嵌入工业生产的天然气热电联产

陈雨新 杨开宇

(中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330001)

目前，我国对天然气热电联产(CHP)或曰天然气分布式能源(DER)的推进，重点落在了以中小燃气轮机为核心设备的区域能源供给。而将天然气CHP应用于工业领域，则很少有能源企业涉及。但根据美国能源部(DOE)2017年披露的信息：在美国，天然气CHP项目应用于工业领域的总装机容量数倍于其他领域，平均装机容量也远超其他领域，数据详见表1。

表1 美国天然气CHP项目在各领域的应用情况

而我国作为全球第一的制造业大国，工业能耗占比全社会总能耗的70%以上，如果大力发展天然气CHP项目的工业应用，其潜在市场规模应远超美国。而且，随着中国电力市场的开放，国内天然气管网及进口油气输送渠道的建设，发展这一应用的外部条件也将会愈加成熟。

关于这一应用，笔者将之细分为两类。第一类，天然气CHP系统作为工业用户的独立能源站，产出电力和蒸汽，再由企业消纳；第二类，天然气CHP系统产出的电力由企业消纳，但由该系统排出的高温尾气直接参与工业生产，从而构成嵌入工业生产的天然气热电联产(以下简称嵌入式供能)。两者相比，后者没有高温尾气到蒸汽的转换损失以及热网损耗，能效利用水平更高。而适用嵌入模式的工业用户，其特征也非常鲜明，即在其生产过程中存在大量耗能的干燥工序。如陶瓷、橡胶、食品、制药等行业广泛使用喷雾干燥塔制粉，造纸厂高速纸机生产使用杨克汽缸进行烘干，大型车厂对汽车进行高温烤漆，纺织印染生产也必然存在诸多烘干工序。这些行业都是嵌入式供能的理想应用领域。

关于如何规划嵌入式供能的具体应用，本文将以陶瓷厂喷雾干燥工序为例，根据干燥用热需求选择适合天然气透平机组，从而构建整体适配的嵌入式供能系统。

1 嵌入喷雾干燥工序的天然气CHP

喷雾干燥塔是陶瓷厂的核心设备之一，其工作原理如下。

喷雾干燥塔使用450℃～550℃的高温烟气作为干燥热源。含水率为33%～40%的泥浆，由泥浆泵送至塔内雾化器，雾化为50μm～350μm的雾滴群。雾滴群与高温烟气进行热湿交换，脱水后迅速被干燥成含水率5%～6%的空心球状粉料，在重力作用下由塔底卸出。

当天然气CHP系统直接与陶瓷喷雾干燥工序结合时，燃气透平机组排出的高温尾气(400℃～550℃)可以直接为喷雾干燥塔所利用，其主要工作流程如下。

2 热平衡计算

2.1 物料侧——塔内物料相关计算

1)干燥塔内的物料平衡计算

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

M=Mc+Mz

M--入塔泥浆；D--入塔泥浆含水率；Mc--出塔粉料量；Dc--出塔粉料含水率；Mz--蒸发水量。

2)干燥塔内的需热量计算

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--进塔泥浆带入热量；Qout--出塔粉料带出热量；Qz--水蒸发吸收热量；Qx--干燥工序总需热量；t1--入塔泥浆温度；t2--出塔粉料温度；T2--出塔烟气温度；r--t1时水汽化潜热；Ct--陶瓷干粉比热容；Cw--液态水比热容；Cz1--t1时水蒸汽等压比热容；Cz2--T2时水蒸汽等压比热容。

笔者调研某陶瓷厂，该厂情况如下。

陶瓷厂使用36000kg/h含水率40%的泥浆为原料，生产含水率6%陶瓷粉料，进料泥浆温度为20℃，出口陶瓷粉料为50℃，加热进风温度为500℃，排气温度为90℃。陶瓷干粉比热容为0.8876kJ/kg·K，液态水比热容为4.1868 kJ/kg·K。

对该陶瓷厂，关于物料平衡计算，M，D，Dc都是已知，很容易求解出Mc，Mz。对于需热量计算，t1，t2，Ct，Cw，T2都是已知。r通过查表得知，r为2446.3 kJ/kg。Cz1，Cz2同样通过查表，然后简单插值取得，Cz1为1.866 kJ/kg·K，Cz2为1.8905 kJ/kg·K。

最后求得Qx=34.74GJ/h。

2.2 烟气侧——烟气放热量计算

对于燃机尾气放热的相关计算，如果有Thermoflow-GT PRO软件，我们可以通过软件模拟计算，如果没有该软件，我们可以通过下列公式简易测算。

Qex--烟气放热量,kJ/h；Wex--烟气流量，kg/h；Cex--烟气比热容，1.1095 kJ/kg·K；Tex--燃气轮机排烟温度，℃；Tsink--排气温度，即喷雾干燥塔排烟温度，90℃；

燃气轮机制造商产品资料见表1。

表1 燃气轮机制造商资料

将这两款燃机参数带入烟气放热计算公式，得出T60 燃机烟气放热量为35.56GJ/h,SGT-100燃机烟气放热量为35.38GJ/h。

2.3 需热与放热适配比较

选用T60燃机，Qx/Qex=97.69%；

选用SGT-100燃机，Qx/Qex=98.19%

根据比较，这两款燃气轮机满负荷工况下的烟气放热量均能满足干燥塔设计最大需热量，且略有富裕。

2.4 综合能效测算

综合能效利用率η计算,

E为发电量，ηe为发电效率。

带入相关参数，无论是选用T60燃机还是选用SGT-100燃机，综合能效均超过85%。

这说明如果匹配得当，嵌入工业生产的天然气热电联产不光可行，而且高效节能。

3 结 语

目前，中国能源行业正经历着一场前所未有的变革，向着多元化、清洁化、数字化和市场化的方向转型。无论是从能源结构调整、经济转型的宏观角度，还是从清洁低碳标准日益提高的用能终端的微观角度来看，天然气热电联产都是未来能源发展的重要方向，应成为天然气利用的主要形式之一。

关于如何推进天然气热电联产的实际应用，笔者认为我们可以借鉴发达国家的有益经验，优先发展天然气CHP的工业应用，尤其是优先发展嵌入工业生产的天然气CHP。