移動(dòng)儲(chǔ)能供熱在垃圾填埋沼氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組余熱利用中的研究

程鵬然

（河南百川暢銀環(huán)保能源股份有限公司，河南 鄭州 450003）

1 垃圾填埋沼氣發(fā)電技術(shù)及其余熱資源分析

1.1 垃圾填埋沼氣發(fā)電系統(tǒng)

城市生活垃圾包括居民家庭垃圾、道路清掃垃圾、商業(yè)營業(yè)垃圾、企事業(yè)單位垃圾、露天公共場(chǎng)所垃圾，還有一部分工業(yè)垃圾和建筑垃圾混雜其中。因此，投入垃圾填埋場(chǎng)的垃圾中含有相當(dāng)豐富的有機(jī)物。有機(jī)物經(jīng)各種微生物分解后產(chǎn)生沼氣，其中甲烷含量為45%～65%，二氧化碳含量為25%～35%，氮?dú)庋鯕夂繛?0%～20%［1］。垃圾填埋沼氣的熱值一般在18～24 MJ/m3，相當(dāng)于天然氣熱值的一半，垃圾填埋約3個(gè)月后就會(huì)產(chǎn)生沼氣，隨著時(shí)間的推移，垃圾填埋堆體內(nèi)的沼氣甲烷濃度會(huì)越來越高，若不妥善處理嚴(yán)重的可引起爆炸。因此，垃圾填埋沼氣的收集處理很重要。

沼氣收集系統(tǒng)主要是通過在垃圾填埋堆體中設(shè)置豎直和水平的氣體收集井和集氣管道，通過壓差作用將沼氣收集引出送到沼氣處理系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)資源利用，一般以發(fā)電為主［2］。

1.2 垃圾填埋沼氣產(chǎn)出量

垃圾填埋場(chǎng)填埋沼氣的產(chǎn)出量與填埋場(chǎng)的垃圾填埋量、有機(jī)質(zhì)含量、水分、濕度、填埋方式等都有關(guān)系。以河南新安縣鑫安垃圾填埋場(chǎng)為例，根據(jù)相關(guān)部門查閱數(shù)據(jù)得知，該垃圾填埋場(chǎng)日填埋垃圾量約200 t，預(yù)計(jì)到2029年填埋場(chǎng)滿容達(dá)到封場(chǎng)條件。

對(duì)填埋沼氣的產(chǎn)氣量的計(jì)算，需要結(jié)合垃圾的填埋方式、覆蓋情況、壓實(shí)度、雨水和滲濾液的導(dǎo)排情況、已填埋垃圾深度、收集系統(tǒng)的面積覆蓋率等因素，確定不同時(shí)期垃圾填埋氣的收集率。一般情況下，填埋氣收集率取值為70%。經(jīng)過模型計(jì)算，河南新安縣鑫安垃圾填埋場(chǎng)填埋沼氣產(chǎn)量約600 m3/h。

1.3 垃圾填埋沼氣發(fā)電裝機(jī)容量

目前廣泛使用的沼氣發(fā)電機(jī)組設(shè)備為活塞式引擎機(jī)組（內(nèi)燃機(jī)組），具有投資成本低、發(fā)電效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、易拆遷等特點(diǎn)。按照600 m3/h的沼氣產(chǎn)量、甲烷含量50%、熱值17 MJ、發(fā)電效率40%計(jì)算，適合配套額定發(fā)電功功率為1 000 kW的發(fā)電機(jī)組［3］。

1.4 垃圾填埋沼氣發(fā)電機(jī)組余熱資源

沼氣發(fā)電機(jī)組的余熱分為兩部分：一是高溫?zé)煔馀懦龅挠酂?，排煙溫度?50～550 ℃；二是發(fā)電機(jī)組自身冷卻的熱量，以缸套冷卻水和中冷器冷卻水熱量為主，冷卻水溫度在80 ℃左右。1 000 kW顏巴赫內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)見表1。

表1 1 000 kW顏巴赫內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)表

2 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱技術(shù)方案

移動(dòng)儲(chǔ)能供熱是一種新型的余熱利用與集約化供熱模式，不同于傳統(tǒng)的管道供熱模式，是熱量輸送技術(shù)的一次革命性突破。移動(dòng)儲(chǔ)能供熱主要由儲(chǔ)熱元件、控制部件及充/放熱管道、運(yùn)輸車輛等部分組成，以高性能蓄熱材料和蓄熱元件為核心，可將電力、鋼鐵、冶煉等高耗能行業(yè)的工業(yè)余熱回收儲(chǔ)存，并利用牽引設(shè)備運(yùn)輸?shù)郊徔棥⒅扑?、學(xué)校、酒店、居民小區(qū)等用熱客戶處，提供熱水及供暖。

移動(dòng)儲(chǔ)能供熱雖然是一種新型的供熱手段，但是與傳統(tǒng)管道供熱相同的是具有供熱系統(tǒng)的三大組成部分，即熱源、熱網(wǎng)、熱用戶［4］。

設(shè)計(jì)移動(dòng)儲(chǔ)能供熱技術(shù)方案時(shí)，需要考慮熱源、熱網(wǎng)、熱用戶三者之間的制約性與協(xié)調(diào)性，除了要核算熱源的熱量輸出能力，還要核算熱用戶的熱量消納能力，其間需要根據(jù)儲(chǔ)能車的蓄熱能力、物流運(yùn)輸能力做出規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2.1 1 MW填埋氣發(fā)電機(jī)組供熱能力及換熱器選型設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組參數(shù)可知，發(fā)電機(jī)組的余熱分為兩個(gè)部分，其中煙氣余熱排煙溫度為460 ℃，排煙量為 5 758 kg/h。

利用煙氣換熱器（余熱鍋爐）將煙氣余熱進(jìn)行回收利用，設(shè)定高溫?zé)煔饨?jīng)過換熱器后降至185 ℃，換熱效率為90%。

煙氣換熱器（余熱鍋爐）選型為耐高溫釬焊熱管式，以耐高溫釬焊熱管作為換熱元件，煙氣的熱量通過擴(kuò)大受熱面積的熱管段傳遞給帶有壓力汽包中的介質(zhì)。加熱介質(zhì)采用自然循環(huán)的形式，把水變?yōu)轱柡驼羝?。通過水位控制器控制蒸汽空間，提高飽和蒸汽的質(zhì)量，當(dāng)水位達(dá)到低水位時(shí)，控制柜將信號(hào)傳遞到給水泵，水泵開啟送水直到水位達(dá)到高水位止，如此循環(huán)往復(fù)。

1 MW機(jī)組煙氣余熱可利用熱能：

公式（1）中，Q為換熱器可利用換熱量；Vm為排煙質(zhì)量流量；Cpy為煙氣平均定壓比熱容，取 1.12 kJ/（kg·K） ；Δt為煙氣溫差；η為換熱效率。通過煙氣換熱裝置換熱后產(chǎn)生的蒸汽為0.6 MPa飽和蒸汽，其熱焓為 2 756.88 kJ/kg。

第一類，進(jìn)入涌流的前提（Proximal conditions）：挑戰(zhàn)性-技巧平衡（CS）、清晰的目標(biāo)（CG）和明確的反饋(UF)。即當(dāng)這三個(gè)條件滿足之后，涌流體驗(yàn)產(chǎn)生。

利用機(jī)組缸套冷卻水（軟化處理）作為煙氣換熱器進(jìn)水，進(jìn)水溫度為80 ℃，則可產(chǎn)蒸汽量：

2.2 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車

相變儲(chǔ)熱技術(shù)是基于相變材料在相變過程中吸收和釋放熱量以達(dá)到儲(chǔ)/放熱的目的。相變儲(chǔ)熱的儲(chǔ)能密度較高，系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，相變過程接近恒溫。

目前，比較適合用于供熱的相變儲(chǔ)熱材料主要有己二酸、赤蘚糖醇、甘露糖醇、58.1% LiNO3/ KCl、87% LiNO3/NaCl及其復(fù)合相變材料等，由于己二酸有一定毒性和腐蝕性，所以不適用于移動(dòng)供熱領(lǐng)域；甘露糖醇雖然具有很高的相變潛熱，但是其過冷度可達(dá)100 ℃，如果不進(jìn)行改性則很難應(yīng)用；混合鹽又具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)儲(chǔ)熱容器和換熱設(shè)備材質(zhì)具有較高的要求，且成本較高。因此，本方案蓄熱裝置選用的相變材料為赤蘚糖醇。

蓄熱器是進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存和利用的關(guān)鍵設(shè)備，一般的蓄熱器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)冷源和熱源介質(zhì)設(shè)計(jì)不同的通道結(jié)構(gòu)，以管殼式居多。蓄熱時(shí)熱流體在管側(cè)或殼側(cè)流動(dòng)通過換熱管壁與相變材料進(jìn)行換熱，相變材料由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，儲(chǔ)存熱量。放熱過程則是冷流體通過換熱管壁與相變材料進(jìn)行換熱，帶走熱量，相變材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。因此，換熱器的換熱面積直接影響蓄熱器換熱效率，增加翅片是拓展換熱面積的有效方法［5］。

本方案的移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車蓄熱器是將相變材料封裝在換熱器熱管中，熱管為封閉式熱管，管中裝有赤蘚糖醇材料，熱管外壁布滿翅片，管外殼側(cè)則預(yù)先通入一定量的水，通過直接向殼側(cè)預(yù)存的水中通入高溫蒸汽，蒸汽的熱量被水吸收，水溫上升至相變溫度后傳熱給相變材料進(jìn)行吸熱蓄熱，待相變材料和預(yù)充水溫度上升至和通入蒸汽溫度一致時(shí)，停止充熱，此時(shí)相變材料吸熱后轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通入的高溫蒸汽釋放熱量后冷凝為水與預(yù)充水一同存儲(chǔ)在蓄熱器中。對(duì)外供熱時(shí)，打開放熱管道閥門，將殼側(cè)的熱水引出直接供熱給熱用戶或者與熱用戶進(jìn)行交換供熱，當(dāng)殼側(cè)水溫度降至相變材料相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生相變由液態(tài)變化為固態(tài)，持續(xù)釋放熱量，保證熱量的持續(xù)對(duì)外輸出。

取熱充熱系統(tǒng)主要由余熱鍋爐、汽包、蓄熱器組成，給水是機(jī)組的缸套冷卻水。煙氣在余熱鍋爐中與水進(jìn)行換熱，在汽包產(chǎn)生蒸汽后進(jìn)入蓄熱器中，將殼側(cè)的預(yù)充水進(jìn)行加熱，水溫上升后與管程中封裝的相變材料進(jìn)行熱量傳遞，相變材料由固態(tài)變化為液態(tài)吸收水側(cè)的熱量。

受車載負(fù)荷的限制，移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車總重量不應(yīng)超過 40 t（上路限重 49 t，牽引車頭自重約 9 t），蓄熱器尺寸考慮設(shè)計(jì)為1 219 cm（40英尺）標(biāo)準(zhǔn)集裝罐箱形式，由殼體、進(jìn)水管、進(jìn)氣管、供氣管、放水管、排污管、進(jìn)汽支管、擋液板、液位計(jì)、安全閥、人孔、支座及保溫層等組成，整體設(shè)計(jì)容積約30 m3，蓄熱器充裝完成后本體重量預(yù)計(jì) 35 t，最大蒸汽充裝量為 6.2 t，蓄熱量為 17.3 GJ。

2.3 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車的物流配置

移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車的物流配置主要包括車體、蓄熱量及供熱車的數(shù)量的選取。其中對(duì)于移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車本體而言，需保證性能穩(wěn)定、安全的運(yùn)輸，制造及使用手續(xù)辦理需符合相關(guān)國家政策要求，牽引車頭需符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。蓄熱量及供熱車數(shù)量的選取則跟熱源供熱能力及用戶用熱需求相關(guān)。

1 MW機(jī)組的煙氣余熱供應(yīng)能力為0.66 t/h蒸汽，本方案供熱車單車蓄熱量為6.2 t，填埋氣發(fā)電機(jī)組24 h持續(xù)不間斷運(yùn)行，單車充熱時(shí)長為 6.2÷0.66=9.4 h。

因此，為了保證將機(jī)組的煙氣余熱全部被吸收利用，當(dāng)一臺(tái)供熱車完成充熱后，另一臺(tái)供熱車需立刻進(jìn)行不間斷銜接，即對(duì)單項(xiàng)目的要求最少需要兩臺(tái)供熱車。

2.4 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖技術(shù)方案

本方案設(shè)計(jì)的移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車，可以通過車輛蓄熱器后端設(shè)置的管道調(diào)節(jié)裝置控制對(duì)外提供蒸汽或熱水的壓力和溫度，考慮選取的相變蓄熱材料赤蘚糖醇相變溫度為117.7 ℃，最大蒸汽釋放壓力可設(shè)定為 0.15 MPa，可設(shè)定溫度111.38 ℃，如果對(duì)外釋放熱水，則通過外界冷水配比可以持續(xù)對(duì)外輸出80 ℃的熱水，最大可釋放熱水量為57 t。

設(shè)某機(jī)關(guān)大樓供暖需求面積為1萬m2，大樓內(nèi)供暖二次管網(wǎng)及換熱站已安裝完成，依據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《城市供熱規(guī)劃規(guī)范》（GB/T 51074—2015）的規(guī)定，建筑采暖指標(biāo)選取55 W/m2。則該機(jī)關(guān)大樓總的供熱負(fù)荷需求為Q =10 000×55=500 kW/h。

1 MW機(jī)組的煙氣余熱供熱能力為1.6 GJ/h，換算為576 kW/h，考慮移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車運(yùn)輸途中熱損耗及換熱站換熱效率，供熱能力與1萬m2大樓供暖需求基本匹配。

移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖系統(tǒng)和傳統(tǒng)的管道供暖主要的差異在于一次網(wǎng)系統(tǒng)是采用移動(dòng)儲(chǔ)能車完成代替管道進(jìn)行供熱，可以取消一次網(wǎng)系統(tǒng)，直接使用移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車進(jìn)行供熱，供熱車與用戶換熱站通過泵組直接進(jìn)行循環(huán)供熱。該移動(dòng)供暖系統(tǒng)主要由移動(dòng)儲(chǔ)能車、熱水循環(huán)泵、金屬軟管、保溫管道、閥門、儀表傳感器、配電及控制等設(shè)備組成。

本系統(tǒng)工藝流程可概括如下：在填埋氣發(fā)電項(xiàng)目中，傳熱管道將機(jī)組煙氣余熱通過余熱鍋爐傳輸至儲(chǔ)能車；移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車蓄熱充裝完成后再通過公路運(yùn)輸方式，將熱源運(yùn)輸至供暖點(diǎn)；金屬軟管與移動(dòng)儲(chǔ)能車快速鏈接，將移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車中的熱水通過循環(huán)泵泵入用戶換熱站，與用戶采暖二次管網(wǎng)的進(jìn)回水進(jìn)行換熱；將采暖用水進(jìn)行加熱，通過供暖管道送至各采暖室內(nèi)的換熱末端；在室內(nèi)末端熱水與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱，采暖用水降溫后再通過回水管道回至換熱站繼續(xù)換熱。如此往復(fù)循環(huán)。

3 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算

對(duì)第2章節(jié)中某機(jī)關(guān)大樓進(jìn)行移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖，一般集中供暖價(jià)為0.25元/（m2·d），供暖時(shí)長按120 d計(jì)算，則一個(gè)采暖季采用集中供暖方式時(shí)的支出費(fèi)用為0.25×10 000×120=30 萬元。

移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖模式相比傳統(tǒng)的管道集中供暖，使用移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車將熱能從熱源處運(yùn)輸至熱用戶處，通過連接金屬軟管，將熱量從移動(dòng)儲(chǔ)能供熱車釋放給熱用戶使用。項(xiàng)目運(yùn)行過程中主要支出費(fèi)用有供熱車輛設(shè)備折舊、車輛運(yùn)行油耗、駕駛員司機(jī)工資、管理費(fèi)用等，采用移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖方案，總支出見表2［6］。

表2 移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖費(fèi)用支出表

相比集中供暖，移動(dòng)儲(chǔ)能供熱模式熱源處不需要再支付燃料費(fèi)用，人工、油耗、折舊等相比集中供暖費(fèi)用大大降低，每年可節(jié)省的費(fèi)用為30-14.5=15.5萬元。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

垃圾填埋氣發(fā)電余熱綜合利用具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)電機(jī)組的煙氣余熱直接排到大氣中會(huì)造成熱污染，對(duì)該熱量進(jìn)行綜合利用，即能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，又符合減碳減排的國家政策。

4.2 環(huán)境效益

利用移動(dòng)儲(chǔ)能供熱技術(shù)對(duì)垃圾填埋氣發(fā)電機(jī)組的余熱進(jìn)行利用，對(duì)外進(jìn)行供熱供暖，減少了其他熱電機(jī)組的能源消耗，以標(biāo)煤計(jì)算，1 MW機(jī)組的煙氣余熱進(jìn)行供暖，每個(gè)采暖季可節(jié)省標(biāo)煤47.5 t，節(jié)能環(huán)保效益非常顯著。

4.3 社會(huì)效益

隨著國家城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，城市面積越來越大，但集中供熱管網(wǎng)等基礎(chǔ)配套設(shè)施的建設(shè)在有些地區(qū)跟不上城市城鎮(zhèn)化發(fā)展的步伐，一些居民小區(qū)、辦公大樓等因供熱管網(wǎng)的配套缺失，無法實(shí)現(xiàn)冬季采暖，利用移動(dòng)儲(chǔ)能供熱供暖技術(shù)，可以將廢棄余熱進(jìn)行利用，對(duì)集中供熱管網(wǎng)尚未鋪設(shè)到的地區(qū)提供供暖服務(wù)，改善人民的生活水平，提供生活居住的幸福度。