“雙碳”背景下港區(qū)能源中心技術(shù)路線研究*

厲 溟

（大連港油品碼頭公司，遼寧 大連 116601）

國(guó)家發(fā)改委等十部門發(fā)布《“十四五”全國(guó)清潔生產(chǎn)推行方案》，提出“加大清潔能源推廣應(yīng)用，提高工業(yè)領(lǐng)域非化石能源利用比重。對(duì)以煤炭、石油焦、重油、渣油、蘭炭等為燃料的工業(yè)爐窯、自備燃煤電廠及燃煤鍋爐，積極推進(jìn)清潔低碳能源、工業(yè)余熱等替代。因地制宜推行熱電聯(lián)產(chǎn)‘一區(qū)一熱源’等園區(qū)集中供能模式，替代小散工業(yè)燃煤鍋爐，減少煤炭用量，實(shí)現(xiàn)大氣污染和二氧化碳排放源頭削減”。“雙碳”目標(biāo)已升級(jí)為國(guó)家戰(zhàn)略。到2030年，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005年下降65%以上。交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)家節(jié)能減排的三大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，在生態(tài)文明建設(shè)中肩負(fù)著重要責(zé)任。港口作為綜合交通運(yùn)輸樞紐，其綠色發(fā)展對(duì)于支撐交通行業(yè)綠色發(fā)展有著重要意義。2019年，《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》和《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導(dǎo)意見》發(fā)布，為交通綠色發(fā)展和綠色港口發(fā)展指明了方向；2020年，中共中央關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的設(shè)定對(duì)港口低碳發(fā)展提出了更高要求[1]。綠色港口建設(shè)已成為推進(jìn)港口進(jìn)入世界一流行列、港口高質(zhì)量發(fā)展、提升港口競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵行動(dòng)。

Y公司CO2排放的主要來(lái)源是燃煤鍋爐房，其主要功能是為區(qū)域日生產(chǎn)供應(yīng)蒸汽及冬季生活供暖。在周邊熱源相對(duì)固定、遠(yuǎn)期集中熱源規(guī)劃不明的前提下，為保證港區(qū)用能安全，本文提出能源中心概念，替代原有燃煤熱源。

1 港區(qū)熱源現(xiàn)狀

1.1 燃煤鍋爐房

燃煤鍋爐房總占地面積22 855 m2，總建筑面積11 016.34 m2，共分兩期建設(shè)。一期工程主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺(tái)10 t/h蒸汽鍋爐（已停用）、1臺(tái)14 MW熱水鍋爐、60 m高煙囪以及鍋爐主廠房、風(fēng)機(jī)房、煤倉(cāng)、渣倉(cāng)等；二期工程主要建設(shè)內(nèi)容包括2臺(tái)20 t/h蒸汽鍋爐、2臺(tái)35t/h蒸汽鍋爐，于2006年12月投產(chǎn)使用。燃煤鍋爐房環(huán)保設(shè)施主要包括布袋除塵設(shè)備、雙堿法脫硫塔、PNCR脫硝設(shè)備、防風(fēng)抑塵網(wǎng)等。

鍋爐房職工人數(shù)90人，司爐、除渣、電氣、輸煤等班組實(shí)行四班二轉(zhuǎn)運(yùn)制，管理及其他人員實(shí)行正常工作班制，每班工作均為8 h，全年生產(chǎn)365 d。油化品港區(qū)管線伴熱、儲(chǔ)罐維溫加熱以及遠(yuǎn)端區(qū)域廠房、辦公樓采暖功能，是L集團(tuán)在該地域唯一自有熱源支撐點(diǎn)。

1.2 電廠供熱管線

電廠供熱管線從大孤山區(qū)域遠(yuǎn)端電廠敷設(shè)一條DN600蒸汽管線至Y公司罐區(qū)，經(jīng)分氣室減溫、減壓后供燃煤鍋爐房原有DN500蒸汽管線聯(lián)網(wǎng)區(qū)域使用。管線供汽約150 t/h，介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，出口壓力P=0.9 MPa，設(shè)計(jì)溫度T=265℃，總長(zhǎng)度約7.1 km，整個(gè)管線于2009年12月正式投產(chǎn)。

1.3 熱源存在的問(wèn)題

設(shè)備老化及維修費(fèi)用逐年上升。燃煤鍋爐自2006年使用至今，主機(jī)和輔助設(shè)備進(jìn)入故障多發(fā)期，鍋爐房系統(tǒng)的完好率和可靠性逐年下降。每噸蒸汽維修成本達(dá)到了9.67元，在其總成本中占比達(dá)到3.3%，且呈逐年上升趨勢(shì)；電廠供熱管線運(yùn)行近13年，因與周邊單位存在溝通協(xié)調(diào)問(wèn)題，管線本身的維修保養(yǎng)工作開展困難，供氣量維持在35 t/h以內(nèi)，僅為設(shè)計(jì)能力的1/5。

人工成本較高。自2020年以來(lái)煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)上漲，實(shí)際價(jià)格已超1 500元/t，遠(yuǎn)超過(guò)往年同期水平。經(jīng)測(cè)算，人工成本在總成本中的占比較高，可達(dá)50～60元/t，高于同等規(guī)模燃?xì)忮仩t房蒸汽27元/t的人工成本。

環(huán)保壓力較大。隨著國(guó)家環(huán)保政策的日益嚴(yán)苛，對(duì)燃煤鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越高。現(xiàn)有鍋爐雖經(jīng)多次環(huán)保設(shè)施的升級(jí)改造，但受制于場(chǎng)地空間有限等因素，已無(wú)法再安裝新的環(huán)保設(shè)備，目前既有環(huán)保治理系統(tǒng)難以達(dá)到比煙氣特殊排放限值要求更高的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。因此不排除數(shù)年之后，鍋爐房面臨關(guān)?；蚶U納巨額罰款的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

與實(shí)施“雙碳”目標(biāo)相悖。燃煤鍋爐碳排放量巨大，根據(jù)國(guó)家“3060”雙碳目標(biāo)，減少CO2排放已是大勢(shì)所趨。未來(lái)企業(yè)生產(chǎn)碳排放量將直接與企業(yè)利益掛鉤，減排任務(wù)艱巨。

2 能源中心配置策略及技術(shù)路線

綜合區(qū)域能源結(jié)構(gòu)，最終考慮采用天然氣作為主要能源。天然氣具有低碳、清潔、高效、靈活、相對(duì)易儲(chǔ)的特性，其“清潔低碳”特性決定“燃煤替代”，“靈活易儲(chǔ)”決定“與新能源融合”，可實(shí)現(xiàn)以日、月、年為周期的存儲(chǔ)，在1 h內(nèi)從啟動(dòng)到完全運(yùn)行，同等產(chǎn)出下與煤炭相比減碳50%左右，熱效率高10%～20%，CO2和粉塵減排100%，氮氧化物減排50%～80%。

2.1 中期燃?xì)忮仩t供能系統(tǒng)

2.1.1 主蒸汽鍋爐配置原則

燃?xì)忮仩t總裝機(jī)規(guī)模以近3年實(shí)際用氣規(guī)模為依據(jù)，并略大于實(shí)際用氣規(guī)模，裝機(jī)設(shè)備負(fù)荷可隨氣溫變化靈活調(diào)節(jié)的同時(shí)保證極寒天氣下港口供熱的安全。燃?xì)忮仩t宜采用臥式多級(jí)壓力蒸汽系統(tǒng)，降低排煙溫度，提高廢熱利用率，臺(tái)數(shù)及容量參數(shù)根據(jù)油品碼頭蒸汽負(fù)荷季節(jié)波動(dòng)情況綜合確定，采用一級(jí)連續(xù)排污擴(kuò)容系統(tǒng)，系統(tǒng)有切換至定期排污擴(kuò)容器的旁路。

2.1.2 調(diào)峰設(shè)備選型原則

調(diào)峰鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行下蒸汽供應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定，供熱介質(zhì)及參數(shù)與主蒸汽鍋爐保持一致，臺(tái)數(shù)不超過(guò)兩臺(tái)，采用新建以燃?xì)忮仩t為蒸汽生產(chǎn)熱源的能源中心替代燃煤鍋爐房和電廠外購(gòu)蒸汽。

2.1.3 燃?xì)忮仩t臺(tái)數(shù)和容量確定原則

根據(jù)廠區(qū)情況，選用的燃?xì)忮仩t容量以及臺(tái)數(shù)按照所有運(yùn)行的鍋爐在額定最大工況下，可滿足廠區(qū)最大供熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)兼顧最高及最低負(fù)荷情況，同時(shí)鍋爐臺(tái)數(shù)、額定出力情況和其他輔機(jī)的性能有效適應(yīng)廠區(qū)用氣負(fù)荷變化，尤其重要的是應(yīng)兼顧夏季低負(fù)荷波谷期鍋爐機(jī)組的運(yùn)行要求。要求燃?xì)忮仩t運(yùn)行中最低效率不低于30%，且不能長(zhǎng)期以低于60%的負(fù)荷運(yùn)行[3]。

鍋爐系統(tǒng)的布置按以下原則進(jìn)行：選用不同額定蒸發(fā)量的鍋爐機(jī)組不宜超過(guò)兩種。綜合考慮廠區(qū)情況并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用兩臺(tái)主鍋爐作為持續(xù)供汽用，一臺(tái)調(diào)峰鍋爐在故障或調(diào)峰時(shí)使用，當(dāng)其中一臺(tái)主鍋爐發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)主鍋爐及調(diào)峰鍋爐能滿足生產(chǎn)用氣最低熱負(fù)荷量。鍋爐機(jī)組采用全自動(dòng)可調(diào)節(jié)鍋爐，燃燒器采用自動(dòng)比例調(diào)節(jié)方式，并具有同時(shí)調(diào)節(jié)燃?xì)饬亢腿紵諝饬康墓δ?。如后續(xù)因應(yīng)急油種或燃?xì)饬孔兓瘜?dǎo)致總用氣負(fù)荷量增加時(shí)，也應(yīng)考慮在新建鍋爐房預(yù)留位置新增鍋爐，新舊鍋爐采取并聯(lián)形式使用，保持系統(tǒng)一致。

2.2 遠(yuǎn)期燃?xì)廨啓C(jī)供能系統(tǒng)

遠(yuǎn)期采用燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐組合，一對(duì)一替換中期建設(shè)的40 t燃?xì)忮仩t，保留10 t調(diào)峰鍋爐，組成新的供汽和發(fā)電相結(jié)合的能源供應(yīng)體系。

2.2.1 技術(shù)原則

能源中心設(shè)置嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程，力求負(fù)荷與布局合理，采取可靠、合理的流程，達(dá)到節(jié)約能源、節(jié)省投資、節(jié)約占地的目的，設(shè)計(jì)中選用運(yùn)行可靠的節(jié)能產(chǎn)品，采用先進(jìn)技術(shù)，氣候補(bǔ)償系統(tǒng)、設(shè)備變頻、低氮燃燒、煙氣冷凝器、分時(shí)供熱、鍋爐群控等節(jié)能技術(shù)。能源中心按具有先進(jìn)水平設(shè)計(jì)，方便運(yùn)行管理和維護(hù)，保證較高的供熱質(zhì)量，采取有關(guān)環(huán)保措施，使煙塵排放、噪聲等達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 供能技術(shù)方式

燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)和排氣余熱回收系統(tǒng)組成，排氣余熱以蒸汽形式回收利用，其系統(tǒng)特點(diǎn)如下。

排氣余熱可以生產(chǎn)高參數(shù)的蒸汽，為區(qū)域提供生產(chǎn)工藝用汽，經(jīng)濟(jì)性較高，尤其采用供熱型燃?xì)廨啓C(jī)，可以根據(jù)生產(chǎn)用汽和用電需求調(diào)節(jié)負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在無(wú)外界電源的情況下可以快速啟動(dòng)和加載，適合作為緊急備用電源和電網(wǎng)中尖峰負(fù)荷的調(diào)峰電源，能較好地保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，其運(yùn)行噪聲屬于高頻噪聲，較為容易采取防噪防振動(dòng)措施。運(yùn)行成本、日常維護(hù)費(fèi)用較燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組低，余熱排放集中，氮氧化物含量較低。

燃?xì)廨啓C(jī)分布式系統(tǒng)可以采用雙燃料，當(dāng)天然氣壓力參數(shù)降低至允許值以下時(shí)，機(jī)組自動(dòng)切換至其他備用燃料（LNG、柴油、重油等）運(yùn)行模式，正常運(yùn)行時(shí)也可手動(dòng)切換至其他燃料模式，主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕。重型燃?xì)廨啓C(jī)單位功率的質(zhì)量為2～5 kg/kW，航改機(jī)單位功率質(zhì)量一般小于2 kg/kW，功率范圍廣，種類齊全，負(fù)荷適應(yīng)范圍廣，但在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，效率下降幅度較大，出力隨環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度升高，燃?xì)廨啓C(jī)出力下降。供能系統(tǒng)見圖1。

圖1 供能系統(tǒng)

2.2.3 補(bǔ)燃型余熱鍋爐

余熱鍋爐又被稱為熱回收蒸汽發(fā)生器，是指回收利用各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的廢氣顯熱的裝置。對(duì)于分布式供能站配套的原動(dòng)機(jī)，做功后排出的煙氣具有較高的溫度，在400℃～600℃，可以充分利用這部分熱量生產(chǎn)蒸汽，提高整體熱效率。一般情況下原動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)排煙中含14%～18%的O2，可以在余熱鍋爐安裝補(bǔ)燃燃燒器，補(bǔ)充天然氣進(jìn)行燃燒，提高煙氣溫度，從而相應(yīng)提高蒸汽參數(shù)和產(chǎn)汽量，改善機(jī)組變工況特性的同時(shí)滿足工藝用汽需求。

3 碳減排及煙氣污染防治

3.1 CO2減排

3.1.1 中期燃?xì)忮仩t功能系統(tǒng)

依據(jù)L集團(tuán)“十三五”期間CO2排放計(jì)算公式，CO2排放量（t）=原煤質(zhì)量（實(shí)物量，t）×2.493+液化天然氣體積（m3）/1 000×2.75，根據(jù)燃煤鍋爐房燃煤耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，2020年全年總耗煤量為40 316.5 t，改造后燃?xì)忮仩t全年耗氣量1 022萬(wàn)m3，通過(guò)以上公式計(jì)算可知：改造前，CO2排放量=40 316.5×2.493 t=100 509.034 5 t。改造后，CO2排放量=1 022×104/1 000×2.75 t=28 105 t。CO2減排量為71 404 t。

3.1.2 遠(yuǎn)期燃?xì)廨啓C(jī)供能系統(tǒng)

僅考慮燃料消耗的減排量：改造前，CO2排放量=40 316.5×2.493 t=100 509.034 5 t。改造后，CO2排放量=1 440×104/1 000×2.75 t=39 600 t。CO2減排量為60 909 t。

考慮發(fā)電產(chǎn)出的減排量：根據(jù)近3年用蒸汽量，全部采用燃?xì)廨啓C(jī)+余熱鍋爐+燃?xì)庹{(diào)峰鍋爐的方式，生產(chǎn)蒸汽的同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)3年平均發(fā)電量為4 880.19萬(wàn)kWh。按照2020年全國(guó)燃煤電廠平均1 kWh發(fā)電耗標(biāo)煤量為0.308 kg，發(fā)電總耗標(biāo)煤量=燃?xì)廨啓C(jī)3年平均發(fā)電量×0.308 t=4 880.19×104×0.308 t=15 030.99 t。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委有關(guān)火電廠耗煤發(fā)電數(shù)據(jù)，工業(yè)鍋爐每燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生CO22 620 kg，根據(jù)中國(guó)碳排放交易網(wǎng)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)為0.682，計(jì)算可得：CO2排放量（t）=總發(fā)電折算標(biāo)煤量×2.62 t=15 030.99×2.62 t=39 381.19 t。綜上，如果考慮將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量全部消納，可以減少CO2排放量（60 909+39 381.19）t=100 290.19 t。

3.2 煙氣污染物減排

天然氣的主要成分為CH4，其燃燒產(chǎn)物主要為CO2和H2O。由于天然氣中S元素含量極少，因此煙氣中基本檢測(cè)不到SO2，SO2排放濃度低于規(guī)范要求的排放濃度；天然氣完全燃燒后的煙氣中只有少量的煙塵，其排放濃度亦低于最高允許排放濃度；天然氣燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量NOx，采用超低氮燃燒器可減少NOx產(chǎn)生量，使其排放濃度低于最高允許排放濃度。根據(jù)改造后的節(jié)約標(biāo)煤量計(jì)算得到，可減少SO2排放106 t，減少NOx排放92.3 t，減少煙塵排放3.74 t。

4 結(jié)論

能源中心以天然氣供熱為主要供能形式，中期采用燃?xì)忮仩t替代燃煤鍋爐，遠(yuǎn)期遵循“以熱定電”的供能原則，采用燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)工藝，排氣余熱生產(chǎn)高參數(shù)的蒸汽，為區(qū)域生產(chǎn)提供清潔用汽，使得油品港區(qū)碳排放量、污染物排放量大幅降低，中期方案供應(yīng)整個(gè)港區(qū)蒸汽和采暖負(fù)荷，遠(yuǎn)期方案同時(shí)滿足整個(gè)港區(qū)用電需求，節(jié)省了電力采購(gòu)和外購(gòu)蒸汽的費(fèi)用，人工成本和鍋爐煙氣處理成本也大為下降，在打造綠色低碳港口的同時(shí)保證了區(qū)域主要生產(chǎn)功能不受影響，同時(shí)燃煤鍋爐房與電廠供熱管線設(shè)備設(shè)施保留，與能源中心形成互為備用狀態(tài)，確保區(qū)域能源安全。