建筑陶瓷企業(yè)三種能源結(jié)構(gòu)情景的二氧化碳排放量分析

謝炳豪 張?jiān)Ｌ?/p>

摘 要： 本文采用企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行二氧化碳排放計(jì)算規(guī)范，對(duì)建筑陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在三種能源結(jié)構(gòu)情景下分析二氧化碳排放量，探討建筑陶瓷企業(yè)采用不同能源結(jié)構(gòu)時(shí)的CO2減排可行性。

關(guān)鍵詞： 建筑陶瓷生產(chǎn);調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu);CO2減排

1 前言

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，也是推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的必然選擇。中國(guó)承諾在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策。碳達(dá)峰、碳中和將會(huì)徹底改變能源產(chǎn)業(yè)格局，重構(gòu)整個(gè)制造業(yè)，改變我們每個(gè)人的生活方式。化石燃料燃燒是我國(guó)主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的80%以上。圍繞推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、支持綠色低碳技術(shù)研發(fā)推廣，加快電能替代，支持“以電代煤”、“以電代油代氣”，加快工業(yè)、建筑、交通等重點(diǎn)行業(yè)電能替代是當(dāng)前需要研究的重點(diǎn)課題之一。

建筑陶瓷企業(yè)其傳統(tǒng)的工藝需要過程，物料干燥、制品燒成過程使用大量的燃料熱能。企業(yè)的原料車間生產(chǎn)一直沿用多年的工藝是將泥料、礦砂和水混合進(jìn)入球磨機(jī)，研磨成規(guī)定一定細(xì)度并含有較高水份的泥漿，泥漿經(jīng)陳化之后送入以熱風(fēng)作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經(jīng)與熱風(fēng)進(jìn)行熱交換成為含較低水分的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐所用的燃料經(jīng)歷了從80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部采用水煤漿燃料，（部份采用水煤氣作燃料，，近年也有部份噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐直接采用鏈排式燃煤熱風(fēng)爐取代水煤漿熱風(fēng)爐）。建筑企業(yè)的陶瓷制品燒成的窯爐，經(jīng)歷了從80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部分采自制水煤氣作燃料。整個(gè)生產(chǎn)過程消耗的燃料量很大，燃料燃燒CO2排放高，屬于典型的高耗能、高排放重點(diǎn)行業(yè)。

2建筑陶瓷企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)及其利用狀況

建筑陶瓷企業(yè)如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)需要迫切考慮的問題。本文以下我們僅以一家當(dāng)前正常生產(chǎn)并帶有普遍性的墻地磚生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)行的能源使用結(jié)構(gòu)的改變，評(píng)估企業(yè)二氧化碳減排的可能性。

據(jù)該企業(yè)2015年度統(tǒng)計(jì)資料，生產(chǎn)拋釉磚和釉面磚二種產(chǎn)品，生產(chǎn)設(shè)備有燃用水煤漿的噴霧干燥塔三座;燃用煤氣的輥道窯6條，其中1#、2#二條窯爐生產(chǎn)拋釉磚產(chǎn)品，01#、02#二組窯爐（每組含素?zé)G和釉燒窯各一）生產(chǎn)釉面磚產(chǎn)品。

表1中每天產(chǎn)量按年平均生產(chǎn)天數(shù)300天計(jì)。

2.1情景1—使用原煤和電力的用能結(jié)構(gòu)

據(jù)了解，企業(yè)從2015至2020年一直沿用的能源結(jié)構(gòu)為未發(fā)生大的改變：采購(gòu)原煤進(jìn)廠，篩分后部分原塊狀煤供給自備煤氣站自產(chǎn)生產(chǎn)水煤氣供給窯爐作燃料;部分原，粉狀煤供給球磨機(jī)自產(chǎn)制作水煤漿作供噴霧干燥塔熱風(fēng)爐作燃料;購(gòu)入少量柴油作為輔助生產(chǎn)叉車使用;從電網(wǎng)供電購(gòu)電作為全企業(yè)動(dòng)力使用。其能源消費(fèi)流向如圖1，能源消耗平平衡表及能源利用效率計(jì)算如表2。企業(yè)使用天原煤、電力時(shí)各項(xiàng)能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表3所示。

2015年企業(yè)使用原煤36491.62噸、柴油148.72噸、電力30507.7MWh，綜合能源消費(fèi)量為35757.6噸標(biāo)煤（或tce），其中原煤占88.91%。

忽略原料和脫硫過程排放，化石能源及電力所致二氧化碳排放總量為97895.12噸，其中化石燃料燃燒所致排放占83.57%，電力16.43%。

以實(shí)測(cè)工序能源效率為依據(jù)，企業(yè)能源利用率約63.84%。

說明：原煤（煙煤）熱值6100kcal/kg，碳排放計(jì)算按《中國(guó)陶瓷生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》，電力排放因子取2019年值，單位tCO2/萬kWh。忽略原料及脫硫過程排放量。

2.2情景2—使用天然氣、原煤和電力的用能結(jié)構(gòu)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)力的提高以及對(duì)環(huán)保問題的重視，尤其是對(duì)日益嚴(yán)重的工業(yè)污染的擔(dān)憂，使得天然氣的利用成為必然。目前，各地政府開始采取行動(dòng)限制煤的使用，鼓勵(lì)工業(yè)、企業(yè)、居民使用天然氣、電力等清潔能源。2020年底該企業(yè)按照政府要求實(shí)施了“煤改氣”，取消煤氣站，將窯爐燃料全部改為天然氣，噴霧干燥熱風(fēng)爐仍用煤作為燃料。

在產(chǎn)品、產(chǎn)量不改變的情況下，預(yù)計(jì)企業(yè)使用天然氣1388.72萬m3、原煤8983.37噸、柴油148.72噸、電力29152.6MWh，綜合能耗為28389.51tce。對(duì)比 “煤改氣”前，由于減少了煤氣站的能源轉(zhuǎn)換損失，窯爐使用天然氣后能源利用率也有所提高，能耗下降率20.61%，企業(yè)能源利用率從63.84%提高至82.95%。

化石能源及電力所致二氧化碳排放總量為63137.57噸，比“煤改氣”前二氧化碳排放量總體下降35.5%。總體比例來看，化石燃料占75.66%，比情景1下降7.91個(gè)百分點(diǎn)，電力消耗間接排放由情景1的16.43%上升至24.34% 。

企業(yè)使用天然氣、原煤、電力時(shí)能源流向圖如圖2所示，企業(yè)使用天然氣、原煤、電力時(shí)各項(xiàng)能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表5所示。

2.3情景3—使用天然氣和電力的用能結(jié)構(gòu)

從二氧化碳減排角度考慮，盡可能減少高碳能源使用，減排效果較為明顯，情景3擬采取“熱電聯(lián)產(chǎn)”方案提高企業(yè)能源綜合利用效率，進(jìn)一步減少二氧化碳排放。

根據(jù)建筑陶瓷企業(yè)的現(xiàn)行的工藝流程，考慮到噴霧干燥工藝仍然需要高溫?zé)煔庾鳠嵩础Ｇ榫?在原料加工車間采取裝備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組以“熱電聯(lián)產(chǎn)”方式，天然氣燃料供燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電后，其高溫排氣（500-600℃煙氣）余熱供給噴霧干燥塔作熱源使用，余熱不足部分由天然氣補(bǔ)燃供給;企業(yè)燃?xì)飧G爐全部改為電熱窯爐，與企業(yè)其它動(dòng)力設(shè)備全部使用電力。電力部份由所裝備燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組供給，不足部分由電網(wǎng)供給。預(yù)計(jì)其能源消費(fèi)流向如圖3，能源消耗平衡表及能源利用效率計(jì)算如表6。企業(yè)使用天然氣、電力時(shí)各項(xiàng)能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表7所示。

企業(yè)仍然生產(chǎn)上述產(chǎn)品品種和產(chǎn)量，企業(yè)使用天然氣1498.60萬m3、柴油148.72噸、電力53704.7MWh，折算合計(jì)消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量為24905.09tce。計(jì)算得企業(yè)能源利用率89.20%。

對(duì)比采取新能源結(jié)構(gòu)之前，由于系統(tǒng)采用“熱電聯(lián)產(chǎn)”和“電窯爐”，企業(yè)能源利用效率明顯提高，進(jìn)一步降低了能源消耗。對(duì)比于企業(yè)仍然采用部份原煤前，折算合計(jì)綜合消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量再下降了4294.20tce，能耗再下降15.13%。計(jì)算得企業(yè)能源利用率從82.95提高至89.20%。

情景3 下，二氧化碳排放量相比情景2下降9.9%，比情景1下降41.89%，情景3下電力消耗間接排放和天然氣燃燒直接排放各占一半。

情景3 引至三種結(jié)果：

1）能源效率提高，但因用電量增加，能源成本上升;

2）二氧化碳減排因素并不是因熱電聯(lián)產(chǎn)或電替代燃料二項(xiàng)措施所致，而是因?yàn)樘烊粴獯簩?dǎo)致的;

3）同樣能量值下目前電力排放因子遠(yuǎn)大于天然氣，如果電力排放因子仍在高位（2019年5.271CO2/萬kWh），則電替代天然氣減排效果不明顯，反而增加能源成本。

3建筑陶瓷企業(yè)原料車間的“熱電聯(lián)產(chǎn)”

天然氣分布式能源系統(tǒng)，即熱電聯(lián)供系統(tǒng)，是指以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力滿足用戶的電力需求，同時(shí)通過燃?xì)廨啓C(jī)的排出煙氣的余熱向用戶供熱，滿足用戶的用熱需要。熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

（1）可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，能源綜合利用效率高;

（2）采用天然氣作為能源，清潔、環(huán)保、排放少;

（3）設(shè)置于用戶內(nèi)，可有效降低輸送通道的能耗;

（4）具有備用電源的功能，實(shí)現(xiàn)兩路供電，企業(yè)的用電安全性和穩(wěn)定性提高;

（5）對(duì)天然氣和電網(wǎng)電力實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。天然氣使用的低谷時(shí)段與市政電力高峰時(shí)段常常同時(shí)出現(xiàn)在夏季，使用天然氣分布式能源系統(tǒng)，可降低區(qū)域電網(wǎng)的壓力，同時(shí)增加夏季的天然氣使用量。

早期，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一般與余熱鍋爐和蒸汽汽輪機(jī)組共同組成聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)作為發(fā)電廠使用，發(fā)電功率在120MW以上，聯(lián)合循環(huán)熱效率達(dá)到52%以上，此運(yùn)行方式已經(jīng)有多年的歷史。而天然氣分布式能源系統(tǒng)，則是近年在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組微型化技術(shù)進(jìn)步之后推行的一種熱電聯(lián)供系統(tǒng)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組可以提供從0.4MW至6.5MW發(fā)電功率范圍機(jī)組。它們既能使用天然氣，又能使用多種可燃?xì)怏w。目前國(guó)內(nèi)在城市區(qū)域供熱供冷、造紙企業(yè)熱電聯(lián)供、工業(yè)園區(qū)冷熱電聯(lián)供等已經(jīng)有較多的成功應(yīng)用。其目的是以最高的用能效率和最經(jīng)濟(jì)的代價(jià)，滿足終端用戶的多樣化的能源需求。天然氣的利用效率可達(dá)到85%以上。天然氣分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供作為最先進(jìn)的能源利用技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)外得到了快速的發(fā)展。

建筑陶瓷企業(yè)噴霧干燥工藝主要是用熱需求，要求的加熱介質(zhì)為熱風(fēng)，而陶瓷企業(yè)噴霧干燥要求的則是熱煙氣，熱煙氣的溫度在600℃左右。結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，其排氣也是以溫度在500℃左右的熱煙氣方式排出，陶瓷企業(yè)噴霧干燥工藝若能結(jié)合分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)，將可大大降低企業(yè)使用天然氣消耗量和成本，并提高天然氣的綜合能源利用效率。

熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)方案即采用分布式能源系統(tǒng)設(shè)置燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，天然氣供給燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所發(fā)電，提供企業(yè)全部用電后，余電上網(wǎng)。而燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔饨?jīng)增設(shè)的天然氣直燃燃燒機(jī)補(bǔ)燃至工藝所需要的溫度后供給噴霧塔干燥使用。

仍以上述企業(yè)為例，該企業(yè)全年全廠生產(chǎn)用電31168900 kWh，平均用電負(fù)荷為約4329kW。按噴霧干燥塔按使用的天然氣時(shí)輸入熱風(fēng)爐天然氣熱量36499672kJ/h。擬設(shè)置一臺(tái)額定發(fā)電功率4.60MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，額定煙氣溫度460℃。該企業(yè)使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電負(fù)荷為5520kW時(shí)，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣熱量和經(jīng)直燃燃燒機(jī)天然氣補(bǔ)燃后將煙氣溫度提升至600℃的熱量送至噴霧干燥塔。剛好可滿足噴霧干燥工藝用熱需求。另外配置天然氣燃燒機(jī)，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)檢修時(shí)干燥工藝用熱需求。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電負(fù)荷為5520kW與企業(yè)原來實(shí)際動(dòng)力用電負(fù)荷4329kW之差余電供窯爐使用。燃?xì)廨啓C(jī)組使用的天然氣量加上補(bǔ)充直燃燃燒機(jī)天然氣量的總使用天然氣量為1988m3/h，總使用天然氣總費(fèi)用為4195元/h，扣除發(fā)電收益4195元/h（電價(jià)按0.76元/kWh），噴霧干燥塔使用天然氣的實(shí)際費(fèi)用為2764元/h。

4建筑陶瓷企業(yè)采用不同的能源結(jié)構(gòu)時(shí)CO2排放量對(duì)比

上文介紹的企業(yè)采取三個(gè)不同的能源結(jié)構(gòu)時(shí)，按照《中國(guó)陶瓷企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》和采用《化石燃料品種相關(guān)參數(shù)缺省值》數(shù)據(jù)，計(jì)算企業(yè)采取三個(gè)不同的能源結(jié)構(gòu)時(shí)的CO2排放量如表9。

上表中計(jì)算公式：

原煤折標(biāo)系數(shù)：0.8712kgce/kg;電力折標(biāo)系數(shù)：0.1229kgce/kWh;柴油折標(biāo)系數(shù)：1.4571kgce/kg

總熱量（TJ）=當(dāng)量值（tce）×29307.6/1000000

燃料燃燒排放量（tCO2）=總熱量（TJ）×碳排放因子（tc/TJ）×碳氧化率（%）

電能使用排放量（tCO2）=電力消耗實(shí)物量（MWh）×碳排放因子電力（tCO2/MWh）

企業(yè)使用原煤和電力時(shí)（即上述第一種用能結(jié)構(gòu)），合計(jì)能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤量為35757.6tce，核算得其CO2排放量為97878.12噸/年。

企業(yè)使用天然氣、原煤和電力時(shí)（即上述第二種用能結(jié)構(gòu)），合計(jì)能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤量為28389.51tce。核算得其CO2排放量為63136.88噸/年。

企業(yè)使用天然氣和電力時(shí)（即上述第三種用能結(jié)構(gòu)），合計(jì)能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤量為24905.09tce。核算得其CO2排放量為58210.97噸/年。

5結(jié)語

（1）通過對(duì)比、計(jì)算、分析、評(píng)估，通過改變建筑陶瓷企業(yè)使用能源結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，是可以減少企業(yè)能源消耗和減少CO2排放的，效果顯著。

（2）為了實(shí)現(xiàn)碳減排，建筑陶瓷企業(yè)應(yīng)積極考慮用能系統(tǒng)優(yōu)化，考慮采取節(jié)能減排措施，推動(dòng)新的用能系統(tǒng)技術(shù)改造和設(shè)備改造，如考慮原料車間“熱電聯(lián)供”，考慮“燃料窯爐”更新為“電熱窯爐”的設(shè)備更換。

（3）企業(yè)需要加大碳減排方面的資金投入，支持綠色低碳技術(shù)研發(fā)推廣應(yīng)用，為將來國(guó)家對(duì)重點(diǎn)行業(yè)實(shí)行遏制“高耗能、高排放”發(fā)展作好預(yù)期思想準(zhǔn)備。