生物質成型燃料鍋爐燃燒節能減排效益分析

2020-09-08 10:08:38范振山

應用能源技術 2020年8期

范振山，張彥，張強

(1.鄭州職業技術學院，鄭州 450121；2.河南省科學院能源研究所有限公司，鄭州 450008)

0 引言

我國的能源結構以煤為主，2018年我國煤炭消費總量464 000萬tce，占能源消費總量比重為59%[1]。生物質能是重要的新能源，是能源轉型的重要力量。我國生物質能利用潛力大，可作為能源利用的生物質資源每年約4.6億tce，2015年生物質能利用量約3 500萬tce。生物質成型燃料產業已起步，發展勢頭良好。2015年，全世界生物質成型燃料產量約3 000萬t，歐洲消費年均約1 600萬t，我國年利用量約800萬t[2]。生物質成型燃料作為一種生物質能，是重要的可再生能源，具有替代化石能源的節能減排效益。

1 生物質成型燃料特性

生物質成型燃料是生物質原料經脫水、粉碎、壓縮成型等加工工序后形成的形狀規則、性質均一、方便運輸和儲存、可以替代煤炭的綠色燃料[3]。我國生物質成型燃料以秸稈(約為75%)為主要原料[4]，松散的秸稈原料經擠壓成型后，密度提升至0.8～1.3 kg/m3[5]。生物質的工業分析與元素分析見表1，其中C含量為35.1%～42.6%，低于煤；H含量低于6%；O含量為33%～38%，與泥煤近似[5-7]。生物質成型燃料與原生物質相比體積小、密度大，使用、儲存、運輸方便，燃燒特性和燃燒效率得到改善和提升；與煤炭相比揮發分高，易引燃，燃燒煙氣中SO2、NOx、顆粒物(PM)含量低，排渣少，CO2零排放，環境污染小，可作為煤炭的替代燃料為生產和生活供能。

表1 生物質的工業分析與元素分析

2 節能效益分析

由表1知，水稻稈、小麥稈、玉米稈三種生物質成型燃料的干燥基低位發熱量Qnet.ad分別為14 654、15 740、15 840 kJ/kg，平均值為為(15 840+15 740+14 654)/3=15 411 kJ/kg。《煤質及煤分析有關術語》(GB/T 3715-2007)定義標準煤的低位發熱量為29.27 MJ/kgce[8]。通過低位發熱量相比，可知1kg生物質成型燃料相當于0.526 5 kgce。根據《可再生能源十三五規劃》、《生物質能十三五規劃》2020年我國生物質成型燃料規劃年利用量(目標值)為3 000萬t[2,9]。則2020年我國生物質成型燃料可替代煤炭消費量的熱量折合標準煤為：3 000×0.526 5=1 579.5萬tce。

3 溫室氣體CO2減排效益分析

生物質能的生成過程為:

燃燒為其逆過程[10]。生物質成型燃料燃燒為CO2零排放，其循環圖如圖1所示。

在不同報道中單位標準煤CO2排放量數據相差較大，文中根據文獻[11]1kg標準煤的CO2排放量為2.54 kg(2.54 kgCO2/kgce)進行計算。則2020年我國生物質成型燃料的CO2減排量=1 579.5×2.54=4 011.93萬t。

4 廢氣污染物減排效益分析

參考《排污許可證申請與核發技術規范鍋爐》(HJ953-2018)，采用物料衡算法核算SO2的排放量、產污系數法核算NOx和顆粒物(PM)的排放量，且均按直接排放進行核算[12]。

4.1 SO2減排量

采用物料衡算法，根據燃料消耗量、S含量按直排核算SO2排放量，見式(1)。

(1)

式中，ESO2為SO2的排放量，t；R為鍋爐燃料耗量，t，生物質成型燃料取3 000萬t，煤取2 211.26萬t。原煤平均低位發熱量為20 908 kJ/kg，折標準煤系數為0.714 3 kgce/kg[13]，通過低位發熱量相比，可知1 579.5萬tce 折算原煤為2 211.26萬t；Sar為燃料收到基S含量，百分比，參考表1，生物質成型燃料取平均值(0.12+0.18+0.11)/3=0.14；煤的種類很多，煤質差別很大，《中國煤炭分類》(GB/T5751-2009)把煤分為三大類，即無煙煤、煙煤和褐煤[14]，參考有關文獻[15-17]，文中煤取1；q4為鍋爐機械不完全燃燒熱損失，百分比，參考表2[12]，燃生物質成型燃料鍋爐取平均值(2+2)/2，燃煤鍋爐取平均值(4+5+2+10+16+3)/6=6.833；K為燃料中的S燃燒后氧化成SO2的份額，無量綱，參考表2，燃生物質成型燃料鍋爐取均值(0.50+0.40)/2=0.45，燃煤鍋爐取均值(0.85+0.833)/2=0.842。

表2 q4、K的取值

則2020年我國生物質成型燃料SO2排放量為：

0.45=3.70(萬t)

所替代煤的SO2排放量為：

34.69(萬t)

SO2減排量為：

ESO2煤-ESO2生物質成型燃料=34.69-3.70=30.99(萬t)

4.2 NOx和PM的減排量

采用產排污系數法按式(2)核算污染物排放量。

Ej=R×βj×10-3

(2)

式中，Ej為第j種污染物的排放量，t；R為鍋爐燃料耗量，t，生物質成型燃料取3 000萬t，煤取2 211.26萬t；βj為第j種污染物產排污系數，kg/t-燃料，參考表3[12]，對于NOx，燃生物質成型燃料鍋爐取1.02(無低氮燃燒)，燃煤鍋爐取3.22(無低氮燃燒)，對于PM，燃生物質成型燃料鍋爐取0.5，燃煤鍋爐取79.95。燃煤鍋爐取煙煤、褐煤、無煙煤，層燃爐、循環流化床、煤粉爐的平均值，NOx取(2.94+2.7+4.72+2.94+4.72+2.7+1.82)/7=3.22(無低氮燃燒)，PM取(1.25A+5.19A+8.93A+1.25A+8.93A+1.8A+4.63A)/7=4.568 6A=4.568 6×17.5=79.95，我國煤炭灰分含量波動較大，在10%～25%之間都有分布[18]，文中A%取中間值17.5%。