近期，南京农业大学工学院李骅教授团队针对利用餐厨垃圾和秸秆进行热电联产的发电技术进行了深入研究。所设计的系统由微波热解与热回收系统、锅炉和涡轮系统相结合组成。这项研究的结果最近发表在《Sustainable Production and Consumption》上，标题为“Techno-economic assessment of co-pyrolyzed kitchen waste and rice straw for co-generation of heat and power”。
鉴于化石燃料枯竭、全球变暖和废弃物管理效率低下等问题日益受到关注，再加上废物能源转化市场的显著增长，团队意识到有必要设计一套巧妙且灵活的生物质能源转化系统，实现将食堂餐厨垃圾和稻秆高效地转化为燃料和电力。
李骅教授团队通过Aspen Plus软件设计系统模型，该模型利用热解系统产生的合成气来运行锅炉和涡轮机组。所模拟工厂的主要产品包括：(i)向配电公司供电，然后由配电公司将电力输送到国家电网；(ii)从发电过程中回收的热水将供应给工学院的学生淋浴室、学生食堂和通过线路连接到区域热水分配系统；(iii)热解所得生物炭作为固体燃料在市场上销售。为进一步验证所设计Aspen Plus模型的技术可行性，使用中试规模系统进行了实验，以确定热解气体的产量和生物炭的燃料特性，从而确定其作为燃料的使用潜力。此外，还进行了全面的技术经济调查，以研究发电厂的经济潜力。所提议的热电联产发电厂的经济预测估计值来源于电力、热水和生物炭的销售。
图1 热电联产装置工艺流程图
模拟结果表明，该热电联产电厂技术上是可行的，锅炉效率为96.30%，蒸汽循环热效率为36.46%，电效率为41.61%，系统总效率为35.11%。拟建的工厂产出主要包括电力（约744576千瓦时/年）、热水（1727649升/年）和生物炭（162045千克/年）。产品的预计销售量是在考虑到当前的市场价格和与可再生能源生产有关的政府补贴/条例后确定的。
通过对净现值(NPV)在第二年后转为正值、内部收益率(IRR)为0.62、投资回收期为2年，以及在整个项目预期持续时间内的总体盈利指数为3.845等财务指标的分析，证明热电联产电厂的经济可行性，并具有一定收益。且其产生的热量可以满足快速增长的城市供暖需求，并有助于电网的稳定。
图2 项目生命周期内的年度现金流量图
敏感性分析表明，通过提高生物炭的销售价格、降低总投资成本和年度总运营成本，可以实现最大的潜在性能改进。总之，研究表明，大规模微波热电联产技术是一个具有良好经济性、并可实现有效废物管理的可再生能源解决方案。同时，该研究强调并促进了联合国可持续发展目标7和11所包含的可持续发展的不同方面。
图3 影响热电联产电厂IRR主要因素的敏感性分析图
工学院Samuel Mbugua Nyambura和李超为第一作者，国家重点研发计划项目[2019YFC1906103]资助。
