煤基分布式能源技术研究与经济性分析

张 磊，张俊杰，王顺森，刘 辉，张东青,石 赜

(1.国能国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025；2.西安交通大学，陕西 西安 710049)

0 引言

近年来，随着人民生活水平的提高，社会对能源的需求包括热、电、冷、气等越来越丰富，且对能源生产消费过程中的大气污染高度关注，而现有大型能源点的集中供应不能充分满足能源供应分散、多样化且经济环保的迫切要求，分布式能源由此而备受关注[1～5]。当前的分布式能源主要以天然气为主，而我国的能源禀赋是富煤贫油少气，随着技术的不断进步，以煤为主的煤基分布式能源项目逐渐走进了人们的视野[6-10]，2018年国家能源局发布的《分布式发电管理办法(征求意见稿)》中提倡发展综合能源利用效率高于70%的燃煤蒸汽背压分布式供能系统，可见煤基分布式能源亦获得了国家政策支持。

本文对煤基分布式能源的概念与核心技术进行阐述，并对煤基分布式能源与锅炉直供、天然气供能等几种供热方式的节能和环保效果进行对比分析，提出发展煤基分布式治理大气污染的重要途径。

1 煤基分布式能源的定义

煤基分布式能源是指利用煤炭或煤基合成气为燃料，以高效环保锅炉-高效背压机为核心(如图1)，通过热、电、冷、热水等多联供方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在80%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。与传统集中式供能方式相比，煤基分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、经济效益好等优点。

图1 煤基分布式系统示意图

煤基分布式能源的能耗与排放指标要求如下：

(1)煤基分布式供能站的年均综合能源利用效率不应小于80%。年均综合能源利用效率应按下式计算

(1)

式中η——年均综合能源利用效率/%；

W——年联供系统净输出电量/kWh；

Q1——年有效余热供热总量/MJ；

Q2——年有效余热供冷总量/MJ；

B——年联供系统燃煤总耗量/t；

QL——燃料低位发热量/MJ·t-1。

注：调峰设备供热(冷)量不计入分布式供能站的热效率计算。

(2)额定工况的基准供热煤耗不应高于30 g/MJ，其中供热量含用于供热的供热量q1和用于制冷的供热量q2。供热煤耗应按下式计算

(2)

式中bRN——额定工况的供热煤耗/g·MJ-1；

bg——背压机修正至纯冷凝工况的供电煤耗/g·kW·h-1；

w——联供系统净输出电功率/kW；

q1——单位时间有效余热供热总量/MJ·h-1；

q2——单位时间有效余热供冷总量/MJ·h-1；

b——每小时联供系统燃煤总耗量/g·h-1。

注：煤耗计算采用标煤。

为了便于使用，引入基准供热煤耗的概念，其计算公式如下

(3)

式中额定供电煤耗取280 g/kWh。该煤耗值反映当前先进超超临界燃煤发电机组的煤耗水平，以此作为基准供电煤耗，所得基准供热煤耗与整个分布式供能站的煤耗或能耗水平相对应。

(3)实现污染物超低排放，烟尘排放<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术

煤基分布式能源有别于其它中小型煤基能源转换系统的主要特征为高效、环保、灵活(用户需求高适应性)，基于高效环保锅炉-高效背压机的煤基分布式能源核心技术主要包括：高效环保锅炉技术、高效背压机技术、先进的系统集成技术、污染物超低排放控制技术等。

2.1 高效环保锅炉技术

以“低温低氮燃烧”为核心的成套新型燃煤工业锅炉系统是煤基分布式能源的核心设备之一，具有燃烧清洁、运行高效、节煤显著、占地节省、操作简易、环境友好等特点，符合国家十分紧迫的节能减排形势和政策导向，是传统燃煤工业锅炉的升级换代产品。

现役中小型燃煤锅炉锅炉热效率可达92%，其原始NOx排放浓度已可低于200 mg/Nm3，若燃用优质煤，还可进一步降低至170～180 mg/Nm3。目前，国家重点研发计划《工业锅炉节能与清洁燃烧技术》正在进行中，其工业锅炉研究的目标之一为NOx原始排放低于100 mg/Nm3，配合SCR有望使NOx排放低于20 mg/Nm3。这为发展煤基分布式能源的技术基础之一。

2.2 高效小型背压机技术

定制高效小型背压汽轮机是煤基分布式能源的核心设备之二。以现代先进汽轮机设计、制造技术生产的小型背压汽轮机，在合理选择初参数的情况下，其内效率可达到83%～90%。这为发展煤基分布式能源的技术基础之二。

2.3 先进的系统集成优化设计技术

现代先进系统集成优化设计技术为发展煤基分布式能源所需的另一个核心技术。针对不同项目的用电、用热、用冷及其它产品的需求，可利用先进的热力系统集成优化程序，以定制设计的方式确保所设计的煤基能源转换系统遵循能量梯级利用规律，即完成煤基分布式能源系统集成设计。

2.4 污染物超低排放控制技术

当前，大型燃煤发电机组已经广泛实现污染物超低排放。而利用这些成熟技术确保燃煤工业锅炉实现超低排放已无技术和工程方面的障碍。这是发展煤基分布式能源的环保技术基础。

目前，一方面，燃煤工业锅炉，特别是煤粉工业锅炉的低氮高效燃烧技术发展迅速，已将炉内脱硝脱硫技术列为近期研发和应用的重点。炉内环保技术的优势是有利于以更经济的方式实现环保目标；另一方面，炉后环保技术也处于快速发展中。半干法脱硫、SO2/NOx中温协同脱除技术等的研发已取得重大进展；高效除尘技术亦非难题。这些环保技术的进步突破了工业锅炉实现超低排放的经济阻碍，为发展煤基分布式能源奠定了环保方面的技术基础。

3 煤基分布式能源的特点与优势

本文以SAACKE煤粉锅炉、天然气锅炉、大型电站燃煤锅炉和TITAN130燃气轮机等关键设备为基础，建立煤基分布式、天然气分布式、大型发电燃煤机组、直供锅炉四种供热系统，对四种供热系统的能耗、燃料成本和NOx排放等指标进行对比分析。

本节所用基本参数如下：

天然气锅炉热效率：92%

天然气价格：2.35元/34 694 kJ

天然气锅炉NOx排放：28 mg/Nm3

燃气轮机循环热效率：35.7%

燃气轮机NOx排放(未加装SCR)：25 mg/Nm3

小型燃煤锅炉热效率：92%

大型燃煤锅炉热效率：93.5%

原煤价格：0.76元/22 990 kJ

细煤粉价格(用于小型煤粉锅炉)：0.85元/22 990 kJ

煤基锅炉NOx排放(含SCR)：30 mg/Nm3

注：天然气、原煤、细煤粉均参考市场价确定。

3.1 与直供锅炉的比较

目前，国内大量乡镇和城区采用燃煤小锅炉直接供暖，且普遍未采用环保控制措施，效率低、污染物排放高。链条炉热效率为70%～80%，NOx排放普遍达到1 000 mg/Nm3以上；煤粉炉热效率约为90%，NOx排放普遍达到600 mg/Nm3以上。局部地区已经开始拆除原有超标排放燃煤锅炉，采用天然气锅炉或高效燃煤锅炉技术进行替代改造，节能减排效果明显。研究表明，小锅炉改造过程中，若能采用高效燃煤锅炉-背压机的煤基分布式型式，则节能降耗效果更加明显。

下面对高效燃煤锅炉直接供热(方案一)、天然气锅炉直接供热(方案二)和煤基分布式供热(方案三)三种改造方案(如图2)的节能减排效果进行对比分析。高效燃煤锅炉是指采用先进低氮燃烧技术，且配备尾部脱硫、脱硝、除尘装置的煤粉炉，其锅炉热效率可达92%，NOx排放浓度低于30 mg/Nm3。

图2 煤基分布式与直供锅炉示意图

计算结果如表1所示，现役未采用超低排放措施的链条炉和煤粉炉，能耗、燃料成本和NOx排放等指标均处于较高水平，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，每对外供1MJ热量，所需耗煤量分别为38 g、37.1 g、25.2 g，NOx排放浓度分别为8.26 mg/Nm3、8.22 mg/Nm3、5.50 mg/Nm3，燃料成本为0.041 1元、0.073 6元、0.027 0元，可见，煤基分布式能源不论能耗还是污染物排放，均优于直供供热的锅炉系统。

表1 煤基分布式与直供锅炉对比

3.2 与大机组供热的比较

大型燃煤机组具有能耗低，污染排放易于集中处理等特点，因此，国家鼓励在有条件的区域采用大型燃煤机组集中供热。但某些工业用户的特殊参数要求与汽轮机抽汽参数并不匹配，导致汽轮机只能采用调整抽汽、减温减压等方式满足用户要求。以惠州电厂330 MW三汽源抽汽机组为例，高压抽汽为非调整抽汽，中、低压抽汽为调整抽汽，为了满足用户中压、低压参数的要求，在汽轮机中压缸上加装了座缸阀和旋转隔板，使得中压缸节流损失大幅增加，抽汽工况的中压缸效率相对纯冷凝工况显著降低。

煤基分布式能源具有高效、灵活等特点，通过中小型锅炉与背压机的灵活搭配，可在无需大幅调整抽汽和减温减压的条件下，满足多个热用户的参数要求。为了降低上述节流损失，本文搭建了大型燃煤机组三汽源抽汽热力系统(方案一)和煤基分布式热力系统(方案二)模型(如图3)，并计算分析了两者的能耗和排放指标。如表2所示，在同样供热参数的条件下，方案一、方案二中，每对外供1 MJ热量，所需的耗煤量分别为28.7 g、25.2 g，NOx排放分别为7.52 mg/Nm3、6.60 mg/Nm3，燃料成本分别为0.027 9元、0.027 0元，可见，针对某些调整抽汽和减温减压对外供热的机组，煤基分布式能源在能耗、污染物排放方面亦具有一定的优势。

图3 煤基分布式与大机组供热示意图

表2 煤基分布式与大机组供热对比

3.3 与天然气分布式能源的比较

天然气分布式能源具有粉尘和SO2近零排放等特点，近年得到大力推广。经研究，基于高效节能环保中小型燃煤锅炉的煤基分布式能源系统，在能耗与排放方面亦具有一定的优势。

为了对天然气分布式与煤基分布式的能耗与排放情况进行对比，本文建立了两种方案的模型(如图4)：方案一，燃气分布式能源系统，即小燃机(TITAN130)-余热锅炉对外供热；方案二，煤基分布式对外供热，即高效节能环保小型燃煤锅炉-背压机对外供热。由于天然气分布式与煤基分布式的基准供电煤耗难以统一，本节仅针对总体能耗与排放情况进行对比。计算结果如表3所示，在同样供热量的条件下，方案一、方案二的发电量分别为13.3 MW、5.9 MW，燃料总热值分别为145.0 GJ/h、102.1 GJ/h，NOx总体排放别为3 526 mg/Nm3、702 mg/Nm3。

图4 煤基分布式与天然气分布式示意图

表3 煤基分布式与天然气分布式供热对比

可见，超出传统观念对天燃气分布式的认知，虽然天然气分布式能源单位烟气的NOx排放较低，但总体排放方面却是煤基分布式能源占优。此外，天然气分布式能源发电占比亦偏高，导致国内天然气资源非常紧张的国情下，冬季天然气分布式能源发电占比偏高与供热量难以满足用户需求的矛盾愈加突出。

本文亦对燃气分布式能源系统排放高于煤基分布式的原因进行了分析，其原因主要是：对于燃气轮机来说，过量空气系数非常大，如TITAN130燃机的过量空气系数高达3.6左右，而燃煤锅炉的过量空气系数始终保持1.05～1.15，这些特征导致燃机出口每立方米烟气的NOx排放虽然较低，但却是其过量空气稀释所得，因此，计算烟气总排量的NOx排放则异常偏高。若在燃机尾部烟道加装SCR等脱硝装置，考虑脱硝效率为80%，NOx排放可降低至705 g/h，则与煤基分布式的排放处于同一水平。可见，为降低污染排放水平，天然气分布式能源必须加装SCR，而加装SCR将导致其供热成本更加昂贵。

4 结论

综上所述，本文对煤基分布式能源的概念与核心技术进行阐述，并对煤基分布式能源与锅炉直供、大型燃煤机组供能、天然气供能等几种供热方式的节能和环保效果进行对比分析，研究表明，基于高效环保煤粉锅炉的煤基分布式供能系统在供热煤耗、燃料成本、NOx排放方面均具有一定的优势。可见，煤基分布式能源既能明显提升能源利用效率，又能有效降低污染物排放，采用煤基分布式能源替代散烧煤是大气污染治理的重要途径之一。