移動儲能供熱在垃圾填埋沼氣內燃發電機組余熱利用中的研究

程鵬然

（河南百川暢銀環保能源股份有限公司，河南 鄭州 450003）

1 垃圾填埋沼氣發電技術及其余熱資源分析

1.1 垃圾填埋沼氣發電系統

城市生活垃圾包括居民家庭垃圾、道路清掃垃圾、商業營業垃圾、企事業單位垃圾、露天公共場所垃圾，還有一部分工業垃圾和建筑垃圾混雜其中。因此，投入垃圾填埋場的垃圾中含有相當豐富的有機物。有機物經各種微生物分解后產生沼氣，其中甲烷含量為45%～65%，二氧化碳含量為25%～35%，氮氣氧氣含量為10%～20%［1］。垃圾填埋沼氣的熱值一般在18～24 MJ/m3，相當于天然氣熱值的一半，垃圾填埋約3個月后就會產生沼氣，隨著時間的推移，垃圾填埋堆體內的沼氣甲烷濃度會越來越高，若不妥善處理嚴重的可引起爆炸。因此，垃圾填埋沼氣的收集處理很重要。

沼氣收集系統主要是通過在垃圾填埋堆體中設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和輸送系統進行后續資源利用，一般以發電為主［2］。

1.2 垃圾填埋沼氣產出量

垃圾填埋場填埋沼氣的產出量與填埋場的垃圾填埋量、有機質含量、水分、濕度、填埋方式等都有關系。以河南新安縣鑫安垃圾填埋場為例，根據相關部門查閱數據得知，該垃圾填埋場日填埋垃圾量約200 t，預計到2029年填埋場滿容達到封場條件。

對填埋沼氣的產氣量的計算，需要結合垃圾的填埋方式、覆蓋情況、壓實度、雨水和滲濾液的導排情況、已填埋垃圾深度、收集系統的面積覆蓋率等因素，確定不同時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%。經過模型計算，河南新安縣鑫安垃圾填埋場填埋沼氣產量約600 m3/h。

1.3 垃圾填埋沼氣發電裝機容量

目前廣泛使用的沼氣發電機組設備為活塞式引擎機組（內燃機組），具有投資成本低、發電效率高、維護簡單、建設周期短、易拆遷等特點。按照600 m3/h的沼氣產量、甲烷含量50%、熱值17 MJ、發電效率40%計算，適合配套額定發電功功率為1 000 kW的發電機組［3］。

1.4 垃圾填埋沼氣發電機組余熱資源

沼氣發電機組的余熱分為兩部分：一是高溫煙氣排出的余熱，排煙溫度在450～550 ℃；二是發電機組自身冷卻的熱量，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顏巴赫內燃發電機組性能參數見表1。

表1 1 000 kW顏巴赫內燃發電機組性能參數表

2 移動儲能供熱技術方案

移動儲能供熱是一種新型的余熱利用與集約化供熱模式，不同于傳統的管道供熱模式，是熱量輸送技術的一次革命性突破。移動儲能供熱主要由儲熱元件、控制部件及充/放熱管道、運輸車輛等部分組成，以高性能蓄熱材料和蓄熱元件為核心，可將電力、鋼鐵、冶煉等高耗能行業的工業余熱回收儲存，并利用牽引設備運輸到紡織、制藥、學校、酒店、居民小區等用熱客戶處，提供熱水及供暖。

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

設計移動儲能供熱技術方案時，需要考慮熱源、熱網、熱用戶三者之間的制約性與協調性，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，其間需要根據儲能車的蓄熱能力、物流運輸能力做出規劃設計。

2.1 1 MW填埋氣發電機組供熱能力及換熱器選型設計

根據表1中內燃發電機組參數可知，發電機組的余熱分為兩個部分，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）將煙氣余熱進行回收利用，設定高溫煙氣經過換熱器后降至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，煙氣的熱量通過擴大受熱面積的熱管段傳遞給帶有壓力汽包中的介質。加熱介質采用自然循環的形式，把水變為飽和蒸汽。通過水位控制器控制蒸汽空間，提高飽和蒸汽的質量，當水位達到低水位時，控制柜將信號傳遞到給水泵，水泵開啟送水直到水位達到高水位止，如此循環往復。

1 MW機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，進入涌流的前提（Proximal conditions）：挑戰性-技巧平衡（CS）、清晰的目標（CG）和明確的反饋(UF)。即當這三個條件滿足之后，涌流體驗產生。

利用機組缸套冷卻水（軟化處理）作為煙氣換熱器進水，進水溫度為80 ℃，則可產蒸汽量：

2.2 移動儲能供熱車

相變儲熱技術是基于相變材料在相變過程中吸收和釋放熱量以達到儲/放熱的目的。相變儲熱的儲能密度較高，系統設備簡單，相變過程接近恒溫。

目前，比較適合用于供熱的相變儲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，所以不適用于移動供熱領域；甘露糖醇雖然具有很高的相變潛熱，但是其過冷度可達100 ℃，如果不進行改性則很難應用；混合鹽又具有較強的腐蝕性，對儲熱容器和換熱設備材質具有較高的要求，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。

蓄熱器是進行熱量儲存和利用的關鍵設備，一般的蓄熱器在設計時會根據冷源和熱源介質設計不同的通道結構，以管殼式居多。蓄熱時熱流體在管側或殼側流動通過換熱管壁與相變材料進行換熱，相變材料由固態變為液態，儲存熱量。放熱過程則是冷流體通過換熱管壁與相變材料進行換熱，帶走熱量，相變材料由液態變為固態。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］。

本方案的移動儲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，管外殼側則預先通入一定量的水，通過直接向殼側預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行吸熱蓄熱，待相變材料和預充水溫度上升至和通入蒸汽溫度一致時，停止充熱，此時相變材料吸熱后轉變為液態，通入的高溫蒸汽釋放熱量后冷凝為水與預充水一同存儲在蓄熱器中。對外供熱時，打開放熱管道閥門，將殼側的熱水引出直接供熱給熱用戶或者與熱用戶進行交換供熱，當殼側水溫度降至相變材料相變溫度時，相變材料發生相變由液態變化為固態，持續釋放熱量，保證熱量的持續對外輸出。

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

受車載負荷的限制，移動儲能供熱車總重量不應超過 40 t（上路限重 49 t，牽引車頭自重約 9 t），蓄熱器尺寸考慮設計為1 219 cm（40英尺）標準集裝罐箱形式，由殼體、進水管、進氣管、供氣管、放水管、排污管、進汽支管、擋液板、液位計、安全閥、人孔、支座及保溫層等組成，整體設計容積約30 m3，蓄熱器充裝完成后本體重量預計 35 t，最大蒸汽充裝量為 6.2 t，蓄熱量為 17.3 GJ。

2.3 移動儲能供熱車的物流配置

移動儲能供熱車的物流配置主要包括車體、蓄熱量及供熱車的數量的選取。其中對于移動儲能供熱車本體而言，需保證性能穩定、安全的運輸，制造及使用手續辦理需符合相關國家政策要求，牽引車頭需符合相關排放標準。蓄熱量及供熱車數量的選取則跟熱源供熱能力及用戶用熱需求相關。

1 MW機組的煙氣余熱供應能力為0.66 t/h蒸汽，本方案供熱車單車蓄熱量為6.2 t，填埋氣發電機組24 h持續不間斷運行，單車充熱時長為 6.2÷0.66=9.4 h。

因此，為了保證將機組的煙氣余熱全部被吸收利用，當一臺供熱車完成充熱后，另一臺供熱車需立刻進行不間斷銜接，即對單項目的要求最少需要兩臺供熱車。

2.4 移動儲能供熱供暖技術方案

本方案設計的移動儲能供熱車，可以通過車輛蓄熱器后端設置的管道調節裝置控制對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定為 0.15 MPa，可設定溫度111.38 ℃，如果對外釋放熱水，則通過外界冷水配比可以持續對外輸出80 ℃的熱水，最大可釋放熱水量為57 t。

設某機關大樓供暖需求面積為1萬m2，大樓內供暖二次管網及換熱站已安裝完成，依據我國國家標準《城市供熱規劃規范》（GB/T 51074—2015）的規定，建筑采暖指標選取55 W/m2。則該機關大樓總的供熱負荷需求為Q =10 000×55=500 kW/h。

1 MW機組的煙氣余熱供熱能力為1.6 GJ/h，換算為576 kW/h，考慮移動儲能供熱車運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。

移動儲能供熱供暖系統和傳統的管道供暖主要的差異在于一次網系統是采用移動儲能車完成代替管道進行供熱，可以取消一次網系統，直接使用移動儲能供熱車進行供熱，供熱車與用戶換熱站通過泵組直接進行循環供熱。該移動供暖系統主要由移動儲能車、熱水循環泵、金屬軟管、保溫管道、閥門、儀表傳感器、配電及控制等設備組成。

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

3 移動儲能供熱經濟效益測算

對第2章節中某機關大樓進行移動儲能供熱供暖，一般集中供暖價為0.25元/（m2·d），供暖時長按120 d計算，則一個采暖季采用集中供暖方式時的支出費用為0.25×10 000×120=30 萬元。

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

表2 移動儲能供熱供暖費用支出表

相比集中供暖，移動儲能供熱模式熱源處不需要再支付燃料費用，人工、油耗、折舊等相比集中供暖費用大大降低，每年可節省的費用為30-14.5=15.5萬元。

4 效益分析

4.1 經濟效益

垃圾填埋氣發電余熱綜合利用具有非常良好的經濟效益。發電機組的煙氣余熱直接排到大氣中會造成熱污染，對該熱量進行綜合利用，即能創造經濟效益，又符合減碳減排的國家政策。

4.2 環境效益

利用移動儲能供熱技術對垃圾填埋氣發電機組的余熱進行利用，對外進行供熱供暖，減少了其他熱電機組的能源消耗，以標煤計算，1 MW機組的煙氣余熱進行供暖，每個采暖季可節省標煤47.5 t，節能環保效益非常顯著。

4.3 社會效益

隨著國家城鎮化建設的發展，城市面積越來越大，但集中供熱管網等基礎配套設施的建設在有些地區跟不上城市城鎮化發展的步伐，一些居民小區、辦公大樓等因供熱管網的配套缺失，無法實現冬季采暖，利用移動儲能供熱供暖技術，可以將廢棄余熱進行利用，對集中供熱管網尚未鋪設到的地區提供供暖服務，改善人民的生活水平，提供生活居住的幸福度。