煤基分布式能源技術研究與經濟性分析

張 磊，張俊杰，王順森，劉 輝，張東青,石 賾

(1.國能國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025；2.西安交通大學，陜西 西安 710049)

0 引言

近年來，隨著人民生活水平的提高，社會對能源的需求包括熱、電、冷、氣等越來越豐富，且對能源生產消費過程中的大氣污染高度關注，而現(xiàn)有大型能源點的集中供應不能充分滿足能源供應分散、多樣化且經濟環(huán)保的迫切要求，分布式能源由此而備受關注[1～5]。當前的分布式能源主要以天然氣為主，而我國的能源稟賦是富煤貧油少氣，隨著技術的不斷進步，以煤為主的煤基分布式能源項目逐漸走進了人們的視野[6-10]，2018年國家能源局發(fā)布的《分布式發(fā)電管理辦法(征求意見稿)》中提倡發(fā)展綜合能源利用效率高于70%的燃煤蒸汽背壓分布式供能系統(tǒng)，可見煤基分布式能源亦獲得了國家政策支持。

本文對煤基分布式能源的概念與核心技術進行闡述，并對煤基分布式能源與鍋爐直供、天然氣供能等幾種供熱方式的節(jié)能和環(huán)保效果進行對比分析，提出發(fā)展煤基分布式治理大氣污染的重要途徑。

1 煤基分布式能源的定義

煤基分布式能源是指利用煤炭或煤基合成氣為燃料，以高效環(huán)保鍋爐-高效背壓機為核心(如圖1)，通過熱、電、冷、熱水等多聯(lián)供方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在80%以上，并在負荷中心就近實現(xiàn)能源供應的現(xiàn)代能源供應方式。與傳統(tǒng)集中式供能方式相比，煤基分布式能源具有能效高、清潔環(huán)保、安全性好、經濟效益好等優(yōu)點。

圖1 煤基分布式系統(tǒng)示意圖

煤基分布式能源的能耗與排放指標要求如下：

(1)煤基分布式供能站的年均綜合能源利用效率不應小于80%。年均綜合能源利用效率應按下式計算

(1)

式中η——年均綜合能源利用效率/%；

W——年聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電量/kWh；

Q1——年有效余熱供熱總量/MJ；

Q2——年有效余熱供冷總量/MJ；

B——年聯(lián)供系統(tǒng)燃煤總耗量/t；

QL——燃料低位發(fā)熱量/MJ·t-1。

注：調峰設備供熱(冷)量不計入分布式供能站的熱效率計算。

(2)額定工況的基準供熱煤耗不應高于30 g/MJ，其中供熱量含用于供熱的供熱量q1和用于制冷的供熱量q2。供熱煤耗應按下式計算

(2)

式中bRN——額定工況的供熱煤耗/g·MJ-1；

bg——背壓機修正至純冷凝工況的供電煤耗/g·kW·h-1；

w——聯(lián)供系統(tǒng)凈輸出電功率/kW；

q1——單位時間有效余熱供熱總量/MJ·h-1；

q2——單位時間有效余熱供冷總量/MJ·h-1；

b——每小時聯(lián)供系統(tǒng)燃煤總耗量/g·h-1。

注：煤耗計算采用標煤。

為了便于使用，引入基準供熱煤耗的概念，其計算公式如下

(3)

式中額定供電煤耗取280 g/kWh。該煤耗值反映當前先進超超臨界燃煤發(fā)電機組的煤耗水平，以此作為基準供電煤耗，所得基準供熱煤耗與整個分布式供能站的煤耗或能耗水平相對應。

(3)實現(xiàn)污染物超低排放，煙塵排放<10 mg/Nm3、二氧化硫(SO2)排放<35 mg/Nm3、氮氧化物(NOx)排放<50 mg/Nm3。

2 煤基分布式能源的核心技術

煤基分布式能源有別于其它中小型煤基能源轉換系統(tǒng)的主要特征為高效、環(huán)保、靈活(用戶需求高適應性)，基于高效環(huán)保鍋爐-高效背壓機的煤基分布式能源核心技術主要包括：高效環(huán)保鍋爐技術、高效背壓機技術、先進的系統(tǒng)集成技術、污染物超低排放控制技術等。

2.1 高效環(huán)保鍋爐技術

以“低溫低氮燃燒”為核心的成套新型燃煤工業(yè)鍋爐系統(tǒng)是煤基分布式能源的核心設備之一，具有燃燒清潔、運行高效、節(jié)煤顯著、占地節(jié)省、操作簡易、環(huán)境友好等特點，符合國家十分緊迫的節(jié)能減排形勢和政策導向，是傳統(tǒng)燃煤工業(yè)鍋爐的升級換代產品。

現(xiàn)役中小型燃煤鍋爐鍋爐熱效率可達92%，其原始NOx排放濃度已可低于200 mg/Nm3，若燃用優(yōu)質煤，還可進一步降低至170～180 mg/Nm3。目前，國家重點研發(fā)計劃《工業(yè)鍋爐節(jié)能與清潔燃燒技術》正在進行中，其工業(yè)鍋爐研究的目標之一為NOx原始排放低于100 mg/Nm3，配合SCR有望使NOx排放低于20 mg/Nm3。這為發(fā)展煤基分布式能源的技術基礎之一。

2.2 高效小型背壓機技術

定制高效小型背壓汽輪機是煤基分布式能源的核心設備之二。以現(xiàn)代先進汽輪機設計、制造技術生產的小型背壓汽輪機，在合理選擇初參數(shù)的情況下，其內效率可達到83%～90%。這為發(fā)展煤基分布式能源的技術基礎之二。

2.3 先進的系統(tǒng)集成優(yōu)化設計技術

現(xiàn)代先進系統(tǒng)集成優(yōu)化設計技術為發(fā)展煤基分布式能源所需的另一個核心技術。針對不同項目的用電、用熱、用冷及其它產品的需求，可利用先進的熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化程序，以定制設計的方式確保所設計的煤基能源轉換系統(tǒng)遵循能量梯級利用規(guī)律，即完成煤基分布式能源系統(tǒng)集成設計。

2.4 污染物超低排放控制技術

當前，大型燃煤發(fā)電機組已經廣泛實現(xiàn)污染物超低排放。而利用這些成熟技術確保燃煤工業(yè)鍋爐實現(xiàn)超低排放已無技術和工程方面的障礙。這是發(fā)展煤基分布式能源的環(huán)保技術基礎。

目前，一方面，燃煤工業(yè)鍋爐，特別是煤粉工業(yè)鍋爐的低氮高效燃燒技術發(fā)展迅速，已將爐內脫硝脫硫技術列為近期研發(fā)和應用的重點。爐內環(huán)保技術的優(yōu)勢是有利于以更經濟的方式實現(xiàn)環(huán)保目標；另一方面，爐后環(huán)保技術也處于快速發(fā)展中。半干法脫硫、SO2/NOx中溫協(xié)同脫除技術等的研發(fā)已取得重大進展；高效除塵技術亦非難題。這些環(huán)保技術的進步突破了工業(yè)鍋爐實現(xiàn)超低排放的經濟阻礙，為發(fā)展煤基分布式能源奠定了環(huán)保方面的技術基礎。

3 煤基分布式能源的特點與優(yōu)勢

本文以SAACKE煤粉鍋爐、天然氣鍋爐、大型電站燃煤鍋爐和TITAN130燃氣輪機等關鍵設備為基礎，建立煤基分布式、天然氣分布式、大型發(fā)電燃煤機組、直供鍋爐四種供熱系統(tǒng)，對四種供熱系統(tǒng)的能耗、燃料成本和NOx排放等指標進行對比分析。

本節(jié)所用基本參數(shù)如下：

天然氣鍋爐熱效率：92%

天然氣價格：2.35元/34 694 kJ

天然氣鍋爐NOx排放：28 mg/Nm3

燃氣輪機循環(huán)熱效率：35.7%

燃氣輪機NOx排放(未加裝SCR)：25 mg/Nm3

小型燃煤鍋爐熱效率：92%

大型燃煤鍋爐熱效率：93.5%

原煤價格：0.76元/22 990 kJ

細煤粉價格(用于小型煤粉鍋爐)：0.85元/22 990 kJ

煤基鍋爐NOx排放(含SCR)：30 mg/Nm3

注：天然氣、原煤、細煤粉均參考市場價確定。

3.1 與直供鍋爐的比較

目前，國內大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城區(qū)采用燃煤小鍋爐直接供暖，且普遍未采用環(huán)?？刂拼胧实?、污染物排放高。鏈條爐熱效率為70%～80%，NOx排放普遍達到1 000 mg/Nm3以上；煤粉爐熱效率約為90%，NOx排放普遍達到600 mg/Nm3以上。局部地區(qū)已經開始拆除原有超標排放燃煤鍋爐，采用天然氣鍋爐或高效燃煤鍋爐技術進行替代改造，節(jié)能減排效果明顯。研究表明，小鍋爐改造過程中，若能采用高效燃煤鍋爐-背壓機的煤基分布式型式，則節(jié)能降耗效果更加明顯。

下面對高效燃煤鍋爐直接供熱(方案一)、天然氣鍋爐直接供熱(方案二)和煤基分布式供熱(方案三)三種改造方案(如圖2)的節(jié)能減排效果進行對比分析。高效燃煤鍋爐是指采用先進低氮燃燒技術，且配備尾部脫硫、脫硝、除塵裝置的煤粉爐，其鍋爐熱效率可達92%，NOx排放濃度低于30 mg/Nm3。

圖2 煤基分布式與直供鍋爐示意圖

計算結果如表1所示，現(xiàn)役未采用超低排放措施的鏈條爐和煤粉爐，能耗、燃料成本和NOx排放等指標均處于較高水平，而替代改造后，能耗和排放水平均大幅降低。如方案一、方案二、方案三所示，每對外供1MJ熱量，所需耗煤量分別為38 g、37.1 g、25.2 g，NOx排放濃度分別為8.26 mg/Nm3、8.22 mg/Nm3、5.50 mg/Nm3，燃料成本為0.041 1元、0.073 6元、0.027 0元，可見，煤基分布式能源不論能耗還是污染物排放，均優(yōu)于直供供熱的鍋爐系統(tǒng)。

表1 煤基分布式與直供鍋爐對比

3.2 與大機組供熱的比較

大型燃煤機組具有能耗低，污染排放易于集中處理等特點，因此，國家鼓勵在有條件的區(qū)域采用大型燃煤機組集中供熱。但某些工業(yè)用戶的特殊參數(shù)要求與汽輪機抽汽參數(shù)并不匹配，導致汽輪機只能采用調整抽汽、減溫減壓等方式滿足用戶要求。以惠州電廠330 MW三汽源抽汽機組為例，高壓抽汽為非調整抽汽，中、低壓抽汽為調整抽汽，為了滿足用戶中壓、低壓參數(shù)的要求，在汽輪機中壓缸上加裝了座缸閥和旋轉隔板，使得中壓缸節(jié)流損失大幅增加，抽汽工況的中壓缸效率相對純冷凝工況顯著降低。

煤基分布式能源具有高效、靈活等特點，通過中小型鍋爐與背壓機的靈活搭配，可在無需大幅調整抽汽和減溫減壓的條件下，滿足多個熱用戶的參數(shù)要求。為了降低上述節(jié)流損失，本文搭建了大型燃煤機組三汽源抽汽熱力系統(tǒng)(方案一)和煤基分布式熱力系統(tǒng)(方案二)模型(如圖3)，并計算分析了兩者的能耗和排放指標。如表2所示，在同樣供熱參數(shù)的條件下，方案一、方案二中，每對外供1 MJ熱量，所需的耗煤量分別為28.7 g、25.2 g，NOx排放分別為7.52 mg/Nm3、6.60 mg/Nm3，燃料成本分別為0.027 9元、0.027 0元，可見，針對某些調整抽汽和減溫減壓對外供熱的機組，煤基分布式能源在能耗、污染物排放方面亦具有一定的優(yōu)勢。

圖3 煤基分布式與大機組供熱示意圖

表2 煤基分布式與大機組供熱對比

3.3 與天然氣分布式能源的比較

天然氣分布式能源具有粉塵和SO2近零排放等特點，近年得到大力推廣。經研究，基于高效節(jié)能環(huán)保中小型燃煤鍋爐的煤基分布式能源系統(tǒng)，在能耗與排放方面亦具有一定的優(yōu)勢。

為了對天然氣分布式與煤基分布式的能耗與排放情況進行對比，本文建立了兩種方案的模型(如圖4)：方案一，燃氣分布式能源系統(tǒng)，即小燃機(TITAN130)-余熱鍋爐對外供熱；方案二，煤基分布式對外供熱，即高效節(jié)能環(huán)保小型燃煤鍋爐-背壓機對外供熱。由于天然氣分布式與煤基分布式的基準供電煤耗難以統(tǒng)一，本節(jié)僅針對總體能耗與排放情況進行對比。計算結果如表3所示，在同樣供熱量的條件下，方案一、方案二的發(fā)電量分別為13.3 MW、5.9 MW，燃料總熱值分別為145.0 GJ/h、102.1 GJ/h，NOx總體排放別為3 526 mg/Nm3、702 mg/Nm3。

圖4 煤基分布式與天然氣分布式示意圖

表3 煤基分布式與天然氣分布式供熱對比

可見，超出傳統(tǒng)觀念對天燃氣分布式的認知，雖然天然氣分布式能源單位煙氣的NOx排放較低，但總體排放方面卻是煤基分布式能源占優(yōu)。此外，天然氣分布式能源發(fā)電占比亦偏高，導致國內天然氣資源非常緊張的國情下，冬季天然氣分布式能源發(fā)電占比偏高與供熱量難以滿足用戶需求的矛盾愈加突出。

本文亦對燃氣分布式能源系統(tǒng)排放高于煤基分布式的原因進行了分析，其原因主要是：對于燃氣輪機來說，過量空氣系數(shù)非常大，如TITAN130燃機的過量空氣系數(shù)高達3.6左右，而燃煤鍋爐的過量空氣系數(shù)始終保持1.05～1.15，這些特征導致燃機出口每立方米煙氣的NOx排放雖然較低，但卻是其過量空氣稀釋所得，因此，計算煙氣總排量的NOx排放則異常偏高。若在燃機尾部煙道加裝SCR等脫硝裝置，考慮脫硝效率為80%，NOx排放可降低至705 g/h，則與煤基分布式的排放處于同一水平?？梢?，為降低污染排放水平，天然氣分布式能源必須加裝SCR，而加裝SCR將導致其供熱成本更加昂貴。

4 結論

綜上所述，本文對煤基分布式能源的概念與核心技術進行闡述，并對煤基分布式能源與鍋爐直供、大型燃煤機組供能、天然氣供能等幾種供熱方式的節(jié)能和環(huán)保效果進行對比分析，研究表明，基于高效環(huán)保煤粉鍋爐的煤基分布式供能系統(tǒng)在供熱煤耗、燃料成本、NOx排放方面均具有一定的優(yōu)勢?？梢?，煤基分布式能源既能明顯提升能源利用效率，又能有效降低污染物排放，采用煤基分布式能源替代散燒煤是大氣污染治理的重要途徑之一。