多流程循環(huán)流化床技術(shù)在綜合能源服務(wù)中的應(yīng)用

韓峰，叢堃林，李清海，張衍國，嚴(yán)矯平，胡峰

多流程循環(huán)流化床技術(shù)在綜合能源服務(wù)中的應(yīng)用

韓峰1，叢堃林2，李清海2，張衍國2，嚴(yán)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(xué)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(wù)中需要迫切解決的問題。多流程循環(huán)流化床技術(shù)采用“三床兩返多流程”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)踐證明，多流程循環(huán)流化床鍋爐可以選用生物質(zhì)、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(dá)到88%~92%，且污染物排放均達(dá)到了國家和地方標(biāo)準(zhǔn)中對排放濃度限值的要求。多流程循環(huán)流化床技術(shù)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(wù)提供幫助。

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

0 引言

隨著能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的推進(jìn)，傳統(tǒng)能源企業(yè)都在尋求自身轉(zhuǎn)型，以拓展新的業(yè)務(wù)市場和新的利潤增長點(diǎn)。綜合能源服務(wù)作為能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級的主要方向，獲得了前所未有的關(guān)注，也孕育著巨大的市場空間。

綜合能源服務(wù)是在傳統(tǒng)的冷、熱、電、燃?xì)饣A(chǔ)上發(fā)展起來的，以客戶為主體，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)，最終提高能源系統(tǒng)效率、降低用能成本的能源服務(wù)。綜合能源服務(wù)包含的內(nèi)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(wǎng)等的研究與應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[1]。

綜合能源服務(wù)對象范圍很廣，目前來看，園區(qū)級的綜合能源服務(wù)是相對容易推進(jìn)和落實(shí)的，也是研究關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]從園區(qū)綜合能源服務(wù)商、服務(wù)內(nèi)容、商業(yè)模式、支撐技術(shù)4個方面介紹了面向園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合能源服務(wù)關(guān)鍵問題；文獻(xiàn)[3]從能流分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)的角度，針對某多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[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(yùn)行特性和耦合機(jī)制進(jìn)行了研究，并建立了綜合模型；文獻(xiàn)[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(yùn)營模式；文獻(xiàn)[6]以某工業(yè)園區(qū)為基礎(chǔ)，建立了綜合能源管理平臺，實(shí)現(xiàn)了供能系統(tǒng)能源的綜合梯級利用。

分布式能源服務(wù)是園區(qū)綜合能源服務(wù)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(fēng)力發(fā)電、地源熱泵等是園區(qū)面向用戶側(cè)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(wù)的一項(xiàng)重要內(nèi)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(cè)實(shí)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(zhì)的天然氣能源存在著嚴(yán)重的“高能低用”問題[9]。同時，由于我國天然氣資源緊缺，價(jià)格長期呈上漲趨勢，天然氣鍋爐經(jīng)濟(jì)性欠佳。文獻(xiàn)[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(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的小型分布式能源系統(tǒng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放少、調(diào)節(jié)特性好等優(yōu)點(diǎn)[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(shí)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(wù)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(xué)開發(fā)了一種多流程循環(huán)流化床技術(shù)[12]，已在國內(nèi)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(yīng)用，運(yùn)行效果得到了廣泛驗(yàn)證，可以為園區(qū)級的綜合能源服務(wù)提供能源服務(wù)。

1 多流程循環(huán)流化床技術(shù)

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(jìn)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(jié)構(gòu)[13]，采用三級爐膛、兩級回灰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

清華大學(xué)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(jì)算方法等進(jìn)行了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究[14-18]。相關(guān)研究結(jié)果表明：多流程循環(huán)流化床技術(shù)將物料高中溫復(fù)合循環(huán)與流態(tài)化原理有機(jī)結(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)對生物質(zhì)(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(qiáng)的適應(yīng)性。

2 多流程循環(huán)流化床技術(shù)的應(yīng)用

2.1 多流程循環(huán)流化床在生物質(zhì)燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用

生物質(zhì)能是重要的可再生能源，具有可再生、產(chǎn)量大、分布廣的特點(diǎn)，在應(yīng)對全球氣候變化、緩解能源供需矛盾、保護(hù)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(guān)于促進(jìn)可再生能源供熱的意見》中，明確提出要積極發(fā)展生物質(zhì)能供熱，在農(nóng)作物秸稈資源量大的地區(qū)推行生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)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(guān)于請報(bào)送生物質(zhì)鍋爐清潔供熱有關(guān)情況的通知》中，明確指出生物質(zhì)鍋爐供熱是綠色低碳清潔經(jīng)濟(jì)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(zhì)集中供熱項(xiàng)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(xiàng)目采用建設(shè)-擁有-運(yùn)營模式，以秸稈、稻殼等生物質(zhì)資源為燃料，替代園區(qū)內(nèi)原有的30多臺分散小型燃煤鍋爐，該項(xiàng)目也入選了國家能源局“百個城鎮(zhèn)”生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項(xiàng)目[20]。

圖2 燃生物質(zhì)多流程循環(huán)流化床鍋爐

2017年4月，由江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院對2臺多流程循環(huán)流化床鍋爐(以稻殼為燃料)進(jìn)行能效測試，測試結(jié)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(xiàng)目設(shè)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(wù)有限公司對興化項(xiàng)目進(jìn)行了排放測試，檢測結(jié)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(dá)到《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271—2014)中規(guī)定的重點(diǎn)地區(qū)燃?xì)忮仩t大氣污染物濃度限值要求[21]，徹底解決了園區(qū)內(nèi)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(jié)果

2.2 多流程循環(huán)流化床在工業(yè)固體廢棄物燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)固體廢棄物一般是指工業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)，如造紙行業(yè)產(chǎn)生的草渣、制糖行業(yè)產(chǎn)生的蔗渣、煙草行業(yè)產(chǎn)生的煙梗等。2017年我國一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行清潔燃燒處理，一方面可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物環(huán)保處理，另一方面可以產(chǎn)生蒸汽用于企業(yè)生產(chǎn)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

熱華能源在四川煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司德昌復(fù)烤廠投資建設(shè)有1臺15t/h多流程循環(huán)流化床鍋爐(如圖3所示)，項(xiàng)目采用建設(shè)–經(jīng)營–轉(zhuǎn)讓模式，燃料為德昌復(fù)烤廠煙葉復(fù)烤加工過程中產(chǎn)生的約6000t/a的煙梗廢棄物，產(chǎn)生的蒸汽用于德昌復(fù)烤廠的煙葉復(fù)烤生產(chǎn)。多流程循環(huán)流化床的技術(shù)特點(diǎn)有效地解決了煙梗燃燒過程中的結(jié)焦、積灰和焦油處理的問題，將煙梗變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用；鍋爐的實(shí)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(chǎn)成本；消除了煙梗廢棄物儲存、運(yùn)輸、銷毀過程的費(fèi)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(shè)置布袋除塵器進(jìn)行除塵，采用爐內(nèi)加石灰石的方式脫硫。2016年3月，四川中測凱樂檢測技術(shù)有限公司對德昌項(xiàng)目進(jìn)行了排放測試，檢測結(jié)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(dá)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(jié)果

2.3 多流程循環(huán)流化床在煤燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用

煤炭是我國最主要的一次能源，2018年在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的占比為58%。雖然我國一直在重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┟禾肯M(fèi)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(jìn)一步扭轉(zhuǎn)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(shè)有1臺15t/h多流程循環(huán)流化床鍋爐(如圖4所示)，項(xiàng)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(jìn)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(nèi)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(shù)有限公司對富陽項(xiàng)目進(jìn)行了排放測試，檢測結(jié)果如表3所示。多流程循環(huán)流化床(燃煤)的排放達(dá)到GB 13271—2014中規(guī)定的重點(diǎn)地區(qū)燃?xì)忮仩t大氣污染物特別排放限值要求，同時也達(dá)到浙江省《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(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(jié)果

3 多流程循環(huán)流化床技術(shù)在綜合能源服務(wù)中的應(yīng)用案例

基于多流程循環(huán)流化床技術(shù)對于多種燃料的適用性，以及高效率、低排放的特點(diǎn)，熱華能源將多流程循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用于園區(qū)級的綜合能源服務(wù)，根據(jù)園區(qū)的發(fā)展規(guī)劃及實(shí)際用能需求進(jìn)行多流程循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)和建設(shè)，可以提供冷熱電三聯(lián)產(chǎn)，實(shí)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(chǎn)業(yè)園的綜合能源服務(wù)項(xiàng)目。該項(xiàng)目按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。項(xiàng)目一期，建設(shè)2′45t/h生物質(zhì)多流程循環(huán)流化床鍋爐，已于2017年1月建成投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了興東工業(yè)園區(qū)脫水果蔬產(chǎn)業(yè)園的生物質(zhì)集中供熱；項(xiàng)目二期，將2′45t/h生物質(zhì)多流程循環(huán)流化床鍋爐擴(kuò)容到2′55t/h，新建1′6MW抽凝發(fā)電機(jī)組，新建1′25t/h燃?xì)忮仩t(備用)，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，目前已經(jīng)啟動，預(yù)計(jì)于2020年底實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；項(xiàng)目三期，擬建冷凍物流園，對生物質(zhì)能源進(jìn)行梯級利用，實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。

圖5 多流程循環(huán)流化床鍋爐綜合能源服務(wù)項(xiàng)目

4 結(jié)論

多流程循環(huán)流化床技術(shù)具有“多燃料混燒”的特點(diǎn)，針對多種燃料的熱效率達(dá)到88%~92%，且污染物排放均達(dá)到了排放濃度限值的要求，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)、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(wù)可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐馁Y源條件，在一年內(nèi)根據(jù)燃料的供應(yīng)情況選擇合適的生物質(zhì)資源、工業(yè)固體廢棄物或者煤炭作為燃料，實(shí)現(xiàn)多種燃料混燒。在分散能源的分散利用基礎(chǔ)上，可以有效平抑某一種燃料短缺引起的價(jià)格波動，降低綜合燃料成本。

多流程循環(huán)流化床技術(shù)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床技術(shù)的小型化，可以實(shí)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(jié)合起來，可為園區(qū)級的綜合能源服務(wù)提供有效支撐。

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[19] 國家能源局．國家能源局綜合司關(guān)于征求對《關(guān)于促進(jìn)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(guān)于開展“百個城鎮(zhèn)”生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項(xiàng)目建設(shè)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(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 13271—2014[S]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2014．

[22] 浙江省人民政府．燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：DB33/2417—2018[S]．杭州：浙江省環(huán)境保護(hù)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB0603901)。

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

2019-11-25。

(責(zé)任編輯 辛培裕)