【精彩论文】碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行

碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行

黄婧杰¹, 刘镂志², 殷旭锋¹, 李雪芹¹, 潘轩¹, 周任军¹

（1. 湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心（长沙理工大学），湖南 长沙 410114; 2. 国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南 岳阳 414000）

摘要：垃圾焚烧电厂中垃圾热值普遍偏低，常需天然气作为辅助燃料，由此产生了大量的碳排放。为解决此环保难题，本文构建了基于碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行模型，在焚烧电厂烟气处理后加装CO₂收集装置，结合P2G技术将回收的CO₂合成CH₄，实现碳循环和再利用。模型以售电收益、碳排放成本、辅助燃料购买成本、烟气处理及P2G功率运行成本等组成的综合净收益最大为目标，以焚烧发电、烟气处理、烟气收集、烟气存储、和P2G合成等运行参数为约束条件。仿真结果表明，利用峰谷分时电价，可优化不同时段的烟气存储装置、发电、烟气处理及P2G的运行状态，有效减少辅助燃料购买及碳排放成本，增加售电收益。采用含碳收集、P2G和辅助燃料补充协调优化运行的垃圾焚烧电厂，可充分实现碳循环利用，极大限度地减少碳排放，具有显著的经济及社会效益。

引文信息

黄婧杰, 刘镂志, 殷旭锋, 等. 碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行[J]. 中国电力, 2022, 55(3): 152-158.

HUANG Jingjie, LIU Louzhi, YIN Xufeng, et al. Coordinated and optimized operation of waste incineration plant-flue gas treatment-P2G with carbon cycle[J]. Electric Power, 2022, 55(3): 152-158.

引言

近年来，“垃圾围城”的局面不容乐观，垃圾焚烧电厂因其“减量化、无害化、资源化”的独特优点成为解决城市生活垃圾的最佳方式之一，既高效又环保^[1-2]，已逐渐得到政府众多相关政策支持与行业认可^[3]。由于中国城市生活垃圾分类尚在起步阶段，厨余占比高、热值低、水分多，为保证垃圾焚烧电厂点火或炉膛温度稳定，需补充适量的辅助燃料^[4]，因此垃圾焚烧电厂的运行成本相对较高。另一方面，虽然垃圾焚烧电厂的主要目的是为了解决“垃圾围城”所造成的环境污染问题，但生活垃圾包含各种复杂的污染物质，在焚烧时会生成较多二次污染物^[5-6]。目前对垃圾焚烧产生的烟气进行净化处理的技术已较为成熟，可通过多种手段及途径使得烟气达标排放^[7-9]，但垃圾及辅助燃料会产生大量的CO₂^[10-11]，导致垃圾焚烧电厂在逐渐完善的碳交易市场中需要承担较高的碳排放成本。考虑到CH₄可作辅助燃料^[12-13]，而日益成熟的P2G（power to gas）技术可将CO₂处理转化成CH₄^[14-15]，因此在垃圾焚烧电厂固有的烟气处理装置后加装CO₂分离装置，与P2G协同运行，将生成的CH₄供垃圾焚烧电厂作辅助燃料使用，实现碳循环利用。作为碳循环中的核心技术，烟气处理和P2G的耗能与垃圾焚烧电厂的出力成正相关。垃圾焚烧电厂因受日供定量燃料约束，其日总电量是恒定的，但各时段发电出力可以调整^[16]。因此，利用实时电价与烟气存储装置灵活地协调不同时段下垃圾焚烧电厂发电、烟气处理及P2G运行状态，可成为垃圾焚烧电厂获取额外效益的途径。烟气处理与P2G协同的关键在于提高碳利用，实现碳循环，减少辅助燃料购买，减少碳排放。从而降低各方成本，推动技术的应用与发展。文章提出将P2G、烟气处理与垃圾焚烧电厂作为整体，以一个周期内整体净收益最大化为目标，构建碳循环利用的垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行模型。仿真并分析了利用实时电价与烟气存储装置下垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行结果。

1  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G碳循环

1.1  烟气处理与P2G协同运行

焚烧时附带生成的多种有害气体可通过各种净化手段使烟气达标排放。常见的烟气处理结构如图1中虚线部分所示^[16]。随着碳交易市场发展与完善，排放气体中的大量CO₂会带来一定的惩罚成本。此外，根据《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》，平均热值在5000 kJ/kg以上的生活垃圾才适宜进炉焚烧，生活垃圾热值未达到该要求时^[17]，垃圾焚烧电厂有添加辅助燃料的必要性，将进一步导致碳排放量上升。

图1  烟气净化及分离结构

Fig.1  Diagram of flue gas purification and separation process

P2G技术日益成熟，其变换过程如图2所示，重点环节为电解水和甲烷化。垃圾焚烧电厂排放的CO₂作为P2G的碳原料，P2G生产的CH₄则作为辅助燃料。其生成物互为原料在一定程度上降低了辅助燃料的原料成本和碳排放的惩罚成本，并促进了碳的循环利用。

图2  P2G变换过程

Fig.2  Flow chart of power to gas conversion

1.2  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G

垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G的系统结构如图3所示。垃圾焚烧电厂产生的烟气经净化处理并分离得到CO₂，随后在P2G设备中与电解水产生的H₂生成CH₄，作为焚烧过程的辅助燃料。其优点在于：一是净化后的烟气成分简单（主要为O₂、N₂和CO₂），且CO₂所占比例较低，分离相对容易，能耗较低；二是P2G生成的CH₄可直接作辅助燃料使用，减少天然气的购买成本，实现碳循环利用。

图3  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G系统结构

Fig.3  System diagram of waste incineration power plant-flue gas treatment-P2G

1.3  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G碳循环

垃圾焚烧电厂烟气净化后所含的CO₂为P2G过程提供了经济、环保的碳原料，且合成的CH₄可以直接供给垃圾焚烧电厂用作辅助燃料，从而实现了垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G的碳循环，其碳循环框架如图4所示。

图4  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G碳流动

Fig.4  Waste incineration power plant-flue gas treatment-P2G carbon flow diagram

其中 V_S 为垃圾焚烧电厂排放的烟气中所含CO₂的体积，由于烟气中混杂了有害气体，为使有害气体达标排放，需将排放的烟气全部吸收进行净化处理；V_C 为分离出并供给P2G做原料CO₂的体积；V_S−V_C 为未被完全分离且排放至大气CO₂的体积，为P2G产生的CH₄的体积。

2  烟气处理及P2G能耗

2.1  烟气处理能耗函数

烟气处理能耗主要分为净化能耗和分离能耗。（1）烟气净化能耗为t时刻净化烟气耗电量 P_Cg,t ^[16]，即

式中：α_g 为烟气处理的单位净化能耗系数；V_0,t 为t时刻被净化的烟气量，其来源于t时刻垃圾焚烧电厂产生的部分烟气 V_1,t 和储气装置的烟气 V_2,t。

（2）烟气分离能耗为t时刻分离CO₂所需的耗电量 P_Cf,t ，即

式中：V_C,t 为t时刻烟气分离CO₂的体积；λ 为分离单位CO₂所需能耗；β 为CO₂分离率（其表征了平均碳分离力度）；γ 为烟气中CO₂比重。

则t时刻烟气处理总能耗 P_C,t 为

2.2  P2G过程能耗函数

由P2G过程中的电解水及甲烷化可知^[11]，产生的CH₄和烟气分离的CO₂的体积相等，则P2G生成CH₄的体积为

P2G过程需要的能耗 P_{P2 G,t} ^[18]为

式中：H_g 为天然气的热值；ψ_{P2 G}为P2G的转换效率。

3  垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行模型

3.1  目标函数

（1）总目标函数。垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行模型的目标函数设定为周期内综合净收益最大，其中收益部分为垃圾焚烧电厂售电收益，成本部分包括垃圾焚烧电厂购气成本、P2G与烟气处理设备功率运行成本以及碳排放成本，总目标可表示为

式中：I_gain 、 C_cost 分别为收益部分和成本部分。

（2）收益部分主要为垃圾焚烧电厂售电收益。

式中：k_e,t 为t时刻的电价；P_E,t 为t时刻垃圾焚烧电厂总出力；T为仿真周期，取24。

（3）成本部分为

其中垃圾焚烧电厂辅助燃料成本C₁为

式中：k_g 为天然气单价；ζ 为垃圾焚烧电厂发电效率；δ 为进炉平均热值和单位垃圾燃烧热值之差与进炉平均热值的比值。目前垃圾焚烧电厂所需的辅助燃料都是从外界购买，而本文中的燃料在此基础上减去烟气处理与P2G协同运行生产的CH₄，实现了碳循环利用。

烟气处理与P2G协同功率运行成本C₂为

式中：k_C 与 k_{P2 G} 分别为烟气处理与P2G功率运行成本系数，主要包括员工管理、设备运营和技术处理等。

在碳交易市场中，对垃圾焚烧电厂配置碳排放额度，对CO₂排放量进行调控^[19]。碳排放成本C₃为

式中：k_t 为t时刻的碳价；V_m,t 为t时刻垃圾焚烧电厂碳排放额度。

3.2  约束条件

（1）垃圾焚烧电厂日总电量恒定约束^[13]。

垃圾焚烧电厂因受日供定量燃料约束，其日总电量 W 是恒定的，但各时段发电出力可以调整。

（2）电力功率平衡约束为

式中：P_e,t 为垃圾焚烧电厂上网电功率。

（3）机组出力及爬坡约束为

式中：P_E,max 和 P_E,min 分别为垃圾焚烧电厂出力上下限；P_E,down 和 P_E,up 分别为垃圾焚烧电厂最大向下、向上爬坡约束。

（4）P2G约束为

式中：P_P2G，max 和 P_P2G,min 分别为P2G出力的上下限；P_P2G,down 和 P_P2G,up 分别为P2G最大向下、向上爬坡约束。

（5）烟气供需平衡约束为

式中：ζ 为单位烟气排放强度；V_G,t 为t时刻垃圾焚烧电厂排放的烟气量；V_1,t 、 V_3,t 分别为t时刻垃圾焚烧电厂生成的烟气进入烟气处理装置和储气装置的量；其他需满足的烟气供需平衡约束同式（2）、式（4）和式（6）。

（6）烟气存储装置及管道通流量约束。

烟气存储装置受到本身容量的约束，同时烟气管道受到最大通流量的约束，两者约束在考虑多时段动态过程下可表示为

式中：V_t 为t时刻储气装置的容量；V_max 和 V_min 分别为储气装置容量上下限；V_L,max 为储气装置管道最大通流量。

4  算例分析

4.1  算例仿真情景设定

设定垃圾焚烧电厂2种运行模式：(1) 仅含烟气净化处理常规运行模式；(2) 烟气处理增设分离装置并与P2G协同运行模式。

4.2  系统参数

选取某地垃圾焚烧电厂为例，烟气处理增设分离装置并与P2G协同运行。其中，垃圾焚烧电厂的总装机容量为100 MW，日总发电量为2000 MW·h，最大出力为100 MW，最小出力为60 MW，该地区的24 h电价如图5示。

图5  24小时电价曲线Fig.5  24-hour tariff curve

4.3  算例仿真结果及分析

为验证所提模型的有效性及合理性，采用Matlab中的Yalmip求解器进行编程仿真计算，得到垃圾焚烧电厂在2种场景下运行的部分优化结果如图6~11所示，垃圾焚烧电厂在2种情况下的净收益、售电收益、辅助燃料成本、碳排放成本、烟气处理及P2G运行成本如表1所示。

图6  不同场景下垃圾焚烧电厂设备能耗Fig.6  Energy consumption of waste incineration power plant equipment in different scenarios
表1  不同场景优化结果Table 1  Optimization results of different scenarios
图7  不同场景下垃圾焚烧电厂总出力及净出力Fig.7  Total output and net output of waste incineration power plant in different scenarios
图8  不同场景下CO₂排放量Fig.8  Carbon dioxide emissions in different scenarios
图9  不同场景垃圾焚烧电厂所需的CH₄及P2G生产的CH₄Fig.9  The amount of methane required by waste incineration power plants under different scenarios and the amount of methane produced from power to gas
图10  场景Ⅱ储气装置储气量Fig.10  Gas storage capacity of scene Ⅱ gas storage device
图11  场景Ⅱ烟气管道通流量Fig.11  Scene Ⅱ flue gas pipeline flow
由图6及图7可知，由于烟气净化处理、烟气分离处理及P2G具有极强的耦合关系，场景Ⅱ中三者的运行能耗曲线变化基本一致；场景Ⅰ与场景Ⅱ中垃圾焚烧电厂总出力曲线变化规律有所差异，但受日供定量燃料约束限制，两场景总出力大小一致，由于场景Ⅰ不含烟气分离处理及P2G，因此垃圾焚烧电厂净出力更大，售电收益更高。由图8及图9可知，场景Ⅱ在增加烟气分离处理与P2G协同运行后，碳排放量明显减少，图8中阴影部分为减少的碳排放量，碳排放成本显著降低；场景Ⅰ与场景Ⅱ中垃圾焚烧电厂所需CH₄曲线变化有所差异，但受日供定量燃料约束，两种场景所需CH₄总量一致；由于场景Ⅱ有P2G设备生产CH₄，可补充一定的辅助燃料，图9中阴影部分为减少的CH₄购买量，可有效降低辅助燃料成本。场景Ⅱ下新增装置容量如图10、图11所示。结合图6、图7可知，在场景II中白天电价相对较高时段，为减少烟气处理及P2G运行能耗，厂内设备处于低能耗运行状态，同时为了增加售电收益，垃圾焚烧电厂处于高发电状态，因此有富余的烟气量，此时储气装置储气量不断升高；在夜间及中午电价相对较低时段，厂内烟气处理及P2G处于高能耗运行状态，需要较多的烟气量，而此时受日供定量燃料约束，垃圾焚烧电厂处于低发电状态，仅产生少量的烟气，因此储气装置储气量不断减少，补充烟气处理所需的烟气量。由表1可知，场景Ⅱ因增设了烟气分离处理及P2G，烟气处理及P2G能耗较场景Ⅰ增加，且间接导致售电收益有所减少，但是由于可将分离出的CO₂转换为CH₄，一定程度上减少了CO₂的排放及辅助燃料的购买，使得垃圾焚烧电厂总体净收益增加。

5  结论

针对垃圾焚烧电厂辅助燃料购买及碳排放问题，本文建立了垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行模型，将垃圾焚烧电厂排放的CO₂转换为CH₄作辅助燃料，实现碳循环利用。垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G系统中，增加了垃圾焚烧电厂的辅助燃料供应途径，降低了辅助燃料购买成本；增强了碳利用的减排途径，减少了碳排放，在一定程度上使垃圾焚烧电厂厂内运行更经济更低碳。随着P2G日益成熟和成本逐渐降低、碳交易市场完善和碳排放交易成本逐步增加，垃圾焚烧电厂-烟气处理-P2G协调优化运行研究更有意义。P2G与烟气处理协同运行的配合水平及模型精细化处理等对系统运行的影响还有待进一步研究。

（责任编辑　蒋东方）

作者介绍

黄婧杰（1990—），女，博士，从事电力系统优化、电网规划与运行、新能源接入系统、综合能源系统研究等，E-mail：[e-mail];

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刘镂志（1996—），男，硕士研究生，从事电力系统运行与控制研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

校对：蒋东方

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