集中供气煤气中CO2成分降低的节能及环保效益分析

江鑫 冯青 宫小龙 陆琳

摘 要：在天然气价格不断攀升，并且不能保证稳定输入及国家日益重视节能减排的背景下，清洁煤气在工业燃气行业将更具有竞争力;本文就集中供气中煤气CO2成分降低对建陶企业的节能与环保效益进行分析，在国家大力推动煤炭清洁利用的政策下，其燃气成分的改进改良对建陶企业的节能与环保有着重大意义。

关键词：清洁煤气;煤气成分;节能环保;陶瓷窑炉

1 前 言

我国是世界煤炭消费第一大国，煤炭占一次能源消费总量的比例在55%以上，以煤炭为主的能源结构支撑了我国经济的高速发展[1]。数据显示，2020年全国煤炭产量39.0亿吨，同比增长1.4%;其中，规模以上煤炭企业原煤产量38.4亿吨，同比增长0.9%，2021年我国原煤产量可达39.1亿吨。在建陶行业的成本中，燃料消耗占成本比例较高，我国作为一个富煤少气的国家，在天然气价格不断攀升，并且不能保证稳定输入及国家日益重视节能减排的背景下，清洁煤气在陶瓷产区将更具有竞争力[2];许多建陶企业自己配套建设有小型气化炉装置，操作简便，投资少，成本优势明显。但这些小型气化炉自制煤气虽满足了企业的生产需求，并不能达到国家的环保标准;在国家环保压力不断增大、排放标准不断提高的背景下，小型煤气化装置被取缔是大势所趋。目前，高安市在建陶产业园区力推采用集中供气的方式，将清洁煤气输送至各企业，新采用的清洁煤气较企业气化炉自制的煤气见表1，清洁煤气的H2含量增加，减少了CO和N2的含量，同时热值方面与企业自制煤气相差不大，但是集中供气的煤气CO2含量较高，降低集中供气中的CO2对环保及节能减排有着重大的意义与社会效益。

2影响煤气中CO2含量的因素

2.1煤中的煤矿石含量

煤炭里的煤矿石含量较多时，转化后的煤气中CO2含量会有大幅度的增加，严重影响到煤气的热值。

2.2煤气化系统的蒸汽用量

煤气化是指在气化炉内一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化成CO、H2、CH4。等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。在转化过程中会涉及到CO2还原成CO的反应即：C+CO2→2CO。蒸汽用量影响着炉内的饱和温度，饱和温度對煤的气化有至关重要的影响;如果蒸汽用量过多或者供应不足，气化炉内温度降低，使还原反应减缓，导致煤气中CO2含量增加[3]。

2.3煤的存储时间和方式

煤的气化需要消耗大量的煤，所以生产单位会一次性购买大量的煤以满足生产需求，但是煤的长时间堆积，会降低煤的强度和热稳定性，在气化过程中相关工序更加不易控制，改变了煤气中CO2含量;露天存储时煤的性能变化最为明显，室内存储次之，地下存储煤效果较好。

2.4燃料煤的粒度

燃料煤粒度需要根据设计的煤气发生炉调整合适的粒度，当气化用煤的粒度过大或者过小时，也会导致发生炉气化异常，导致煤气中二氧化碳成份增加。

2.5其它因素

煤的气化有一套很复杂的工艺，也需要很多设备配套集成使用，在制气设备没有问题的前提下，操作人员的操作以及控制水平程度直接影响到煤气的质量，对煤气中CO2含量有着很重要的影响。

3煤气中CO2含量降低的节能分析

3.1煤气热值方面

Q低=4.187×（3046×CO%+2580×H2%+8550×CH4%+…+5520×H2S%）

Q低——燃气低位热值，单位KJ/m3;

（...部分为其他可燃气体成分，含量很少，可忽略不计）

如表2所示，如果清洁煤气中的CO2含量能够降低至企业自制煤气中的CO2含量，也就是降低至4%左右，将CO含量提升7%左右，煤气的低位热值达到7181.51KJ/m3，提高了14.22%;如果将煤气中H2提升7%，煤气的低位热值达到7044.93KJ/m3，提高了12.05%;可见，降低煤气中的CO2含量，其他可燃性成分的含量提高，那么煤气的热值有显著的提升[6]。

部分建筑陶瓷行业窑炉生产产能及用气量见表3，可以看到窑炉一条线一天平均产能在25000m2左右，一小时平均用气量在10000Nm3左右，一天则是240000Nm3左右的耗气量;以目前高安市清洁煤气的价格0.41元/Nm3为例，在建筑陶瓷行业辊道窑一年工作330天的情况下，将清洁煤气CO2含量降低至4%，CO与H2含量提高从而热值提高对建筑陶瓷窑炉耗气量及燃料成本进行对比，对比结果如下表4。

表4中计算可以得出，若清洁煤气中CO2含量降低至企业自制煤气中CO2含量时：

（1）CO含量提升7%

一条建筑陶瓷窑炉生产线每天的耗气量能够节省29891.52Nm3，降低了12.45%;一年所需的燃料成本减少了4044322.66元。

（2）H2含量提升7%

一条建筑陶瓷窑炉生产线每天的耗气量能够节省25803.41Nm3，降低了10.75%;一年所需的燃料成本减少了3491201.37元。

可以看出，清洁煤气中CO2含量如果能降低至4%左右，一条窑炉生产线一年可以节省300—400万元左右的燃料成本，在高安市建陶工业园内多家企业多条窑炉生产线的情况下，降低集中供气中的CO2含量，提高煤气的热值，那么将会带来十分可观的节能降耗效益。

3.2 热量带出方面

CO2在煤气成分中相当于惰性气体，不参与燃烧，还要将其加热到排烟温度排除，现在建筑陶瓷行业窑炉排烟温度在200℃-400℃，若煤气成分中CO2含量较高，其升高到排烟温度所需要的热量也较多;如果能够降低煤气成分中不参与燃烧的气体如CO2和N2，包括煤气燃烧后的燃烧产物中的CO2，对窑炉生产中的节能有着积极的意义;H2燃烧的燃烧产物是H2O，相比于CO燃烧后产生了CO2;降低煤气成分中的CO2含量，提升H2的含量是煤气化工艺中的重点方向。

3.3提高了煤气燃烧性能

燃烧势：燃烧势（CP），是一个反映燃气的燃烧性能的参数，它反映了燃气燃烧火焰所产生的不完全燃烧、黄焰、脱火、回火和不完全燃烧等火焰燃烧状态，是一项能够反映燃气燃烧稳定状况的综合指标，能全面判断燃气的燃烧特性。

在国家标准GB/T13611-2018明确地规定了燃气分类性能指标，即：

燃烧势CP的计算方法：

随着煤气中CO2成分降低，燃气的相对密度减小，其他可燃性成分增加，燃烧势CP增大，燃气的燃烧状态变得更加稳定，意味着在更低的燃气消耗量的情况下就可以达到之前的燃烧状态，使得窑炉生产线更加节能高效。

4煤气中CO2含量降低的措施及环保分析

4.1降低了烟气中CO2的排放

4.1.1总烟气量降低

由上述中可以得出在清洁煤气CO2含量降低至4%时，燃料的消耗量降低了10%左右，所以排放的总烟气量降低了，排放的总CO2含量也降低了。

4.1.2煤气中H2含量提升对CO2排放的影响

对于在清洁煤气CO2含量降低至4%时，煤气中H2含量提升了7%而言，H2的燃烧产物是H2O，由气体燃料燃烧产物CO2的计算公式：

可以得出，煤气CO2含量降低至4%，H2含量升高7%时，烟气中CO2含量由原来的32.7%降低至25.7%;CO2排放量降低了21.42%，所以煤气化过程中，降低煤气中CO2含量，提升H2含量对于煤气燃烧所带来的CO2排放有很明显的节能减排作用。

4.2煤化工CO2减排技术

在煤化工企业的生产过程中，所涉及的CO2减排技术主要包括：针对性收集、保存和循环利用CO2，同时进行对应的化学转化。每种方法都有其可取的地方，在具体实施过程中，要结合实际情况，由此充分利用CO2，更有效更便利得实现节能减排，对其进行大规模的利用，使煤化工企业能够实现规模化生产和产业化发展，实现煤炭的清洁利用。

4.2.1CO2捕捉技术

该技术能够充分收集煤化过程中产生的CO2，随后压缩处理CO2，将其送入海底。这样就能够把CO2和大气环境隔离。当前国内煤化工生产中，大多都会将煤化工CO2存储到长期不使用的计划地质，比如开采后的油田、深海地带等。有资料显示，向开采后油田注入CO2，不仅能够解决CO2对环境的污染问题，同时还能够提高油田产量稳定性，对油田回采有很大的帮助。这种方法虽然是比较妥当的手段，但该方法作业过程存在很大的危险，要妥善处理。

4.2.2CO2循环利用技术

目前常见的循环技术如食品添加剂、灭火器制作等。另外还可以发挥CO2的填充气体作用，使用在各种工业生产体系。循环使用CO2最受关注的莫过于超临界萃取，该技术操作简单，时间少并且萃取效果好。作为萃取剂的CO2，不仅有着良好的稳定性，并且操作比较安全，能够极大地提高超临界萃取成功率，可以大力推广。

4.2.3CO2转化技术

根据CO2的化学特性，应用化学手段将CO2变成其他物质，能够使经济效益最大化，完成对碳氢原子的充分利用。当前比较成熟的转化技术就是把CO2制作成对双氰胺、烃基苯甲酸、硼砂、水杨酸、碳酸盐等物质;在CO2转化的相关研究中，可降解塑料是国内外一直比较关注的一种技术;目前来看，只有少数发达国家具备年产万吨以上的技术和能力，国内只能达到每年千吨;该技术的研究在环境保护中体现出了巨大的价值，我国有必要加强这方面的研究投入，培养这方面的技术人才，扩大生产规模与能力，以更好地保护环境减少污染。除此之外将CO2当作催化剂也是比较常见的，附加价值高，但为了更好地使用需要进一步研究。

4.3碳交易应对策略

碳交易中有两点需要充分考虑：（1）交易前如何应对生产分配，要结合国家实际发展状况，做好配额生产;（2）当前国内并没有完善的煤化工项目工艺，设备配置不够成熟，许多项目内容甚至无法达到国家标准;对此国家需要针对行业情况，完善相关政策，为企业提供相应的支持和帮助。

企业过渡期间需要做好技术创造和发展，提高生产效能。生产中控制二氧化碳排放量。结束过渡期以后，要确保生产环节能效与二氧化碳排放标准、能够契合国家要求，逐渐控制二氧化碳排放。

5结语

在国家大力推动煤炭清洁利用的政策及“碳中和”节能理念下，高安市集中供气项目若能稳定持續的开展下去，其燃气成分的改进改良对建陶企业的节能与环保有着重大的意义，特别是降低煤气中CO2含量，提升H2含量这一方向，不仅提高了燃气热值，也有效降低了燃气燃烧后产生的CO2排放;是燃气成分改良的重点发展方向;集中供气的成功也将为中国的陶瓷行业发展有很大的借鉴与引导作用。

参考文献

[1]刘原奇.我国煤炭消费现状分析及2021年趋势展望[J].煤炭经济研究，2021，41（01）：12-16.

[2]蒋弟勇，王振华.煤制清洁工业燃气在建陶行业的应用前景[J].泸天化科技，2016（01）：51-53.

[3]卫立功，孙东峰.煤化工工艺二氧化碳减排技术研究[J].化工设计通讯，2020，46（08）：14+21.

[4].陶瓷行业承载节能减排重任清洁能源除了煤改气还有啥？[J].福建质量管理，2014（Z4）：24-25.

[5]崔永金，王战民.降低煤气中二氧化碳含量提高煤气质量[J].一重技术，2006（02）：19-21.

[6]王艳娟，李兆军.降低二氧化碳含量提高煤气的热值[J].一重技术，2004（01）：39-40.

[7]沈宝荣.降低二氧化碳含量节约水煤气[J].节能，1984（12）：38+37.

[8]孙海勇.煤制工业燃气替代天然气的技术与经济可行性研究[J].煤炭经济研究，2017，37（12）：25-28.

Analysis on Energy Saving and Environmental Protection Benefits of Reducing CO2 Content in Centralized Gas Supply Gas

JIANG Xin， FENG Qing， GONG Xiao-long， LU Lin

（ Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen 333000 ）

Abstract： In the context of rising natural gas prices， which cannot guarantee stable input， and increasing national emphasis on energy conservation and emission reduction， clean gas will become more competitive in the industrial gas industry. In this paper， the energy saving and environmental protection benefit of ceramic enterprises is analyzed by reducing the CO2 component of coal gas in centralized gas supply. Under the national policy of vigorously promoting the clean utilization of coal， the improvement of the gas component is of great significance to the energy saving and environmental protection of ceramic enterprises.