煤基分布式能源技術研究與經濟性分析

張 磊，張俊杰，王順森，劉 輝，張東青,石 賾

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

0 引言

近年來，隨著人民生活水平的提高，社會對能源的需求包括熱、電、冷、氣等越來越豐富，且對能源生產消費過程中的大氣污染高度關注，而現有大型能源點的集中供應不能充分滿足能源供應分散、多樣化且經濟環保的迫切要求，分布式能源由此而備受關注[1～5]。當前的分布式能源主要以天然氣為主，而我國的能源稟賦是富煤貧油少氣，隨著技術的不斷進步，以煤為主的煤基分布式能源項目逐漸走進了人們的視野[6-10]，2018年國家能源局發布的《分布式發電管理辦法(征求意見稿)》中提倡發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，可見煤基分布式能源亦獲得了國家政策支持。

本文對煤基分布式能源的概念與核心技術進行闡述，并對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能和環保效果進行對比分析，提出發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，以高效環保鍋爐-高效背壓機為核心(如圖1)，通過熱、電、冷、熱水等多聯供方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在80%以上，并在負荷中心就近實現能源供應的現代能源供應方式。與傳統集中式供能方式相比，煤基分布式能源具有能效高、清潔環保、安全性好、經濟效益好等優點。

圖1 煤基分布式系統示意圖

煤基分布式能源的能耗與排放指標要求如下：

(1)煤基分布式供能站的年均綜合能源利用效率不應小于80%。年均綜合能源利用效率應按下式計算

(1)

式中η——年均綜合能源利用效率/%；

W——年聯供系統凈輸出電量/kWh；

Q1——年有效余熱供熱總量/MJ；

Q2——年有效余熱供冷總量/MJ；

B——年聯供系統燃煤總耗量/t；

QL——燃料低位發熱量/MJ·t-1。

注：調峰設備供熱(冷)量不計入分布式供能站的熱效率計算。

(2)額定工況的基準供熱煤耗不應高于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。供熱煤耗應按下式計算

(2)

式中bRN——額定工況的供熱煤耗/g·MJ-1；

bg——背壓機修正至純冷凝工況的供電煤耗/g·kW·h-1；

w——聯供系統凈輸出電功率/kW；

q1——單位時間有效余熱供熱總量/MJ·h-1；

q2——單位時間有效余熱供冷總量/MJ·h-1；

b——每小時聯供系統燃煤總耗量/g·h-1。

注：煤耗計算采用標煤。

為了便于使用，引入基準供熱煤耗的概念，其計算公式如下

(3)

式中額定供電煤耗取280 g/kWh。該煤耗值反映當前先進超超臨界燃煤發電機組的煤耗水平，以此作為基準供電煤耗，所得基準供熱煤耗與整個分布式供能站的煤耗或能耗水平相對應。

(3)實現污染物超低排放，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

煤基分布式能源有別于其它中小型煤基能源轉換系統的主要特征為高效、環保、靈活(用戶需求高適應性)，基于高效環保鍋爐-高效背壓機的煤基分布式能源核心技術主要包括：高效環保鍋爐技術、高效背壓機技術、先進的系統集成技術、污染物超低排放控制技術等。

2.1 高效環保鍋爐技術

以“低溫低氮燃燒”為核心的成套新型燃煤工業鍋爐系統是煤基分布式能源的核心設備之一，具有燃燒清潔、運行高效、節煤顯著、占地節省、操作簡易、環境友好等特點，符合國家十分緊迫的節能減排形勢和政策導向，是傳統燃煤工業鍋爐的升級換代產品。

現役中小型燃煤鍋爐鍋爐熱效率可達92%，其原始NOx排放濃度已可低于200 mg/Nm3，若燃用優質煤，還可進一步降低至170～180 mg/Nm3。目前，國家重點研發計劃《工業鍋爐節能與清潔燃燒技術》正在進行中，其工業鍋爐研究的目標之一為NOx原始排放低于100 mg/Nm3，配合SCR有望使NOx排放低于20 mg/Nm3。這為發展煤基分布式能源的技術基礎之一。

2.2 高效小型背壓機技術

定制高效小型背壓汽輪機是煤基分布式能源的核心設備之二。以現代先進汽輪機設計、制造技術生產的小型背壓汽輪機，在合理選擇初參數的情況下，其內效率可達到83%～90%。這為發展煤基分布式能源的技術基礎之二。

2.3 先進的系統集成優化設計技術

現代先進系統集成優化設計技術為發展煤基分布式能源所需的另一個核心技術。針對不同項目的用電、用熱、用冷及其它產品的需求，可利用先進的熱力系統集成優化程序，以定制設計的方式確保所設計的煤基能源轉換系統遵循能量梯級利用規律，即完成煤基分布式能源系統集成設計。

2.4 污染物超低排放控制技術

當前，大型燃煤發電機組已經廣泛實現污染物超低排放。而利用這些成熟技術確保燃煤工業鍋爐實現超低排放已無技術和工程方面的障礙。這是發展煤基分布式能源的環保技術基礎。

目前，一方面，燃煤工業鍋爐，特別是煤粉工業鍋爐的低氮高效燃燒技術發展迅速，已將爐內脫硝脫硫技術列為近期研發和應用的重點。爐內環保技術的優勢是有利于以更經濟的方式實現環保目標；另一方面，爐后環保技術也處于快速發展中。半干法脫硫、SO2/NOx中溫協同脫除技術等的研發已取得重大進展；高效除塵技術亦非難題。這些環保技術的進步突破了工業鍋爐實現超低排放的經濟阻礙，為發展煤基分布式能源奠定了環保方面的技術基礎。

3 煤基分布式能源的特點與優勢

本文以SAACKE煤粉鍋爐、天然氣鍋爐、大型電站燃煤鍋爐和TITAN130燃氣輪機等關鍵設備為基礎，建立煤基分布式、天然氣分布式、大型發電燃煤機組、直供鍋爐四種供熱系統，對四種供熱系統的能耗、燃料成本和NOx排放等指標進行對比分析。

本節所用基本參數如下：

天然氣鍋爐熱效率：92%

天然氣價格：2.35元/34 694 kJ

天然氣鍋爐NOx排放：28 mg/Nm3

燃氣輪機循環熱效率：35.7%

燃氣輪機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%

原煤價格：0.76元/22 990 kJ

細煤粉價格(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、細煤粉均參考市場價確定。

3.1 與直供鍋爐的比較

目前，國內大量鄉鎮和城區采用燃煤小鍋爐直接供暖，且普遍未采用環保控制措施，效率低、污染物排放高。鏈條爐熱效率為70%～80%，NOx排放普遍達到1 000 mg/Nm3以上；煤粉爐熱效率約為90%，NOx排放普遍達到600 mg/Nm3以上。局部地區已經開始拆除原有超標排放燃煤鍋爐，采用天然氣鍋爐或高效燃煤鍋爐技術進行替代改造，節能減排效果明顯。研究表明，小鍋爐改造過程中，若能采用高效燃煤鍋爐-背壓機的煤基分布式型式，則節能降耗效果更加明顯。

下面對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)的節能減排效果進行對比分析。高效燃煤鍋爐是指采用先進低氮燃燒技術，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

計算結果如表1所示，現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，均優于直供供熱的鍋爐系統。

表1 煤基分布式與直供鍋爐對比

3.2 與大機組供熱的比較

大型燃煤機組具有能耗低，污染排放易于集中處理等特點，因此，國家鼓勵在有條件的區域采用大型燃煤機組集中供熱。但某些工業用戶的特殊參數要求與汽輪機抽汽參數并不匹配，導致汽輪機只能采用調整抽汽、減溫減壓等方式滿足用戶要求。以惠州電廠330 MW三汽源抽汽機組為例，高壓抽汽為非調整抽汽，中、低壓抽汽為調整抽汽，為了滿足用戶中壓、低壓參數的要求，在汽輪機中壓缸上加裝了座缸閥和旋轉隔板，使得中壓缸節流損失大幅增加，抽汽工況的中壓缸效率相對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，通過中小型鍋爐與背壓機的靈活搭配，可在無需大幅調整抽汽和減溫減壓的條件下，滿足多個熱用戶的參數要求。為了降低上述節流損失，本文搭建了大型燃煤機組三汽源抽汽熱力系統(方案一)和煤基分布式熱力系統(方案二)模型(如圖3)，并計算分析了兩者的能耗和排放指標。如表2所示，在同樣供熱參數的條件下，方案一、方案二中，每對外供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，針對某些調整抽汽和減溫減壓對外供熱的機組，煤基分布式能源在能耗、污染物排放方面亦具有一定的優勢。

圖3 煤基分布式與大機組供熱示意圖

表2 煤基分布式與大機組供熱對比

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，近年得到大力推廣。經研究，基于高效節能環保中小型燃煤鍋爐的煤基分布式能源系統，在能耗與排放方面亦具有一定的優勢。

為了對天然氣分布式與煤基分布式的能耗與排放情況進行對比，本文建立了兩種方案的模型(如圖4)：方案一，燃氣分布式能源系統，即小燃機(TITAN130)-余熱鍋爐對外供熱；方案二，煤基分布式對外供熱，即高效節能環保小型燃煤鍋爐-背壓機對外供熱。由于天然氣分布式與煤基分布式的基準供電煤耗難以統一，本節僅針對總體能耗與排放情況進行對比。計算結果如表3所示，在同樣供熱量的條件下，方案一、方案二的發電量分別為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比

可見，超出傳統觀念對天燃氣分布式的認知，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。此外，天然氣分布式能源發電占比亦偏高，導致國內天然氣資源非常緊張的國情下，冬季天然氣分布式能源發電占比偏高與供熱量難以滿足用戶需求的矛盾愈加突出。

本文亦對燃氣分布式能源系統排放高于煤基分布式的原因進行了分析，其原因主要是：對于燃氣輪機來說，過量空氣系數非常大，如TITAN130燃機的過量空氣系數高達3.6左右，而燃煤鍋爐的過量空氣系數始終保持1.05～1.15，這些特征導致燃機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，計算煙氣總排量的NOx排放則異常偏高。若在燃機尾部煙道加裝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將導致其供熱成本更加昂貴。

4 結論

綜上所述，本文對煤基分布式能源的概念與核心技術進行闡述，并對煤基分布式能源與鍋爐直供、大型燃煤機組供能、天然氣供能等幾種供熱方式的節能和環保效果進行對比分析，研究表明，基于高效環保煤粉鍋爐的煤基分布式供能系統在供熱煤耗、燃料成本、NOx排放方面均具有一定的優勢。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。