生物质成型燃料锅炉燃烧节能减排效益分析

2020-09-08范振山

应用能源技术 2020年8期

范振山，张彦，张强

(1.郑州职业技术学院，郑州 450121；2.河南省科学院能源研究所有限公司，郑州 450008)

0 引言

我国的能源结构以煤为主，2018年我国煤炭消费总量464 000万tce，占能源消费总量比重为59%[1]。生物质能是重要的新能源，是能源转型的重要力量。我国生物质能利用潜力大，可作为能源利用的生物质资源每年约4.6亿tce，2015年生物质能利用量约3 500万tce。生物质成型燃料产业已起步，发展势头良好。2015年，全世界生物质成型燃料产量约3 000万t，欧洲消费年均约1 600万t，我国年利用量约800万t[2]。生物质成型燃料作为一种生物质能，是重要的可再生能源，具有替代化石能源的节能减排效益。

1 生物质成型燃料特性

生物质成型燃料是生物质原料经脱水、粉碎、压缩成型等加工工序后形成的形状规则、性质均一、方便运输和储存、可以替代煤炭的绿色燃料[3]。我国生物质成型燃料以秸秆(约为75%)为主要原料[4]，松散的秸秆原料经挤压成型后，密度提升至0.8～1.3 kg/m3[5]。生物质的工业分析与元素分析见表1，其中C含量为35.1%～42.6%，低于煤；H含量低于6%；O含量为33%～38%，与泥煤近似[5-7]。生物质成型燃料与原生物质相比体积小、密度大，使用、储存、运输方便，燃烧特性和燃烧效率得到改善和提升；与煤炭相比挥发分高，易引燃，燃烧烟气中SO2、NOx、颗粒物(PM)含量低，排渣少，CO2零排放，环境污染小，可作为煤炭的替代燃料为生产和生活供能。

表1 生物质的工业分析与元素分析

2 节能效益分析

由表1知，水稻秆、小麦秆、玉米秆三种生物质成型燃料的干燥基低位发热量Qnet.ad分别为14 654、15 740、15 840 kJ/kg，平均值为为(15 840+15 740+14 654)/3=15 411 kJ/kg。《煤质及煤分析有关术语》(GB/T 3715-2007)定义标准煤的低位发热量为29.27 MJ/kgce[8]。通过低位发热量相比，可知1kg生物质成型燃料相当于0.526 5 kgce。根据《可再生能源十三五规划》、《生物质能十三五规划》2020年我国生物质成型燃料规划年利用量(目标值)为3 000万t[2,9]。则2020年我国生物质成型燃料可替代煤炭消费量的热量折合标准煤为：3 000×0.526 5=1 579.5万tce。

3 温室气体CO2减排效益分析

生物质能的生成过程为:

燃烧为其逆过程[10]。生物质成型燃料燃烧为CO2零排放，其循环图如图1所示。

在不同报道中单位标准煤CO2排放量数据相差较大，文中根据文献[11]1kg标准煤的CO2排放量为2.54 kg(2.54 kgCO2/kgce)进行计算。则2020年我国生物质成型燃料的CO2减排量=1 579.5×2.54=4 011.93万t。

4 废气污染物减排效益分析

参考《排污许可证申请与核发技术规范锅炉》(HJ953-2018)，采用物料衡算法核算SO2的排放量、产污系数法核算NOx和颗粒物(PM)的排放量，且均按直接排放进行核算[12]。

4.1 SO2减排量

采用物料衡算法，根据燃料消耗量、S含量按直排核算SO2排放量，见式(1)。

(1)

式中，ESO2为SO2的排放量，t；R为锅炉燃料耗量，t，生物质成型燃料取3 000万t，煤取2 211.26万t。原煤平均低位发热量为20 908 kJ/kg，折标准煤系数为0.714 3 kgce/kg[13]，通过低位发热量相比，可知1 579.5万tce 折算原煤为2 211.26万t；Sar为燃料收到基S含量，百分比，参考表1，生物质成型燃料取平均值(0.12+0.18+0.11)/3=0.14；煤的种类很多，煤质差别很大，《中国煤炭分类》(GB/T5751-2009)把煤分为三大类，即无烟煤、烟煤和褐煤[14]，参考有关文献[15-17]，文中煤取1；q4为锅炉机械不完全燃烧热损失，百分比，参考表2[12]，燃生物质成型燃料锅炉取平均值(2+2)/2，燃煤锅炉取平均值(4+5+2+10+16+3)/6=6.833；K为燃料中的S燃烧后氧化成SO2的份额，无量纲，参考表2，燃生物质成型燃料锅炉取均值(0.50+0.40)/2=0.45，燃煤锅炉取均值(0.85+0.833)/2=0.842。

表2 q4、K的取值

则2020年我国生物质成型燃料SO2排放量为：

0.45=3.70(万t)

所替代煤的SO2排放量为：

34.69(万t)

SO2减排量为：

ESO2煤-ESO2生物质成型燃料=34.69-3.70=30.99(万t)

4.2 NOx和PM的减排量

采用产排污系数法按式(2)核算污染物排放量。

Ej=R×βj×10-3

(2)

式中，Ej为第j种污染物的排放量，t；R为锅炉燃料耗量，t，生物质成型燃料取3 000万t，煤取2 211.26万t；βj为第j种污染物产排污系数，kg/t-燃料，参考表3[12]，对于NOx，燃生物质成型燃料锅炉取1.02(无低氮燃烧)，燃煤锅炉取3.22(无低氮燃烧)，对于PM，燃生物质成型燃料锅炉取0.5，燃煤锅炉取79.95。燃煤锅炉取烟煤、褐煤、无烟煤，层燃炉、循环流化床、煤粉炉的平均值，NOx取(2.94+2.7+4.72+2.94+4.72+2.7+1.82)/7=3.22(无低氮燃烧)，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，我国煤炭灰分含量波动较大，在10%～25%之间都有分布[18]，文中A%取中间值17.5%。