周 玨,陳 群,張曉輝,Vida Sharifi,Jim Swithenbank,陳耀斌
(1.中國華電集團科學技術(shù)研究總院,北京 100060;2.英國謝菲爾德大學,英國 謝菲爾德 S1 3JD;
3.清華大學,北京 100084;4.中國電力投資集團科學技術(shù)研究院,北京 100007)
為實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的目標,英國政府制定了一系列政策鼓勵發(fā)展包括生物質(zhì)在內(nèi)的可再生能源,提高可再生能源在發(fā)電和供熱中所占的比例[1-4]。這為發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)提供了良好的契機。與傳統(tǒng)的大型火電廠相比,分布式能源系統(tǒng)可以將能源綜合利用效率從55%提高到85%,同時顯著地降低CO2的排放。將城市生物質(zhì)資源(如城市固廢)用于分布式能源系統(tǒng)實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn),可以滿足城市近20%的能源需求。而且,比傳統(tǒng)的供能方式(即熱電分產(chǎn))降低至少76%的CO2排放量。同樣,將當?shù)厣镔|(zhì)資源(如木屑、秸稈)用于分布式能源系統(tǒng)也可以顯著降低碳排放。
在生物質(zhì)能的高效利用方面,我國從“十一五”開始,各地各級政府部門相繼制定了相關(guān)的促進政策和措施[5-8],也有很多學者對生物質(zhì)分布式能源開展了技術(shù)和政策層面的研究[9-11]。但總體上看,我國生物質(zhì)能源發(fā)展還處于起步階段。
本文對英格蘭北部城市Barnsley 采用生物質(zhì)替代化石燃料用于分布式供熱系統(tǒng)進行了深入的試驗和數(shù)值模擬研究,分析其燃燒特性和污染物排放特性,比較生物質(zhì)燃料與化石燃料在污染物排放水平上的差異,并對現(xiàn)有的生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的運行提出了改進建議。針對Barnsley 成功發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)驗,本文分析了在我國農(nóng)村和小型城鎮(zhèn)大力發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的新型分布式供能方式的必要性和可行性,認為采用生物質(zhì)資源的分布式能源系統(tǒng)是我國農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)供能可持續(xù)發(fā)展的一條可行之路。
歐洲是最早發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源系統(tǒng)的地區(qū)。在熱電聯(lián)產(chǎn)用于發(fā)電方面,丹麥和斯洛文尼亞分別有52.9%和37.7%的電力來自于熱電聯(lián)產(chǎn)。芬蘭、挪威、瑞典、冰島以及其他東歐國家也是類似的情況。在熱電聯(lián)產(chǎn)用于供熱方面,愛爾蘭有93.3%的供熱來自于分布式能源系統(tǒng),用于滿足居民生活和公共服務(wù)部門的供熱需求。這一比例在歐洲位于最高。其他許多國家也有著較高的比例,比如俄羅斯(63%)、瑞典(55%)、立陶宛(50%)、芬蘭(49%)和波蘭(47%)[12]。
在歐洲,熱電聯(lián)產(chǎn)電廠最常見的模式是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán),占到總數(shù)的52%。在熱電聯(lián)產(chǎn)的電廠中,有70%的電力來自于化石燃料的使用[13]。只有一小部分電力是來自于可再生能源,主要由焚燒廢木材、紙和垃圾產(chǎn)生。大型的分布式能源系統(tǒng)主要分布在德國、瑞典、芬蘭、丹麥、奧地利和東歐國家。盡管在英國也有一些較大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)分布式供熱系統(tǒng)(如在Sheffield、Nottingham、Leicester 地區(qū)建立的分布式能源系統(tǒng)),但是與其他歐洲國家相比,無論是在數(shù)量上還是規(guī)模上,都相形見絀。
相對于大型的熱電聯(lián)產(chǎn),零散分布的以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)節(jié)約能源和保護環(huán)境的目的。這些小型的分布式能源系統(tǒng)還與傳統(tǒng)的電力和天然氣的供能系統(tǒng)相結(jié)合,來滿足當?shù)鼐用裆鐓^(qū)的能源需求(主要為熱和電)。在整個歐洲,有超過3000 個城鎮(zhèn)擁有這樣的系統(tǒng)。與之相比較,英國在這方面的發(fā)展有些落后,目前只有一些相對較小的項目正在運行。
近年來,隨著對分布式能源和可再生能源重視程度的提高,英國政府頒布了一系列推動分布式能源發(fā)展的政策。例如,可再生熱能的激勵政策(Renewable Heat Incentive)為使用可再生能源供熱(包括分布式能源系統(tǒng))的能源供應(yīng)商和終端用戶提供財政支持,從而鼓勵用可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源,產(chǎn)生居民和工業(yè)所需的熱能。該激勵政策針對不同規(guī)模的分布式能源系統(tǒng)以及不同的能源產(chǎn)生技術(shù)(如生物質(zhì)燃燒技術(shù))給予各種扶持[14]。
此外,英國政府提出的“熱能和能源節(jié)約策略(Heat and Energy Saving Strategy)”議案也將分布式能源系統(tǒng)在居民社區(qū)的應(yīng)用列為重點發(fā)展技術(shù)[15]。提案的一個重點是確定在哪些地區(qū)發(fā)展分布式能源系統(tǒng)在經(jīng)濟上是切實可行的,即在哪些地區(qū)具有較高的熱能需求(>3 000 kW/km2)。在這些地區(qū),投資回報率預(yù)期可以超過6%的。如果分布式能源在這些地區(qū)得到充分應(yīng)用,將能擔負起550 萬房屋的供熱和全英國20%的熱能需求。大型高效的燃氣分布式能源系統(tǒng)每年可減少980 萬t CO2的排放。如果用可再生燃料(如垃圾和生物質(zhì))來替代天然氣,則可以進一步減少CO2的排放達1 900萬t/年[16]。
因此,利用可再生燃料的分布式能源系統(tǒng)在英國得到了越來越多的關(guān)注。英格蘭北部城市Barnsley 是英國第一個推行使用生物質(zhì)燃料替代化石燃料用于分布式供熱系統(tǒng)的城市,所建立的生物質(zhì)供熱系統(tǒng)也是英國最大的利用當?shù)厣镔|(zhì)資源來提供社區(qū)建筑供熱的系統(tǒng)。經(jīng)過多年的努力,Barnsley在2005 年就已經(jīng)達到了CO2減排40%的目標。從2005 年至今,他們又成功安裝和運行了20 多臺以生物質(zhì)為燃料的分布式供熱系統(tǒng)。
本文在英國工程和自然科學研究委員會(Engineering and Physical Sciences Research Council,簡稱EPSRC)SUPERGEN Biomass Consortium 項目的支持下,對Barnsley 所采用的生物質(zhì)供熱系統(tǒng)開展了大量的實驗和數(shù)值模擬研究,監(jiān)測生物質(zhì)供熱系統(tǒng)污染物排放的情況,并評估此類供熱系統(tǒng)的性能和特點。
在英國,大約有49%的能源最終是以熱能的形式被消耗掉的[17],由此產(chǎn)生了47%的CO2排放。英國為了實現(xiàn)2050 年CO2排放降低60%的目標,迫切需要減少由供熱產(chǎn)生的CO2排放。Barnsley 是英國第一個采用“生物質(zhì)燃料供熱政策”的地方政府。本文以Barnsley 兩個生物質(zhì)分布式能源系統(tǒng)的示范應(yīng)用為研究對象,采用試驗研究和數(shù)值模擬的手段,分析污染物排放特性,評估其系統(tǒng)效率。
這所小學小型的供熱系統(tǒng)原有3 臺燃煤熱水鍋爐用于供暖。通過改造,其中一臺190 kW 的Beeston Robin Hood Senior 鍋爐被改為燃用木屑顆粒的生物質(zhì)鍋爐。在本研究中,對這臺改造后燃用生物質(zhì)的鍋爐和一臺146 kW Hartley-Sugden White Rose 燃煤鍋爐進行了對比研究。對每臺鍋爐煙囪處的煙氣溫度和煙氣組分(CO、CO2、O2和NOx),以及煙氣中PM10的質(zhì)量濃度分布進行了監(jiān)測。
其中,煙氣的CO、CO2和O2的濃度通過MGA 3000 多氣體分析儀進行測量,而NOx 的濃度則由Signal 4000 VM NOx 分析儀測量。顆粒物的質(zhì)量尺寸和濃度分布通過8 級Nonviable Andersen Impactor(由Thermo Electron Corporation 公司生產(chǎn)的20 -800 系列)測得。對于測量手段的詳細介紹,在陳群等人的論文[18]中有詳細的介紹。表1 列出了煙氣測量的部分結(jié)果。
表1 Barnsley 示范應(yīng)用的煙氣排放監(jiān)測結(jié)果[18]
為了更深入地了解木屑顆粒和煤的燃燒過程,以及它們的污染物排放特性,本文還采用了計算流體力學(CFD)的手段,對兩個鍋爐的爐內(nèi)燃燒情況進行了數(shù)值模擬研究。這里假定無論是木屑顆粒的燃燒還是煤塊的燃燒,都由床層內(nèi)部燃燒和床層外部燃燒兩部分組成。本文采用英國謝菲爾德大學SUWIC 中心(Sheffield University Waste Incineration Centre)開發(fā)的一套數(shù)值模擬軟件FLIC(Fluid Dynamic Incinerator Code)來預(yù)測床層內(nèi)的燃燒過程;同時,利用ANSYS FLUENT 軟件來模擬床層外部的氣相燃燒反應(yīng)。
在利用FLIC 模擬床層內(nèi)部燃燒過程時,假設(shè)燃料顆粒堆積形成的帶有孔隙的床層是一維的(垂直于爐排),F(xiàn)LIC 可以預(yù)測床內(nèi)燃燒隨時間變化的過程。其中的子模型包括質(zhì)量、動量和能量守恒方程、氣相和固相的化學組分守恒方程、以及水蒸氣蒸發(fā)、揮發(fā)分熱解和揮發(fā)分及焦炭的燃燒方程。具體子模型、控制方程以及數(shù)值算法的介紹在文獻[19 -20]中有詳細的描述。對于這兩個鍋爐,整個固定床的計算域在床層高度上被分為200 個網(wǎng)格。燃用木屑顆粒鍋爐的初始床層高度為212 mm,燃煤鍋爐為302 mm。這里,假定木屑顆粒的直徑為5 mm,而煤塊的直徑則假設(shè)為15 mm。
從FLIC 模擬的結(jié)果中我們可以獲得煙氣溫度、速度及其組份在床層上的分布。這些數(shù)據(jù)將作為FLUENT 模擬床層上部氣相燃燒的邊界條件,來預(yù)測床層上部的溫度場和流場分布。表2 列出了通過FLIC 計算之后得到的FLUENT 模擬所需的邊界條件。
利用FLUENT 軟件分別對兩個鍋爐進行了三維爐膛建模以及網(wǎng)格劃分。在FLIC 與FLUENT 模擬的交界面處(位于鍋爐底部),對網(wǎng)格進行加密處理,以獲得更為準確的模擬結(jié)果。在燃用木屑顆粒鍋爐的模擬中,總的網(wǎng)格數(shù)為20 萬;對于燃煤鍋爐,總的網(wǎng)格數(shù)為36 萬。利用FLUENT 軟件求解質(zhì)量,動量和能量的守恒方程以及各種氣相反應(yīng)的方程,選擇標準的k-ε 模型求解湍流流動,P1 模型求解輻射換熱,有限反應(yīng)速率/渦團破碎模型求解化學反應(yīng)速率。因為NOx 是燃燒中產(chǎn)生的一種重要污染物,對于NOx 的模擬,假設(shè)揮發(fā)分N 和焦炭N 的比例等于燃料中揮發(fā)分與焦炭的比例。在FLUENT 的后處理過程中,根據(jù)De Soete 機理,以HCN 為中間產(chǎn)物,模擬NO 的形成。
表2 示范應(yīng)用1 中燃煤鍋爐和燃用木屑顆粒鍋爐的氣體和燃料入口的邊界條件
對比分析表明,數(shù)值模擬的結(jié)果與表1 中實驗測量數(shù)據(jù)吻合良好[18]。兩者都表明污染物的排放濃度在英國國家標準BS EN 303 -5:1999 所列的排放標準之內(nèi)。但是,燃煤鍋爐煙氣中污染物的濃度要高于燃用木屑顆粒鍋爐。對于CO 排放(如圖2所示),后者排放的CO 濃度為500 ~1650 mg/m3(折算成10%的氧量水平),低于燃煤鍋爐的排放值(2000 ~9000 mg/m3)。造成燃煤鍋爐CO 排放濃度較高主要有兩方面因素:一是燃煤鍋爐爐內(nèi)可燃氣體與空氣的混合不充分;二是煙氣在燃煤鍋爐爐膛內(nèi)的停留時間太短。對于NOx 排放(如圖3 所示),燃用木屑顆粒時,NOx 的濃度為40 ~120 mg/m3(折算成10%的氧量水平),也低于燃煤鍋爐的排放值(240 ~390 mg/m3)。這是由于煤中含有高的焦炭成分導(dǎo)致較高的爐膛溫度。如圖1(b)所示,燃煤鍋爐爐內(nèi)的最高溫度超過1500 K。與之相比較,如圖1(a)所示,木屑顆粒鍋爐的最高煙氣溫度只有1000 K 左右。較高的爐膛溫度進一步造成了燃料型NO的生成。在PM10的排放上,木屑顆粒鍋爐和燃煤鍋爐PM10的平均質(zhì)量濃度分別為46 mg/m3(10%的氧量)和182 mg/m3(10%的氧量)。因此,對比結(jié)果表明,具有高揮發(fā)分含量的生物質(zhì)是小型固定床鍋爐的一種理想燃料。以生物質(zhì)為燃料的燃燒系統(tǒng),具有較高的燃燒效率和較低的污染物排放水平。
圖1 示范應(yīng)用1 中兩臺鍋爐的爐內(nèi)溫度場分布(x 軸(在圖1(a)中Y 和圖1(b)中的X)是爐排長度方向的距離(m),y 軸是離開燃燒床層的高度(m))
圖2 示范應(yīng)用1 中兩臺鍋爐的爐內(nèi)CO 濃度分布
圖3 示范應(yīng)用1 中兩臺鍋爐的爐內(nèi)NOx 濃度分布
為了提高能源利用效率并改善居住環(huán)境,Barnsley 的一棟居民樓經(jīng)過改造,安裝了一個小型的燃用生物質(zhì)的供熱系統(tǒng)。兩臺容量分別為320 kW 和150 kW 的弗洛林(Froling)燃用木屑鍋爐用來供暖和提供熱水。為了解該型式生物質(zhì)鍋爐的燃燒特性和污染物排放特性,我們對其中一臺320 kW鍋爐進行了實驗和數(shù)值模擬研究。在65%的運行負荷時,在鍋爐的爐膛出口處,對CO、CO2、O2、NOx、SO2和顆粒物濃度進行了測量。實驗的研究手段和方法與示范應(yīng)用1 中所采用的完全一致。同樣,我們也利用FLIC 和FLUENT 軟件對木屑燃燒過程進行了數(shù)值模擬,并通過模擬結(jié)果分析了整個系統(tǒng)的性能。模型的選擇和設(shè)置也與示范應(yīng)用1 中相同。表3 中列出了計算中所需的邊界條件。模擬結(jié)果的可靠性由實驗測量數(shù)據(jù)來進行驗證。在FLIC 床層模擬中,初始床層高度為183 mm,被劃分為60 個網(wǎng)格。假設(shè)木屑顆粒的平均直徑為15 mm。在FLUENT 模擬中,三維爐膛模型的網(wǎng)格數(shù)約為22 萬。并在燃料和空氣入口處,對網(wǎng)格進行了細化處理;而在靠近出口處,采用了較為粗糙的網(wǎng)格以節(jié)省計算時間。更多的數(shù)值模擬細節(jié)可以在張曉輝等人的論文[21]中找到。
表1 中列出了示范應(yīng)用2 的煙氣污染物的排放濃度。CO 的質(zhì)量濃度為550 ~1600 mg/m3(10%的氧量)。實驗和模擬結(jié)果都表明,鍋爐排放的CO 濃度低于英國國家標準BS EN 303 -5:1999[22]中所列出的排放標準。木屑鍋爐排放的煙氣中NOx 的濃度在28 ~60 ppmv 之間。NO 的排放因子為113 mg/MJ,低于英國環(huán)境、食品及農(nóng)村事務(wù)部(Department of Environment,F(xiàn)ood & Rural Affairs,簡稱DEFRA)技術(shù)指導(dǎo)中的150 mg/MJ[23]。煙氣中PM10的質(zhì)量濃度大約為205 mg/m3(10%的氧量),符合BS EN 303 - 5:1999 中 列 出 的200 mg/m3的 排 放 標準[22]。PM10的排放因子為126 mg/MJ,遠低于240 mg/MJ 的排放標準[23]。
表3 示范應(yīng)用2 中燃用木屑鍋爐的燃料和空氣入口的邊界條件
FLIC 和FLUENT 模擬結(jié)果表明,由于爐內(nèi)煙氣溫度較高,最高達到1 200 K(圖2a),大部分燃料都能在爐膛內(nèi)完全燃燒,僅有少量的CO 排放,這一發(fā)現(xiàn)與實驗測量結(jié)果相吻合。二次風的噴入(圖4 中所示的小圓孔)讓高溫可燃煙氣與空氣充分混合,形成了有利的燃燒環(huán)境。從圖4(b)中可以看到,所加入的二次風增強了這些區(qū)域的流動混合,并在二次風噴口上部形成了回流區(qū),有利于燃燒反應(yīng)的進行。這些強烈燃燒的區(qū)域造成了圖4(a)中所示的高溫區(qū)。煙氣溫度在煙氣向下游流動的過程中逐漸降低,在爐膛出口處約為1 000 K。示范應(yīng)用2 的研究表明,使用生物質(zhì)(木屑)來供熱是一種低碳的供熱方案。與使用化石燃料的供熱系統(tǒng)相比,它產(chǎn)生非常低的CO2凈排放量。因此,這類生物質(zhì)燃料供熱系統(tǒng)的應(yīng)用將有助于實現(xiàn)二氧化碳減排和可再生能源利用的目標。
示范應(yīng)用2 在2006 年獲得英國可再生能源Ashden 獎第一名。該改造項目總投資170 萬英鎊(折合約1 700 萬人民幣),資金全部來源于各類基金和項目的支持。用燃用生物質(zhì)鍋爐取代燃煤鍋爐后,日常運行和維護的成本降為過去的50%。集中供熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱能,除了供應(yīng)居民樓所需的暖氣和熱水之外,還可以通過供熱管網(wǎng)賣給當?shù)卣a(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。
圖4 示范應(yīng)用2 中鍋爐爐膛內(nèi)中心截面上的圖示
英國北部城市Barnsley 通過大力發(fā)展分布式能源技術(shù),積極利用當?shù)刎S富的生物質(zhì)資源進行集中供熱,逐步實現(xiàn)清潔、綠色、高效的能源發(fā)展目標。其主要手段為將生物質(zhì)制成成型燃料或直接利用木屑,單獨或混合燃燒集中供熱。即便對于某些無法使用集中供熱的分散建筑,Barnsley 市政府也盡可能利用可再生能源技術(shù)為此類用戶建立獨立的小型集中供熱系統(tǒng)。
Barnsley 成功發(fā)展以生物質(zhì)為燃料的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)驗,對我國農(nóng)村和小型城鎮(zhèn)新型供能方式的建立和發(fā)展提供了有價值的參考。據(jù)統(tǒng)計,近年來我國農(nóng)村能源消耗量已占全國總能源消耗的30%以上;用電量已達到全國用電總量的51%,并且保持10%以上的增長速度[24]。特別隨著我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展,新型城鎮(zhèn)的能源消費水平,將是過去的3 倍。如此巨大的能源需求,對現(xiàn)有的農(nóng)村電網(wǎng)造成了難以承受的負擔。同時,根據(jù)中央城鎮(zhèn)化工作會議(2013 年12 月)的精神,需要切實提高能源利用效率,降低能源消耗和二氧化碳排放強度,著力推進綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展,實現(xiàn)高效、清潔、智能的新型城鎮(zhèn)供能。因此,采用生物質(zhì)資源的分布式能源系統(tǒng)是解決我國農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)供能的一條可行之路。
我國農(nóng)村地區(qū)分布著極為豐富的生物質(zhì)資源。根據(jù)2010 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國農(nóng)作物秸稈資源為7.813 4 億t,每年可利用的潛能為5.31 EJ,因此,有著巨大的開發(fā)利用潛力[25]。以分布式供能的方式充分利用生物質(zhì)資源,不僅可以使小型、分散、清潔的可再生資源得以利用,滿足農(nóng)村日益增長的能源需求,而且使發(fā)展生物質(zhì)資源與農(nóng)村及邊遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)系起來,增加了這些地區(qū)人民的收入并有效減少供能成本。
但是,目前我國在有效利用生物質(zhì)資源用于分布式供能上,還存在一定障礙。這主要是由生物質(zhì)資源本身的特點來決定的,如水分高、質(zhì)地松散、堆積密度小、使得不易收集和運輸;同時,生物質(zhì)資源通?;曳趾扛?,灰熔點低,在燃燒過程中易出現(xiàn)結(jié)焦等問題;此外,農(nóng)村的生物質(zhì)資源分散在數(shù)量眾多的農(nóng)戶手中,導(dǎo)致交易成本較高,資源的持續(xù)供給得不到保證。由于以上問題的存在,導(dǎo)致我國出現(xiàn)一方面農(nóng)村能源短缺,另一方面優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源被大量閑置和浪費的情況。解決這些問題,不僅要在技術(shù)上攻關(guān),解決生物質(zhì)存儲、運輸及利用效率的問題;而且要在國家政策層面上,對開發(fā)利用生物質(zhì)資源給予更多激勵與扶持。
本文以英國城市Barnsley 兩個生物質(zhì)分布式供熱系統(tǒng)為研究對象,通過試驗研究和數(shù)值模擬的手段來研究其燃燒特性和污染物排放特性。研究表明,使用當?shù)氐纳镔|(zhì)資源來為社區(qū)和小規(guī)模的分散區(qū)域提供能源,將會帶來明顯的收益。一方面,可以提供低成本的熱能和電力給當?shù)氐木用?,另一方面也有利于保護周圍的生態(tài)環(huán)境。與傳統(tǒng)的利用煤產(chǎn)生能源相比,生物質(zhì)燃料的分布式供能系統(tǒng),其污染物的排放量要小很多。而且,現(xiàn)有的小型燃煤供熱系統(tǒng)可以通過較為簡單的改造,適用于生物質(zhì)燃料,從而降低系統(tǒng)的投資成本。
Barnsley 成功開發(fā)和運行大量獨立的“迷你”型分布式供熱項目的經(jīng)驗,對我國農(nóng)村和新型城鎮(zhèn)的供能提供了一個很好的借鑒??紤]到我國的國情和生物質(zhì)資源的特點,在規(guī)模化利用生物質(zhì)分布式能源系統(tǒng)上,還需要克服諸多技術(shù)以及非技術(shù)的壁壘。
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