京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究

王春兰,许 诚,徐 钢,白 璞



京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究

王春兰,许 诚*,徐 钢,白 璞

(华北电力大学热电生产过程污染物控制北京市重点实验室,北京 102206)

针对京津冀地区实施天然气和电能驱动空气源热泵(简称:热泵)替代燃煤(散烧煤和锅炉煤)供暖系统的一次能源效率、污染物减排量及经济性进行了对比计算.结果表明:对于京津冀地区,采用天然气和热泵替代燃煤供暖可使一次能源效率分别上升31%和44%;天然气和热泵供暖都可大幅降低污染物排放,天然气供暖可使烟尘、SO2和NO分别减排7.46,33.26,8.06万t;热泵供暖则分别减排7.48,33.21,9.36万t;热泵供暖的初投资高于天然气供暖,但其年燃料费用远低于天然气供暖;此外,基于烟尘、SO2、NO3种污染物减排总量,计算得出天然气供暖改造的单位污染物减排成本较热泵供暖改造高14.2元/kg,综合对比发现,热泵供暖更具优势.

散烧煤；锅炉煤；天然气供暖；热泵供暖；污染物

近年来,我国城市化和工业化进程加快,空气质量出现恶化趋势,尤其是供暖期间雾霾频发,引起社会广泛关注.统计数据显示,我国京津冀地区2015年PM2.5年均浓度达77μg/m3,超过我国国家二级标准1.2倍[1],而供暖季1、2和12月份的月均浓度更是高达115,96,143μg/m3,远高于平均浓度[2].因此,京津冀地区供暖季污染物减排和清洁能源供暖的协同治理和发展刻不容缓.

研究表明,空气质量的恶化与供暖季燃煤量的增加具有一定关系[3-5].目前我国燃煤供暖方式主要有热电联产,燃煤锅炉房及散烧煤供暖.燃煤电厂目前执行严格的污染物排放标准,污染物排放较低[6-7].对于燃煤供暖锅炉,目前已提高了其污染物排放标准,但受限于规模及运行技术,该标准仍低于燃煤电厂,因而其污染物排放较高.散烧煤因其便利性,是北方农村供暖的主要形式,而绝大多数散烧煤没有采取除尘、脱硫、脱硝等环保措施,污染物排放极高,对大气污染具有一定贡献[4,8].针对此,我国目前出台了“煤改气”及“电能替代”等政策,用于减少燃煤的使用量,控制污染物的排放.

鉴于此,越来越多的学者开始关注燃煤的污染物排放情况及评估清洁能源供暖形式的节能减排效果.通过对北京地区2000~2012年的散烧煤污染物建立排放清单,显示散烧煤排放的PM10, SO2, NO和CO分别占北京排放的总污染物的11.6%、27.5%、2.8%和7.3%[9].天然气替代燃煤集中供暖对CO2、颗粒物、SO2和NO都有较明显的减排效果,通过对2010年15个重点城市进行计算,采用天然气集中供暖可减少CO2、颗粒物、SO2和NO排放量2190.7,734.2,40.2,22.6万t[10].相关研究显示采用热泵替代集中供暖可实现我国43%的CO2减排[11].

目前的研究给出了散烧煤、电煤、天然气等的污染物排放情况,然而其多侧重于电煤、散烧煤及天然气的各种主要污染物排放的单独研究,所获得的污染物数据大多采用不同基准,难以定量的比较其污染物排放情况;同时在同一基准下,对天然气和电能替代燃煤供暖系统的污染物减排效果、热力性能及经济性也缺乏定量的对比研究.

基于此,以京津冀地区为研究对象,对单位供热量下的散烧煤、锅炉煤、空气源热泵、天然气自采暖(壁挂炉)、燃气锅炉等多种供暖方式的污染物排放情况进行了定量对比分析;对京津冀地区原锅炉煤和散烧煤供暖系统、壁挂炉和天然气供暖锅炉系统(方案一)、电能驱动空气源热泵(简称:热泵)供暖系统(方案二)这3种的一次能源利用效率、污染物排放情况及经济性进行对比分析.

1 京津冀地区供暖方式

1.1 供暖现状

对于京津冀地区,目前供暖能源主要以煤炭和天然气为主,其主要通过热电联产、锅炉房集中供暖,或壁挂炉和散烧煤分散供暖,图1给出了供暖能源及其利用示意.其输出侧的电力来自热电联产.

图1 供暖能源及其利用示意

在现有的能源输入中,天然气燃烧较为清洁,污染物排放低,而散烧煤和锅炉煤的能源利用效率低,且污染物排放高,对环境污染造成极大贡献.京津冀地区2015年散烧煤和锅炉煤使用情况如表1所示[12].

表1 京津冀2015年散烧煤和锅炉煤消耗量(104t)

由表1可以看出,京津冀地区仍有大量的散烧煤和锅炉煤,尤其是河北地区.若能从能源中心消除或减少散烧煤及供暖锅炉房供暖,可有效改善居民的供暖环境,同时缓解大气污染状况.

1.2 方案一:天然气替代燃煤供暖系统

基于上述现状及现有“煤改气”政策, 选取供暖改造方案一:天然气替代燃煤供暖系统,即在原能源中心的基础上保持输出侧的热量和电量不变,利用天然气壁挂炉替代散烧煤供暖部分,燃气锅炉替代燃煤锅炉供暖部分.改造后方案一的供暖能源及其利用示意如图2所示.

方案一具有以下显著特点:

(1)能源利用效率高:天然气燃烧效率高,其中壁挂炉供暖效率达85%[13]左右,燃气供暖锅炉约达90%[10],远高于散烧煤(约40%[14-15])和燃煤供暖锅炉供暖效率(约70%[16]).

(2)污染物排放低:天然气主要成分为CH4,其S、N等元素含量远低于燃煤,相应的污染物排放低于燃煤.同时天然气燃烧较为充分,几乎不产生CO,可提高居民采暖安全.

(3)燃气费用较高:基于我国能源生产结构和天然气运输存储成本高等特点,天然气的价格远高于煤炭,采用天然气供暖会增加居民的供暖费用.

图2 方案一的供暖能源及其利用示意

1.3 方案二:热泵替代燃煤供暖系统

在不增加天然气的情况下,通过改变燃煤利用形式,提出方案二热泵替代燃煤(散烧煤和锅炉煤)供暖系统, 根据采暖用户的分布特点,采用热泵站替代原燃煤锅炉供暖部分,热泵替代散烧煤供暖部分.此外,为科学的展示供暖方案二的污染物减排效果及公平合理的与方案一作对比,热泵新增的电能取自京津冀本地的燃煤电厂,同时为保证输出侧热量和电量不变,额外的电煤来自原用于散烧和锅炉房供暖的燃煤.图3给出了改造后方案二的供暖能源及其利用示意.

方案二具有以下特点:

(1)能源利用效率高:热泵能够回收环境中的热量用于供暖,因此具有较高的一次能源利用效率.对于京津冀地区,空气源热泵性能系数(COP)约为2~3[17-18],大型燃煤电站供电效率约为0.38~ 0.4[11,19],输配电效率为0.93~0.94[19],其供暖一次能源效率可达0.72~1.13,高于散烧煤和锅炉房供暖效率.

(2)污染物排放极低:燃煤电站采取了高效的污染物脱除设备,其污染物排放远低于散烧煤和锅炉房燃煤.同时,CO气体的减少能够提高居民采暖安全.

(3)初投资较高:热泵设备较为昂贵,因此该供暖系统需要较高的初投资.

图3 方案二的供暖能源及其利用示意

2 热力学分析

2.1 热力学评价标准

基于等热值法对天然气、热泵替代燃煤供暖的能耗量进行计算,表达式为:

式中:output为供暖供热总量,亿MJ;LHV为低位发热量,MJ/kg或MJ/m3;为供暖效率,%;为燃煤量,亿kg;代表天然气消耗量,亿m3;COP 为热泵性能系数;e为燃煤电站供电效率;d为输电效率;代表散烧煤和燃煤锅炉供暖方式;代表壁挂炉和燃气锅炉供暖方式;为电煤.

同时采用一次能源利用效率total对上述3种供暖系统的能源利用情况进行评价,定义为:

式中:input和output分别代表供暖系统总的能源输入和输出,亿MJ.

2.2 计算结果

根据煤炭和天然气现有的供暖技术和大型燃煤电站平均发电技术水平及京津冀地区气候条件,可获得等热值法所需基本数值,如表2所示.

基于上述数据及等热值法,可计算得到采用方案一和方案二的能源消耗如表3所示.

由表3可见,为消除散烧煤和锅炉煤(4865.9万t),采用方案一,京津冀地区每年需分别增加天然气29.1,54.8,150.1亿m3,共增加天然气量234.0亿m3;采用方案二,京津冀地区每年分别增加电煤346.8,663.4,1788.0万t,总共增加2798.2万t.进一步依据公式(2)计算可知,原燃煤供暖系统总一次能源率为58%,采用方案一和方案二的一次能源率分别增至89%和102%,相较于原燃煤系统,方案一和二分别提高了31%和44%.

表2 等热值法基本假设数值

表3 供暖替代煤炭和天然气使用情况

3 污染物

3.1 污染物评估方法

为计算上述3种供暖系统的污染物排放总量,以单位供热量下的污染物排放量为同一基准进行估算:

式中:为对应供暖系统的各供暖方式;为供暖系统某污染物排放总量,亿g,本文主要考虑的污染物有SO2, NO和烟尘;为供热量,亿MJ;为单位供热量下的污染物排放量,g/MJ,由式(4)确定:

式中:M为单位供热量下燃料的消耗量,kg/MJ 和m3/MJ,对于散烧煤,燃煤锅炉,燃气锅炉,壁挂炉M表达式为:

式中:η为对应供暖方式供暖效率.

对于热泵消耗电煤M的计算方式为:

式(4)中:是污染物排放因子,g/kg,其主要选取准则如下:对于散烧煤和壁挂炉,其污染物排放因子主要根据其成分计算或相关文献选取;对于燃煤供暖锅炉,燃气供暖锅炉和燃煤电厂,则根据环境保护部规定的大气污染物排放浓度限值[6,28]进行折算.具体的计算方法如下:

(1)散烧煤

散烧煤SO2的排放因子可由下式确定[20]:

式中:为硫的燃烧效率,80%[20];为硫含量, 0.88%[15];SO2和S为SO2和S的相对分子质量,分别为64和32.

CO的排放因子为[20]:

式中:为碳的不完全燃烧率4%[20];ar散烧煤的含碳量,57.2%;CO和C是CO和C的相对分子质量,分别为28和12.

NO生成机理复杂[21],其主要和含氮量、燃烧温度及燃烧氧含量等相关.根据相关文献,NO的排放因子选取为3.65g/kg[20,22-24].

烟尘的生成与燃烧环境和设备等相关,依据相关文献烟尘的排放因子选取为2.17g/ kg[20,22,25-27].

(2)天然气壁挂炉

据文献天然气壁挂炉的SO2、NO、烟尘的排放因子分别选取为0.63,1.84,0.30g/m3[10].此外,由于天然气燃烧充分,CO的排放量忽略不计.

(3)锅炉燃气、锅炉煤及电煤

通常,燃气供暖锅炉、燃煤供暖锅炉和燃煤火电厂的污染物排放量以标准状态下单位烟气量所含污染物为基准(mg/Nm3)[6,28],因此,可将燃气供暖锅炉、燃煤供暖锅炉和燃煤火电厂的污染物排放标准限值通过式(9)转换为单位燃料下的排放因子:

表4 污染物排放限值[6,28]

3.2 污染物排放量

3.2.1 排放因子计算 根据上文所述计算方法,可得散烧煤、锅炉煤、电煤、燃气锅炉及壁挂炉的污染物排放因子,如表5所示.

表5 污染物排放因子

根据表5及各种供暖方式的燃料热值及效率,计算得到单位供热量下各供暖方式的污染物排放量,见表6所示.对于电煤,此处计算了单位供热量下热泵供暖的污染物排放情况.

表6 单位供热量下的污染物排放量

由表6可知,单位供热量下,散烧煤和锅炉煤的污染物排放远高于其他形式,而锅炉燃气则与热泵污染物排放相当;具体而言,在单位供暖量下,散烧煤的烟尘、SO2和NO的排放因子为0.33、1.27、0.20g/MJ,是热泵供暖的44.9、67.2和5.3倍;此外,单位供热量下散烧煤还排放4.81g/MJ的CO,而其他供暖方式几乎不产生.热泵供暖排放的烟尘、SO2和NO的排放因子仅为7.35´10-3, 1.89´10-2, 3.75´10-2, g/MJ,烟尘和SO2稍高于燃气锅炉,但其NO的排放量低于燃气锅炉.

3.2.2 污染物减排量 利用单位供热量下的污染物排放因子和年供暖热量计算可得上述3种供暖方式一个采暖季的污染物排放情况(如图4所示).其中供暖替代方案二的污染物排放量即为新增电煤的污染物排放量.

由图4可见,采用方案一和方案二均能大幅降低主要污染物的排放量.其中最为明显的是SO2的减排量,方案一每年可减少33.26万t,较原系统减排95.8%,方案二可减排33.21万t,较原系统减排95.7%;方案二对NO减排更具优势,较方案一多减排1.3万t.综合对比两种方案,方案二的污染物减排更具优势.

图4 3种供暖方式的污染物排放情况

4 技术经济性评估

4.1 技术经济性分析

针对采用天然气和热泵供暖的经济性,主要考虑了供暖系统的初投资,年运行费用及燃料价格/电价,供暖系统的年综合投资采用下式计算:

式中:和分别代表集中供暖和分散采暖;a,d和a,h分别为集中和分散供暖年综合投资;initial是供暖系统初投资;I为供暖年燃料/电费;O&M为运行维护费用,取系统初投资的4%[31];CRF为成本回收系数,与折现率()和供暖设备寿命()相关[31]:

对于天然气和热泵两个供暖方案的初投资,采用指数估算法计算[31]:

式中:0是参考系统规模为S时的固定成本初投资;和分别是现有系统的规模大小和规模因子.

表7为现有技术水平下经济性计算所需基本参数.

表7 经济技术性基本假设参数

对于原散烧煤和燃煤供暖锅炉房,主要考虑其年燃料费用及锅炉房的运行费用,煤炭价格取600元/t.则3种方案的总经济技术性见表8所示.

由表8可见,采用2个方案后,其年度化综合费用都远高于原系统,方案一年综合费用高于方案二70.9亿元.采用方案二,初投资达1584.1亿元,高于方案一959亿元,但方案一的年料价格达570.8亿元,高于热泵供暖系统194.6亿元.此外,根据图4和表8中的内容计算可得到两个供暖方案的单位污染物的减排成本, 基于烟尘、SO2、NO3种污染物减排总量,方案一的污染物单位减排成本为67.6元/kg,方案二为53.4元/kg,低于方案一14.2元/kg.此外随着热泵技术的发展,其初投资将降低,从而使热泵展现出更大的优势.

4.2 敏感性分析

根据4.1节的技术经济性分析方法和结论(表8)可知,供暖方案一的技术经济性受天然气价格波动影响而有较大变化,图5为天然气价格波动对供暖方案一年综合供暖费用的影响分析结果.

表8 总技术经济性

注:a燃煤供暖锅炉的运行维护费用取初投资的4%,燃煤供暖锅炉的初投资据文献[33]及指数估算法计算.

图5 天然气价格波动对方案一年综合供暖费用的影响

由图5分析可知,随着天然气价格的波动(±15%.),其年综合费用将由559.9亿元升至731.2亿元,仅在天然气价格降低12.4%时,供暖方案一的技术经济性和方案二相当;此外,我国是“富煤、贫油、少气”的能源国家,采用天然气供暖,不仅燃料价格昂贵,还会影响我国的能源安全,因此,当天然气价格在一定的大范围内波动时,方案二依旧具有优势.

5 结论

5.1 对原燃煤供暖系统采用方案一和方案二进行供热改造均可提高系统的一次能源利用率,其中方案一和二分别可提高31%和44%.

5.2 单位供热量下,散烧煤和锅炉煤的污染物排放远高于其他形式,燃气锅炉与热泵污染物排放相当;具体而言,在单位供暖量下,散烧煤的烟尘、SO2和NO的排放因子为0.33,1.27,0.20g/MJ;相应热泵供暖污染物排放因子仅为7.35´10-3, 1.89´10-2, 3.75´10-2g/MJ; 烟尘和SO2稍高于燃气锅炉,但NO的排放量低于燃气锅炉1.53´10-2g/MJ;对于两个替代供暖方案,都具有较高的减排效果,方案一可使烟尘,SO2和NO分别减排7.46,33.26,8.06万t;方案二则分别减排7.48,33.21,9.36万t.

5.3 采用两个供暖方案,其年综合费用都远高于原系统,且方案二低于方案一,此外,基于烟尘、SO2、NO3种污染物减排总量,方案一的单位污染物减排成本高于方案二14.2元/kg.综合我国能源国情,热泵供暖对我国节能减排,能源优化更具优势.

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Studies on replacing coal with natural gas and heat pump for heating in Jing-Jin-Ji region.

WANG Chun-lan, XU Cheng*, XU Gang, BAI Pu

(Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2017,37(11)：4363~4370

Using nature gas and air source heat pumps (ASHP) to replace the household coals and coal-fired boilers for heating was proposed in this study. The primary energy efficiencies, pollutant emission reductions and economic viability of different heating systems were calculated and analyzed based on Jing-Jin-Ji Region’s scenario. The results showed that the primary energy efficiencies of the nature gas-based and ASHP-based heating systems could be improved by 31and 44percentage points, respectively, comparing to the original coal-based heating system. The emissions of the main pollutants could be significantly reduced. Specifically, the nature gas-based heating system and ASHP-based heating system could decrease the PM, SO2and NOemissions by 74.6, 332.6, 80.6 thousand tons, and 74.8, 332.1, 93.6thousand tons, respectively. The economic performance revealed that though the initial investment costs of ASHP-based heating system were greater than that of nature gas-based heating system, the annualized fuel costs were much lower. Besides, the specific costs of the pollutant emission mitigations of the nature gas-based heating system were 14.2 Chinese Yuan/kg higher than ASHP-based heating system, meaning that the ASHP-based heating system features better comprehensive performance as compared with the nature gas-based heating system.

household coal；boiler coal；nature gas-based heating system；ASHP-based heating system；pollutants

X513

A

1000-6923(2017)11-4363-08

王春兰(1993-),女,宁夏吴忠人,华北电力大学硕士研究生,主要研究燃煤机组节能优化,区域污染物控制.发表论文2篇.

2017-04-21

国家自然科学基金资助项目(51706065,51476053);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2017MS013)

* 责任作者, 讲师, xucheng@ncepu.edu.cn