浅谈热电联产技术(CHP)的经济及环境效益

摘要:本文将从经济效益和环境效益两个主要方面对热电联产系统的优势进行分析研究。通过研究传统发电系统和热电联产系统的对比，分析热电联产系统是如何节约能源并高效利用的，从而为热电联产系统的广泛应用提供依据。

关键词：热电联产；节能；高效利用

Abstract: This paper will analyze the advantage of cogeneration system from two aspects of economic benefits and environmental benefits. Through the comparison of the traditional power systems and cogeneration system, analysis is how to save energy and efficient use of cogeneration system, which provides a basis for the wide application of cogeneration system.

Keywords: cogeneration; energy saving; high efficient utilization

中图分类号：U416

1.概述

随着全球能源短缺和环境恶化问题的加重，更加高效、节能、清洁的能源使用技术成为了国际性的议题。热电联产技术（CHP）以它的能源利用高效的特点迎合了新世纪人们对能源产业的新要求。伴随越来越多能源利用技术的应用如燃料脱硫技术（FGD）和催化还原技术（SCR）等融入热电联产系统中，热电联产系统的有害气体排放得到了有效的降低，全球热电联产系统的装载量在未来会高速稳步增长。

本文将从经济效益和环境效益两个主要方面对热电联产系统的优势进行分析研究。排除地域发展政策等其他发展阻力因素，单就技术方面的应用而言，热电联产系统可以提供高效率的能源利用的同时降低有害气体比如, 和的排放。为了突出热电联产系统的优势，通过研究传统发电系统和热电联产系统的对比，分析热电联产系统是如何节约能源并高效利用的。最后以世界知名公司E.ON位于英国诺丁汉的Ratcliffe-on-Soar发电站为例，阐述热电联产系统在环保上的贡献。

2.系统节能分析

热电联产系统在同时提供供暖热能和电能时的能源利用率理论可达90%。系统通过利用余热提高了整体能源利用率并优化了能量转换。另外，广泛的能源材料都可以用于热电联产系统，比如天然气、煤炭、燃油、沼气、丙烷、木屑和一些垃圾废料等。

2.1 能源利用原理对比分析

假定一个是热电联产系统，一个是传统系统即发电和提供热能是分开进行的。如图1展示的是一个传统系统的工作原理。这种传统的系统是通过凝汽式发电厂发电，通过工业锅炉提供热能满足需要的。在传统系统中，发电和供热是通过两个分开的系统并且靠各自的能源完成工作的，也就是说两个系统使用两个一次能源，系统没有逐次顺序的利用一次能。只要是一次能不能逐次顺序利用，即使只用一个能量源同时供热和发电，也认为这是两个单独的系统。因为这种分开的系统产生大量的低品位热能浪费，所以能源的利用率低。

图2为一个典型的背压汽轮机热电联产系统工作原理图。这个系统中只有一个能量源并且一次能是逐次顺序被利用的。其中蒸汽、热水和电力都属于二次能。系统中电力是依靠系统中的蒸汽产生的。系统中高品位热能被转化成为电能，之后低品位热能被用于供暖，系统热能被充分的利用了。

图1 分开产生电能和热能系统

图 2 典型的背压汽轮机热电联产系统

2.2 假定条件下的系统能量利用率对比分析

为了展示热电联产系统的高效，以下为在基于假定条件下系统能量利用率对比分析。

首先，图3显示的是一个传统的供能与供热分开的系统。假设目前需要35个能量单位的电量，此电量是由供电系统生产，另外，由标准锅炉直接产生需要的50个能量单位的热能。在冷凝发电站发电和将电输入电网的过程中，能量的损失是非常大的，其中发电过程中能量将损失79个能量单位，在输入电网过程中将损失7个能量单位，在目前大部分传统的供电系统中发电效率约为29%，所以反推计算得出发电所需燃料能源为121个能量单位。在现实中，大部分标准锅炉的效率约为85%，所以需要59个能量单位的能源来满足之前提到的供热需要。最后，我们可以得出如果产生35个能量单位的电能和50个能量单位的热能总共需要180个能量单位的燃料。如图4所示为热电联产系统，电能和热能的需求相同，假设发电系统效率为35%，所以35个能量单位的电能的产生需要100个能量单位的燃料。另外50个能量单位的热能供热，在热电联产系统中只有15个能量单位的损失[4]。

图 3 传统分开功能系统

图4 热电联产系统

系统总效率可以由以下公式计算得出：

—系统总效率

P —产生电能

T —产生热能

F —所需燃料能

所以传统系统和热电联产系统的总效率为：

在这个假设中计算得出在能源利用率方面热电联产系统比传统的系统提高了将近40%。

2.3 假设条件下的燃料节能经济分析

为了燃料节能经济分析，我们需要假设输出的电能量，在这个例子中，假设输出的电量为30MW，此电量适用一般中小型校园。所以按比例可以计算得出所需热能为：

之后，为了计算的统一，我们将能量单位统一转化为MBtu/h（英热单位每小时）。1瓦特相当于3.41MBtu/h，所以计算转化结果为：

传统系统和热电联产系统所需的总燃料能量为：

相比较节约的燃料能为：

保守的假设系统全年70%的时间在运行，所运行时间约6132小时每年。目前燃料价格约为5英镑 /MBtu，全年的燃料开销可以节省：

燃料开销节约= 236.3MBtu/h6132 h5英镑 = £724 万英镑

通过简单的假设计算分析可以看出，热电联产系统相比传统的系统可以大大节约能源开支。在现实情况中正确的应用热电联产系统同样可以达到此案例计算中的高效节能效果。

3.环境效益

尽管目前在很多国家没有清晰完善的对热电联产系统在环境影响方面的评价标准和系统统，但是从技术方面在环境效益上的优势还是被广泛认可的。其主要环境效益优势有四点：1.系统能源利用率高，更少的使用能源，更少的污染气体排放；2.清洁能源的利用；3.可以替代大量小规模分散的锅炉系统；4.兼容很多高科技技术达到解决环境问题的目的。

3.1 高效能低排放

前面已经提到热电联产系统的能源利用率可以到达85%，这就意味着在满足相同电能和热能的条件下减少了燃料的使用量从而降低了温室气体和其它有害气体的排放。比如，减少燃烧1吨标准煤可以减少排放440kg、20kg、15kg烟尘和260kg煤渣。如果在系统中使用天然气作为燃料甚至不会产生排放 [4]。

3.2 清洁能源的利用

热电联产系统可以使用的燃料有很多种，其中包括多种清洁能源比如天然气、生物量、沼气、燃料电池等。这些相对清洁的能源相比传统的煤炭燃烧后产生更少的有害气体，而且其燃烧能量的利用率更高。比如天然气和液化天然气就是非常普通的高效清洁能源，这些能源可以达到和粉尘污染的零排放。世界上大量的热电联产系统目前正在使用这些清洁能源。

天然气是由甲烷、乙烷C2H6 ()、丙烷C3H8()、丁烷C4H10 ()和烃类气体组成的。天然气在使用中经过一些特殊处理被输送到用户端的时候气体主要成分为甲烷，约占85%至95%左右。同样，液化天然气在经过脱水、去杂质和硫化物的过程后的主要成分也是甲烷。其燃烧的化学反应为：

从以上化学反应可以看出，甲烷充分燃烧后产生的主要产物是水和二氧化碳。反应中没有产生固体颗粒物，几乎没有二氧化硫。所以相对煤炭和石油的燃烧对空气的污染要少的多。

3.3 替代小规模分散的锅炉

分散式供热系统在全球尤其是亚洲占有很大比重。比如在中国有50多万区域供热和工业锅炉作为分散式供热系统，这些锅炉每年消耗约40万吨煤。这些小型的分散锅炉的效率相对较低而且很多没有配备除尘设备。另外，这些锅炉的烟囱高度非常低，通常不足40米，这就非常容易导致空气污染。所以，这些小型分散的锅炉会造成严重的环境污染并加速温室效应。用热电联产系统替代小规模分散的锅炉是解决方式之一，系统可以降低能源浪费和有害气体排放、控制噪声污染、提高空气质量。另外固体和液体废弃物可以集中处理以降低污染和处理成本。

3.4 与其它技术的结合

目前已经有很多种处理污染气体排放的技术可以结合热电联产系统比如循环流化床(CFB)和除尘设备，这些技术处理的主要有害气体是二氧化硫和氮氧化物等。近些年已经应用的技术不断完善，同时新的技术也不断出现。这里分别举例说明处理二氧化硫和氮氧化物的两种不同技术。

3.4.1 选择性催化还原法(SCR)

SCR技术通过催化剂处理锅炉产生的氮氧化物。还原剂可以是无水氨和氨水以吸收催化剂。其化学反应方程式为：

反应产生的最后产物为对环境无害的水和氮气，SCR技术可以减少70%的氮氧化物的排放。

3.4.2 烟气脱硫系统(FGD)

FGD系统用于处理二氧化硫气体，同时处理过程产生的副产品比如石膏可以用于建筑和艺术领域。下面是一个FGD系统实际应用的案例。项目位于英国北诺丁汉郡的Ratcliffe-on-Soar发电站，该发电站是由E.ON公司运营管理。

Ratcliffe-on-Soar 燃煤发电站建于上世纪60年代, 其装机容量为2000MW。发电站每年消耗的煤炭约为600万吨并产生将近1吨的灰渣。电站考虑到环境问题斥资25万英镑引入FGD系统用于处理排放的二氧化硫。系统设计的减排率为92%。

Ratcliffe-on-Soar 电站 (图片来源: IEC)

FGD系统的石灰石浆()与锅炉排放出的热气（气体经过电除尘器和热交换器处理后）相接处以去除气体中的二氧化硫并将石灰石转化成为亚硝酸钙()。之后，亚硝酸钙和石灰石浆会被输送到吸收器的底部并注入压缩空气迫使亚硝酸钙转化为石膏()。化学反应全过程如下：

Ratcliffe-on-Soar发电站的技术参数如表1所示：

Ratcliffe-on-Soar发电站的技术参数

Typical quantity of waste water treatment sludge produced 30,000吨/年

(来源: E.ON UK 2007 [32])

4.总结

本文基于经济和环境两个方面对热电联产系统的高效和环保与传统系统进行了计算和分析比较。相对于传统系统而言，热电联产系统利用能源的效率可以高出40%，所以可以更好的节约能源。另外，结合的技术可以使系统更加环保，减少有害气体的排放，比如Ratcliffe-on-Soar发电站案例可以每年减排158,500吨的二氧化硫气体。总而言之，热电联产系统在经济和环境方面的优势是显而易见的。