【专题：环境技术解说】生物质发电（下）

发布时间：2025-05-08 15:12

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摘要：生物质发电是指以木材和植物遗体等生物质（可再生生物资源）为原料进行发电的技术，由于是植物通过吸收CO2获得生长，进而合成生物质，因此从总体来看，不会净增加大气中的CO2含量（即碳中和），与太阳能发电装置等组合，有望实现用可再生能源满足电力需求。

关键词：生物质发电、生物质能、可再生能源、碳中和、能源转换

前言

生物质发电是指以木材和植物遗体等生物质（可再生生物资源）为原料进行发电的技术。另外，从生物质得到的能量被称为生物质能源。生物质在燃烧时也会和化石燃料一样产生CO2，但由于是植物通过吸收CO2获得生长，进而合成生物质，因此从总体来看，可以认为大气中的CO2含量不会净增加（碳中和）。与发电量随天气和时间变化的太阳能发电装置进行组合，有望实现用可再生能源满足电力需求。

1. 生物质发电的普及与优点

1) 生物质和碳中和

2）促进生物质能利用的背景

3）生物质发电的优点

2. 技术概述

3. 生物质能的转换方法

1)直接燃烧法

2)生化转换法

3）热化学转换法

4. 生物质发电案例

5. 技术相关动向

1）促进生物质利用的措施

2) 废弃物类生物质的Win-Win型资源循环技术

3）其他动向

※内容基于2021年8月的信息

上期回顾

【环境技术专题】生物质发电（上）

3）热化学转换法

○热分解反应

在隔绝空气（或氧气）的状态下，或者在空气(氧气)含量极少的条件下，将生物质加热至400～600°C，会生成气体（热分解气体或木气）和液体（焦油或醋液）。根据主要生成物质的不同，叫法也不同，例如以炭为目标生成物时称为碳化，以气体为目标生成物时称为热分解气化等。

所谓的木炭制造工艺，即以木材为原料的热分解反应，一直以来在世界各地都有采用，至今在很多发展中国家仍是重要的生物质利用形态。此外，还存在干馏木材以获得乙酸乙酯、杂酚油、甲醇等各种化学物质的工艺。在木材热分解中，低温条件下炭为主生成物，高温条件下气体为主生成物，但由于反应生成物难以控制，各个产物的收率较低，如下面介绍的气化那样。因此开发出了采用最新工艺的系统。

○气化反应

使用被称为气化剂的空气或氧（不过各阶段的量少于完全燃烧需要的理论空气量），进一步气化固态和油状的生物质，整体上提高了可燃性气体的比例。为根据目的生成合适的气体，要选择气化炉的样式和反应条件。

○水热液化/水热气化

水热反应是指使用高温高压水的化学反应。在通过水热反应进行生物质能量转换中，与通常的热化学反应或生化反应不同，使超临界状态（液体和气体没有区别的状态，水的临界温度为374℃，临界压力为220气压）或亚超临界状态的高温高压水与生物质反应，即使是含水率高的物质也能在短时间内产生能量。

水热液化则是向生物质中注入热水，使热水中的可溶性成分等溶解于热水而分解，转换为能量物质。在300℃左右的热水中会产生重油状的液体，温度进一步上升时也会产生气态物质。目前也在考虑利用催化剂（在化学反应中可以使反应速度大幅提升的物质）选择性地生成目标气体以及增加生成的气体的比例。

水热气化是使用超临界态热水的技术，与水热液化相比，液态物质的量很少，而是利用气体量的增加进行生物质的气化。主要是在金属催化剂的作用下，在低温下生成甲烷，或者在超临界点以上的高温下不使用催化剂生成氢。此时，还生成无色透明、中性的水相。

在下图所示的系统中，先根据需要对生物质系的固体废弃物进行预处理，然后在反应装置内与亚临界水反应，得到沼气并回收有价值的物体，而生成的沼气则被用于热电联产系统。作为原料的生物质类固体，可以使用废弃食品、动植物遗体、下水道污泥等。

图4 水热反应装置

来源：木村化工机械株式会社《环境与资源再利用装置：水热反应装置》

4生物质发电案例

下面将介绍利用各种生物质能转换技术的发电案例。如3.2）中所述，解决成本问题成为引入的前提条件。以下3个案例利用的都是木材加工和畜产等主要行业产生的生物质废弃物。

1）直接燃烧法

该案例为将木屑、建筑废弃物等木质类生物质直接燃烧得到蒸汽，并将其用于发电。

图5的木材加工公司利用自家工厂产生的刨屑和扁柏皮进行发电。不仅消耗了自家的废材，而且提供了工厂所需全部电力，剩余的电力还卖给了电力公司。

图5 木质系生物质发电设施

设施简介

发电功率：1950kW 用途：自家使用

（图片提供方：铭建工业株式会社）

2）生化转换法

以食品垃圾和畜产类生物质为原料进行甲烷发酵实现发电的举措正在扩大。其中，由于不同家畜的排泄物性状不同，因此可以选择与之相适应的处理方法。

新潟县长冈市的“生活垃圾沼气发电中心”利用家庭和企业产生的生活垃圾进行发电。每天能处理65吨垃圾，平均日发电规模为12300kW。在使用甲烷发酵产生的沼气进行发电的同时，利用回收的废热将发酵残渣烘干，然后将干燥后的残渣作为生物质燃料使用（图6）。

图6 利用生活垃圾的生物质发电流程

来源：长冈市“生活垃圾沼气化项目”

3) 热化学转换法

图7是煤炭能源中心根据环境省“低碳地区建设集中支援示范项目委托业务(利用降雪山区残留生物质能的三联产系统实证项目”实施的气化发电设施的流程图。

通过热分解使木质类生物质气化，再将生成的合成气体送入燃气发动机进行发电。“热风发生炉”可产生700~850°C热风以加热气化炉，其燃料使用的是从气化炉排出的碳化物。

在热风发生炉中使碳化物完全燃烧，用作热风的热源，最终只排出燃烧灰。另外，间伐材的木屑一般含水率约为50%，因此需要干燥，但通过利用废热使能源得到了有效利用。

图7 气化热电联产和生物焦炭制造的综合系统

来源：（一般财团法人）煤炭前沿机构（旧称煤炭能源中心）《横向三联产项目 2013年度项目成果报告会资料》

5技术相关

1）促进生物质利用的措施

环境省通过二氧化碳排放控制对策事业费等补助金，支持在避难设施中引入利用包含生物质在内的可再生能源和未利用能源的发电设备及供热设备（图8）。另外，在“区域脱碳投资促进基金项目”中，正在推进设立以“出资”方式支持风力、生物质等再生能源发电项目等脱碳项目的“区域脱碳投资促进基金”。

经济产业省和农林水产省为构建与森林、林木等可持续共生的木质生物质燃料等的稳定、高效供给与利用系统并制定商业惯例，开展了“支持构建木质生物质燃料等的稳定、高效供给与利用系统项目”。为将生物质发电作为主要电力来源，考虑了确保燃料稳定供应、降低发电成本、与地区共生等课题。该项目的目标是降低生物质燃料价格和增加供给量，从而降低发电成本，减轻固定价格收购制度带来的国民负担，抑制温室气体的排放，助力实现低碳社会。

图8 推进向避难设施等引入独立分布式能源设备等的项目

来源：环境省《向同时实现地域抗灾力和脱碳化的避难设施等引入独立分布式能源设备等的推进项目》

2) 废弃物类生物质的Win-Win型资源循环技术

“日本环境研究所循环型社会与废弃物研究中心”致力于通过利用未被利用的废弃物类生物质，开发对处理废弃物和防止全球变暖有帮助的资源循环技术。作为该研究的一个重要部分，地区废弃物适当处理与将其生物质化的技术正在开发中。

如下图所示，在该研究中，使用以镍为有效成分的催化剂进行废木材等气化实验，探讨最佳的温度和催化剂条件。这些基础研究的成果有望催生出最佳的生物质发电系统。

图9采用气化重整装置的生物质类废弃物处理系统的研究

来源：日本环境研究所新闻26卷6号（2008年2月）

3）其他动向

维持固定收购价格制度（FIT）带来了国民负担，另外FIT制度终结后的对策等成为课题，不依赖于FIT制度的可再生能源（Non-FIT）受到关注。为实现2030年的能源混合目标，经济产业省致力于将一半的低效燃煤电厂替换成生物质专烧（Non-FIT）发电厂，以及开发30万kW以上的大型生物质发电厂（1座/2年）等。

引能仕株式会社（ENEOS）和EREX株式会社正在共同研究输出功率为30万kW的生物质专烧发电站的商业化，经两公司调查这是日本最大的也是世界最大规模的除煤炭火力等以外的发电转换(图10)。计划在2026年度开始运营，建成后将成为日本的Non-FIT大型生物质发电站。正在讨论可廉价且稳定供给的生物质燃料的海外采购与使用，考虑使用俄罗斯出产的木质系燃料和在越南、菲律宾等地试验栽培的燃料用高粱。这样等FIT制度终结后，日本的生物质发电也可以继续维持，减轻国民负担。

图10 计划在新潟县建设的生物质发电站（完工效果图）

来源：EREX株式会社新闻发布（2020年11月10日）

此外，如前所述，生物质发电通过组合热利用可以实现高能量效率。位于青森县平川市的津轻生物质能源株式会社将间伐材和苹果的修剪枝作为燃料进行发电。产生的电力可以通过FIT制度向电力公司等出售，在发电涡轮机中使用的冷却蒸汽的废热可以用于农业房屋的供热。在津轻地区，由于积雪严重和温度管理的问题，冬季难以进行温室栽培，但废热的利用使得全年的农业生产成为可能。

将来，理想的情况是以可再生能源和热泵供给低温热，更高温的热需求则延用传统方法，以实现能源的有效利用。因此，可以考虑从需要较高的温度开始依次使用的多阶段热利用（即热分级系统）。

由于热能很难移动，所以还存在热需求设施的集成等课题，但是有望通过热能的有效利用实现资源的可持续利用。

（End）

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