建筑陶瓷企业三种能源结构情景的二氧化碳排放量分析

2021-10-02谢炳豪张裕泰

佛山陶瓷 2021年9期

谢炳豪张裕泰

摘要：本文采用企业实际生产能耗数据，依据国家现行二氧化碳排放计算规范，对建筑陶瓷生產企业在三种能源结构情景下分析二氧化碳排放量，探讨建筑陶瓷企业采用不同能源结构时的CO2减排可行性。

关键词：建筑陶瓷生产;调整能源消费结构;CO2减排

1 前言

实现碳达峰、碳中和是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求，也是推动构建人类命运共同体的必然选择。中国承诺在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策。碳达峰、碳中和将会彻底改变能源产业格局，重构整个制造业，改变我们每个人的生活方式。化石燃料燃烧是我国主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的80%以上。围绕推动产业结构优化、推进能源结构调整、支持绿色低碳技术研发推广，加快电能替代，支持“以电代煤”、“以电代油代气”，加快工业、建筑、交通等重点行业电能替代是当前需要研究的重点课题之一。

建筑陶瓷企业其传统的工艺需要过程，物料干燥、制品烧成过程使用大量的燃料热能。企业的原料车间生产一直沿用多年的工艺是将泥料、矿砂和水混合进入球磨机，研磨成规定一定细度并含有较高水份的泥浆，泥浆经陈化之后送入以热风作热源的喷雾干燥塔中，喷成雾状的泥浆经与热风进行热交换成为含较低水分的泥粉。而喷雾干燥塔的热风炉所用的燃料经历了从80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部采用水煤浆燃料，（部份采用水煤气作燃料，，近年也有部份喷雾干燥塔的热风炉直接采用链排式燃煤热风炉取代水煤浆热风炉）。建筑企业的陶瓷制品烧成的窑炉，经历了从80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部分采自制水煤气作燃料。整个生产过程消耗的燃料量很大，燃料燃烧CO2排放高，属于典型的高耗能、高排放重点行业。

2建筑陶瓷企业的能源结构及其利用状况

建筑陶瓷企业如何实现碳达峰、碳中和，是实现可持续发展的一个需要迫切考虑的问题。本文以下我们仅以一家当前正常生产并带有普遍性的墙地砖生产企业现行的能源使用结构的改变，评估企业二氧化碳减排的可能性。

据该企业2015年度统计资料，生产抛釉砖和釉面砖二种产品，生产设备有燃用水煤浆的喷雾干燥塔三座;燃用煤气的辊道窑6条，其中1#、2#二条窑炉生产抛釉砖产品，01#、02#二组窑炉（每组含素烧窑和釉烧窑各一）生产釉面砖产品。

表1中每天产量按年平均生产天数300天计。

2.1情景1—使用原煤和电力的用能结构

据了解，企业从2015至2020年一直沿用的能源结构为未发生大的改变：采购原煤进厂，筛分后部分原块状煤供给自备煤气站自产生产水煤气供给窑炉作燃料;部分原，粉状煤供给球磨机自产制作水煤浆作供喷雾干燥塔热风炉作燃料;购入少量柴油作为辅助生产叉车使用;从电网供电购电作为全企业动力使用。其能源消费流向如图1，能源消耗平平衡表及能源利用效率计算如表2。企业使用天原煤、电力时各项能源消耗平衡及企业能源利用率如表3所示。

2015年企业使用原煤36491.62吨、柴油148.72吨、电力30507.7MWh，综合能源消费量为35757.6吨标煤（或tce），其中原煤占88.91%。

忽略原料和脱硫过程排放，化石能源及电力所致二氧化碳排放总量为97895.12吨，其中化石燃料燃烧所致排放占83.57%，电力16.43%。

以实测工序能源效率为依据，企业能源利用率约63.84%。

说明：原煤（烟煤）热值6100kcal/kg，碳排放计算按《中国陶瓷生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》，电力排放因子取2019年值，单位tCO2/万kWh。忽略原料及脱硫过程排放量。

2.2情景2—使用天然气、原煤和电力的用能结构

随着国家经济的发展、国力的提高以及对环保问题的重视，尤其是对日益严重的工业污染的担忧，使得天然气的利用成为必然。目前，各地政府开始采取行动限制煤的使用，鼓励工业、企业、居民使用天然气、电力等清洁能源。2020年底该企业按照政府要求实施了“煤改气”，取消煤气站，将窑炉燃料全部改为天然气，喷雾干燥热风炉仍用煤作为燃料。

在产品、产量不改变的情况下，预计企业使用天然气1388.72万m3、原煤8983.37吨、柴油148.72吨、电力29152.6MWh，综合能耗为28389.51tce。对比 “煤改气”前，由于减少了煤气站的能源转换损失，窑炉使用天然气后能源利用率也有所提高，能耗下降率20.61%，企业能源利用率从63.84%提高至82.95%。

化石能源及电力所致二氧化碳排放总量为63137.57吨，比“煤改气”前二氧化碳排放量总体下降35.5%。总体比例来看，化石燃料占75.66%，比情景1下降7.91个百分点，电力消耗间接排放由情景1的16.43%上升至24.34% 。

企业使用天然气、原煤、电力时能源流向图如图2所示，企业使用天然气、原煤、电力时各项能源消耗平衡及企业能源利用率如表5所示。

2.3情景3—使用天然气和电力的用能结构

从二氧化碳减排角度考虑，尽可能减少高碳能源使用，减排效果较为明显，情景3拟采取“热电联产”方案提高企业能源综合利用效率，进一步减少二氧化碳排放。

根据建筑陶瓷企业的现行的工艺流程，考虑到喷雾干燥工艺仍然需要高温烟气作热源。情景3在原料加工车间采取装备燃气轮机发电机组以“热电联产”方式，天然气燃料供燃气机组发电后，其高温排气（500-600℃烟气）余热供给喷雾干燥塔作热源使用，余热不足部分由天然气补燃供给;企业燃气窑炉全部改为电热窑炉，与企业其它动力设备全部使用电力。电力部份由所装备燃气轮机发电机组供给，不足部分由电网供给。预计其能源消费流向如图3，能源消耗平衡表及能源利用效率计算如表6。企业使用天然气、电力时各项能源消耗平衡及企业能源利用率如表7所示。

企业仍然生产上述产品品种和产量，企业使用天然气1498.60万m3、柴油148.72吨、電力53704.7MWh，折算合计消耗标准煤量为24905.09tce。计算得企业能源利用率89.20%。

对比采取新能源结构之前，由于系统采用“热电联产”和“电窑炉”，企业能源利用效率明显提高，进一步降低了能源消耗。对比于企业仍然采用部份原煤前，折算合计综合消耗标准煤量再下降了4294.20tce，能耗再下降15.13%。计算得企业能源利用率从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下电力消耗间接排放和天然气燃烧直接排放各占一半。

情景3 引至三种结果：

1）能源效率提高，但因用电量增加，能源成本上升;

2）二氧化碳减排因素并不是因热电联产或电替代燃料二项措施所致，而是因为天然气代煤导致的;

3）同样能量值下目前电力排放因子远大于天然气，如果电力排放因子仍在高位（2019年5.271CO2/万kWh），则电替代天然气减排效果不明显，反而增加能源成本。

3建筑陶瓷企业原料车间的“热电联产”

天然气分布式能源系统，即热电联供系统，是指以天然气为主要燃料，在用户侧安装天然气燃气轮机发电机组，发电机组产生的电力满足用户的电力需求，同时通过燃气轮机的排出烟气的余热向用户供热，满足用户的用热需要。热电联供系统的主要特点如下：

（1）可实现能源的梯级利用，能源综合利用效率高;

（2）采用天然气作为能源，清洁、环保、排放少;

（3）设置于用户内，可有效降低输送通道的能耗;

（4）具有备用电源的功能，实现两路供电，企业的用电安全性和稳定性提高;

（5）对天然气和电网电力实现“削峰填谷”。天然气使用的低谷时段与市政电力高峰时段常常同时出现在夏季，使用天然气分布式能源系统，可降低区域电网的压力，同时增加夏季的天然气使用量。

早期，燃气轮机发电机组一般与余热锅炉和蒸汽汽轮机组共同组成联合循环热力系统作为发电厂使用，发电功率在120MW以上，联合循环热效率达到52%以上，此运行方式已经有多年的历史。而天然气分布式能源系统，则是近年在燃气轮机发电机组微型化技术进步之后推行的一种热电联供系统。微型燃气轮机发电机组可以提供从0.4MW至6.5MW发电功率范围机组。它们既能使用天然气，又能使用多种可燃气体。目前国内在城市区域供热供冷、造纸企业热电联供、工业园区冷热电联供等已经有较多的成功应用。其目的是以最高的用能效率和最经济的代价，满足终端用户的多样化的能源需求。天然气的利用效率可达到85%以上。天然气分布式能源系统冷热电联供作为最先进的能源利用技术，目前在国内外得到了快速的发展。

建筑陶瓷企业喷雾干燥工艺主要是用热需求，要求的加热介质为热风，而陶瓷企业喷雾干燥要求的则是热烟气，热烟气的温度在600℃左右。结合燃气轮机发电机组的运行，其排气也是以温度在500℃左右的热烟气方式排出，陶瓷企业喷雾干燥工艺若能结合分布式能源系统进行热电联产设计，将可大大降低企业使用天然气消耗量和成本，并提高天然气的综合能源利用效率。

热电联产设计方案即采用分布式能源系统设置燃气轮机发电机组，天然气供给燃气轮机发电机组所发电，提供企业全部用电后，余电上网。而燃气轮机排出的高温烟气经增设的天然气直燃燃烧机补燃至工艺所需要的温度后供给喷雾塔干燥使用。

仍以上述企业为例，该企业全年全厂生产用电31168900 kWh，平均用电负荷为约4329kW。按喷雾干燥塔按使用的天然气时输入热风炉天然气热量36499672kJ/h。拟设置一台额定发电功率4.60MW燃气轮机发电机组，额定烟气温度460℃。该企业使用燃气轮机发电负荷为5520kW时，此时燃气轮机排出烟气热量和经直燃燃烧机天然气补燃后将烟气温度提升至600℃的热量送至喷雾干燥塔。刚好可满足喷雾干燥工艺用热需求。另外配置天然气燃烧机，以满足燃气轮机检修时干燥工艺用热需求。燃气轮机发电负荷为5520kW与企业原来实际动力用电负荷4329kW之差余电供窑炉使用。燃气轮机组使用的天然气量加上补充直燃燃烧机天然气量的总使用天然气量为1988m3/h，总使用天然气总费用为4195元/h，扣除发电收益4195元/h（电价按0.76元/kWh），喷雾干燥塔使用天然气的实际费用为2764元/h。

4建筑陶瓷企业采用不同的能源结构时CO2排放量对比

上文介绍的企业采取三个不同的能源结构时，按照《中国陶瓷企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》和采用《化石燃料品种相关参数缺省值》数据，计算企业采取三个不同的能源结构时的CO2排放量如表9。

上表中计算公式：

原煤折标系数：0.8712kgce/kg;电力折标系数：0.1229kgce/kWh;柴油折标系数：1.4571kgce/kg

总热量（TJ）=当量值（tce）×29307.6/1000000

燃料燃烧排放量（tCO2）=总热量（TJ）×碳排放因子（tc/TJ）×碳氧化率（%）

电能使用排放量（tCO2）=电力消耗实物量（MWh）×碳排放因子电力（tCO2/MWh）

企业使用原煤和电力时（即上述第一种用能结构），合计能源消耗折算标准煤量为35757.6tce，核算得其CO2排放量为97878.12吨/年。

企业使用天然气、原煤和电力时（即上述第二种用能结构），合计能源消耗折算标准煤量为28389.51tce。核算得其CO2排放量为63136.88吨/年。

企业使用天然气和电力时（即上述第三种用能结构），合计能源消耗折算标准煤量为24905.09tce。核算得其CO2排放量为58210.97吨/年。

5结语

（1）通过对比、计算、分析、评估，通过改变建筑陶瓷企业使用能源结构的构成，是可以减少企业能源消耗和减少CO2排放的，效果显著。