Environmental performance assessment of utility boiler energy conversion systems
1. Introduction
Significant amounts of global electric power generation are derived from fossil fuel fired boilers. A steam generating unit or simply a boiler is a major component of a thermal power plant and thus has attracted a tremendous research interest particularly due to the worldwide concern about greenhouse gas emission and the sustainability in electricity production. Conventional fossil fuel fired utility boilers has been widely used in past decades. Renewable energy based utility boilers have also seen increased implementation over the past several years. The unique design challenges of SRSG are discussed. Predicted unit performance and process descriptions are presented, as well as the engineering design achievements and first of kind concepts. Combustion issues encountered with biomass co-firing on a 500 MW down fired utility boiler are described. The biomass particle size and physical properties are studied and the flame stability and slagging are reviewed. The results indicate that the air flow around the injectors plays an important role in the boiler operation. Conventional exergy analysis and advanced exergy analysis are performed on a biomass boiler. The sources of inefficiency and irreversibility are recognized. The results show that the maximum exergy destruction occurs in furnace. The fuel-saving strategies are also discussed. A new mechanism has been proposed to integrate solar–coal hybridization system effectively. This mechanism is validated by simulation results of a mid and low temperature solar-hybridization system. A numerical study of a 13 MWth waste wood-fired boiler is presented. To better address the effects of the elevated CO2 and H2O concentrations on radiative heat transfer in the boiler, a refined weighted-sum-of-grey-gases-model is used in the study.
To evaluate system sustainability performance an emergy method was developed. The emergy method, which is considered to be “energy memory”, was defined as the available energy previously used directly or indirectly to make a product. Emergy theory expresses all the different process inputs and outputs, such as energy, fuel, labor, money, and natural resources, in terms of solar energy equivalents. In order to do so, different system inputs will go through a conversion process to emergy units using transformity. The transformity is defined as the solar emergy required to provide a unit of a product or service. The emergy method has been used to evaluate sustainability performance in different application categories. These categories include the energy industry, building service engineering, and information and services.
The use of biomass as a fuel in a district heating system is studied. The environmental impacts of building service engineering using the emergy method is evaluated, finding that the method used to generate electric power in an energy source plays an important role in determining the overall environmental performance. An analysis where Malaysiarsquo;s transportation sector would replace fossil fuels with palm oil based fuel is presented. The results show a low ESI for palm oil based fuel. However, it is an option if shortages of conventional fuels precipitate a future energy crisis. Their conclusion is based on the fact that only 8% of the available agricultural area would be sufficient to all fuel requirements for the transportation sector. Six different electricity generation systems are evaluated based on their thermodynamic and environmental efficiency. The paper concluded that systems using renewable energy are more sustainable than fossil fuel based systems. To account for the costs and benefits of waste management, some changes are proposed for the traditional emergy indices. The new indices were applied to a polyethylene production process. The results show that they provide a conceptually sound basis to evaluate the impacts of waste management investment and emissions. Life cycle assessment and emergy assessment of a 20 MW dry steam geothermal power plant are performed. The results indicate that the generation of 1 kW h of electricity releases 248 g of CO2, which is much less than that produced by fossil powered electricity. They also presented the environmental impacts associated with the direct utilization of a geothermal fluid. The low heat-to-electricity conversion efficiency further elevates the environmental impact compared to other renewable sources. A Mixed-Integer Non-linear Programming (MINLP) model is developed to help the decision-maker select the most sustainable design. The emergy sustainability index was used in the model as the single objective. The model considered multiple feedstocks, multiple transportation models and multiple regions for building biodiesel plants and distribution centers. A demonstration case shows the proposed model is able to help the decision-makers find the most sustainable design.
Other researchers have also conducted emergy analysis on various thermal systems. Environmental performance evaluation of retrofitting coal fired power plants to co-firing with biomass is performed. Carbon footprint and emergy approach are used in the paper. The results indicate that the addition of 20% biomass to the combustion mixture will reduce the CO2 by 11–25% and total emergy flow by 8–15%. Emergy method is used to evaluate a combined heat and power cogeneration processes, finding that the biomass-based cogeneration is 3.3 times more emergy-efficient than coal-based production. The results also indicate that the sustainability index for biomass is 15 times higher than coal. Environmental sustainability of a combined heat and power plant is evaluated, indicating that the reservoir is suitable for a long-term exploitation of the designed system. The result also shows that the system based on a hybrid geothermal–solar solution is a
电站锅炉能量转换系统的环境性能评估
1.介绍
全球大量发电来自化石燃料锅炉。蒸汽发生单元或简单的锅炉是火力发电厂的主要组成部分，因此电站锅炉引起了极大的研究兴趣，特别是由于全世界对温室气体排放和电力生产的可持续性的关注。在过去的几十年里，传统的化石燃料电站锅炉得到了广泛的应用。在过去几年中，基于可再生能源的电站锅炉的实施也有所增加。本次讨论了太阳能接收器蒸汽发生器独特的设计挑战，介绍了预测的机组性能和过程描述，以及工程设计成果和第一类概念。描述了在500兆瓦直燃电站锅炉上生物质共燃遇到的燃烧问题。研究了生物质的粒度和物理性质，综述了火焰稳定性和结渣情况。结果表明，喷射器周围的气流在锅炉运行中起着重要作用。在生物质锅炉上进行了传统能值分析和高级能值分析。低效率和不可逆转性的本质得到了论证。结果表明，最大能量爆发发生在炉膛内。因此，我们对节油策略进行了讨论，提出了一种有效集成太阳能-煤混合系统的新机制。中低温太阳能混合系统的仿真结果验证了这一机理。本文对一台13兆瓦废柴锅炉进行研究。为了更好地解决二氧化碳和水蒸气浓度升高对锅炉辐射传热的影响，本次研究采用了一种改进的气体加权和建模。
为了评价系统的可持续性，提出了一种能值方法。能值方法被认为是“能量记忆”，被定义为以前直接或间接用于制造产品的可用能量。能值理论用太阳能当量来表达所有不同的过程输入和输出，如能源、燃料、劳动力、金钱和自然资源。为了做到这一点，不同的系统输入将通过转换过程转换为使用转换的紧急单位。转换被定义为提供一个产品或服务单位所需的太阳能。能值方法已被用于评估不同应用类别中的可持续性性能。这些类别包括能源工业、建筑服务工程以及信息和服务。
研究了生物质作为燃料在区域供热系统中的应用。运用能值方法对建筑服务工程的环境影响进行了评价，发现能源发电的方法在决定整体环境性能方面起着重要作用。介绍了马来西亚交通部门将使用棕榈油燃料替代化石燃料的分析。结果表明棕榈油基燃料的电喷雾指数较低。然而，如果常规燃料的短缺引发未来的能源危机，这是一个选择。他们的结论是基于这样一个事实，即只有8%的可用农业面积足以满足运输部门的所有燃料需求。六种不同的发电系统根据其热力学和环境效率进行评估。该论文得出结论，使用可再生能源的系统比基于化石燃料的系统更具可持续性。考虑到废物管理的成本和效益，对传统的能值指标提出了一些改变。新的指标应用于聚乙烯生产过程。结果表明，它们为评估废弃物管理投资和排放的影响提供了一个概念上合理的基础。对干蒸汽某20兆瓦地热发电厂进行了生命周期分析和能值分析。结果表明，1千瓦小时的发电量释放出248克二氧化碳，远远低于化石能源发电量的排放。他们还介绍了与地热流体直接利用相关的环境影响。与其他可再生能源相比，低热电转换效率进一步提高了环境影响。开发了一个混合整数非线性规划模型来帮助决策者选择最可持续的设计。模型以能值可持续性指数为单一目标。该模型考虑了多种原料、多种运输模式和多个区域，用于建设生物柴油工厂和配送中心。实例表明，该模型能够帮助决策者找到最可持续的设计。
其他研究人员也对各种热力系统进行了能值分析。对改造燃煤电厂与生物质共燃进行了环境性能评价。本文采用碳足迹和能值方法。结果表明，向燃烧混合物中添加20%的生物质将减少11-25%的二氧化碳和8-15%的总能值流量。运用能值方法对热电联产过程进行了评价，发现生物质热电联产比煤基生产的能值效率高3.3倍。结果还表明，生物质的可持续性指数比煤高15倍。对热电联产电厂的环境可持续性进行了评价，表明该水库适合于设计系统的长期开发。结果还表明，基于地热-太阳能混合解决方案的系统是一种环保应用。
由于可持续性发展和燃料供应的复杂性，需要付出更多的努力来研究和确保电站锅炉的可持续性。本文在文献工作的基础上，提出了电站锅炉环境评价的理论框架。这些分析可用于决策者诊断和优化电站锅炉的可持续性。新奇之处是双重的。第一种是环境评价和具体化太阳能方法，文献中还没有用于锅炉分析。二是所研究的电站锅炉的综合性，涵盖了朗肯循环的大部分锅炉系统。
2.方法
2.1.能量分析
本文将不讨论传统的能量分析。锅炉燃料效率可使用美国机械工程师学会PTC 4的公式计算如下:
其中，SmQpL是基于燃料输入百分比计算的总损失，SmQpB是基于燃料输入百分比计算的总信用，QrO是总热量输出，SmQrL是基于能量计算的总损失，SmQrB是基于能量计算的总热信用。锅炉燃烧空气流量、烟气流量和燃料流量根据ASME PTC4建立。
电站锅炉系统的可持续性可以通过测量二氧化碳排放量来评估。碳到二氧化碳的转化是由反应的化学计量导出的。排放较少二氧化碳的系统被认为比排放较多二氧化碳的系统更具可持续性。通过减少温室气体排放，调节发电厂二氧化碳可以帮助应对全球气候变化的挑战，并为当地带来巨大利益。
2.2.能值分析
能值分析是一种基于能源的方法，它以太阳能当量表示所有不同的过程输入和输出，如能源、燃料、劳动力、金钱和自然资源。太阳能是指直接或间接用于制造社会服务或产品的可用太阳能。太阳能值的单位是太阳焦耳。它是生物圈为提供一种产品所做的工作的量度。因此，它可以用来评估一个过程的可持续性。
根据系统图进行能值分析。本文的分析包括以下步骤:
A.识别系统的边界。锅炉边界是根据美国机械工程师学会PTC 4定义的。
B.计算能量、质量和货币平衡。能量和质量平衡是根据美国机械工程师学会PTC 4计算的。资金余额是根据附注中解释的方法估算的。在本研究中，可再生资源包括可再生燃料、空气中的氧气、锅炉排污和冷凝器中使用的水资源、烟气释放的热能和冷凝器释放的热能。不可再生资源包括不可再生燃料。货币余额包括研究系统的资本成本和操作和维护成本。
C.系统能值评估。系统能值是基于各流量的能量、质量和货币平衡及其转化的乘积来计算的。在本文中，所有转换数据都是从以前的可持续性研究中获得的。
D.评估系统使用的总能值。在获得系统中的每一个能值输入后，系统使用的总能值可以通过将可再生输入、不可再生输入和社会反馈相加来计算。
E.评估和解释基于能值的指标，以评估环境可持续性绩效。由于可持续性的多维性，可持续性和不可持续性之间没有确切的界限。本文比较了相对能值指标，认为能值指标最好的锅炉具有最佳的可持续性。
在能值理论中，系统的能值输入分为三个不同的类别:可再生部分R、不可再生部分N和来自社会的反馈。图一显示了该过程所需的能值输入和获得的产品输出，以及该过程中的流相互作用。定义了几个能值指标来评估调查热系统的可持续性。
能值收益率(能值收益率)是收益率的能值除以所有经济反馈的能值。它是经济超出自身运行范围的净贡献指标。它表达了热力系统的一种“增益”。例如，能值收益率值为10意味着收益率的能值是投资能值的10倍。它可以作为热力系统竞争力和经济效益的指标。能值收益率的价值越高，竞争力就越强，这与所研究系统的经济效益越好相对应。较高的能值收益率也意味着较低的系统成本，因为较低的购买投入。
环境负荷率(ELR)是社会反馈和不可再生资源对可再生部分的总和。它是对环境负荷的测量。换句话说，这表明热力系统对当地环境的压力。它衡量与可再生资源相比，由于过度开发不可再生资源或社会过度投资而造成的环境压力。环境负荷率的价值越高，对环境的影响就越大。
能值可持续性指数是能值收益率与环境负荷率的比值。它是一个指标，显示了热力系统以最大增益和最小环境压力提供所需产品的能力。为了长期可持续，该系统应具有高能值收益率值和低环境负荷率值，以便电喷雾指数值较高。在可持续系统和不可持续系统之间划一条严格的界限是不现实的。因此，进行了相关的电喷雾指数比较，以揭示电站锅炉系统的可持续性。
2.3. 变压器
太阳能转换被定义为制造一个产品或服务单位所需的太阳能能级。它的单位是太阳能每焦耳(seJ/J)。产品的太阳能转换是其太阳能能量除以其自身能量。一般来说，较高的转化率意味着需要更多的能量来生产产品。太阳能转换是通过能量乘以能量的转换，把给定的能量转换成能值。要计算一种资源或商品的太阳金刚砂，所有用来生产它们的资源和能量都应该被追溯到。
换句话说，资源的转化程度越高，生产资源所需的环境支持就越大。同样，使用高转换资源需要大量的环境支持。本质上，转型是过去对资源的环境支持和未来对环境系统的负荷的一个指标。
3.结果和讨论
二氧化碳是导致全球变暖和气候变化的主要温室气体之一。在美国，2013年电力部门占温室气体排放总量的32%。电站锅炉是电力行业二氧化碳排放的主要来源。环境保护局提出了现有发电厂和新发电厂的清洁能源计划，以减少二氧化碳排放。在本文中，化学计量燃烧计算被用来预测每个被研究的电站锅炉产生的二氧化碳排放。
由于太阳能和生物质锅炉使用可再生能源作为燃料，这两种情况都没有二氧化碳排放。在燃烧化石燃料的锅炉中，燃烧天然气的锅炉比燃烧煤或油的锅炉二氧化碳排放量低得多。亚临界锅炉和超临界锅炉都燃烧煤，但超临界锅炉产生的二氧化碳排放量比汽包锅炉少约6%。当考虑垃圾衍生燃料燃烧的二氧化碳排放时，只计算化石燃料产品(如塑料)的二氧化碳排放是合理的。垃圾衍生燃料的生物来源部分是由活生物体产生的物质，已经在地球的碳循环中。因此，在确定用于能量回收的燃烧垃圾衍生燃料的二氧化碳输出时，不应包括生物源部分。在本文中，我们假设垃圾衍生燃料锅炉产生的50%的能量来自生物源，另外50%来自化石燃料源。
4.能值分析
燃油锅炉和天然气锅炉的能值收益率值最高，其次是燃煤机组。生物质锅炉的能值收益率相对较低。太阳能锅炉排名最后，能值收益率 1.2。通常，能值收益率越高，表明经济效益越高，系统竞争力越强。太阳能锅炉的最低能值收益率可归因于太阳能锅炉的重大资本成本和操作和维护成本。与燃煤锅炉相比，燃油锅炉和天然气锅炉具有相对较高的能效，因为它们的资本成本和操作和维护成本较低。资本成本降低，因为燃油和天然气燃烧装置使用较小的炉子，并且不需要煤粉、功率放大器风扇和烟气净化设备。由于辅助动力和设备的减少，操作和维护成本降低。
环境负荷率是环境负荷的指示器。资本投资的增加和不可再生资源的使用会导致更高的经济效益。不出所料，化石燃料锅炉由于其占主导地位的不可再生燃料来源而具有较高的环境效益，这造成了较高的环境影响。生物质锅炉的环境负荷率值为0.063。这是最低的环境负荷率，它反映了可再生燃料的投入和适度的资本成本。
能值收益率高和环境负荷率低的锅炉具有更好的电喷雾指数。化石燃料锅炉系统的电喷雾指数相对较低。燃油锅炉的电喷雾指数略高于天然气锅炉。然而，与其他情况相比，它们被认为处于同一水平。细微的差别是由两个主要因素造成的。第一个因素是，天然气锅炉的不可再生燃料输入高于燃油锅炉，因为天然气锅炉的氢气燃烧造成大量效率损失。第二个因素是燃油的过量空气需求高于天然气燃烧，因为与天然气相比，燃油相对较难燃烧。额外的空气输入被认为是可再生的输入，增加了燃油锅炉的空气阻力。两个因素的结合使得燃油锅炉的电喷雾指数比天然气锅炉略高。
5.讨论
5.1.化石燃料锅炉
二氧化碳排放在环境监管决策中发挥着重要作用。在化石燃料锅炉中，天然气锅炉比煤和油锅炉产生的二氧化碳排放量少得多。总的来说，化石燃料锅炉的能值可持续性指数较低。为了使锅炉系统长期可持续，它应该具有高能值收益率和低环境负荷率，以便系统具有高电喷雾指数。与燃煤锅炉相比，燃油和天然气锅炉具有更好的电喷雾指数，并在化石燃料锅炉类别中表现出良好的可持续性。考虑到近年来天然气价格相对于其他燃料较低以及二氧化碳排放量较低，天然气锅炉应被视化石燃料锅炉中最具吸引力的可持续锅炉。
为将现有的燃煤锅炉改造成天然气燃烧以提高可持续性是一个可行的选择。美国的许多发电厂正在考虑对现有燃煤锅炉进行天然气转换，以此来保持现有燃煤锅炉的运行(燃烧天然气)，同时遵守新的环境法规。在评估将燃煤锅炉转换为天然气燃烧的前景时，燃烧系统所需的修改及其对锅炉性能的影响是需要考虑的重要因素。燃烧系统修改包括燃烧器配置、燃料供应、排放(氮氧化物和一氧化碳)要求以及仪表和控制。预期的锅炉性能变化包括炉膛出口气体温度、辐射过热热通量、烟气流速、空气流速、对流背板中的热传递、管道金属温度和锅炉效率。以下是切换到天然气燃烧时锅炉性能的一些典型变化。
bull; 由于天然气火焰的发射率较低，炉膛出口气体温度增加。
bull; 天然气火焰的发射率较低，降低了炉膛湿重和辐射过热/再热热流。
bull; 由于天然气燃烧所需过量空气的减少，总燃烧空气流量减少。烟气流速也会降低。
bull; 由于天然气燃烧中没有灰沉积，通过锅炉背面管束的热传递增加。然而，这种传热的增加将被烟气流速的降低所抵消。对流背板中的下游表面可能吸热减少。
bull; 由于天然气比煤含氢多，氢气燃烧产生的水分导致的效率损失显著增加。然而，不存在未燃烧的可燃损失和烟囱气体温度的降低将抵消氢气燃烧损失的增加，并且与燃煤相比，锅炉的整体效率可能仅略微降低。
bull; 由于蒸汽和烟气温度较高，炉内或紧邻炉出口下游的加热元件中的管道金属温度可能会升高。
5.2.可再生燃料锅炉
能源独立运动加上政府投资激励措施鼓励电力行业开发高效可靠的可再生能源。使用可再生燃料锅炉的一个显著好处是二氧化碳排放量接近零。近年来，世界范围内燃烧可再生燃料(包括生物质和太阳能)的锅炉发展迅速。值得注意的是，考虑到燃料是免费的，太阳能锅炉的效率并不是一个主要问题。然而，随着接收器表面积的增加，回收通过辐射和对流从太阳能接收器到其周围环境的热损失所需的定日镜的数量增加。这将增加项目的资本成本。虽然资本和操作和维护成本可以随着CSP技术的进一步发展而降低，但进一步的讨论不属于本研究的范围。
从可持续性分析结果来看，生物质锅炉是兰金蒸汽循环中利用可再生能源的一种手段。在任何额外的C
资料编号：[4449]
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