韓峰，叢堃林，李清海，張衍國，嚴矯平，胡峰

多流程循環(huán)流化床技術在綜合能源服務中的應用

韓峰1，叢堃林2，李清海2，張衍國2，嚴矯平1，胡峰1

（1．北京熱華能源科技有限公司, 北京市 海淀區(qū) 100085；2．清華大學能源與動力工程系，北京市 海淀區(qū) 100084）

園區(qū)級的清潔供熱是目前綜合能源服務中需要迫切解決的問題。多流程循環(huán)流化床技術采用“三床兩返多流程”的結構設計，解決了傳統(tǒng)的循環(huán)流化床鍋爐小型化的問題。工業(yè)實踐證明，多流程循環(huán)流化床鍋爐可以選用生物質、工業(yè)固體廢棄物、煤炭等作為燃料，針對多種燃料的熱效率達到88%~92%，且污染物排放均達到了國家和地方標準中對排放濃度限值的要求。多流程循環(huán)流化床技術具有分散能源分散利用、多種燃料同時適用的優(yōu)勢，可以有效地為園區(qū)級的綜合能源服務提供幫助。

綜合能源服務；多流程；循環(huán)流化床技術；生物質；工業(yè)固體廢棄物

0 引言

隨著能源生產和消費革命的推進，傳統(tǒng)能源企業(yè)都在尋求自身轉型，以拓展新的業(yè)務市場和新的利潤增長點。綜合能源服務作為能源領域轉型升級的主要方向，獲得了前所未有的關注，也孕育著巨大的市場空間。

綜合能源服務是在傳統(tǒng)的冷、熱、電、燃氣基礎上發(fā)展起來的，以客戶為主體，利用大數(shù)據、云計算、物聯(lián)網等數(shù)字化技術，實現(xiàn)多能協(xié)同供應，最終提高能源系統(tǒng)效率、降低用能成本的能源服務。綜合能源服務包含的內容和模式很廣，近年來分布式可再生能源、冷熱電三聯(lián)供、儲能、能源互聯(lián)網等的研究與應用受到了廣泛關注[1]。

綜合能源服務對象范圍很廣，目前來看，園區(qū)級的綜合能源服務是相對容易推進和落實的，也是研究關注的重點。文獻[2]從園區(qū)綜合能源服務商、服務內容、商業(yè)模式、支撐技術4個方面介紹了面向園區(qū)能源互聯(lián)網的綜合能源服務關鍵問題；文獻[3]從能流分析、經濟運行和環(huán)境保護的角度，針對某多能互補系統(tǒng)的優(yōu)化設計和運行策略進行了研究；文獻[4]對包含電、氣、冷、熱等其他能源的綜合能源系統(tǒng)的能源運行特性和耦合機制進行了研究，并建立了綜合模型；文獻[5]基于公共儲能的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)互聯(lián)方案，提出了多主體參與的商業(yè)運營模式；文獻[6]以某工業(yè)園區(qū)為基礎，建立了綜合能源管理平臺，實現(xiàn)了供能系統(tǒng)能源的綜合梯級利用。

分布式能源服務是園區(qū)綜合能源服務的重要組成部分，需要具有能源利用效率高、污染物排放低等優(yōu)勢。目前，天然氣冷熱電三聯(lián)供、分布式光伏發(fā)電、分散式風力發(fā)電、地源熱泵等是園區(qū)面向用戶側的主要用能形式[7-8]。園區(qū)級的清潔供熱是園區(qū)綜合能源服務的一項重要內容，化工、紡織、印染、食品、醫(yī)藥、水泥等工業(yè)園區(qū)有著大量的供熱需求。但是由于小型燃煤鍋爐正在被集中取締，有供熱需求的園區(qū)側實際用能過程中，存在著天然氣僅供燃燒供熱的情況，使得高品質的天然氣能源存在著嚴重的“高能低用”問題[9]。同時，由于我國天然氣資源緊缺，價格長期呈上漲趨勢，天然氣鍋爐經濟性欠佳。文獻[10]以某工業(yè)園區(qū)為例，提出了以循環(huán)流化床鍋爐+背壓式機組熱電聯(lián)產的小型分布式能源系統(tǒng)，具有較好的經濟效益和環(huán)境效益。

循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應性廣、燃燒效率高、污染物排放少、調節(jié)特性好等優(yōu)點[11]，但是傳統(tǒng)的循環(huán)流化床鍋爐對流態(tài)化和燃燒停留時間的要求高，在鍋爐容量較小的情況下難以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，因此不適合作為園區(qū)級的綜合能源服務的能源提供方式。為了解決循環(huán)流化床鍋爐小型化的問題，清華大學開發(fā)了一種多流程循環(huán)流化床技術[12]，已在國內廈門、杭州、郴州、永州等多地以及印尼、蒙古、美國等國家獲得應用，運行效果得到了廣泛驗證，可以為園區(qū)級的綜合能源服務提供能源服務。

1 多流程循環(huán)流化床技術

多流程循環(huán)流化床通過將傳統(tǒng)循環(huán)流化床鍋爐爐膛分段并進行水平多級布置，形成了由主燃室、副燃室和燃盡室組成的“三床兩返多流程”結構[13]，采用三級爐膛、兩級回灰的結構設計，如圖1所示。

清華大學對多流程循環(huán)流化床的物料濃度分布、物料循環(huán)、氣固傳熱特性、熱力計算方法等進行了大量理論和實驗研究[14-18]。相關研究結果表明：多流程循環(huán)流化床技術將物料高中溫復合循環(huán)與流態(tài)化原理有機結合，一方面增加了燃料燃燒時間，并采取兩級物料循環(huán)，使燃料燃燒更為充分，增加了燃料的適應性；另一方面將鍋爐的高溫分離改為中溫分離，避免了分離器的結焦。

1—主燃室；2—副燃室；3—燃盡室；4—分離器；5—主返料系統(tǒng)；6—副返料系統(tǒng)。

“三床兩返多流程”的結構對生物質(稻殼、木屑、玉米芯等)、工業(yè)固體廢棄物(煙梗、中藥渣、咖啡渣、糠醛渣等)、煤炭（褐煤、煙煤等）都具有極強的適應性。

2 多流程循環(huán)流化床技術的應用

2.1 多流程循環(huán)流化床在生物質燃燒領域的應用

生物質能是重要的可再生能源，具有可再生、產量大、分布廣的特點，在應對全球氣候變化、緩解能源供需矛盾、保護生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，是我國能源戰(zhàn)略發(fā)展的重要組成部分。2017年，國家能源局綜合司在《關于促進可再生能源供熱的意見》中，明確提出要積極發(fā)展生物質能供熱，在農作物秸稈資源量大的地區(qū)推行生物質熱電聯(lián)產集中供暖或工業(yè)供熱[19]。2019年，國家能源局綜合司在《國家能源局綜合司關于請報送生物質鍋爐清潔供熱有關情況的通知》中，明確指出生物質鍋爐供熱是綠色低碳清潔經濟的可再生供熱方式，適用于中小工業(yè)園區(qū)供熱和城鎮(zhèn)供暖。

熱華能源在江蘇興化興東工業(yè)園區(qū)投資的生物質集中供熱項目采用2臺45 t/h多流程循環(huán)流化床鍋爐(如圖2所示)，項目采用建設-擁有-運營模式，以秸稈、稻殼等生物質資源為燃料，替代園區(qū)內原有的30多臺分散小型燃煤鍋爐，該項目也入選了國家能源局“百個城鎮(zhèn)”生物質熱電聯(lián)產縣域清潔供熱示范項目[20]。

圖2 燃生物質多流程循環(huán)流化床鍋爐

2017年4月，由江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院對2臺多流程循環(huán)流化床鍋爐(以稻殼為燃料)進行能效測試，測試結果顯示：1號鍋爐的熱效率為90.86%，2號鍋爐的熱效率為91.17%。

項目設置布袋除塵器，采用選擇性非催化還原脫硝的方式脫硝。2017年7月，江蘇中聚檢測服務有限公司對興化項目進行了排放測試，檢測結果如表1所示。多流程循環(huán)流化床鍋爐(燃稻殼)污染物排放達到《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271—2014)中規(guī)定的重點地區(qū)燃氣鍋爐大氣污染物濃度限值要求[21]，徹底解決了園區(qū)內原有小型燃煤鍋爐的污染問題。

表1 多流程循環(huán)流化床(燃稻殼)排放檢測結果

2.2 多流程循環(huán)流化床在工業(yè)固體廢棄物燃燒領域的應用

工業(yè)固體廢棄物一般是指工業(yè)生產活動中產生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質，如造紙行業(yè)產生的草渣、制糖行業(yè)產生的蔗渣、煙草行業(yè)產生的煙梗等。2017年我國一般工業(yè)固體廢棄物產生量為33.15億t，綜合利用量為18.12億t，處置量為7.98億t。工業(yè)固體廢棄物產生量大，對環(huán)境影響廣泛。工業(yè)固體廢棄物的處置是我國迫切需要解決的環(huán)境問題，一次能源緊缺的現(xiàn)狀也決定了工業(yè)固體廢棄物的清潔高效能源化利用勢在必行。對于一些可燃性工業(yè)固體廢棄物，如中藥渣、煙梗、酒糟、醋渣、咖啡渣、糠醛渣等，可以進行清潔燃燒處理，一方面可以實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物環(huán)保處理，另一方面可以產生蒸汽用于企業(yè)生產，降低企業(yè)生產成本。

熱華能源在四川煙葉復烤有限責任公司德昌復烤廠投資建設有1臺15t/h多流程循環(huán)流化床鍋爐(如圖3所示)，項目采用建設–經營–轉讓模式，燃料為德昌復烤廠煙葉復烤加工過程中產生的約6000t/a的煙梗廢棄物，產生的蒸汽用于德昌復烤廠的煙葉復烤生產。多流程循環(huán)流化床的技術特點有效地解決了煙梗燃燒過程中的結焦、積灰和焦油處理的問題，將煙梗變廢為寶，實現(xiàn)了資源的綜合利用；鍋爐的實際熱效率可維持在90%左右，節(jié)約了煤的使用量，降低了生產成本；消除了煙梗廢棄物儲存、運輸、銷毀過程的費用以及造成的環(huán)境污染。

圖3 燃工業(yè)固體廢棄物多流程循環(huán)流化床鍋爐

該系統(tǒng)中設置布袋除塵器進行除塵，采用爐內加石灰石的方式脫硫。2016年3月，四川中測凱樂檢測技術有限公司對德昌項目進行了排放測試，檢測結果如表2所示。多流程循環(huán)流化床鍋爐(燃煙梗)污染物的排放達到GB 13271—2014中規(guī)定的燃煤鍋爐大氣污染物濃度限值要求。

表2 多流程循環(huán)流化床(燃煙梗)排放檢測結果

2.3 多流程循環(huán)流化床在煤燃燒領域的應用

煤炭是我國最主要的一次能源，2018年在我國一次能源結構中的占比為58%。雖然我國一直在重點區(qū)域實施煤炭消費總量控制，并且依法淘汰10t/h以下的燃煤小鍋爐，但是國家能源委員會也明確指出保暖保供要“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”，進一步扭轉了以往清潔供暖就是去煤化的思維。多流程循環(huán)流化床鍋爐在煤的清潔燃燒利用上有突出優(yōu)勢。

熱華能源在富陽海通管莊有限公司富陽工廠投資建設有1臺15t/h多流程循環(huán)流化床鍋爐(如圖4所示)，項目采用合同能源管理模式，替代工廠原有的10t/h和6t/h的燃煤鏈條鍋爐。2017年2月，對鍋爐進行了能效測試，鍋爐的熱效率為89.30%。

該系統(tǒng)中采用高效布袋除塵器的除塵工藝，并采用爐內石灰石粗脫硫+尾部堿液精脫硫的2級脫硫工藝，采用低溫、分級燃燒+選擇性非催化還原脫硝的兩級脫硝工藝。2017年3月，浙江鼎清環(huán)境監(jiān)測技術有限公司對富陽項目進行了排放測試，檢測結果如表3所示。多流程循環(huán)流化床(燃煤)的排放達到GB 13271—2014中規(guī)定的重點地區(qū)燃氣鍋爐大氣污染物特別排放限值要求，同時也達到浙江省《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(DB33/2147—2018)中規(guī)定的燃煤發(fā)電鍋爐大氣污染物排放濃度限值要求[22]，滿足超低排放的要求。

圖4 燃煤多流程循環(huán)流化床鍋爐

表3 多流程循環(huán)流化床(燃煤)排放檢測結果

3 多流程循環(huán)流化床技術在綜合能源服務中的應用案例

基于多流程循環(huán)流化床技術對于多種燃料的適用性，以及高效率、低排放的特點，熱華能源將多流程循環(huán)流化床鍋爐應用于園區(qū)級的綜合能源服務，根據園區(qū)的發(fā)展規(guī)劃及實際用能需求進行多流程循環(huán)流化床鍋爐的設計和建設，可以提供冷熱電三聯(lián)產，實現(xiàn)能源梯級利用、提高能源綜合利用率、減少環(huán)境污染。

圖5為多流程循環(huán)流化床鍋爐在江蘇興化興東工業(yè)園脫水果蔬產業(yè)園的綜合能源服務項目。該項目按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的原則進行設計和建設。項目一期，建設2′45t/h生物質多流程循環(huán)流化床鍋爐，已于2017年1月建成投產，實現(xiàn)了興東工業(yè)園區(qū)脫水果蔬產業(yè)園的生物質集中供熱；項目二期，將2′45t/h生物質多流程循環(huán)流化床鍋爐擴容到2′55t/h，新建1′6MW抽凝發(fā)電機組，新建1′25t/h燃氣鍋爐(備用)，實現(xiàn)熱電聯(lián)產，目前已經啟動，預計于2020年底實現(xiàn)并網發(fā)電；項目三期，擬建冷凍物流園，對生物質能源進行梯級利用，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產。

圖5 多流程循環(huán)流化床鍋爐綜合能源服務項目

4 結論

多流程循環(huán)流化床技術具有“多燃料混燒”的特點，針對多種燃料的熱效率達到88%~92%，且污染物排放均達到了排放濃度限值的要求，實現(xiàn)了生物質、可燃工業(yè)固體廢棄物、煤炭等多種燃料的清潔高效燃燒，有效解決了傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐燃料適用范圍窄、原始污染物排放高的問題。園區(qū)級的綜合能源服務可以根據當?shù)氐馁Y源條件，在一年內根據燃料的供應情況選擇合適的生物質資源、工業(yè)固體廢棄物或者煤炭作為燃料，實現(xiàn)多種燃料混燒。在分散能源的分散利用基礎上，可以有效平抑某一種燃料短缺引起的價格波動，降低綜合燃料成本。

多流程循環(huán)流化床技術實現(xiàn)了循環(huán)流化床技術的小型化，可以實現(xiàn)多種燃料的清潔高效利用，將傳統(tǒng)的化石能源與可再生能源完美結合起來，可為園區(qū)級的綜合能源服務提供有效支撐。

[1] 張治新，陸青，張世翔．國內綜合能源服務發(fā)展趨勢與策略研究[J]．浙江電力，2019，38(2)：1-6．

[2] 戚艷，劉敦楠，徐爾豐，等．面向園區(qū)能源互聯(lián)網的綜合能源服務關鍵問題及展望[J]．電力建設，2019，40(1)：127-136．

[3] Li M，Mu H，Li N，et al．Optimal design and operation strategy for integrated evaluation of CCHP (combined cooling heating and power) system[J]．Energy，2016，99：202-220．

[4] Wang D，Liu L，Jia H，et al．Review of key problems related to integrated energy distribution systems [J]．CSEE Journal of Power and Energy Systems，2018，4(2)：130-145．

[5] 王旭東，丁一，馬世乾，等．園區(qū)綜合能源系統(tǒng)互聯(lián)安全性與運營模式研究[J]．電力自動化設備，2019，39(8)：286-293．

[6] 王琴明．工業(yè)園區(qū)智慧能源管理系統(tǒng)的探索與應用[J]．電力需求側管理，2019，21(1)：68-70．

[7] 國旭濤，蔡潔聰，韓高巖，等．分布式能源技術與發(fā)展現(xiàn)狀[J]．分布式能源，2019，4(1)：52-59．

[8] 任江波，孫仲民，顧喬根，等．計及儲能全壽命周期運維的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置[J]．廣東電力，2019，32(10)：71-78．

[9] 陳曦．分布式能源系統(tǒng)在工業(yè)聯(lián)產中的應用研究[D]．北京：華北電力大學，2016．

[10] 林世平．工業(yè)園區(qū)小型分布式能源系統(tǒng)應用研究[J]．沈陽工程學院學報(自然科學版)，2011，7(2)：103-106．

[11] 蔡潤夏，呂俊復，凌文，等．超(超)臨界循環(huán)流化床鍋爐技術的發(fā)展[J]．中國電力，2016，49(12)：1-7．

[12] 張衍國，姚忠建，李清海，等．一種臥式循環(huán)流化床燃燒設備及其循環(huán)燃燒方法：200510126362.6 [P]．2006-06-14．

[13] 張衍國，李清海，蒙愛紅，等．一種多流程循環(huán)流化床鍋爐：201010110352.4[P]．2011-07-20．

[14] 李清海，甘超，馮蘅，等．臥式循環(huán)流化床回料器性能實驗研究[J]．燃燒科學與技術，2013，19(3)：193-199．

[15] 李清海，周曉彬，陳庚，等．臥式循環(huán)流化床鍋爐燃燒的數(shù)值模擬[J]．清華大學學報(自然科學版)，2013，53(3)：353-357．

[16] 向杰，李清海，張衍國，等．臥式循環(huán)流化床鍋爐壓降和顆粒體積分數(shù)分布[J]．動力工程學報，2014，34(4)：253-259．

[17] 叢堃林，李清海，韓峰，等. 多流程臥式循環(huán)流化床氣固流動的傳熱特性[J]．燃燒科學與技術，2018，24(4)：31-38．

[18] 叢堃林，李清海，魯偉，等．多流程循環(huán)流化床鍋爐熱力計算方法研究[J]．中國電力，2018，51(8)：139-147．

[19] 國家能源局．國家能源局綜合司關于征求對《關于促進可再生能源供熱的意見》的函[EB/OL]. (2017- 04-18)[2019-09-23].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/ 201704/t20170424_2779.htm.2017-04-18．

[20] 國家能源局. 國家能源局關于開展“百個城鎮(zhèn)”生物質熱電聯(lián)產縣域清潔供熱示范項目建設的通知[EB/OL]. (2018-01-19)[2019-09-23]. http://zfxxgk.nea. gov.cn/ auto87/201802/t20180211_3116.htm.

[21] 環(huán)境保護部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局．鍋爐大氣污染物排放標準：GB 13271—2014[S]．北京：中國環(huán)境科學出版社，2014．

[22] 浙江省人民政府．燃煤電廠大氣污染物排放標準：DB33/2417—2018[S]．杭州：浙江省環(huán)境保護廳，2018．

Application of Multi-pass Circulating Fluidized Bed in Integrated Energy Service

HAN Feng1, CONG Kunlin2, LI Qinghai2, ZHANG Yanguo2, YAN Jiaoping1, HU Feng1

(1. Beijing Nowva Energy Technology Co., Ltd., Haidian District, Beijing 100085, China; 2. Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

Park level clean heating is an urgent problem to be solved in integrated energy service. The multi-pass circulating fluidized bed technology adopts a three-stage furnace structure to form a two-stage material circulation in the furnace, which solves the problem of miniaturization of traditional circulating fluidized bed boilers. The industrial practice has proved that the multi-pass circulating fluidized bed boiler can use biomass, industrial solid waste, coal and other fuels. The thermal efficiencies of various fuels reach 88%~92%, and the emissions of the pollutants meet the required permissible effluent concentrations of the national standards and local standards. The multi-pass circulating fluidized bed technology has the advantages of decentralized energy utilization and simultaneous application of multiple fuels, which can be effectively applied to park level integrated energy service.

integrated energy service; multi-pass; circulating fluidized bed technology; biomass; industrial solid waste

10.12096/j.2096-4528.pgt.19171

TK 01+9

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0603901)。

Project Supported by National Key Research and Development Program (2017YFB0603901).

2019-11-25。

(責任編輯 辛培裕)