煤基分布式能源技術(shù)研究與經(jīng)濟(jì)性分析

張 磊，張俊杰，王順森，劉 輝，張東青,石 賾

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

0 引言

近年來，隨著人民生活水平的提高，社會(huì)對(duì)能源的需求包括熱、電、冷、氣等越來越豐富，且對(duì)能源生產(chǎn)消費(fèi)過程中的大氣污染高度關(guān)注，而現(xiàn)有大型能源點(diǎn)的集中供應(yīng)不能充分滿足能源供應(yīng)分散、多樣化且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的迫切要求，分布式能源由此而備受關(guān)注[1～5]。當(dāng)前的分布式能源主要以天然氣為主，而我國(guó)的能源稟賦是富煤貧油少氣，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，以煤為主的煤基分布式能源項(xiàng)目逐漸走進(jìn)了人們的視野[6-10]，2018年國(guó)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(guó)家政策支持。

本文對(duì)煤基分布式能源的概念與核心技術(shù)進(jìn)行闡述，并對(duì)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(jìn)行對(duì)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(jī)為核心(如圖1)，通過熱、電、冷、熱水等多聯(lián)供方式實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，綜合能源利用效率在80%以上，并在負(fù)荷中心就近實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的現(xiàn)代能源供應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

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(biāo)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(yīng)小于80%。年均綜合能源利用效率應(yīng)按下式計(jì)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(diào)峰設(shè)備供熱(冷)量不計(jì)入分布式供能站的熱效率計(jì)算。

(2)額定工況的基準(zhǔn)供熱煤耗不應(yīng)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(yīng)按下式計(jì)算

(2)

式中bRN——額定工況的供熱煤耗/g·MJ-1；

bg——背壓機(jī)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(shí)間有效余熱供熱總量/MJ·h-1；

q2——單位時(shí)間有效余熱供冷總量/MJ·h-1；

b——每小時(shí)聯(lián)供系統(tǒng)燃煤總耗量/g·h-1。

注：煤耗計(jì)算采用標(biāo)煤。

為了便于使用，引入基準(zhǔn)供熱煤耗的概念，其計(jì)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(dāng)前先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的煤耗水平，以此作為基準(zhǔn)供電煤耗，所得基準(zhǔn)供熱煤耗與整個(gè)分布式供能站的煤耗或能耗水平相對(duì)應(yīng)。

(3)實(shí)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(shù)

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

2.1 高效環(huán)保鍋爐技術(shù)

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(shè)備之一，具有燃燒清潔、運(yùn)行高效、節(jié)煤顯著、占地節(jié)省、操作簡(jiǎn)易、環(huán)境友好等特點(diǎn)，符合國(guó)家十分緊迫的節(jié)能減排形勢(shì)和政策導(dǎo)向，是傳統(tǒng)燃煤工業(yè)鍋爐的升級(jí)換代產(chǎn)品。

現(xiàn)役中小型燃煤鍋爐鍋爐熱效率可達(dá)92%，其原始NOx排放濃度已可低于200 mg/Nm3，若燃用優(yōu)質(zhì)煤，還可進(jìn)一步降低至170～180 mg/Nm3。目前，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《工業(yè)鍋爐節(jié)能與清潔燃燒技術(shù)》正在進(jìn)行中，其工業(yè)鍋爐研究的目標(biāo)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(shù)基礎(chǔ)之一。

2.2 高效小型背壓機(jī)技術(shù)

定制高效小型背壓汽輪機(jī)是煤基分布式能源的核心設(shè)備之二。以現(xiàn)代先進(jìn)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)生產(chǎn)的小型背壓汽輪機(jī)，在合理選擇初參數(shù)的情況下，其內(nèi)效率可達(dá)到83%～90%。這為發(fā)展煤基分布式能源的技術(shù)基礎(chǔ)之二。

2.3 先進(jìn)的系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)代先進(jìn)系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)為發(fā)展煤基分布式能源所需的另一個(gè)核心技術(shù)。針對(duì)不同項(xiàng)目的用電、用熱、用冷及其它產(chǎn)品的需求，可利用先進(jìn)的熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化程序，以定制設(shè)計(jì)的方式確保所設(shè)計(jì)的煤基能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)遵循能量梯級(jí)利用規(guī)律，即完成煤基分布式能源系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

2.4 污染物超低排放控制技術(shù)

當(dāng)前，大型燃煤發(fā)電機(jī)組已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)污染物超低排放。而利用這些成熟技術(shù)確保燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)現(xiàn)超低排放已無技術(shù)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(shù)基礎(chǔ)。

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(shù)發(fā)展迅速，已將爐內(nèi)脫硝脫硫技術(shù)列為近期研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。爐內(nèi)環(huán)保技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是有利于以更經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)；另一方面，爐后環(huán)保技術(shù)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(shù)等的研發(fā)已取得重大進(jìn)展；高效除塵技術(shù)亦非難題。這些環(huán)保技術(shù)的進(jìn)步突破了工業(yè)鍋爐實(shí)現(xiàn)超低排放的經(jīng)濟(jì)阻礙，為發(fā)展煤基分布式能源奠定了環(huán)保方面的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 煤基分布式能源的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

本文以SAACKE煤粉鍋爐、天然氣鍋爐、大型電站燃煤鍋爐和TITAN130燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵設(shè)備為基礎(chǔ)，建立煤基分布式、天然氣分布式、大型發(fā)電燃煤機(jī)組、直供鍋爐四種供熱系統(tǒng)，對(duì)四種供熱系統(tǒng)的能耗、燃料成本和NOx排放等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)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(jià)格：2.35元/34 694 kJ

天然氣鍋爐NOx排放：28 mg/Nm3

燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)熱效率：35.7%

燃?xì)廨啓C(jī)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(jià)格：0.76元/22 990 kJ

細(xì)煤粉價(jià)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(xì)煤粉均參考市場(chǎng)價(jià)確定。

3.1 與直供鍋爐的比較

目前，國(guó)內(nèi)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)保控制措施，效率低、污染物排放高。鏈條爐熱效率為70%～80%，NOx排放普遍達(dá)到1 000 mg/Nm3以上；煤粉爐熱效率約為90%，NOx排放普遍達(dá)到600 mg/Nm3以上。局部地區(qū)已經(jīng)開始拆除原有超標(biāo)排放燃煤鍋爐，采用天然氣鍋爐或高效燃煤鍋爐技術(shù)進(jìn)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(jī)的煤基分布式型式，則節(jié)能降耗效果更加明顯。

下面對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析。高效燃煤鍋爐是指采用先進(jìn)低氮燃燒技術(shù)，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(dá)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(jì)算結(jié)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(biāo)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(duì)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(duì)比

3.2 與大機(jī)組供熱的比較

大型燃煤機(jī)組具有能耗低，污染排放易于集中處理等特點(diǎn)，因此，國(guó)家鼓勵(lì)在有條件的區(qū)域采用大型燃煤機(jī)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(jī)抽汽參數(shù)并不匹配，導(dǎo)致汽輪機(jī)只能采用調(diào)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(jī)組為例，高壓抽汽為非調(diào)整抽汽，中、低壓抽汽為調(diào)整抽汽，為了滿足用戶中壓、低壓參數(shù)的要求，在汽輪機(jī)中壓缸上加裝了座缸閥和旋轉(zhuǎn)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(duì)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(diǎn)，通過中小型鍋爐與背壓機(jī)的靈活搭配，可在無需大幅調(diào)整抽汽和減溫減壓的條件下，滿足多個(gè)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(jī)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(jì)算分析了兩者的能耗和排放指標(biāo)。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(duì)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(duì)某些調(diào)整抽汽和減溫減壓對(duì)外供熱的機(jī)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(shì)。

圖3 煤基分布式與大機(jī)組供熱示意圖

表2 煤基分布式與大機(jī)組供熱對(duì)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(diǎn)，近年得到大力推廣。經(jīng)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(shì)。

為了對(duì)天然氣分布式與煤基分布式的能耗與排放情況進(jìn)行對(duì)比，本文建立了兩種方案的模型(如圖4)：方案一，燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)，即小燃機(jī)(TITAN130)-余熱鍋爐對(duì)外供熱；方案二，煤基分布式對(duì)外供熱，即高效節(jié)能環(huán)保小型燃煤鍋爐-背壓機(jī)對(duì)外供熱。由于天然氣分布式與煤基分布式的基準(zhǔn)供電煤耗難以統(tǒng)一，本節(jié)僅針對(duì)總體能耗與排放情況進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)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(duì)比

可見，超出傳統(tǒng)觀念對(duì)天燃?xì)夥植际降恼J(rèn)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(dǎo)致國(guó)內(nèi)天然氣資源非常緊張的國(guó)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(duì)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)排放高于煤基分布式的原因進(jìn)行了分析，其原因主要是：對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來說，過量空氣系數(shù)非常大，如TITAN130燃機(jī)的過量空氣系數(shù)高達(dá)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(dǎo)致燃機(jī)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(jì)算煙氣總排量的NOx排放則異常偏高。若在燃機(jī)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。可見，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(dǎo)致其供熱成本更加昂貴。

4 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)煤基分布式能源的概念與核心技術(shù)進(jìn)行闡述，并對(duì)煤基分布式能源與鍋爐直供、大型燃煤機(jī)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(jìn)行對(duì)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(shì)。可見，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。