生物质能源在工业园区分布式能源中的应用

韩 峰，丛堃林，张衍国，严矫平，林子伟

(1.北京热华能源科技有限公司，北京 海淀 100085；2.清华大学能源与动力工程系，北京 海淀 100084；3.兴化市热华能源有限公司，江苏 兴化 225300)

0 引言

随着经济的快速发展，能源、环境问题日益突出，在实现能源转型的关键时期，如何进一步实现能源的清洁、高效利用越来越受到人们的重视。工业园区具有能源密度大、用能形式多样、用能需求相对稳定的特点，是开展分布式能源应用的最佳应用场景之一[1-2]。

目前，对于园区分布式能源系统的研究大多集中在系统用能设计[3]、系统性能优化[4-5]、多能源系统耦合[6-7]和系统的持续发展[8-9]等领域，以实现更高的能源综合利用率、更低的能源成本和更高的供能安全性。

工业园区的能源系统对工业园区的发展起着至关重要的作用，传统的工业园区分布式能源系统大多以煤或天然气作为一次能源[10]。随着国家在能源结构中逐步实现“去煤化”，近年来天然气分布式能源项目得到快速发展[11]，天然气分布式能源项目大多是通过冷热电联产的方式实现能源的梯级利用[12]。但是受制于小型燃煤锅炉正在被集中取缔，在满足现有的工业园区用热供能需求过程中，存在着天然气仅供燃烧供热的情况，使得高品质的天然气能源存在着严重的“高能低用”问题[13]。同时，随着北方地区冬季清洁取暖中“煤改气”的比例逐步增加，天然气需求不断上涨，而我国天然气对外依存度过高且进口液化天然气(liquefied natural gas， LNG)价格居高不下，导致工业用天然气价格长期呈上涨趋势，天然气的经济性欠佳。

生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，具有可再生、产量大、分布广的特点，已成为位居全球第一的可再生能源[14]。我国生物质资源丰富，能源化利用潜力大。全国可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源年供热潜力折合4.6×108t标准煤，其中，利用农作物秸秆等农林废弃物供热年利用潜力折合4×108t标准煤。目前，我国对生物质能的利用，大都集中在农村生物质能供暖、生物质发电等。

2019年，国家能源局综合司在《国家能源局综合司关于请报送生物质锅炉清洁供热有关情况的通知》中，明确指出生物质锅炉供热是绿色低碳清洁经济的可再生供热方式，适用于中小工业园区供热。因此，基于生物质能源的工业园区冷热电三联供系统具有重要的发展前景，但是受限于传统的生物质锅炉在热效率、污染物排放等方面存在的问题，目前相关的应用和实践并不多见。

本文基于清华大学和北京热华能源科技有限公司联合开发设计的生物质多流程循环流化床锅炉[15]，对生物质能源在工业园区分布式能源系统中的应用进行探索和实践。

1 兴化城东工业园区分布式能源应用

1.1 背景

兴化市城东工业园地处兴化市城东镇，地理位置优越，水陆交通便利，是兴化市14个重点园区之一，目前工业以脱水果蔬产业为主，2015年实现工业总产值41.7亿元，利税总额3亿多元。

园区总体土地规划666.67×104m2，园区一期(1991年起)已开发利用134×104m2，正在实施的二期工程项目规划167.5×104m2。园区内现有脱水果蔬加工企业近30家，分布在白涂河的两岸，从业人员1.3万余人，年生产销售脱水蔬菜产品20多万t，已成为全国著名的“脱水果蔬之乡”。

脱水蔬菜是将新鲜蔬菜经过洗涤、烘干等加工制作，脱去蔬菜中大部分水分后制成的一种干菜。脱水蔬菜的生产工艺流程如图1所示。

图1 脱水蔬菜生产工艺流程

脱水蔬菜重要的生产工艺是蒸汽烘干，之前为分散供汽，每家企业都建有锅炉房，一般为1～2台2～4 t/h的链条锅炉，最多的有3台锅炉。燃料以稻壳为主，少数为煤。锅炉的设备水平低，热效率差，环境污染严重。

1.2 方案

1.2.1 技术原则

传统的冷热电联产系统工作原理如图2所示。冷热电联产系统可以有效实现能源的梯级利用，具有一次能源高效利用、减少污染物排放、提高终端用能经济性等多重优点[16]。

图2 冷热电联产系统工作原理

1.2.2 技术方案

兴化市农业发达，耕地面积近13.33×108m2，秸秆资源丰富，可收集的谷物秸秆资源量约124×104t。同时，兴化市粮食加工产业发达，全市约有200多家粮食加工厂，主要以大米加工为主，每年产生稻壳80×104～100×104t。

项目以当地大量的秸秆和稻壳资源为基础，以生物质多流程循环流化床锅炉为核心装备，寻求生物质能源的热电冷联产，提高生物质能的利用效率，同时有效解决大量生物质的处理问题。项目的热电冷联产方案如图3所示。

图3 城东工业园区冷热电联产方案

根据园区具体用能需求的发展，城东工业园区分布式能源项目按照“统一规划、分步实施”的原则，分为三期进行设计和建设，具体的进度安排和时间节点如表1所示。

表1 项目实施方案

1.2.3 核心装备

生物质多流程循环流化床锅炉为项目的核心装备，起到了将生物质所含的化学能转化为热能，并进一步转化为冷、热、电能源的作用。

生物质多流程循环流化床锅炉采用“三床两返多流程”的结构，将传统的立式循环流化床的单级炉膛改为三级炉膛，将一级循环改为两级及两级以上的循环，将高温分离改为中温分离，有效解决循环流化床锅炉小型化的问题[17-18]，具有燃料种类适应性广、热效率高、污染物排放低的特点，可以有效满足园区的环保要求。

项目选用的生物质多流程循环流化床锅炉总图示意如图4所示。

图4 生物质多流程循环流化床锅炉总图示意

1.3 项目现状

目前，项目已完成一期园区集中供热的建设，项目实景如图5所示。

图5 项目实景图

项目一期建设2×45 t/h次高温次高压生物质循环流化床锅炉，锅炉参数如表2所示。产生的次高温次高压主蒸汽经过减温减压器成低温低压蒸汽后，对工业园区内的用热企业进行集中供热。

表2 锅炉参数

锅炉的排放检测结果如表3所示，污染物排放达到GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》规定的重点地区燃气锅炉大气污染物浓度限值[19]，彻底解决了工业园区内原有小型燃煤锅炉的污染问题。

表3 锅炉排放检测结果

根据园区热用户的分布特点，热力管网布置形式采用枝状布置，具有布置形式简单、造价低、运行管理方便的特点。根据热用户的用热条件，对间接用热的冷凝水进行回收，并配套建设冷凝水管道。项目典型的热负荷曲线如图6所示。

图6 典型热负荷曲线

2018年1月，该项目入选国家能源局“百个城镇”生物质热电联产县域清洁供暖示范项目[20]。

2 城东工业园区分布式能源项目前景

2.1 供电方案

为了满足园区最高的热负荷需求，同时考虑汽轮机进、抽汽量及场地布局，项目拟将现有2×45 t/h次高温次高压生物质多流程循环流化床锅炉扩容为2×55 t/h次高温次高压生物质多流程循环流化床锅炉，扩容后的锅炉参数如表4所示。另外，考虑到生物质锅炉运行的不稳定性及检修期间需保证对外供热，计划再扩建1台25 t/h燃气锅炉作为备用锅炉，提高供热安全性、可靠性。

表4 扩容后的锅炉参数

考虑到园区内近期无新增热负荷，蒸汽负荷早晚及全年波动非常大，最低负荷最大只有5.4 t/h，不适合上背压式汽轮机组。抽凝式汽轮机组调节负荷比较方便，能不受用热负荷波动的影响，稳发满发电负荷，经济性较好。故确定采用抽凝式汽轮发电机组，配套1台6 MW抽凝机组，汽轮机参数如表5所示。

根据本工程装机容量和附近接入点的情况，电厂以35 kV电压等级接入距项目地4 km的东鲍变电所(最终接入方式以供电公司的接入系统意见为准)。电厂内建设1座35 kV升压站，单母线接线，设置1台主变压器，容量为12.5 MVA。发电机采用母线制接线，接在10 kV Ⅲ段母线段上。不同热负荷段机组的运行方式如表6所示。

表5 汽轮机参数

表6 不同热负荷段机组运行方式

项目二期方案已列入《兴化市热电联产规划(2017—2020)》[21]，目前正在实施过程中。

2.2 供冷方案

为了更好地服务园区内的脱水蔬菜企业，尤其是解决7—9月新鲜蔬菜易腐烂的问题，项目拟根据园区的发展以及用户的需求建设冷链物流中心，用于新鲜蔬菜的仓储、配送等。具体的制冷剂组参数将根据实际需求进行设计。

3 效益分析

3.1 经济效益

该项目有效利用了当地的秸秆、稻壳等生物质资源，实现了生物质资源的就近收集、就近消纳，属于典型的生物质能源分布式利用的模式。(1)该项目充分利用了多流程循环流化床锅炉对多种燃料的适用性，有效解决了当地不同种类生物质资源同时利用的问题，为当地居民带来了一定的收益；(2)多流程循环流化床锅炉的锅炉热效率在90%左右，而传统的燃煤锅炉的平均运行效率约60%～65%，热效率的提高带来了显著的经济效益。

3.2 环境效益

该项目解决了当地生物质资源的处理问题，同时取代了之前的散烧燃煤锅炉，带来环境效益。(1)该项目一定程度上缓解了当地秸秆、稻壳等生物质资源利用率低、处理难的问题，有效解决了之前秸秆露天焚烧所带来的环境污染问题；(2)多流程循环流化床锅炉的颗粒物、SO2和NOx排放浓度分别为9.7、16和115 mg/m3，远低于燃煤锅炉30、200和200 mg/m3的排放标准，有效减少了污染物排放。

3.3 社会效益

该项目是生物质能源由传统的发电模式向热电联产模式、甚至是冷热电联产模式转型升级的典型案例，对于扩大生物质能源的利用规模、提高能源转化效率、优化商业模式、提升企业自身盈利能力、减少补贴依赖，具有重要的社会意义。

4 结论

(1) 工业园区分布式能源作为一种新型的为用户提供综合能源供应和相关用能增值服务的能源服务模式，在提升工业园区的用能效率、降低用能成本方面有着巨大的发展空间。

(2) 生物质能属于可再生能源，目前生物质能已经成为世界各国发展可再生能源的重要组成部分。我国的生物质资源丰富，但目前并未充分有效地利用。兴化城东工业园区分布式能源项目以生物质多流程循环流化锅炉为核心，实现了生物质能源在工业园区热电冷联产的综合能源服务中的应用，极大地扩大了生物质能的利用方式和途径，而且有效地提高了系统的能源利用率和经济效益，具有重要的借鉴意义。