厂。一般的秸秆电厂,热效率仅在 15-25%之间。以上因素导致了秸秆发电厂的成本居高不下。
根据江苏省秸秆电厂项目的建设投资、秸秆的收购价格以及相关运行参数,假设销售收入和生产总成本为线性函数,采用线性盈亏平衡分析方法进行分析:
式中:S(X为销售收入函数;P 为单位产品价格;X 为产品年生产量;C(X为生产总成本函数;CF 为固定成本;CV 为单位产品可变成本;tx 为单位产品税金;B(X为销售与成本之差。按照秸秆电厂项目工程造价 10 000 元/kW、热耗 14 600kJ/(kW〃h、秸秆价格 300 元/t、厂用电率10%、年利用小时数5 500 h 等条件计算,在电厂费用和效益相等,即利润为零的情况下,找出盈利和亏损的分界点。
经测算价格约为0.83元/kWh,高于现行各种补贴政策在内的上网电价。如果引入 CDM 机制,以每年减排 15 万吨 CO2,每吨 CO2 交易价格 15 欧元计算,折合入电价可得盈利和亏损分界点电价约为 0.56 元/kWh。此电价低于江苏省现行秸秆电厂上网电价,但仍高于常规火点机组上网电价。
淮安秸秆发电厂分析
淮安共有2 家已投产秸秆发电项目:江苏国信淮安生物质发电有限公司和中电洪泽生物质热电有限公司。以国信淮安生物质发电有限公司为例进行分析。国信淮安生物质发电有限公司建设规模为2×15MW 汽轮发电机组配 2×75t/h 秸秆直燃锅炉,是全国第一台成功采用软质稻秸秆、麦秸秆作为燃料,全部采用国内设备和自主知识产权的秸秆发电项目。该机组的成功投运开创了中国软秸秆发电的先河,将对国内生物质能源项目的开发利用起到示范意义和推广作用。
电厂每月收入主要为发电收入,上网电价(按 0.75 元/kWh 计 x 发电量约为 1100 多万元,每月支出为还贷、折旧费、燃料成本费和运行维护费,每月支出约为 1200 万元,其中,燃料成本费用约占每月支出的 30%,由于秸秆价格的相对低廉和上网电价较高,相比国内其它秸秆电站来说经营状况较好,不过电厂尚未能做到盈余,每月仍略有亏损。
国信淮安生物质发电有限公司成功注册了CDM项目,年减排CO2约15万吨,按照与国外买家商定的约86元/吨的碳交易价格,每年可经过碳交易获得约1300万人民币的收入。由此即可实现盈利。
与中国其它的秸秆电厂相比,国信淮安生物质发电有限公司的运行状况良好。虽然也出现了断轴、堵料等故障,可是经过几年的总结和探索,逐步解决了各项技术难题, 年利用时间达到了6000小时,大大超过了国内大部分秸秆电站,发电量也达到了 1.8 亿千瓦时/年。在收支方面,虽然略有亏损,可是经过纵向对比,已有 年全年亏损 4600 万,到 年亏损 1600 万, 年截至7 月亏损300 万,由于技术的改进和成本的降低,各种故障逐渐减少,电厂的运作显现出良好的势头。另外,在国际上碳交易价格约为 150 元/吨,甚至更高,如果按照此价格进行交易,国信淮安生物质发电有限公司将有更大的利润空间。
发展秸秆发电的相关政策
在现阶段,秸秆发电在国内外尚需一定的政策扶持才能够保持盈利,因此政策对此产业的影响非常巨大。由于全球气候变暖成为人类面临的一个巨大的问题,而化石能源终有一天也将被消耗殆尽,作为一种温室气体零排放的技术,秸秆发电在政策上得到了多方面的扶持和优惠。
欧洲郭嘉制定政策法规,鼓励生物质能的研究开发。欧盟制订
了具体的发展目标, 年,欧盟发布了《促进可再生能源典礼生产指导政策》要求到 欧盟电力总消费的 22%来自可再生能源,并规定了各成员国需要达到的目标,如德国为12.5%、丹麦为29%、瑞典为60%、意大利为 25%等。
各成员国也制定了一系列鼓励政策和法律规定。德国经过价格保证了可再生能源发电项目的投资者有合理的投资回报。在可再生能源融资方面,德国联邦政府在 1999 年设立了市场激励计划,为可再生能源项目提供投资补贴和第三方融资,在税收方面间接享受生态税优惠。同时政府还为生物质技术的研究开发提供资金支持。
丹麦政府在资金上大力支持生物质能技术研究和开发,丹麦还经过立法要求电力市场向可再生能源电力开放。可再生能源项目在丹麦最高能够得到 30%的初始投资补贴,生物质电力还享受二氧化碳税收返还优惠。意大利为可再生能源建立了保护性固定电价制度,政府还经过法律规定为可再生电力项目提供 30-40%的资金支持。可再生能源间接享受税收优惠。
中国对可再生能源的重视程度也越来越高。为鼓励可再生能源的发展,国家先后出台了《可再生能源法》、《可再生能源发电有关管理规定》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》、《可再生能源发展专项资金暂行管理办法》和《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》等法律和规章,明确了秸秆发电电价优惠、
上网电量全额收购和电力调度优先等政策,促进了秸秆发电产业的发展。在科技研究方面,国家投入了大量资金用于研究和开发;《可再生能源法》鼓励和支持农村生物质能的发展,对列入家可再生能源产业发展指导目录、符合信贷条件的可再生能源开发利用项目,金融机构能够提供有财政贴息的优惠贷款。国家发改委出台的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定:生物质发电项目上网电价由传统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。另外,秸秆发电厂所发电量由电网全额收购;进口设备的关税和进口环节增值税全面,各地方省市同时还因地制宜地制定了其它的补贴政策。
对秸秆发电的建议
截至 年底,江苏省已经有 11 个项目正在运行或在建。秸秆发电作为可再生能源产业的一种,为减少化石消耗、减少温室气体排放发挥了积极的作用。但秸秆发电也面临着长期亏损的局面。对于是否要发展秸秆发电以及如何发展秸秆发电,以下问题我们必须明确答案:
1 秸秆发电在淮安是否能够收支平衡。
秸秆发电是新生事物,在其成长的过程中需要扶植,在发展的前期郭嘉给与适当补贴是完全应该的,可是需要明确的是,现在的补贴是为了将来的不补贴。从长远来看,秸秆发电以定要不断降低
成本,自身在经济上可行。比如太阳能光伏当前成本虽然高,但从科技发展的角度,在成本下降方面有较大的潜力。可是对于秸秆发电,由于成本主要因素在于秸秆的价格以及财务折旧费,在成本上下降的空间不大,这是由于其先天缺陷决定的:一是机组功率小,热效率提高潜力小;二是在江苏农业机械化程度不高,秸秆收集困难,需要耗费较多的劳动力和运输成本;三是随着科技的进步,秸秆的各种利用也会逐渐增多,如生产沼气、颗粒华以及其它工业用途,其价格没有太大下降的可能性。按照当前的形势,即使引入了CDM 机制带来的收益,秸秆发电的成本也不足以达到普通脱硫电站的上网电价水平,一旦离开了政府补助,自身就难以维持。从长远来看,如果该技术已经成熟,那么从技术扶持的角度来看,政府没有任何义务进行补助。有很多研究将秸秆对当地农民带来的收益计入了其社会效益之中,按照 200元/t 秸秆收
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购价格计算,一年消耗秸秆约 14x10 吨秸秆的电厂,一年约能给当地农民创收2800 万元,而政府为此的电价补贴以 0.35 元/kWh 计算,一年需要补贴约 2835万元,两者基本相当。也就是说,秸秆电站带来的社会效益其实质来自政府的补贴,不应当计入秸电站的社会效益。另外对于秸秆电厂的生态效益也不能够无限地放大,CDM 机制就是现行的定位方式,如果秸秆电站在考虑了环保效益之后的
总收益依旧是负值，那么秸秆电站或许就不是一个很好的清洁能源 利用方向。如果在考虑了环保效益之后秸秆电站的收益是正值，那 么秸秆电站就有生存 的空间和继续发展的理由。 2 秸秆能够有其它的清洁利用形式。 不论从过去传统来看还是将来来看，秸秆仍旧是农民用能的一 个重要组成部分。虽然用作燃料的使用量是有限的，但应该经过政 策、技术、管理把它利用起来，纳入到农民用能的范畴。除了传统 的灶头直接燃烧之外，沼气技术是现代农民用能的一个良好方向。 如果农民卖出了秸秆，原来使用秸秆的地方可能使用燃煤替代了， 而农户使用燃煤的效率必然远小于燃煤电站，这就相当于用低热效 率的秸秆发电来代替高效率的燃煤发电，同时又没有起到真正减排 的作用。同时，将零散的秸秆收集起来，进行发电，又将集中的燃 煤分散出去，供农户使用，这过程本身就是对能量的极大地浪费。 因此，我们应当把合适的能源用在合适的地方。分散的秸秆完全可 以分散地利用，比如用作沼气、还田等。这才是对能源的最有效利 用，才是最环保的方式。 3 一个区域内能容纳多少秸秆发电厂。 一般来说，一个秸秆发电厂的燃料收集半径在 40 公里左右， 且常常出现燃料不够的情况。在一个区域内如果临近有几个秸秆电 16
厂，势必会造成燃料价格的提升。而在秸秆电厂的成本中，燃料价 格所占比重超过 50%，对秸秆电厂的经济性有着至关重要的影响。 因此，对于邻近的区域内，不适合有几个秸秆发电厂。 结语 中国的能源需求和供应已经进入多样化的阶段，煤、石油、天 然气、核、可再生能源都将成为中国能源供应的重要组成部分。秸 秆发电在中国正在逐渐成长，企业需要经过降低工程建设投资、提 高锅炉热效率、完善收购渠道和收购体系、降低秸秆收购价格等降 低秸秆发电的成本，提高自身的市场竞争力。由于秸秆发电在中国 是一个起步不久的新事物，在中国由于各地具体条件的不同，其发 展态势也有不同。随着市场和技术的成熟，秸秆发电在中国各地是 否能够生存下来，以何种形式生存尚需时间的考验。 对于淮安来说，应当综合考虑秸秆发电的收益。在现阶段，秸 秆电厂尚没有盈利能力，而从长远来看，秸秆电厂与淮安市规划的 农户沼气利用之间有一定的矛盾，秸秆电厂在未来是否能够脱离补 贴达到盈利尚是一个未知数。因此需要合理规划，对技术成熟、热 效率高、运作良好能够盈利的秸秆电厂，鼓励其发展，而对于效率 低下，难以维持的秸秆项目，应当叫停。对于分散的秸秆资源，分 散地进行利用从环保和节约资源的角度而言都是最优的选择。 17
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