嵌入工業生產的天然氣熱電聯產

陳雨新 楊開宇

(中國電建集團江西省電力建設有限公司，江西 南昌 330001)

目前，我國對天然氣熱電聯產(CHP)或曰天然氣分布式能源(DER)的推進，重點落在了以中小燃氣輪機為核心設備的區域能源供給。而將天然氣CHP應用于工業領域，則很少有能源企業涉及。但根據美國能源部(DOE)2017年披露的信息：在美國，天然氣CHP項目應用于工業領域的總裝機容量數倍于其他領域，平均裝機容量也遠超其他領域，數據詳見表1。

表1 美國天然氣CHP項目在各領域的應用情況

而我國作為全球第一的制造業大國，工業能耗占比全社會總能耗的70%以上，如果大力發展天然氣CHP項目的工業應用，其潛在市場規模應遠超美國。而且，隨著中國電力市場的開放，國內天然氣管網及進口油氣輸送渠道的建設，發展這一應用的外部條件也將會愈加成熟。

關于這一應用，筆者將之細分為兩類。第一類，天然氣CHP系統作為工業用戶的獨立能源站，產出電力和蒸汽，再由企業消納；第二類，天然氣CHP系統產出的電力由企業消納，但由該系統排出的高溫尾氣直接參與工業生產，從而構成嵌入工業生產的天然氣熱電聯產(以下簡稱嵌入式供能)。兩者相比，后者沒有高溫尾氣到蒸汽的轉換損失以及熱網損耗，能效利用水平更高。而適用嵌入模式的工業用戶，其特征也非常鮮明，即在其生產過程中存在大量耗能的干燥工序。如陶瓷、橡膠、食品、制藥等行業廣泛使用噴霧干燥塔制粉，造紙廠高速紙機生產使用楊克汽缸進行烘干，大型車廠對汽車進行高溫烤漆，紡織印染生產也必然存在諸多烘干工序。這些行業都是嵌入式供能的理想應用領域。

關于如何規劃嵌入式供能的具體應用，本文將以陶瓷廠噴霧干燥工序為例，根據干燥用熱需求選擇適合天然氣透平機組，從而構建整體適配的嵌入式供能系統。

1 嵌入噴霧干燥工序的天然氣CHP

噴霧干燥塔是陶瓷廠的核心設備之一，其工作原理如下。

噴霧干燥塔使用450℃～550℃的高溫煙氣作為干燥熱源。含水率為33%～40%的泥漿，由泥漿泵送至塔內霧化器，霧化為50μm～350μm的霧滴群。霧滴群與高溫煙氣進行熱濕交換，脫水后迅速被干燥成含水率5%～6%的空心球狀粉料，在重力作用下由塔底卸出。

當天然氣CHP系統直接與陶瓷噴霧干燥工序結合時，燃氣透平機組排出的高溫尾氣(400℃～550℃)可以直接為噴霧干燥塔所利用，其主要工作流程如下。

2 熱平衡計算

2.1 物料側——塔內物料相關計算

1)干燥塔內的物料平衡計算

M=Mc(1-Dc)/(1-D)

M=Mc+Mz

M--入塔泥漿；D--入塔泥漿含水率；Mc--出塔粉料量；Dc--出塔粉料含水率；Mz--蒸發水量。

2)干燥塔內的需熱量計算

Qin=[M(1-D)×Ct+M×D×CW]×t1，

Qout=[M(1-D)×Ct+Mc×Dc×Cw]×t2，

Qz=Mz×r+Mz(Cz2×T2-Cz1×t1)，

Qx=Qout-Qin+Qz。

Qin--進塔泥漿帶入熱量；Qout--出塔粉料帶出熱量；Qz--水蒸發吸收熱量；Qx--干燥工序總需熱量；t1--入塔泥漿溫度；t2--出塔粉料溫度；T2--出塔煙氣溫度；r--t1時水汽化潛熱；Ct--陶瓷干粉比熱容；Cw--液態水比熱容；Cz1--t1時水蒸汽等壓比熱容；Cz2--T2時水蒸汽等壓比熱容。

筆者調研某陶瓷廠，該廠情況如下。

陶瓷廠使用36000kg/h含水率40%的泥漿為原料，生產含水率6%陶瓷粉料，進料泥漿溫度為20℃，出口陶瓷粉料為50℃，加熱進風溫度為500℃，排氣溫度為90℃。陶瓷干粉比熱容為0.8876kJ/kg·K，液態水比熱容為4.1868 kJ/kg·K。

對該陶瓷廠，關于物料平衡計算，M，D，Dc都是已知，很容易求解出Mc，Mz。對于需熱量計算，t1，t2，Ct，Cw，T2都是已知。r通過查表得知，r為2446.3 kJ/kg。Cz1，Cz2同樣通過查表，然后簡單插值取得，Cz1為1.866 kJ/kg·K，Cz2為1.8905 kJ/kg·K。

最后求得Qx=34.74GJ/h。

2.2 煙氣側——煙氣放熱量計算

對于燃機尾氣放熱的相關計算，如果有Thermoflow-GT PRO軟件，我們可以通過軟件模擬計算，如果沒有該軟件，我們可以通過下列公式簡易測算。

Qex--煙氣放熱量,kJ/h；Wex--煙氣流量，kg/h；Cex--煙氣比熱容，1.1095 kJ/kg·K；Tex--燃氣輪機排煙溫度，℃；Tsink--排氣溫度，即噴霧干燥塔排煙溫度，90℃；

燃氣輪機制造商產品資料見表1。

表1 燃氣輪機制造商資料

將這兩款燃機參數帶入煙氣放熱計算公式，得出T60 燃機煙氣放熱量為35.56GJ/h,SGT-100燃機煙氣放熱量為35.38GJ/h。

2.3 需熱與放熱適配比較

選用T60燃機，Qx/Qex=97.69%；

選用SGT-100燃機，Qx/Qex=98.19%

根據比較，這兩款燃氣輪機滿負荷工況下的煙氣放熱量均能滿足干燥塔設計最大需熱量，且略有富裕。

2.4 綜合能效測算

綜合能效利用率η計算,

E為發電量，ηe為發電效率。

帶入相關參數，無論是選用T60燃機還是選用SGT-100燃機，綜合能效均超過85%。

這說明如果匹配得當，嵌入工業生產的天然氣熱電聯產不光可行，而且高效節能。

3 結 語

目前，中國能源行業正經歷著一場前所未有的變革，向著多元化、清潔化、數字化和市場化的方向轉型。無論是從能源結構調整、經濟轉型的宏觀角度，還是從清潔低碳標準日益提高的用能終端的微觀角度來看，天然氣熱電聯產都是未來能源發展的重要方向，應成為天然氣利用的主要形式之一。

關于如何推進天然氣熱電聯產的實際應用，筆者認為我們可以借鑒發達國家的有益經驗，優先發展天然氣CHP的工業應用，尤其是優先發展嵌入工業生產的天然氣CHP。