武漢市某廠鍋爐煤改氣工程節(jié)能減排效果研究

盧騰飛，王 豐，陳紹波

（武漢市節(jié)能監(jiān)察中心，武漢 430014）

我國是目前世界上第一大能源生產(chǎn)國和消費國。能源供應(yīng)持續(xù)增長，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要的支撐。但我國能源利用結(jié)構(gòu)中，煤炭占比偏大，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，尤其是近年來反復(fù)出現(xiàn)的全國性大面積重度霧霾，嚴(yán)重威脅公眾的身體健康[1-2]。為此，國家出臺了一系列文件和政策，支持煤炭消費總量控制。武漢市作為中部的國家中心城市，煤炭消費總量巨大，由煤炭使用引發(fā)的環(huán)境污染問題較為嚴(yán)峻，政府也啟動了煤炭消費總量控制工作，重點推進(jìn)現(xiàn)有用煤企業(yè)實施能源替代工程，包括煤改氣、煤改電、煤改生物質(zhì)等[3]。煤改氣工程將現(xiàn)有燃煤鍋爐更換為天然氣鍋爐，其節(jié)能減排效果明顯。本文對武漢市某廠鍋爐煤改氣工程進(jìn)行對比分析，探討其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢。

1 我國煤炭利用現(xiàn)狀

圖1 我國2011-2017年煤炭消費總量和占一次能源比重

我國2011-2017年的煤炭消費總量和占一次能源比重情況如圖1所示[4]。由圖1可見，自2011年起，中國煤炭消費總量持續(xù)增加，2013年達(dá)到峰值，為28.1 億tce，之后不斷下降，但在2017年有所反彈。煤炭占一次能源的比重一直保持下降趨勢，2017年降至60.4%。

2 武漢市煤炭控制進(jìn)展

圖2 武漢市2011-2017年煤炭消費總量和增長率情況

武漢市2011-2017年的煤炭消費總量和增長率情況如圖2所示。由圖2可見，全市煤炭消費總量與國家變化趨勢類似，同樣呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。2014年達(dá)到了峰值，消費2 436 萬tce，之后持續(xù)下降，2017年已降至2 219 萬tce。增長率在2012年最高，為4.29%，之后增長放緩，自2015年起實現(xiàn)了負(fù)增長，并且近年的降低速度有所加快[5]。

武漢市近年來大力開展煤炭控制工作，嚴(yán)格控制新增煤炭消費，禁止新建燃煤發(fā)電機(jī)組，不予新建燃煤鍋爐；重點壓減高耗能企業(yè)用煤，推進(jìn)鋼鐵、發(fā)電、水泥等行業(yè)實施壓減產(chǎn)能、節(jié)能改造等；開展散煤清理專項行動；實施清潔能源替代，包括電能替代、天然氣替代、集中供熱制冷替代、可再生能源替代等。通過以上工作，全市煤炭使用企業(yè)和設(shè)備明顯減少。截至2018年底，全市剩余煤炭使用企業(yè)35 家，用煤設(shè)備95臺套，相比2015年，分別減少195家和213臺套。

由于煤炭控制工作的有效開展，全市空氣質(zhì)量得到切實改善。武漢市2013-2017年空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)的變化情況如圖3所示。由此可以看出，全市空氣質(zhì)量逐年好轉(zhuǎn)，年空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)和優(yōu)良比例分別從2013年的160 d、43.8%提高到2017年的255 d、69.9%。

圖3 武漢市2013-2017年空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)情況

3 燃煤鍋爐與天然氣鍋爐對比

與燃煤鍋爐相比，天然氣鍋爐在能源使用、污染物排放等方面具有優(yōu)勢。

一是天然氣鍋爐熱效率高，普遍可以達(dá)到92%，而工業(yè)用中小型燃煤鍋爐的熱效率偏低，通常僅在65%～70%。燃煤鍋爐煙氣量多，排煙損失大，燃燒后灰分較多，受熱面容易結(jié)垢，熱阻增加，也會降低鍋爐熱效率；而天然氣鍋爐普遍采用煙氣余熱利用，排煙溫度可以降至低于100℃，受熱面結(jié)垢情況明顯改善，所以鍋爐熱效率得到有效提升。

二是燃煤鍋爐除本體外，還需要配套制粉設(shè)備、除渣設(shè)備、除塵設(shè)備和大功率風(fēng)機(jī)，而天然氣鍋爐的輔機(jī)少，風(fēng)機(jī)功率降低，電力消耗也會降低。三是燃煤鍋爐的三廢排放量大，尤其是SO2、NOx、顆粒物的排放濃度高，對空氣的污染程度遠(yuǎn)高于天然氣鍋爐。四是相比煤炭，天然氣含碳量更低，其燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳量大大減少，可有效緩解氣候變暖。

4 某廠煤改氣工程節(jié)能減排分析

4.1 基本情況

武漢市建材行業(yè)某廠，原使用3 臺SZL20-1.25-A Ⅱ的燃煤鍋爐進(jìn)行供熱。根據(jù)環(huán)保要求，對2臺進(jìn)行拆除，1 臺進(jìn)行停用。之后在原址上新建天然氣鍋爐SZS10-1.6-QY 和WNS6-1.25-YQ 各1 臺。鍋爐的參數(shù)如表1所示。

表1 改造前后鍋爐參數(shù)

4.2 節(jié)能情況

4.2.1 節(jié)能量計算方法

改造前后鍋爐的年能源消費總量根據(jù)式（1）進(jìn)行計算：

式中，E為鍋爐的年能源消費總量，tce；i為鍋爐使用的能源種類，改造前為煤炭和電力，改造后為天然氣和電力；Mi為第i種能源的年消費總量；mi為第i種能源的折標(biāo)系數(shù)，煤炭為0.714 3 tce/t，天然氣為12.143 tce/萬m3，電力為3.1 tce/萬kW·h。

改造前后鍋爐的單位蒸汽產(chǎn)量能耗根據(jù)式（2）進(jìn)行計算：

式中，e為鍋爐的單位蒸汽產(chǎn)量能耗，tce/t；E為鍋爐的年能源消費總量，tce；Q為鍋爐的年蒸汽產(chǎn)量，t。

改造后，鍋爐的節(jié)能量根據(jù)式（3）進(jìn)行計算[5]：

式中，ΔE為項目改造后的年節(jié)能量，tce；e1為改造前鍋爐的單位蒸汽產(chǎn)量能耗，tce/t；e2為改造后鍋爐的單位蒸汽產(chǎn)量能耗，tce/t；Q1為改造前鍋爐的年蒸汽產(chǎn)量，t。

4.2.2 改造前后能源使用情況

改造前后1年鍋爐的蒸汽產(chǎn)量、煤炭、天然氣和電力使用情況如表2、表3所示。

按照式（1）、式（2）、式（3）對節(jié)能情況的計算結(jié)果如表4所示。

表2 改造前1年燃煤鍋爐的蒸汽產(chǎn)量、煤炭和 電力使用情況

表3 改造后1年天然氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量、天然氣和 電力使用情況

表4 節(jié)能情況計算結(jié)果

根據(jù)以上分析，可見通過煤改氣，該廠的能源消費總量實現(xiàn)了節(jié)約。與改造前相比，表觀節(jié)能量（改造前后能源消費總量差值）達(dá)到了7 301 tce，表觀節(jié)能率為57.0%。在扣除了蒸汽產(chǎn)量的變化后，項目的實際節(jié)能量ΔE為2 391 tce，實際節(jié)能率為18.7%，在節(jié)能效果中，有4.5%是由于電力消耗減少產(chǎn)生，有95.5%是由于燃料調(diào)整產(chǎn)生。

4.3 污染物減排情況

改造前后污染物的排放濃度和排放量如表5所示。

表5 改造前后污染物排放濃度和排放量情況

改造前燃鍋爐的SO2、NOx的排放濃度同時滿足《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)顆粒物》（GB-13271-2014）中的一般排放限值400 mg/Nm3、400 mg/Nm3和特別排放限值200 mg/Nm3、200 mg/Nm3的要求，顆粒物的排放濃度滿足《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)顆粒物》（GB-13271-2014）中的一般排放限值80 mg/Nm3的要求，但不滿足特別排放限值30 mg/Nm3的要求。改造后燃?xì)忮仩t的SO2、NOx、顆粒物三者均能同時滿足《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)顆粒物》（GB-13271-2014）的一般排放限值和特別排放限值的要求。經(jīng)過改造，三者的排放濃度分別下降80.2%、41.6%、87.9%。

排放濃度降低，燃料使用量減少，這兩個因素共同引起污染物的排放總量下降。SO2、NOx、顆粒物的年排放總量從改造前的26.1 t、30.1 t、12.8 t 分別降到改造后的2.6 t、9.0 t、0.8 t，下降率分別達(dá)到89.9%、70.3%、93.9%。

4.4 項目溫室氣體減排情況

改造前后溫室氣體排放量根據(jù)式（4）進(jìn)行計算。

式中，G為鍋爐的年溫室氣體排放總量，tCO2；i為鍋爐使用的能源種類，改造前為煤炭和電力，改造后為天然氣和電力；Mi為第i種能源的年消費總量；EFi為第i種燃料的排放因子，其中煤炭為 1.747 tCO2/t，天然氣為18.025 tCO2/萬m3，電力為5.257 tCO2/ 萬kW·h[6]。

改造前后溫室氣體排放的計算結(jié)果如表6所示。改造前使用煤炭，其含碳量較高，排放量為30 691 tCO2， 改造后天然氣中碳的含量大大降低，排放降至8 062 tCO2， 下降73.7%；用電量的減少也引起電力的溫室氣體排放下降68.5%。改造前，碳排放合計為31 143 tCO2，改造后，碳排放合計為8 205 tCO2。由于以上幾個因素的疊加，經(jīng)計算，改造后鍋爐的溫室氣體排放降低73.7%。

表6 改造前后溫室氣體排放計算結(jié)果

5 結(jié)語

通過對武漢市某廠鍋爐煤改氣工程進(jìn)行分析，其表觀節(jié)能率為57.0%，實際節(jié)能率為18.7%；SO2、NOx、顆粒物的排放濃度分別下降80.2%、41.6%、87.9%，排放總量分別下降89.9%、70.3%、93.9%；溫室氣體排放下降73.7%。通過煤改氣，該廠獲得了良好的節(jié)能減排效益。