碳循環(huán)利用的垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行

黃婧杰，劉鏤志，殷旭鋒，李雪芹，潘軒，周任軍

(1. 湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心（長沙理工大學(xué)），湖南 長沙 410114；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南 岳陽 414000)

0 引言

近年來，“垃圾圍城”的局面不容樂觀，垃圾焚燒電廠因其“減量化、無害化、資源化”的獨特優(yōu)點成為解決城市生活垃圾的最佳方式之一，既高效又環(huán)保[1-2]，已逐漸得到政府眾多相關(guān)政策支持與行業(yè)認(rèn)可[3]。

由于中國城市生活垃圾分類尚在起步階段，廚余占比高、熱值低、水分多，為保證垃圾焚燒電廠點火或爐膛溫度穩(wěn)定，需補充適量的輔助燃料[4]，因此垃圾焚燒電廠的運行成本相對較高。另一方面，雖然垃圾焚燒電廠的主要目的是為了解決“垃圾圍城”所造成的環(huán)境污染問題，但生活垃圾包含各種復(fù)雜的污染物質(zhì)，在焚燒時會生成較多二次污染物[5-6]。目前對垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行凈化處理的技術(shù)已較為成熟，可通過多種手段及途徑使得煙氣達(dá)標(biāo)排放[7-9]，但垃圾及輔助燃料會產(chǎn)生大量的CO2[10-11]，導(dǎo)致垃圾焚燒電廠在逐漸完善的碳交易市場中需要承擔(dān)較高的碳排放成本?？紤]到CH4可作輔助燃料[12-13]，而日益成熟的P2G（power to gas）技術(shù)可將CO2處理轉(zhuǎn)化成CH4[14-15]，因此在垃圾焚燒電廠固有的煙氣處理裝置后加裝CO2分離裝置，與P2G協(xié)同運行，將生成的CH4供垃圾焚燒電廠作輔助燃料使用，實現(xiàn)碳循環(huán)利用。

作為碳循環(huán)中的核心技術(shù)，煙氣處理和P2G的耗能與垃圾焚燒電廠的出力成正相關(guān)。垃圾焚燒電廠因受日供定量燃料約束，其日總電量是恒定的，但各時段發(fā)電出力可以調(diào)整[16]。因此，利用實時電價與煙氣存儲裝置靈活地協(xié)調(diào)不同時段下垃圾焚燒電廠發(fā)電、煙氣處理及P2G運行狀態(tài)，可成為垃圾焚燒電廠獲取額外效益的途徑。

煙氣處理與P2G協(xié)同的關(guān)鍵在于提高碳利用，實現(xiàn)碳循環(huán)，減少輔助燃料購買，減少碳排放。從而降低各方成本，推動技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。文章提出將P2G、煙氣處理與垃圾焚燒電廠作為整體，以一個周期內(nèi)整體凈收益最大化為目標(biāo)，構(gòu)建碳循環(huán)利用的垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模型。仿真并分析了利用實時電價與煙氣存儲裝置下垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行結(jié)果。

1 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G碳循環(huán)

1.1 煙氣處理與P2G協(xié)同運行

焚燒時附帶生成的多種有害氣體可通過各種凈化手段使煙氣達(dá)標(biāo)排放。常見的煙氣處理結(jié)構(gòu)如圖1中虛線部分所示[16]。隨著碳交易市場發(fā)展與完善，排放氣體中的大量CO2會帶來一定的懲罰成本。此外，根據(jù)《城市生活垃圾處理及污染防治技術(shù)政策》，平均熱值在5 000 kJ/kg以上的生活垃圾才適宜進(jìn)爐焚燒，生活垃圾熱值未達(dá)到該要求時[17]，垃圾焚燒電廠有添加輔助燃料的必要性，將進(jìn)一步導(dǎo)致碳排放量上升。

圖1 煙氣凈化及分離結(jié)構(gòu)Fig. 1 Diagram of flue gas purification and separation process

P2G技術(shù)日益成熟，其變換過程如圖2所示，重點環(huán)節(jié)為電解水和甲烷化。垃圾焚燒電廠排放的CO2作為P2G的碳原料，P2G生產(chǎn)的CH4則作為輔助燃料。其生成物互為原料在一定程度上降低了輔助燃料的原料成本和碳排放的懲罰成本，并促進(jìn)了碳的循環(huán)利用。

圖2 P2G變換過程Fig. 2 Flow chart of power to gas conversion

1.2 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G

垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。垃圾焚燒電廠產(chǎn)生的煙氣經(jīng)凈化處理并分離得到CO2，隨后在P2G設(shè)備中與電解水產(chǎn)生的H2生成CH4，作為焚燒過程的輔助燃料。其優(yōu)點在于：一是凈化后的煙氣成分簡單（主要為O2、N2和CO2），且CO2所占比例較低，分離相對容易，能耗較低；二是P2G生成的CH4可直接作輔助燃料使用，減少天然氣的購買成本，實現(xiàn)碳循環(huán)利用。

圖3 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 3 System diagram of waste incineration power plant-flue gas treatment-P2G

1.3 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G碳循環(huán)

垃圾焚燒電廠煙氣凈化后所含的CO2為P2G過程提供了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的碳原料，且合成的CH4可以直接供給垃圾焚燒電廠用作輔助燃料，從而實現(xiàn)了垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G的碳循環(huán)，其碳循環(huán)框架如圖4所示。

圖4 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G碳流動Fig. 4 Waste incineration power plant-flue gas treatment-P2G carbon flow diagram

其中VS為垃圾焚燒電廠排放的煙氣中所含CO2的體積，由于煙氣中混雜了有害氣體，為使有害氣體達(dá)標(biāo)排放，需將排放的煙氣全部吸收進(jìn)行凈化處理；VC為分離出并供給P2G做原料CO2的體積；VS?VC為未被完全分離且排放至大氣CO2的體積，VCH4為P2G產(chǎn)生的CH4的體積。

2 煙氣處理及P2G能耗

2.1 煙氣處理能耗函數(shù)

2.2 P2G過程能耗函數(shù)

3 垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.2 約束條件

4 算例分析

4.1 算例仿真情景設(shè)定

設(shè)定垃圾焚燒電廠2種運行模式：(1) 僅含煙氣凈化處理常規(guī)運行模式；(2) 煙氣處理增設(shè)分離裝置并與P2G協(xié)同運行模式。

4.2 系統(tǒng)參數(shù)

選取某地垃圾焚燒電廠為例，煙氣處理增設(shè)分離裝置并與P2G協(xié)同運行。其中，垃圾焚燒電廠的總裝機容量為100 MW，日總發(fā)電量為2000 MW·h，最大出力為100 MW，最小出力為60 MW，該地區(qū)的24 h電價如圖5示。

圖5 24小時電價曲線Fig. 5 24-hour tariff curve

4.3 算例仿真結(jié)果及分析

為驗證所提模型的有效性及合理性，采用Matlab中的Yalmip求解器進(jìn)行編程仿真計算，得到垃圾焚燒電廠在2種場景下運行的部分優(yōu)化結(jié)果如圖6～11所示，垃圾焚燒電廠在2種情況下的凈收益、售電收益、輔助燃料成本、碳排放成本、煙氣處理及P2G運行成本如表1所示。

圖6 不同場景下垃圾焚燒電廠設(shè)備能耗Fig. 6 Energy consumption of waste incineration power plant equipment in different scenarios

圖7 不同場景下垃圾焚燒電廠總出力及凈出力Fig. 7 Total output and net output of waste incineration power plant in different scenarios

圖8 不同場景下CO2排放量Fig. 8 Carbon dioxide emissions in different scenarios

圖9 不同場景垃圾焚燒電廠所需的CH4及P2G生產(chǎn)的CH4Fig. 9 The amount of methane required by waste incineration power plants under different scenarios and the amount of methane produced from power to gas

圖10 場景Ⅱ儲氣裝置儲氣量Fig. 10 Gas storage capacity of scene Ⅱ gas storage device

圖11 場景Ⅱ煙氣管道通流量Fig. 11 Scene Ⅱ flue gas pipeline flow

表1 不同場景優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results of different scenarios萬元

由圖6及圖7可知，由于煙氣凈化處理、煙氣分離處理及P2G具有極強的耦合關(guān)系，場景Ⅱ中三者的運行能耗曲線變化基本一致；場景Ⅰ與場景Ⅱ中垃圾焚燒電廠總出力曲線變化規(guī)律有所差異，但受日供定量燃料約束限制，兩場景總出力大小一致，由于場景Ⅰ不含煙氣分離處理及P2G，因此垃圾焚燒電廠凈出力更大，售電收益更高。

由圖8及圖9可知，場景Ⅱ在增加煙氣分離處理與P2G協(xié)同運行后，碳排放量明顯減少，圖8中陰影部分為減少的碳排放量，碳排放成本顯著降低；場景Ⅰ與場景Ⅱ中垃圾焚燒電廠所需CH4曲線變化有所差異，但受日供定量燃料約束，兩種場景所需CH4總量一致；由于場景Ⅱ有P2G設(shè)備生產(chǎn)CH4，可補充一定的輔助燃料，圖9中陰影部分為減少的CH4購買量，可有效降低輔助燃料成本。

場景Ⅱ下新增裝置容量如圖10、圖11所示。結(jié)合圖6、圖7可知，在場景II中白天電價相對較高時段，為減少煙氣處理及P2G運行能耗，廠內(nèi)設(shè)備處于低能耗運行狀態(tài)，同時為了增加售電收益，垃圾焚燒電廠處于高發(fā)電狀態(tài)，因此有富余的煙氣量，此時儲氣裝置儲氣量不斷升高；在夜間及中午電價相對較低時段，廠內(nèi)煙氣處理及P2G處于高能耗運行狀態(tài)，需要較多的煙氣量，而此時受日供定量燃料約束，垃圾焚燒電廠處于低發(fā)電狀態(tài)，僅產(chǎn)生少量的煙氣，因此儲氣裝置儲氣量不斷減少，補充煙氣處理所需的煙氣量。

由表1可知，場景Ⅱ因增設(shè)了煙氣分離處理及P2G，煙氣處理及P2G能耗較場景Ⅰ增加，且間接導(dǎo)致售電收益有所減少，但是由于可將分離出的CO2轉(zhuǎn)換為CH4，一定程度上減少了CO2的排放及輔助燃料的購買，使得垃圾焚燒電廠總體凈收益增加。

5 結(jié)論

針對垃圾焚燒電廠輔助燃料購買及碳排放問題，本文建立了垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模型，將垃圾焚燒電廠排放的CO2轉(zhuǎn)換為CH4作輔助燃料，實現(xiàn)碳循環(huán)利用。

垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G系統(tǒng)中，增加了垃圾焚燒電廠的輔助燃料供應(yīng)途徑，降低了輔助燃料購買成本；增強了碳利用的減排途徑，減少了碳排放，在一定程度上使垃圾焚燒電廠廠內(nèi)運行更經(jīng)濟(jì)更低碳。

隨著P2G日益成熟和成本逐漸降低、碳交易市場完善和碳排放交易成本逐步增加，垃圾焚燒電廠-煙氣處理-P2G協(xié)調(diào)優(yōu)化運行研究更有意義。P2G與煙氣處理協(xié)同運行的配合水平及模型精細(xì)化處理等對系統(tǒng)運行的影響還有待進(jìn)一步研究。