嵌入工業(yè)生產(chǎn)的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)

陳雨新 楊開宇

(中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330001)

目前，我國(guó)對(duì)天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)或曰天然氣分布式能源(DER)的推進(jìn)，重點(diǎn)落在了以中小燃?xì)廨啓C(jī)為核心設(shè)備的區(qū)域能源供給。而將天然氣CHP應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，則很少有能源企業(yè)涉及。但根據(jù)美國(guó)能源部(DOE)2017年披露的信息：在美國(guó)，天然氣CHP項(xiàng)目應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的總裝機(jī)容量數(shù)倍于其他領(lǐng)域，平均裝機(jī)容量也遠(yuǎn)超其他領(lǐng)域，數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 美國(guó)天然氣CHP項(xiàng)目在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況

而我國(guó)作為全球第一的制造業(yè)大國(guó)，工業(yè)能耗占比全社會(huì)總能耗的70%以上，如果大力發(fā)展天然氣CHP項(xiàng)目的工業(yè)應(yīng)用，其潛在市場(chǎng)規(guī)模應(yīng)遠(yuǎn)超美國(guó)。而且，隨著中國(guó)電力市場(chǎng)的開放，國(guó)內(nèi)天然氣管網(wǎng)及進(jìn)口油氣輸送渠道的建設(shè)，發(fā)展這一應(yīng)用的外部條件也將會(huì)愈加成熟。

關(guān)于這一應(yīng)用，筆者將之細(xì)分為兩類。第一類，天然氣CHP系統(tǒng)作為工業(yè)用戶的獨(dú)立能源站，產(chǎn)出電力和蒸汽，再由企業(yè)消納；第二類，天然氣CHP系統(tǒng)產(chǎn)出的電力由企業(yè)消納，但由該系統(tǒng)排出的高溫尾氣直接參與工業(yè)生產(chǎn)，從而構(gòu)成嵌入工業(yè)生產(chǎn)的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)(以下簡(jiǎn)稱嵌入式供能)。兩者相比，后者沒有高溫尾氣到蒸汽的轉(zhuǎn)換損失以及熱網(wǎng)損耗，能效利用水平更高。而適用嵌入模式的工業(yè)用戶，其特征也非常鮮明，即在其生產(chǎn)過程中存在大量耗能的干燥工序。如陶瓷、橡膠、食品、制藥等行業(yè)廣泛使用噴霧干燥塔制粉，造紙廠高速紙機(jī)生產(chǎn)使用楊克汽缸進(jìn)行烘干，大型車廠對(duì)汽車進(jìn)行高溫烤漆，紡織印染生產(chǎn)也必然存在諸多烘干工序。這些行業(yè)都是嵌入式供能的理想應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)于如何規(guī)劃嵌入式供能的具體應(yīng)用，本文將以陶瓷廠噴霧干燥工序?yàn)槔?，根?jù)干燥用熱需求選擇適合天然氣透平機(jī)組，從而構(gòu)建整體適配的嵌入式供能系統(tǒng)。

1 嵌入噴霧干燥工序的天然氣CHP

噴霧干燥塔是陶瓷廠的核心設(shè)備之一，其工作原理如下。

噴霧干燥塔使用450℃～550℃的高溫?zé)煔庾鳛楦稍餆嵩础：蕿?3%～40%的泥漿，由泥漿泵送至塔內(nèi)霧化器，霧化為50μm～350μm的霧滴群。霧滴群與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱濕交換，脫水后迅速被干燥成含水率5%～6%的空心球狀粉料，在重力作用下由塔底卸出。

當(dāng)天然氣CHP系統(tǒng)直接與陶瓷噴霧干燥工序結(jié)合時(shí)，燃?xì)馔钙綑C(jī)組排出的高溫尾氣(400℃～550℃)可以直接為噴霧干燥塔所利用，其主要工作流程如下。

2 熱平衡計(jì)算

2.1 物料側(cè)——塔內(nèi)物料相關(guān)計(jì)算

1)干燥塔內(nèi)的物料平衡計(jì)算

M=Mc(1-Dc)/(1-D)

M=Mc+Mz

M--入塔泥漿；D--入塔泥漿含水率；Mc--出塔粉料量；Dc--出塔粉料含水率；Mz--蒸發(fā)水量。

2)干燥塔內(nèi)的需熱量計(jì)算

Qin=[M(1-D)×Ct+M×D×CW]×t1，

Qout=[M(1-D)×Ct+Mc×Dc×Cw]×t2，

Qz=Mz×r+Mz(Cz2×T2-Cz1×t1)，

Qx=Qout-Qin+Qz。

Qin--進(jìn)塔泥漿帶入熱量；Qout--出塔粉料帶出熱量；Qz--水蒸發(fā)吸收熱量；Qx--干燥工序總需熱量；t1--入塔泥漿溫度；t2--出塔粉料溫度；T2--出塔煙氣溫度；r--t1時(shí)水汽化潛熱；Ct--陶瓷干粉比熱容；Cw--液態(tài)水比熱容；Cz1--t1時(shí)水蒸汽等壓比熱容；Cz2--T2時(shí)水蒸汽等壓比熱容。

筆者調(diào)研某陶瓷廠，該廠情況如下。

陶瓷廠使用36000kg/h含水率40%的泥漿為原料，生產(chǎn)含水率6%陶瓷粉料，進(jìn)料泥漿溫度為20℃，出口陶瓷粉料為50℃，加熱進(jìn)風(fēng)溫度為500℃，排氣溫度為90℃。陶瓷干粉比熱容為0.8876kJ/kg·K，液態(tài)水比熱容為4.1868 kJ/kg·K。

對(duì)該陶瓷廠，關(guān)于物料平衡計(jì)算，M，D，Dc都是已知，很容易求解出Mc，Mz。對(duì)于需熱量計(jì)算，t1，t2，Ct，Cw，T2都是已知。r通過查表得知，r為2446.3 kJ/kg。Cz1，Cz2同樣通過查表，然后簡(jiǎn)單插值取得，Cz1為1.866 kJ/kg·K，Cz2為1.8905 kJ/kg·K。

最后求得Qx=34.74GJ/h。

2.2 煙氣側(cè)——煙氣放熱量計(jì)算

對(duì)于燃機(jī)尾氣放熱的相關(guān)計(jì)算，如果有Thermoflow-GT PRO軟件，我們可以通過軟件模擬計(jì)算，如果沒有該軟件，我們可以通過下列公式簡(jiǎn)易測(cè)算。

Qex--煙氣放熱量,kJ/h；Wex--煙氣流量，kg/h；Cex--煙氣比熱容，1.1095 kJ/kg·K；Tex--燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度，℃；Tsink--排氣溫度，即噴霧干燥塔排煙溫度，90℃；

燃?xì)廨啓C(jī)制造商產(chǎn)品資料見表1。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)制造商資料

將這兩款燃機(jī)參數(shù)帶入煙氣放熱計(jì)算公式，得出T60 燃機(jī)煙氣放熱量為35.56GJ/h,SGT-100燃機(jī)煙氣放熱量為35.38GJ/h。

2.3 需熱與放熱適配比較

選用T60燃機(jī)，Qx/Qex=97.69%；

選用SGT-100燃機(jī)，Qx/Qex=98.19%

根據(jù)比較，這兩款燃?xì)廨啓C(jī)滿負(fù)荷工況下的煙氣放熱量均能滿足干燥塔設(shè)計(jì)最大需熱量，且略有富裕。

2.4 綜合能效測(cè)算

綜合能效利用率η計(jì)算,

E為發(fā)電量，ηe為發(fā)電效率。

帶入相關(guān)參數(shù)，無論是選用T60燃機(jī)還是選用SGT-100燃機(jī)，綜合能效均超過85%。

這說明如果匹配得當(dāng)，嵌入工業(yè)生產(chǎn)的天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)不光可行，而且高效節(jié)能。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，中國(guó)能源行業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，向著多元化、清潔化、數(shù)字化和市場(chǎng)化的方向轉(zhuǎn)型。無論是從能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的宏觀角度，還是從清潔低碳標(biāo)準(zhǔn)日益提高的用能終端的微觀角度來看，天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)都是未來能源發(fā)展的重要方向，應(yīng)成為天然氣利用的主要形式之一。

關(guān)于如何推進(jìn)天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用，筆者認(rèn)為我們可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的有益經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先發(fā)展天然氣CHP的工業(yè)應(yīng)用，尤其是優(yōu)先發(fā)展嵌入工業(yè)生產(chǎn)的天然氣CHP。