牟晨璐,丁 濤,周鄭洋,徐 亮,董曉亮,湯洪海
(1. 西安交通大學 電氣工程學院 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049;2. 北京電力交易中心,北京 100031)
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,我國能源生產(chǎn)總量和消費總量穩(wěn)定增長,但其導致的環(huán)境污染和氣候變化等問題嚴重制約社會可持續(xù)發(fā)展。2021 年政府工作報告指出,要加強污染防治和生態(tài)建設(shè),進一步推進碳達峰、碳中和有關(guān)的各項工作,對我國實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、降污減碳提出了新的要求。
我國能源轉(zhuǎn)型路徑將從以煤為主到化石能源、可再生能源和核能并存的多元能源結(jié)構(gòu),最終實現(xiàn)以風能和太陽能等可再生能源為主體的能源結(jié)構(gòu)[1-2]。近年來,我國煤炭消費占比呈下降趨勢,清潔能源消費占比逐年提升。2019 年,煤炭消費量占能源消費總量的57.7%,比2010年減少了11.5%;天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的23.4%,比2010 年增長了近一倍[3]。然而目前由于水電、風電、光伏等可再生能源的隨機性、不確定性的難題尚未得到解決[4-6],火力發(fā)電的主導地位在未來相當一段時間內(nèi)不會動搖。因此,減少化石燃料的消耗和提高能源利用率對緩解化石能源緊張、降低污染物排放、減少溫室氣體的排放依然具有重要意義。
工業(yè)尾氣蘊含著豐富的化學能和熱能,直接排放會對環(huán)境產(chǎn)生污染并造成資源浪費。目前尾氣綜合利用方式可歸為以下3 類:利用尾氣生產(chǎn)新的化工產(chǎn)品;利用尾氣熱能;利用尾氣發(fā)電。尾氣電廠利用工業(yè)尾氣進行發(fā)電,將工業(yè)尾氣中的廢能轉(zhuǎn)化為電能,有效降低廢氣污染物的排放,減少能量損失,提高能源利用率,屬于碳中和愿景技術(shù)路徑中的能效提高范疇[7];與尾氣直接排放相比,在相同負荷下,建有尾氣電廠的工廠從電網(wǎng)中購電降低,從而減少了因相應(yīng)火力發(fā)電造成的能源消耗和溫室氣體排放。尾氣發(fā)電機組屬于資源綜合利用機組,在國家和地方政策上得到大力支持,在“雙碳”經(jīng)濟背景下迎來新的發(fā)展機遇。2011 年,國家能源局發(fā)布《關(guān)于進一步開展資源綜合利用意見》,該意見為利用余熱、余壓、城市垃圾和煤矸石、煤泥等低熱值燃料及煤層氣生產(chǎn)電力、熱力,并且單機容量在500 kW 以上,為符合并網(wǎng)調(diào)度條件的企業(yè)并網(wǎng)提供了保障;同時要求電力部門對并網(wǎng)的機組免交小火電上網(wǎng)配套費,并在核定的上網(wǎng)電量內(nèi)優(yōu)先購買[8]。2019 年國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于規(guī)范優(yōu)先發(fā)電優(yōu)先購電計劃管理的通知》,通知規(guī)定余熱、余壓、余氣、煤層氣等資源綜合利用機組,應(yīng)當按照資源條件對應(yīng)的發(fā)電量全額安排計劃[9]。陜西省發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)2021 年陜西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)電企業(yè)優(yōu)先發(fā)電量計劃的通知》提出,對資源綜合利用機組發(fā)電量優(yōu)先安排計劃,是上述國家政策在地方落地的體現(xiàn)[10]。尾氣電廠的發(fā)展可以實現(xiàn)資源高效利用和保護生態(tài)環(huán)境的雙重效益,對我國降污減碳具有重要作用。
為實現(xiàn)“雙碳”目標提供尾氣電廠的理論基礎(chǔ),本文綜述了尾氣電廠技術(shù)方案和發(fā)展及研究現(xiàn)狀,并對尾氣電廠進行典型案例介紹和經(jīng)濟性分析。概述了尾氣電廠基本原理,梳理了尾氣類型和尾氣發(fā)電技術(shù)類型;綜述了尾氣電廠技術(shù)方案,進而對尾氣發(fā)電技術(shù)進行比較,并綜述了尾氣電廠發(fā)展及研究現(xiàn)狀;介紹了尾氣電廠的典型案例,從單位造價的角度進行經(jīng)濟性分析;探討了尾氣電廠發(fā)展的問題和未來方向。
尾氣電廠是指靠燃燒工業(yè)尾氣產(chǎn)生電能的發(fā)電廠。理論上,尾氣電廠適用于任何可燃的工業(yè)尾氣。但在實際應(yīng)用中,受限于尾氣成分和機組經(jīng)濟性,尾氣電廠只在幾種尾氣類型上得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。本節(jié)首先介紹尾氣電廠的基本原理,然后介紹3 種廣泛用于尾氣電廠發(fā)電的尾氣類型,最后介紹尾氣發(fā)電技術(shù)類型。
尾氣電廠運行模式如圖1 所示。尾氣從工廠排出后,經(jīng)過收集,運輸?shù)轿矚怆姀S,尾氣電廠利用尾氣發(fā)電,產(chǎn)生的電能主要用于工廠自身,多余電能考慮上傳電網(wǎng)。我國尾氣電廠通常是工廠自建,建有這種電廠的行業(yè)包括冶金、油氣和化工等行業(yè)。主要發(fā)電技術(shù)有鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃氣內(nèi)燃機發(fā)電等。
圖1 尾氣電廠模式圖Fig.1 Model diagram of off-gas power plant
在我國建有尾氣電廠的行業(yè)中,以炭黑、黃磷和煉焦行業(yè)最為典型,尾氣電廠在這些行業(yè)中普遍得到應(yīng)用[11-13]。本節(jié)主要介紹炭黑、黃磷和焦爐尾氣的組成成分和尾氣經(jīng)尾氣電廠燃燒后的污染物變化情況。
1.2.1 炭黑尾氣
炭黑是一種化工原料,廣泛用于生產(chǎn)橡膠和塑料。炭黑生產(chǎn)中副產(chǎn)的炭黑尾氣,是一種低熱值可燃氣體,主要成分為N2、CO 和H2,其組成受炭黑種類、原料油來源和生產(chǎn)技術(shù)的影響。炭黑尾氣的常規(guī)組成成分見表1[11]。除表1所列氣體外,炭黑尾氣中還含有少量H2S、NOx和炭黑粉塵。經(jīng)尾氣電廠燃燒后,炭黑尾氣中的CO 含量大幅降低,燃燒產(chǎn)物經(jīng)脫硫脫硝除塵凈化達標后排入大氣,可實現(xiàn)污染物超低排放[14]。炭黑尾氣所含的化學能占炭黑生產(chǎn)總輸入能量的51.1%,尾氣中的可燃成分約占總量的20%~23%[15]。據(jù)統(tǒng)計,2019年我國炭黑產(chǎn)能8×106t,按每生產(chǎn)1 t 炭黑,副產(chǎn)3 000 m3尾氣估算,年產(chǎn)炭黑尾氣2.4×1010m3,利用價值巨大。
表1 炭黑尾氣常規(guī)組成成分Table 1 Regular components of carbon black off-gas
1.2.2 黃磷尾氣
黃磷是磷化工的重要原料,廣泛用于化肥、洗滌劑、食品添加劑等領(lǐng)域。黃磷生產(chǎn)主要采用電爐法,理論上每生產(chǎn)1 t黃磷,副產(chǎn)尾氣約為2500~3000 m3。黃磷尾氣主要成分為CO,其他雜質(zhì)包括S、P、F、As、粉塵以及CO2、N2、O2、H2等氣體,如表2 所示[16]。黃磷尾氣燃燒時會對設(shè)備造成腐蝕,因此通常經(jīng)除塵凈化后用于發(fā)電,燃燒產(chǎn)物中基本不含CO等可燃污染物。由于國內(nèi)黃磷尾氣利用凈化處理難度大、成本高、工藝流程復雜,黃磷尾氣未能得到有效利用,直接燃燒排放的尾氣約占總量的80%[13],造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。
表2 黃磷尾氣常規(guī)組成成分Table 2 Regular components of yellow phosphorus off-gas
1.2.3 焦爐尾氣
焦爐尾氣是煉焦過程的副產(chǎn)品,主要成分為H2、CH4和CO,其組成受煉焦用煤質(zhì)量和煉焦技術(shù)等的影響,是一種高熱值可燃氣體。焦爐尾氣的常規(guī)組成成分如表3 所示[17]。在一定條件下,焦爐尾氣在裝有低氮燃燒器的燃氣輪機中燃燒能實現(xiàn)NOx超低排放,其排放量遠低于常規(guī)燒鍋爐火電廠的排放量[18-19]。我國每年在煉焦中產(chǎn)生6×1010~8×1010m3焦爐尾氣,約合2.5×1010~3.5×1010m3天然氣,超過西氣東輸輸氣總量[20]。目前,我國焦爐尾氣綜合利用的途徑主要是用作化工原料、燃料和制取H2[21]。盡管我國焦爐尾氣利用率不斷提升,每年仍有約20%的焦爐尾氣未經(jīng)利用直接排入大氣中,嚴重破壞生態(tài)環(huán)境[22]。
表3 焦爐尾氣常規(guī)組成成分Table 3 Regular components of coke off-gas
我國尾氣發(fā)電主要采用火力發(fā)電技術(shù),以鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃氣內(nèi)燃機發(fā)電為代表的火力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟。本節(jié)主要介紹上述3種尾氣發(fā)電技術(shù)的工作原理。
1.3.1 鍋爐-蒸汽輪機
鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)主要由燃氣鍋爐、汽輪機和發(fā)電機組成。鍋爐-蒸汽輪機工作原理如圖2所示。尾氣在燃氣鍋爐中燃燒加熱鍋爐中的水,從而產(chǎn)生高溫高壓蒸汽;高溫高壓蒸汽進入汽輪機內(nèi)膨脹做功,推動汽輪機葉片轉(zhuǎn)動,進而驅(qū)動發(fā)電機輸出電能。做功后的低壓蒸汽進入冷凝器冷卻,凝結(jié)后經(jīng)給水泵送回燃氣鍋爐,繼續(xù)參與循環(huán)。鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電采用朗肯循環(huán),通常以水作為循環(huán)工質(zhì)。在中低溫余熱回收領(lǐng)域,以低沸點有機工質(zhì)代替水作為循環(huán)工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)已經(jīng)成為節(jié)能研究領(lǐng)域的研究熱點之一,在工業(yè)余熱和地熱領(lǐng)域有大量的應(yīng)用案例[23-24]。與水蒸氣朗肯循環(huán)相比,有機朗肯循環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作壓力適宜和余熱回收效率高等優(yōu)點[25],在尾氣余熱發(fā)電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
圖2 鍋爐-蒸汽輪機工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of boiler-steam turbine
1.3.2 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)
燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐和蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)組成。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)工作原理如圖3 所示??諝饨?jīng)壓氣機壓縮后與尾氣在燃燒室中混合,燃燒產(chǎn)生高溫高壓煙氣在燃氣渦輪中膨脹做功,推動發(fā)電機發(fā)電。經(jīng)過渦輪做功后的煙氣溫度降至500 ℃左右,進入余熱鍋爐回收熱能。與鍋爐-蒸汽輪機中鍋爐的作用不同,余熱鍋爐中不發(fā)生煙氣的燃燒過程,其中的水被高溫煙氣加熱產(chǎn)生蒸汽用于蒸汽輪機發(fā)電,因此本質(zhì)上是一個煙氣-蒸汽的換熱器[26]。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)將具有較高進氣溫度的燃氣輪機循環(huán)(布雷頓循環(huán))和具有較低出氣溫度的蒸汽輪機循環(huán)(朗肯循環(huán))結(jié)合起來,從而具有更高的熱效率。與單純的鍋爐-蒸汽輪機循環(huán)約40%的熱效率相比,燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱效率可達60%以上,循環(huán)熱效率顯著提高。
圖3 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of gas-steam combined cycle
1.3.3 燃氣內(nèi)燃機
燃氣內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)和工作原理與液體燃料發(fā)動機相似,其工作原理如圖4 所示。尾氣與空氣混合,通過渦輪增壓器增壓、冷卻器冷卻后進入氣缸,經(jīng)火花塞點火,燃燒膨脹,推動活塞做功;活塞帶動曲軸旋轉(zhuǎn),驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)渦輪增壓機排出。在實際應(yīng)用中,燃氣內(nèi)燃機與余熱鍋爐結(jié)合構(gòu)成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),在輸出電能的同時提供蒸汽,實現(xiàn)能量的梯級利用,綜合能源利用率達75%~90%[27]。在此基礎(chǔ)上,還發(fā)展出了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),能夠同時滿足供冷和供熱需求。在該系統(tǒng)中,燃氣內(nèi)燃機與煙氣熱水溴化鋰冷熱水機組相連。燃氣內(nèi)燃機的缸套水可以直接供熱,也可以和排出的廢氣一起驅(qū)動制冷機制冷,滿足制冷需求,提高了能量利用效率[28]。
圖4 燃氣內(nèi)燃機工作原理圖Fig.4 Schematic diagram of gas internal combustion engine
我國炭黑、黃磷和煉焦行業(yè)的尾氣電廠在發(fā)展過程中形成了一定的技術(shù)方案取向。本節(jié)首先介紹這3 個行業(yè)主流的尾氣發(fā)電技術(shù)方案,并對尾氣發(fā)電涉及的改造技術(shù)及難點展開論述,然后對3 種尾氣發(fā)電技術(shù)進行比較,最后回顧3 種尾氣電廠技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,綜述當前尾氣電廠新的研究方向。
2.1.1 炭黑尾氣發(fā)電技術(shù)方案
炭黑尾氣用于發(fā)電是國內(nèi)炭黑企業(yè)尾氣綜合利用的主要方式之一,多采用鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電。由于其具有水分含量高、可燃物含量低、熱值低等特點,著火和穩(wěn)定燃燒較為困難,需要設(shè)計專門的炭黑尾氣鍋爐。國內(nèi)已有多家企業(yè)提出炭黑尾氣鍋爐方案。文獻[29]采用耐火絕熱材料將燃燒區(qū)和輻射換熱區(qū)隔開,使兩者成為相對獨立的區(qū)域,防止炭黑尾氣燃燒產(chǎn)生的熱量迅速被鍋爐受熱面吸收,從而保證燃燒區(qū)有較高的溫度,利于炭黑尾氣點燃和充分燃燒。文獻[30]提出雙通道空氣旋流燃燒器,該設(shè)計在確保炭黑尾氣和空氣卷吸混合燃燒的同時,推遲兩者的混合,保證燃氣在高溫火焰區(qū)富燃料環(huán)境下燃燒,阻礙NOx的產(chǎn)生。文獻[31]在爐內(nèi)安裝蓄熱穩(wěn)燃裝置,其升溫后能夠與環(huán)繞其旋轉(zhuǎn)燃燒的炭黑尾氣和空氣進行熱量交換,起到穩(wěn)定火焰的作用,有效提高了燃燒區(qū)域的溫度,使燃燒更加充分和穩(wěn)定。
2.1.2 黃磷尾氣發(fā)電技術(shù)方案
黃磷尾氣綜合利用的研究熱點之一是利用除塵凈化后的黃磷尾氣進行鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電,相比于利用尾氣生產(chǎn)碳一產(chǎn)品(C1 chemical products),這種方式技術(shù)難度較低、經(jīng)濟效益可以預(yù)期,被大多數(shù)企業(yè)采用[32]。但是黃磷尾氣中含有P、S 等物質(zhì),容易對設(shè)備造成腐蝕,大幅降低了蒸汽鍋爐的使用壽命和安全性。因此,研制耐腐蝕的黃磷尾氣專用鍋爐尤為關(guān)鍵。
針對鍋爐腐蝕,主要從以下2 個方面采取措施:尾氣凈化和鍋爐材料結(jié)構(gòu)的改進。尾氣凈化裝置主要用于脫硫、脫磷和除塵。凈化后的尾氣中有害成分顯著減少,可以直接送入鍋爐燃燒。在鍋爐材料結(jié)構(gòu)改進方面,國內(nèi)已有大量的黃磷尾氣鍋爐設(shè)計方案,其中許多已投入使用并取得良好的效果。文獻[33]采用受熱面獨立布置的設(shè)計,在爐膛后部增設(shè)花格墻,順流布置低溫和高溫過熱器,對爐膛水冷壁受熱面進行超音速噴涂,將部分裝置改用抗腐蝕性更強的材料,有效避免P、S 等雜質(zhì)的腐蝕。文獻[34]提出將燃燒和換熱分開進行的鍋爐結(jié)構(gòu),將蒸發(fā)器的高溫和低溫兩段串聯(lián)、中間用煙氣通道分隔的方法和在熱管中通入過量空氣稀釋煙氣的措施,解決了鍋爐高溫煙氣腐蝕的難題。文獻[13,35]提出在換熱主體裝置的管板外側(cè)安裝防腐保護板,并在螺紋煙管的內(nèi)壁上安裝防腐層,有效保護了鍋爐換熱主體裝置。
2.1.3 焦爐尾氣發(fā)電技術(shù)方案
利用焦爐尾氣發(fā)電是一項較為成熟的技術(shù),主要有以下3種方式:鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃氣內(nèi)燃機發(fā)電。鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電對焦爐尾氣品質(zhì)要求比較低,是我國焦化企業(yè)利用焦爐尾氣發(fā)電的主要方式,在焦爐尾氣發(fā)電使用的技術(shù)中應(yīng)用最早也最為成熟,本文不再贅述。近年來,國內(nèi)大型鋼廠陸續(xù)建造了利用焦爐尾氣和高爐煤氣發(fā)電的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,其中燃氣輪機是核心部件。燃氣輪機最初設(shè)計用于燃燒天然氣發(fā)電,將燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)用于焦爐尾氣發(fā)電的關(guān)鍵在于對改燒焦爐尾氣的燃氣輪機進行改造。與天然氣相比,焦爐尾氣含氫量較高,火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?,熱值更低,容易引起燃氣輪機回火、燃氣流量變化等問題[36]。文獻[37]在QD128 燃氣輪機燃燒室的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計燃用液體燃料和焦爐尾氣的雙燃料噴嘴,并對火焰筒頭部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,優(yōu)化了燃燒室的性能。文獻[38]增加PG5316 燃氣輪機控制系統(tǒng)MARK V 的控制程序,使其滿足在不同工況下機組運行要求。文獻[39]為PG6561 燃氣輪機的燃料系統(tǒng)設(shè)置增壓、高溫過濾單元,以滿足燃機入口溫度、壓力的要求,同時減少雜質(zhì)對機組的影響。燃氣內(nèi)燃機在焦爐尾氣發(fā)電領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用,但由于焦爐尾氣含氫量較高,燃燒速度較快,使得燃用焦爐尾氣的內(nèi)燃機存在爆燃傾向大、排氣管放炮嚴重等問題[40]。文獻[41]提出電控混合器、預(yù)燃室、數(shù)字點火、增壓中冷和自動保護等技術(shù),提高了內(nèi)燃機的功率和安全性。文獻[42]提出電子控制多點燃氣噴射系統(tǒng),該系統(tǒng)是電噴技術(shù)在國內(nèi)高含氫燃氣內(nèi)燃機領(lǐng)域的首次應(yīng)用,解決了進氣管回火和排氣管放炮的問題。文獻[43]提出內(nèi)混式單缸燃氣可控進氣系統(tǒng),并優(yōu)化配氣正時、空燃比,克服了燃焦爐尾氣內(nèi)燃機運行不穩(wěn)定的問題。
目前,我國尾氣發(fā)電主要采用鍋爐-蒸汽輪機,且在不同行業(yè)中各種技術(shù)類型的應(yīng)用比例呈現(xiàn)出較大差異。在炭黑、黃磷和焦化行業(yè),鍋爐-蒸汽輪機應(yīng)用最為廣泛,并以小容量機組為主,在技術(shù)升級方面存在較大空間。在鋼鐵行業(yè),近年來大型鋼廠普遍采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)利用高爐煤氣和焦爐尾氣發(fā)電,在減少碳排放和高效利用能源方面取得了顯著成效。表4 比較了3 種尾氣發(fā)電技術(shù)類型的優(yōu)缺點,并列舉了尾氣發(fā)電技術(shù)涉及的改造內(nèi)容。
表4 尾氣發(fā)電技術(shù)比較Table 4 Comparison of off-gas power generation technologies
鍋爐-蒸汽輪機的優(yōu)點在于燃料適用范圍廣,對燃料進氣壓力和熱值沒有嚴格要求,且技術(shù)成熟,可以應(yīng)用于現(xiàn)有的幾乎所有尾氣電廠;機組功率范圍廣,能夠滿足各種規(guī)模尾氣電廠的發(fā)電需求。其缺點也很明顯:建設(shè)周期長,占地面積大,輔助設(shè)備多,操作人員多且要求高;耗水量大,因而不適用于缺水地區(qū)的尾氣電廠;自耗電量大,發(fā)電效率低。
燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)建設(shè)周期短,環(huán)保性能好。與同等規(guī)模的常規(guī)鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電機組相比,燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的熱電轉(zhuǎn)換效率提高了約10%,工業(yè)凈耗水量減少了約2/3,占地面積少,自動化程度更高,且機動性好[44]。熱電轉(zhuǎn)換效率的大幅提高可使燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組CO2排放量減少,碳減排效果更好。但是該技術(shù)對氣源的壓力和雜質(zhì)有較高要求,需要在燃氣系統(tǒng)前設(shè)置處理裝置,已運行的電廠在運維中故障率較高[45];初期投資大,設(shè)備檢修依賴國外服務(wù)商,費用昂貴[46],故障處理難度大;對單機容量有要求,大多在30 MW 及以上,因而對尾氣排放量有一定限制。
燃氣內(nèi)燃機的優(yōu)點在于單機容量小,可以通過調(diào)整發(fā)電機數(shù)量實現(xiàn)不同的裝機規(guī)模,靈活性更強;發(fā)電效率較高,建設(shè)投資少,耗水量低,因而經(jīng)濟性和節(jié)能減排效果好;設(shè)備高度集成,安裝快捷。但其對機油、火花塞等材料消耗大,并對雜質(zhì)敏感,實際運行中故障率較高。
我國尾氣電廠建設(shè)起步很早,可追溯至20 世紀70 年代[11],但由于尾氣電廠技術(shù)主要由火電技術(shù)改造而來,對改燒尾氣后機組各方面性能的變化研究不深入,許多尾氣電廠運行后都出現(xiàn)了嚴重的問題[13,47]。近年來,隨著研究的不斷推進,高校和企業(yè)的積極參與,尾氣電廠在發(fā)電技術(shù)和裝機容量等方面取得顯著提升,已有多個尾氣電廠參與國家溫室氣體自愿減排項目,節(jié)能減排效果良好。
在鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電領(lǐng)域,國內(nèi)外多家公司可以提供相應(yīng)的尾氣專用鍋爐。我國的尾氣鍋爐和尾氣發(fā)電的研究及應(yīng)用得到了國家政策的鼓勵和支持,應(yīng)用時間長,技術(shù)成熟,國產(chǎn)化程度高,在焦化、冶金等行業(yè)得到了廣泛的運用[11,47-48]。國內(nèi)成熟鍋爐企業(yè)如杭鍋、鄭鍋、太鍋等均生產(chǎn)相應(yīng)尾氣鍋爐,有豐富的設(shè)計制造經(jīng)驗,生產(chǎn)的尾氣鍋爐在國內(nèi)外許多企業(yè)投入使用。尾氣鍋爐作為常規(guī)工業(yè)鍋爐的改造產(chǎn)品,同樣存在工業(yè)鍋爐所具有的缺陷,存在資源消耗大和熱效率低等問題[49],造成資源未被有效利用。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大,尾氣排放量相應(yīng)增加,原有尾氣鍋爐的種類和蒸發(fā)量已經(jīng)不能很好地滿足實際需求,研制新的大容量、高參數(shù)的尾氣鍋爐尤為重要[50]。
在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電領(lǐng)域,主要是將焦爐尾氣或轉(zhuǎn)爐煤氣摻入高爐煤氣進行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。目前這種技術(shù)只被少數(shù)國外燃氣輪機制造商掌握,例如通用電氣和三菱動力等[51]。三菱動力從20 世紀80 年代就開始研發(fā)特殊燃燒器和其他設(shè)備,在燃高爐煤氣的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組研發(fā)和制造方面經(jīng)驗豐富,技術(shù)成熟,占有全球60%以上的市場份額[52]。燃氣輪機是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的核心部件。與發(fā)達國家相比,我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)起步并不晚,但目前與發(fā)達國家差距很大[53]。盡管國內(nèi)燃氣輪機公司通過與國外公司合作,具備了制造燃氣輪機的能力,但未完全掌握熱端部件的設(shè)計和制造技術(shù)[54]、渦輪葉片冷卻技術(shù)[55]和燃氣輪機燃燒調(diào)整技術(shù)[46]等關(guān)鍵技術(shù),一定程度上阻礙了我國燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的發(fā)展進程。
在燃氣內(nèi)燃機發(fā)電領(lǐng)域,國外多家公司可以提供相應(yīng)產(chǎn)品,如曼恩、瓦錫蘭、現(xiàn)代、通用電氣等[45]。2013 年,江蘇永鋼集團安裝了4 臺1.97 MW 由通用電氣公司提供的顏巴赫燃氣內(nèi)燃機組,該機組由高爐煤氣提供燃料,是世界上第一個投入商業(yè)應(yīng)用的基于燃氣內(nèi)燃機的熱電聯(lián)產(chǎn)機組。我國燃氣內(nèi)燃機行業(yè)有一定的設(shè)備制造基礎(chǔ),通過自行研發(fā)和吸收國外技術(shù),已經(jīng)逐步掌握了部分關(guān)鍵技術(shù),在動力性、經(jīng)濟性和安全性等方面有了較大提升,但與國際先進水平仍有一定差距[56]。目前我國已有幾家公司可以提供燃尾氣內(nèi)燃機,如山東勝動集團研發(fā)的12V190 系列高含氫工業(yè)尾氣發(fā)電機組,已經(jīng)應(yīng)用于魯清石化煉化尾氣電廠和太鋼冶煉尾氣電廠,標志著國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機機組具備應(yīng)用于大型尾氣內(nèi)燃機電廠的能力。
過去,尾氣發(fā)電主要集中在對原有發(fā)電技術(shù)遷移改造方面的研究,缺乏對尾氣電廠性能、經(jīng)濟性、調(diào)度和環(huán)保等方面的研究,近年來許多學者開辟了嶄新的研究方向。文獻[57]建立了燃焦爐尾氣的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)尾氣電廠系統(tǒng)性能和發(fā)電成本的數(shù)學模型,并分析了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對性能和經(jīng)濟性的影響,最終得出最優(yōu)系統(tǒng)方案。文獻[58]對高爐煤氣電廠采用PEPSE 軟件模擬,為優(yōu)化尾氣電廠的性能提供參考。對電廠進行生命周期成本分析,研究利用尾氣發(fā)電的經(jīng)濟效益,是生命周期成本分析在利用鋼鐵廠廢氣作為發(fā)電燃料領(lǐng)域的首次運用。文獻[59]研究了分時電價下,配有自發(fā)電設(shè)備鋼鐵廠的綜合調(diào)度問題。通過建立調(diào)度問題的多目標數(shù)學模型,開發(fā)改進的基于關(guān)系鏈的強度帕累托進化算法,對生產(chǎn)計劃和電力成本進行優(yōu)化。文獻[60]針對鋼鐵廠的蒸汽動力系統(tǒng),建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,以解決鋼鐵廠將高爐煤氣用于燃氣鍋爐燃料時利用率低的問題,結(jié)果表明合理利用熱值約束條件可以提高高爐煤氣利用率,并降低系統(tǒng)的經(jīng)濟運行成本。文獻[61]討論了碳捕集與封存技術(shù)在與鋼鐵廠相關(guān)聯(lián)的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中的使用,通過開發(fā)捕集裝置的動態(tài)模型,研究鋼廠每小時和季節(jié)性的負載變化對碳捕集過程的瞬態(tài)性能的影響。文獻[62]研究了含HCl 和H2S 的氣體混合物對微量元素鋅縮合行為的影響,從熱力學和動力學角度討論在氣體混合物(Ar/H2O/HCl/H2S)中鋅縮合過程的機理,指出Zn 等微量元素的冷凝行為對燃氣電廠部件的腐蝕影響,并對微量元素吸附劑的選擇和設(shè)計提供建議。
近年來,我國尾氣電廠項目規(guī)模逐漸擴大,對企業(yè)降污減碳、提升成本競爭力產(chǎn)生積極影響。本節(jié)首先對采用鍋爐-蒸汽輪機、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)和燃氣內(nèi)燃機的典型案例進行介紹分析,然后分析探討采用上述3 種技術(shù)尾氣電廠的單位造價,為尾氣電廠技術(shù)選擇提供參考。
云南澄江盤虎化工有限公司黃磷尾氣發(fā)電綜合利用項目位于云南省玉溪市澄江縣九村鎮(zhèn)東溪哨工業(yè)園區(qū)云南澄江盤虎化工有限公司主廠區(qū)內(nèi),占地面積3 468.20 m2。該項目采用鍋爐-蒸汽輪機發(fā)電,安裝1 臺20 t/h 黃磷尾氣專用鍋爐和1 臺冷凝式汽輪發(fā)電機組,裝機容量3 MW,年運行時間7200 h,年發(fā)電量2.16×107kW·h,所發(fā)電量供該公司生產(chǎn)自用,不對外供電。該項目利用黃磷尾氣發(fā)電,年利用黃磷尾氣約4.32×107m3。項目總投資2 021.34 萬元,年平均總成本為536.26 萬元,年均利潤總額為228.73 萬元,投資利潤率11.09%,投資回收期(稅后)7.95 a(含建設(shè)期)。
在黃磷行業(yè)面臨淘汰落后產(chǎn)能,加強環(huán)保監(jiān)管的背景下,該項目的建成將有效緩解企業(yè)的污染排放壓力,每年可減少顆粒物(PM10)排放4.58 t,SO2排放1.36 t,NOx排放1.22 t,在實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的同時減少企業(yè)能耗,降低生產(chǎn)成本。按年發(fā)電量折算,每年可節(jié)約標準煤5544 t,減少CO2排放量1.44×104t,對節(jié)能減排有重要意義。
河北首鋼遷安鋼鐵有限責任公司燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目位于河北省遷安市首鋼遷安公司內(nèi),占地面積3.08×104m2。該項目采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,建設(shè)1 臺139.4 MW 燃氣輪機、1臺余熱鍋爐、1 臺60.6 MW 蒸汽輪機和1 臺154 MW蒸汽機組發(fā)電機,總裝機容量150 MW,年運行時間7 200 h,年發(fā)電量1.057×109kW·h,所發(fā)電量供公司內(nèi)部使用。該項目利用鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的富余高爐煤氣和焦爐尾氣發(fā)電,年高爐煤氣用量1.744 3×109m3,焦爐尾氣用量1.954×108m3。項目總投資9.02億元,年利潤約3.08億元。
該項目是國內(nèi)鋼鐵行業(yè)首個國家溫室氣體自愿減排項目,于2009 年5 月5 日開工建設(shè),2011 年2 月并網(wǎng)發(fā)電試運行,并于2011 年3 月2 日正式投產(chǎn)。該項目可滿足遷安鋼鐵公司50%以上的用電需求,提升了成本競爭力。按年發(fā)電量折算,每年可節(jié)省標準煤3.675×105t,減少CO2排放量1.04×106t。該項目配置有較高的凈化系統(tǒng),可極大降低燃燒后廢氣的含塵量,實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益雙贏。
寧夏恒力潔能科技有限公司蘭炭尾氣發(fā)電項目位于石嘴山市平羅縣寧夏精細化工基地,占地面積8 000 m2。該項目采用燃氣內(nèi)燃-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,建設(shè)13臺1500 kW 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組、2臺18 t/h 余熱鍋爐和1 臺3.5 MW 背壓式汽輪發(fā)電機組,總裝機容量23 MW。年運行時間8000 h,年發(fā)電量1.415×108kW·h,年供蒸汽1.904×105t,所發(fā)電接入廠內(nèi)變電站。該項目利用蘭炭項目脫焦后的蘭炭尾氣發(fā)電,年蘭炭尾氣用量2×108Nm3。項目總投資10952萬元,投資回收期約為3~4 a。
該項目采用的富氫燃氣內(nèi)燃機關(guān)鍵技術(shù)獲北京市科學技術(shù)一等獎,達到國際先進水平,為蘭炭企業(yè)利用尾氣發(fā)電提供了新的途徑。一期工程5 臺燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組已建成投產(chǎn),2020 年9 月全部并網(wǎng)發(fā)電成功。按年發(fā)電量折算,每年可節(jié)約標準煤5.66×104t,減少CO2排放量1.472×105t,有利于企業(yè)低碳生產(chǎn)。
采用不同發(fā)電技術(shù)的尾氣電廠單位造價呈現(xiàn)出較大差異,這為尾氣電廠技術(shù)選擇提供了一定參考。本節(jié)根據(jù)近十年來建設(shè)的部分尾氣電廠經(jīng)濟指標,計算出每個項目的單位造價,通過修正通貨膨脹帶來的影響(年平均通貨膨脹率取2.23%),得出以2020 年為基年的單位造價,最終計算出每種技術(shù)的平均單位造價,見附錄A表A1。
從平均單位造價而言,鍋爐-蒸汽輪機單位造價最低,燃氣內(nèi)燃機次之,燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組單位造價最高。單位造價的差異部分是由3 種尾氣發(fā)電技術(shù)的國產(chǎn)化程度和應(yīng)用成熟度不同造成的:鍋爐-蒸汽輪機技術(shù)國產(chǎn)化程度高,在我國尾氣電廠應(yīng)用時間最長,技術(shù)最為成熟;燃氣內(nèi)燃機技術(shù)應(yīng)用在我國尾氣電廠的時間不長,技術(shù)相對不成熟,但是國內(nèi)已有多家企業(yè)能夠提供相應(yīng)產(chǎn)品,因此造價相對較低;燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)在世界尾氣電廠領(lǐng)域應(yīng)用時間長,技術(shù)成熟,但是我國燃氣輪機嚴重依賴進口,造成費用高昂。盡管如此,近年來我國低熱值燃氣輪機國產(chǎn)化取得了突破性進展,未來有望提高我國尾氣發(fā)電領(lǐng)域燃氣輪機機組國產(chǎn)化比例。附錄A 表A1 列舉的本鋼板材燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目,是國內(nèi)廠商首次承接超低熱值燃氣輪機項目。從尾氣發(fā)電技術(shù)類別與裝機容量范圍的對應(yīng)關(guān)系而言,鍋爐-蒸汽輪機裝機容量范圍最大,從幾兆瓦到百兆瓦不等,對各種規(guī)模的尾氣電廠適應(yīng)性較強。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組裝機容量多為百兆瓦級,目前主要被大型鋼鐵企業(yè)采用。燃氣內(nèi)燃機單機容量小,總裝機容量可以靈活配置,適合中小型尾氣電廠。
目前,我國的尾氣電廠基本為工廠自建,單機容量普遍較低,且不同行業(yè)使用的尾氣發(fā)電技術(shù)有較大差異,缺乏科學的尾氣電廠建造和運維體系,傳統(tǒng)的鍋爐-蒸汽輪機技術(shù)仍占據(jù)主導地位,造成能源利用率低下。利用工業(yè)尾氣發(fā)電是實現(xiàn)工業(yè)尾氣碳減排的重要途徑,在碳中和背景下應(yīng)當發(fā)揮更大的作用。尾氣電廠的規(guī)?;I(yè)化、產(chǎn)業(yè)化有望成為未來的發(fā)展方向。在發(fā)電技術(shù)方面,尾氣電廠將向更清潔高效的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃氣內(nèi)燃機發(fā)電轉(zhuǎn)型;在運營模式方面,尾氣電廠將打破現(xiàn)在的“工廠自建、發(fā)電自用、余電上網(wǎng)”模式,集“尾氣收集、尾氣發(fā)電、尾氣凈化”于一體,成為一類獨立的電廠?;诖耍覈矚怆姀S發(fā)展還存在以下6 點需要改進,可歸結(jié)為現(xiàn)存問題和未來關(guān)注重點2 個方面?,F(xiàn)存問題主要體現(xiàn)在技術(shù)研究不足、職能潛力沒有充分發(fā)揮以及政策落實不到位,由此總結(jié)出未來需要重點關(guān)注的6個方向,如圖5所示。
圖5 尾氣電廠現(xiàn)存問題及未來展望Fig.5 Existing problems and future prospects of off-gas power plant
1)尾氣發(fā)電技術(shù)有待突破。
我國尾氣電廠的布局決定了尾氣電廠氣源的單一性。目前用于發(fā)電的工業(yè)尾氣按主要可燃成分大致可分為高H2尾氣和高CO尾氣,對于這2類尾氣的燃燒特性和改進技術(shù)已有一定研究。未來尾氣電廠的氣源多樣,混合尾氣的組成更為復雜,其燃燒特性相對于單一尾氣也發(fā)生變化,因此針對混合尾氣的燃燒特性有待研究,尾氣發(fā)電技術(shù)的適應(yīng)性有待增強,以滿足混合尾氣發(fā)電的要求,同時對尾氣電廠的廢氣凈化技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。如何收集處理各個工廠的尾氣并用于發(fā)電,保證安全性和穩(wěn)定性,提高發(fā)電效率,是尾氣發(fā)電技術(shù)研究的挑戰(zhàn)。
2)尾氣電廠應(yīng)用碳捕集技術(shù)有待加強。
碳捕集與封存技術(shù)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)零碳排放和負碳排放的關(guān)鍵技術(shù),目前主要應(yīng)用于傳統(tǒng)火電廠,在尾氣電廠還沒有應(yīng)用先例。區(qū)別于尾氣電廠,碳捕集電廠是引入碳捕集技術(shù)的傳統(tǒng)火電廠,能夠?qū)O2從排放源中捕獲并分離出來運輸至儲存地點進行長期封存,實現(xiàn)零碳排放。盡管尾氣電廠利用尾氣廢能發(fā)電提高能效,有助于實現(xiàn)碳中和目標,但其廢氣中的CO2仍直接排放進大氣中,未能實現(xiàn)零碳排放。將碳捕集裝置安裝在尾氣發(fā)電機組上,能夠?qū)崿F(xiàn)零碳和負碳排放,使尾氣電廠兼有能效提高和碳捕集的促進碳中和功能,發(fā)揮更大的碳減排價值,具有良好的應(yīng)用前景。
3)尾氣電廠調(diào)峰能力有待挖掘。
近年來,我國新能源發(fā)展迅速,由此引發(fā)的新能源消納受限和調(diào)峰能力不足的問題突出。尾氣電廠單機容量小,機動性更好,能夠靈活承擔調(diào)峰任務(wù),與大型火電廠相比具有更低的調(diào)峰成本,當其用作調(diào)峰電廠時,可視為儲能裝置。尾氣電廠調(diào)峰原理如下:在電力負荷低谷時可以減少出力或停機,積累工廠排放尾氣的化學能,并啟動凈化裝置對尾氣進行凈化處理,吸收系統(tǒng)功率;而在電力負荷高峰時可以快速開機,將電網(wǎng)負荷低時積累的尾氣化學能轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)高峰期的電能,實現(xiàn)尾氣發(fā)電價值的最大化。此外,裝有碳捕集裝置的尾氣電廠作為碳捕集電廠也能起到調(diào)峰作用。發(fā)揮尾氣電廠的調(diào)峰職能,對于加強電網(wǎng)調(diào)峰能力,促進新能源消納,提升電網(wǎng)安全運行水平具有重要意義。
4)尾氣電廠并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響有待研究。
尾氣電廠屬于火電廠,其燃料的特殊性使得其與傳統(tǒng)火電廠不盡相同,尾氣電廠的并網(wǎng)對電力系統(tǒng)可能造成不利影響。尾氣電廠燃用工業(yè)尾氣發(fā)電,尾氣的物化性質(zhì)波動會對尾氣電廠輸出電能造成影響。尾氣受生產(chǎn)過程影響波動較大,生產(chǎn)原料、生產(chǎn)負荷、生產(chǎn)條件的變化以及尾氣凈化等諸多因素都會造成尾氣組成成分的波動,進而引起尾氣的熱值波動,尾氣的流量也處于動態(tài)變化中。生產(chǎn)過程中尾氣的物化性質(zhì)除了周期性波動外,還會因為生產(chǎn)設(shè)備故障而發(fā)生突發(fā)性大幅波動,影響尾氣發(fā)電機組的穩(wěn)定運行,造成各種擾動,影響電能質(zhì)量。目前缺乏對尾氣電廠并網(wǎng)對電力系統(tǒng)影響的深入研究,部分地區(qū)電網(wǎng)公司考慮到電網(wǎng)安全不希望尾氣電廠上網(wǎng)供電,這對尾氣電廠接入電網(wǎng)造成阻礙。
5)尾氣電廠市場交易規(guī)則有待探索。
現(xiàn)有的尾氣電廠尾氣來自工廠自身,優(yōu)先為工廠供電,發(fā)揮了一定的尾氣凈化功能,熱電聯(lián)產(chǎn)機組還能為工廠提供蒸汽。未來尾氣電廠作為獨立電廠,向工廠購買尾氣,發(fā)電送入電網(wǎng),這一轉(zhuǎn)變將帶來諸多矛盾。一方面,尾氣電廠的零燃料成本優(yōu)勢不再存在,廢氣凈化難度增大,成本相應(yīng)增加,其經(jīng)濟效益有待考量;另一方面,出售尾氣能夠幫助企業(yè)減輕尾氣治理負擔,降低生產(chǎn)成本,但是尾氣發(fā)電權(quán)的轉(zhuǎn)讓也增加了企業(yè)的購電成本,損失尾氣發(fā)電帶來的經(jīng)濟效益。此外,尾氣電廠的并網(wǎng)也會對電力電網(wǎng)公司的利益造成影響。因此,尾氣電廠自身經(jīng)濟效益以及電廠-工廠-電力-電網(wǎng)多方利益平衡是市場交易層面實現(xiàn)未來尾氣電廠構(gòu)想所要考慮的關(guān)鍵因素。當前政策為尾氣電廠的并網(wǎng)及上網(wǎng)電量的購買提供支持,但由于目前我國尾氣電廠多為發(fā)電自用,缺乏大量參與并網(wǎng)調(diào)度的實例,尾氣電廠市場交易規(guī)則仍有待探索。
6)尾氣電廠稅收和并網(wǎng)政策有待完善。
盡管國家和地方出臺了稅收和并網(wǎng)優(yōu)惠的相關(guān)政策,但在實施中各地政策落實情況不一。第一,各地對于尾氣電廠項目性質(zhì)的認定沒有統(tǒng)一,利用尾氣發(fā)電產(chǎn)生電力的稅收減免優(yōu)惠難以落實,增加了發(fā)電成本。第二,部分地區(qū)存在尾氣發(fā)電并網(wǎng)困難、售電價格低等問題,企業(yè)無法通過尾氣發(fā)電獲得應(yīng)有效益,降低了企業(yè)投資尾氣電廠項目實現(xiàn)資源綜合利用和降污減碳的積極性。尾氣電廠稅收和并網(wǎng)政策落實的問題存在已久,相關(guān)政策實際操作效果不佳,各相關(guān)方對政策的理解存在差距,阻礙了尾氣電廠的發(fā)展。
本文對尾氣電廠技術(shù)方案進行了研究綜述和經(jīng)濟性分析。首先對尾氣電廠基本原理進行概述。然后分別介紹了尾氣類型和尾氣發(fā)電技術(shù)類型。結(jié)合炭黑尾氣、黃磷尾氣和焦爐尾氣發(fā)電技術(shù)方案,總結(jié)了不同尾氣發(fā)電技術(shù)的難點,對3 種主要的尾氣發(fā)電技術(shù)進行了比較,并綜述了尾氣電廠技術(shù)發(fā)展和研究現(xiàn)狀。接著分析介紹了3 個尾氣電廠典型案例,根據(jù)調(diào)研的尾氣電廠數(shù)據(jù),基于單位造價進行經(jīng)濟性分析。最后提出了碳中和背景下尾氣電廠的發(fā)展方向,對當前尾氣電廠存在的問題進行探討,為未來尾氣電廠發(fā)展提供參考。
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