瑞典Västerås热电联产区域供热技术改进的案例研究

刘小雷，肖丽婷，李 贺

(长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012)

热电联产区域供热(Combined Heat and Power District Heating，CHPDH)是一种最为绿色低碳和经济可靠的节能供热方式，可减少区域锅炉或小型锅炉烟气及颗粒物排放，有效治理雾霾并防治大气污染。由于瑞典等北欧国家CHPDH经验对我国严寒地区和寒冷地区的城市冬季供暖具有积极的借鉴意义，本文作者对位于Västerås的瑞典最大的CHPDH系统进行了实地考察，探讨了其Kraftvarmeverket垃圾焚烧厂的技术改进历程及其主体工作模块6的生产流程，剖析了该厂焚烧排放物显著减量的原因，调研了CHPDH在Västerås的其他用途及其对Västerås消减CO2排放量的贡献。

1 Västerås的CHPDH概况

在瑞典，CHPDH因其安全可靠且气候友好等显著优势，逐渐得以普遍应用，现已成为最常见的供暖方式[1]。第6大城市Västerås的CHPDH已由Mälarenergi公司管理经营近60 a[2]，其Kraftvarmeverket垃圾焚烧厂首要的生产目标是满足区域供热(District Heating，DH)的热需求，同时所产电能只作为副产物并入国家电网。Kraftvarmeverket的CHPDH管网分布见图1，通过8 600万条管线，Västerås约98%的房屋被纳入了CHPDH管网，每个房屋均配备约100 cm高，60 cm宽，40～60 cm厚的新型热交换中心，可放置于墙内小空间或独立橱柜及储藏柜的外立面，无噪声无污染，几乎不需要维护，技术简单，可靠性高。

图1 Kraftvarmeverket的CHPDH管网分布

2 Kraftvärmverket垃圾焚烧厂的技术改进历程

Kraftvärmeverket由模块1(A)，2(A)，3(B)，4(C)，5(D)和6(E)组成，如图2所示。除模块5外，每个模块均设有1套锅炉和1套汽轮机。模块5使用模块4的汽轮机发电。Kraftvärmverket历史发展进程见表1，燃料更新时间见表2，模块5、6和7的对比见表3。为实现适用性最佳和环境影响最小，自20世纪60年代始建以来，燃料的更迭推动了Kraftvärmverket的技术革新与生产设施改进，由模块1逐步升级至在建中的模块7。

图2 Kraftvärmeverket鸟瞰图

锅炉从只能燃烧某种单一燃料逐步改进为可同时处理多种燃料，使得Mälarenergi在应对燃料市场变化时获得了更大的灵活性，从而持续提供价格合理的DH[3]。Mälarenergi在燃料混合物中引入生活垃圾，以替代泥炭等化石燃料的使用，运行模块6进行无害化处理并回收能量，与直接简单填埋相比，最大限度地利用了可再生燃料和不可回收垃圾中可燃部分的最后能量，同时也获得了报酬。

表1 Kraftvärmverket的发展历程

表2 Kraftvärmverket燃料更新时间表

表3 模块5, 6 和7之间的比较

2.1 模块6的生产流程

2.1.1 燃料制备

Kraftvärmverket设有世界先进的燃料加工站(F，图2)，能够接收、准备和储存模块6适用的垃圾燃料。燃料制备过程如图3。来自家庭和工业的垃圾沿途经过称重设施和放射性物质无线检测设施，在燃料接收处被切碎并装入进料沟槽等待预处理。进料沟槽上方设有若干大型可升降机械抓斗，其作用：一是使沟槽内的垃圾尽可能均匀混合，以防止局部温度过高而着火，二是将垃圾送至粉碎机，进一步剪切成信用卡大小的碎片。随后，先磁化分离铁、钴和镍等磁性金属，再采用涡电流分选技术分离铜和铝等非磁性有色金属。接着，巨型风扇将轻质的可燃垃圾送入锅炉，而石料、玻璃和陶瓷等重质材料则被移出，进而回收或填埋。

图3 燃料准备示意图

2.1.2 燃烧

燃烧的核心装备为CFB锅炉，如图4，燃烧垃圾量约60 t/h。流化床内的沙子来自Småland，保障了均匀稳定的温度和更有效的燃烧。锅炉补充水及垃圾所含水分通过燃烧均转化为290 ℃的水蒸气，并进一步与烟气热交换达470 ℃，以推动汽轮机发电。至此，燃料的能量利用率高达90%。

图4 燃烧示意图

2.1.3 烟气净化

烟气净化的任务是将烟气中的环境有害物质转化为易于处理的固态化合物，见图5。酸性烟气中重金属等有害物质与所添加的活性炭、石灰和水发生反应，形成颗粒并被巨型布袋过滤器捕获，最终作为危险废物处置。从布袋过滤器排出的烟气，用水继续净化至污染物达标后再排放。净化过烟气的水大部分被回用至烟气净化的起点，小部分经反渗透膜工艺处理后排入Mälaren湖。最终，环境危害物检测达标的烟气方可通过烟囱排入大气。

图5 烟气净化示意图

烟气冷凝得到70 ℃的水，作为高温水进入城市DH管网，管网内的水被染成绿色以便检查漏点。各家各户的新型热交换中心除与城市DH管网热交换外，兼负加热自来水的任务，以保障建筑热水系统一年四季的热水供应。这种建筑热水系统直接利用CHPDC加热的方式，与我国CHPDC地区仍普遍采用独立设置水加热器的常规设计[4]相比，显然更为方便节能。DH管网回路低温水约50 ℃。

2.2 焚烧排放物显著减量的原因

2.2.1 燃料属性的改进

为了最大限度地减少环境影响，实现2020年完全脱离化石燃料的目标，Mälarenergi已逐步淘汰了煤炭或石油等化石燃料，取而代之的是专注于改进可再生燃料(林业生物燃料等)和可循环燃料(家庭垃圾和木材废料等)的燃烧利用。模块7于2020年投入运营之时，Mälarenergi将彻底告别化石燃料时代。

2.2.2 烟气的高效处理

垃圾燃烧的烟气主要由N2、水蒸气、CO2和O2等广泛存在于空气中的物质组成。与所有燃烧一样，垃圾燃烧过程中还会形成一些其他物质：灰尘颗粒、氯化氢、氮氧化物、硫氧化物、二噁英和微量元素。模块6的CFB锅炉炉温始终保持850 ℃以上，足以控制二恶英排放量，使其<1 g/a。

2.2.3 进料垃圾的优化控制

焚烧在回收垃圾所具有能量的同时，很大程度上也消除了垃圾所包含的潜在毒素及其浓缩物，从而实现了垃圾的无害化处理。生活垃圾的严格分类是实现垃圾焚烧环境无害化的瓶颈因素，焚烧前应对垃圾中有毒物质进行预处理。在瑞典，垃圾分类是每个公民应尽的义务，也是从娃娃抓起的教育内容[5]。Mälarenergi现阶段从Västerås本市所获垃圾燃料量仅占总量的50%，其余均由国际市场接收。Mälarenergi与垃圾供应商签订合同时，明确限定了垃圾中有毒物质的含量，而且对进口垃圾的分类要求也非常高。Mälarenergi不仅定期进行垃圾跟踪质检，还在Kraftvärmeverket进行抽样检查。若垃圾因质检不达标而被强制退回，无论供应商来自国内还是国外，都必须承担全部费用和责任[6]。

2.2.4 环保要求的日益严格

为发展可回收利用的基础设施，欧盟新规定明确要求其成员国必须遵循废物梯级利用这一共同基本原则：首先，尽量减少浪费；其次，重复使用和回收。“垃圾必须环境无害化处理”的意识在原本实施垃圾直接填埋的欧洲国家正日渐苏醒，如，作为瑞典最大垃圾进口国之一，英国的垃圾回收率自2010年以来获得了稳步增长。在Kraftvärmeverket，不可回收垃圾的可燃部分被用作CHPDH燃料，而不可燃部分则送入废物梯级利用的最后一级——垃圾填埋场。Västerås每年进口垃圾焚烧量约2×105t，虽然只是瑞典进口垃圾总量的一部分，但也为整个欧盟推动废物梯级利用作出了贡献。

3 CHPDH在Västerås的其他用途

3.1 工业清洗

Svenska Retursystem公司采用CHPDH提供的热水清洗可重复使用板条箱(reusable crate，RC)，如图6。承担了瑞典50%新鲜农产品销售的杂货零售业都在使用该公司提供的RC。从投入使用至今，RC已取代了超过1.3×1010件一次性包装。2016年的生命周期分析显示，与一次性包装相比，RC可减少74%的CO2排放量，其可持续性优势体现于①环保贡献：杂货零售业的CO2排放量2016年减少了2.87×105t，2017年减少了2.82×105t；②减少食物的报废和浪费量：RC的设计不仅能够保护初级包装免受冲击，而且坚固程度足以应对堆放和装载。2017年，该公司在Västerås开设了新工厂，每年可清洗7×107箱。

图6 Svenska Retursystem公司的可重复使用板条箱

3.2 街道地热

Västerås自1960年冬起开始利用CHPDH管网回水管道的余热来加热街道，如图7。下雪时可提高回水管道水温以减少清除积雪的成本，回水温度约25℃便足以消除街道上的冰雪。无冰的街道、人行道和自行车道大大降低了行人滑倒的直接风险及行车的交通隐患。Mälarenergi在铺设街道地热时，优先考虑了交通拥挤的路段和陡峭山坡上的街道。Västerås的街道地热敷设面积已达2×105m2。

3.3 区域供冷

区域供冷(District Cooling，DC)是一种现代城市建筑群高效供冷方式，主要用于工作场所、商场等公共建筑形成舒适的室内温度。中央冷却站采用大型工业级设备生产冷供水，通过隔热的地下管道网络供给客户建筑物。冷供水流经热交换器进入建筑物，从建筑物空间吸收热量，然后通过闭环回路再返回中央冷却站[7]。普通空调通常会产生的50%～70%电力峰值需求，而DC通过整合建筑群的冷却需求来平衡电力负荷，降低了峰值需求和制冷成本[8]。湖泊或海洋水冷却、灰水回收、污水处理厂出水和热能储存等均为DC提供了可持续的创新技术。与普通空调相比，规模经济提高了DC的效率，减少了相关成本和环境影响，是世界各地不可或缺的城市能源基础设施[9]。

图7 街道地热

Västerås是瑞典首个提供DC的城市，第一个客户早在1992年就已入网。DC管网随后扩展到覆盖包括市政厅和医院在内的约40个大型建筑物，年制冷量约为25 GWh。Västerås的DC主要包括热泵设施和吸收系统，见图8。热泵设施置于污水处理厂并利用其出水的含热量，不然这部分热量也会随着出水排入Mälaren湖而浪费掉。热泵每损耗1份电能，可获得3份热量+2份冷量，污水处理厂出水被冷却至2～10 ℃之间，所获得的热量传输到DH管网，冷量传输到DC管网，且可从电与热相关成本的角度优化DC生产。Kraftvärmeverket即将建成的模块7，为Mälarenergi热电冷联产的持续安全交付及价格竞争力创造了更为充足的条件。

图8 制冷热泵—吸收系统的DC示意图

4 CHPDH对瑞典及Västerås消减CO2排放量的贡献

就气候变化而言，任何产能过程都会对气候产生影响。垃圾堆填区中1 t垃圾CH4排放量对空气的污染程度大约与0.5 t CO2相当。欧洲垃圾堆填区每年会增加1.5×109t垃圾，存在巨大的环境隐患。瑞典CHPDH焚烧垃圾所产生的最大收益就在于减少了垃圾堆填区的CH4排放。2014年，瑞典进口垃圾的焚烧总量使得欧洲垃圾年填埋量减少了约1%。

近年来，若没有CHPDH对大幅消减CO2排放量的贡献，Västerås将无法实现其气候目标。2016年，Västerås的CO2排放量削减约为6.8×105t，相当于驾车绕地球80 300圈的CO2排放量；或者以该年Västerås市民总数119 372人而论，等量于所有市民拒绝开车3.5 a的CO2排放量，或他们乘飞机往返纽约4次的CO2排放量，或他们素食6 a可减少的CO2排放量。Kraftvarmeverket成为Västerås有史以来最大的环境投资。

建造CHPDH的初衷即为改善城市的空气质量，而今CHPDH已成为瑞典成功消减CO2排放的主要原因之一，也是构建可持续发展社会的必然选择[10]。

5 结语

CHPDH的设计和开发并不应仅仅局限于解决冬季采暖这一单一问题，而应从城市乃至社会可持续发展的大格局通盘考虑，着眼于人与自然环境和谐相处的生态构建。从最大限度全民普及的角度，有的放矢地推行真正的便民利民措施，解决最根本的民生问题。当然，Västerås的CHPDH只是小规模城镇的范例，虽有借鉴意义，但仍需结合我国大国的实际国情因地因时制宜改进，从而应用与推广。