燃氣分布式系統(tǒng)供熱和分散燃氣鍋爐供熱方案比較

華靜芳，葉小偉

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

1 問題的提出

我國“十一五”期間減排工作獲得顯著成效，但隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，能源消費總量不斷上升，污染物產(chǎn)生量將繼續(xù)增加，經(jīng)濟增長的環(huán)境約束日趨強化。在國家環(huán)?！笆濉币?guī)劃中，除了提出持續(xù)推進電力等重點行業(yè)污染減排、加快其他行業(yè)脫硫/脫硝步伐、開展機動車船污染物控制外，還提出加大結(jié)構(gòu)調(diào)整力度、加快淘汰落后產(chǎn)能并大力推行清潔生產(chǎn)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。

目前，在工業(yè)企業(yè)中尚存在大量中、小型燃煤工業(yè)鍋爐，這些鍋爐普遍存在著結(jié)構(gòu)舊、能耗大、污染重等問題，屬于《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》中淘汰或限制類產(chǎn)品。因此，各地對中、小型燃煤工業(yè)鍋爐進行清潔能源替代工作勢在必行。替代中、小型燃煤工業(yè)鍋爐的清潔能源有燃氣分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣(輕油)鍋爐、太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)供能等。其中，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)供能容量普遍偏小，造價高且地域限制明顯，因此，尚不具備大規(guī)模對高耗能燃煤工業(yè)鍋爐進行清潔能源替代的推廣基礎(chǔ);反之，燃氣鍋爐因各方面所受限制少，是工業(yè)蒸汽用戶選擇的主要方式之一;分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)與熱電聯(lián)產(chǎn)相比，同屬能源多級利用，而前者提供冷能多了一級利用，顯然更有優(yōu)勢。

天然氣被稱作“21世紀的潔凈能源”。目前，我國新能源發(fā)展還處于起步階段，積極利用天然氣資源是我國在一次能源消費中降低碳排放的最好選擇。資料顯示，從目前世界能源消費結(jié)構(gòu)看，化石能源約占世界一次能源消費量的88%，其中石油占33%，煤占29%，天然氣占24%。而在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中，天然氣消費僅為4%左右，是世界平均水平的1/6、歐美國家平均水平的1/12。目前，世界人均天然氣消費量為508m3/年，是我國人均消費量的8倍多，我國天然氣利用潛力還十分巨大。

本文對以天然氣為燃料的分布式供能和企業(yè)自建工業(yè)燃氣鍋爐替代工業(yè)燃煤鍋爐方案進行比較分析，找出更適合于中、小型燃煤鍋爐的清潔能源替代改造方案。

2 替代方案概述

2．1 天然氣分布式供能

分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System)在許多發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)是一種成熟的能源綜合利用技術(shù)，它以靠近用戶、能源梯級利用、一次能源利用效率高、環(huán)境友好、能源供應(yīng)安全可靠等特點，受到各國政府、企業(yè)界的廣泛關(guān)注和青睞。分布式能源系統(tǒng)有多種形式，區(qū)域性或建筑群或獨立的大中型建筑的冷熱電三聯(lián)供CCHP(Combined Cooling Heating and Power)是其中十分重要的一種方式，燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2．2 燃氣鍋爐

燃煤鍋爐曾經(jīng)是工業(yè)時代的一個重要標志，隨著時間的推移，它已很難完全滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求，燃氣鍋爐應(yīng)運而生。

燃氣蒸汽鍋爐是指利用燃氣燃燒加熱的蒸汽鍋爐。按照結(jié)構(gòu)形式可分為立式蒸汽鍋爐和臥式蒸汽鍋爐。立式蒸汽鍋爐采用燃燒機下置方式，二回程結(jié)構(gòu)，燃料燃燒充分，鍋爐運行穩(wěn)定且占用空間少，同時煙管內(nèi)插有擾流片，可減緩排煙速度，增加換熱量，鍋爐熱效率高，降低用戶使用費用。臥式蒸汽鍋爐為鍋殼式全濕背順流三回程煙火管結(jié)構(gòu)，火焰在大燃燒室內(nèi)微正壓燃燒，完全伸展，燃燒熱負荷低，燃燒熱效率高，有效地降低了排煙溫度，較之燃煤鍋爐更能節(jié)能降耗，使用更經(jīng)濟，冷凝式燃氣蒸汽鍋爐工藝流程如圖2所示。

圖1 燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)工藝流程

2．3 方案比較

2．3．1 能效

天然氣三聯(lián)供分布式供能系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上，以天然氣為一次能源，產(chǎn)生熱、電、冷的聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)。它以天然氣為燃料，利用小型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機、微型燃氣輪機等設(shè)備將天然氣燃燒后獲得的高溫?zé)煔馐紫扔糜诎l(fā)電，余熱供給工業(yè)企業(yè)工藝用蒸汽、冬季供暖等，在夏季通過驅(qū)動吸收式制冷機供冷，同時還可提供生活熱水，充分利用了排氣余熱。傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠煤炭燃燒發(fā)電的利用率是30%～40%，用煤作為燃料發(fā)電并供熱的熱電廠，能源利用率在45%左右，而燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)的能源利用效率可達80%～90%，大量節(jié)省了一次能源。

燃氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽的熱量主要來源于天然氣燃燒生成的熱量。影響燃氣鍋爐有效利用率的原因包括排煙損失熱量、燃料不完全燃燒損失熱量和鍋爐散熱損失熱量。在熱損失中，排煙熱損失所占的比重較大?？傮w來說，燃氣鍋爐單體設(shè)備的熱效率較高(能達到80%～90%)，這是很多熱用戶樂于使用燃氣鍋爐的首要原因。但就一個企業(yè)和一個產(chǎn)業(yè)區(qū)域來說，在生產(chǎn)、辦公過程中還要用到電能、水等其他資源，以維持設(shè)備運作和辦公需求。因此，我國工業(yè)企業(yè)綜合能源利用率還處在相對較低的水平。

2．3．2 環(huán)保

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的氣體燃料，采用天然氣取代煤作為鍋爐的燃料可大幅減輕對環(huán)境的污染。這是因為天然氣中的灰分含量、硫含量、氮含量均比煤低很多，燃燒后在產(chǎn)生的煙氣中幾乎不含煙塵，硫和氮氧化物也大幅減少，容易達到國家對燃燒設(shè)備煙氣排放標準的要求。同時，沒有燃煤時所需要處理的大量灰渣，天然氣采用管道輸送減少了運煤和運灰渣的車輛對城市所帶來的大氣污染、噪聲、交通擁擠等一系列問題。

圖2 冷凝式燃氣蒸汽鍋爐工藝流程

以天然氣為一次能源的分布式能源系統(tǒng)和燃氣鍋爐污染物排放量極低，二者均能達到我國目前環(huán)保標準的要求，是國家鼓勵采用的能源系統(tǒng)。而分布式能源系統(tǒng)則往往因為其更先進的核心設(shè)備，能耗和污染物排放率更低，以通用航改型燃氣輪機為核心設(shè)備的三聯(lián)供系統(tǒng)，其氮氧化物的排放可控制在31mg/m3，遠低于目前我國燃氣鍋爐50mg/m3的排放標準。

2．3．3 經(jīng)濟性

目前，CCHP系統(tǒng)的核心設(shè)備多為進口，設(shè)備價格較高，一般為5 000～9 000元/kW，因此，整套CCHP系統(tǒng)的投資較大。如果一般企業(yè)進行工業(yè)燃煤鍋爐改造僅為解決工業(yè)蒸汽來源，對整體配套CCHP系統(tǒng)興趣不大。在固定成本和燃料、水、材料、排污費等邊界條件相對固定的情況下，電價是影響CCHP系統(tǒng)供熱成本的最主要因素。但集中供熱價格必須由地方物價部門審核批準，就我國目前工業(yè)蒸汽集中供熱價格來看，普遍在200元/t左右。很多城市根據(jù)區(qū)域特點及燃料成本等因素，也會有相對高的蒸汽價格，但基本控制在300元/t以內(nèi)。

工業(yè)企業(yè)自建分散型燃氣鍋爐蒸汽價格包括初投資、折舊費、修理費、人工成本、財務(wù)成本和天然氣價格等。以自建4 t/h容量的天然氣蒸汽鍋爐為例，其成本核算見表1。

表1 企業(yè)自建燃氣鍋爐成本

可見，在上海地區(qū)工業(yè)企業(yè)自建天然氣蒸汽鍋爐蒸汽價格約400～450元/t，較CCHP集中供熱要高30%以上。

2．3．4 政策支持和發(fā)展前景

對于實施燃煤鍋爐清潔能源改造，各地政府部門均有鼓勵措施。

北京市2002年出臺《北京市鍋爐改造補助資金管理辦法》，要求全市所有燃煤鍋爐改用清潔能源，對于改用天然氣的用戶，最高補貼23萬元/t;2012年3月北京市提出加速燃煤替代，將此作為治理PM2．5的重要舉措，到2015年五環(huán)路內(nèi)基本實現(xiàn)無煤化。上海市2001年出臺《關(guān)于本市燃煤鍋爐及工業(yè)爐窯改清潔能源實施辦法的通知》，對改爐單位給予4萬元/t補貼;2002年，上海市創(chuàng)建“基本無燃煤區(qū)”，對處于該區(qū)域的鍋爐進行改造;2012年，出臺《上海市燃煤(重油)鍋爐清潔能源替代工作方案和專項資金扶持辦法的通知》，明確對“十二五”期間燃煤(重油)鍋爐實施清潔能源替代的，給予20～30萬元/t的一次性資金補貼。杭州市于2005年出臺《杭州市污染治理項目資金補助辦法》規(guī)定，對列入環(huán)保局劃定的禁止銷售、使用高污染區(qū)域的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等項目實施補貼，其中燃煤、燃重油、燃輕質(zhì)柴油、燃水煤漿等改用天然氣的，按改造總投資的25%～30%進行補助。寧波市2011年出臺《寧波市淘汰燃煤鍋爐專項補助資金使用管理辦法》規(guī)定，對淘汰燃煤鍋爐改用天然氣、液化石油氣、電等清潔能源，政府將給予10萬元/t的一次性補助。燃氣分布式供能和燃氣鍋爐2種替代方式均屬于以上各資金支持政策范圍。

分布式能源項目是節(jié)能環(huán)保的大趨勢?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》明確規(guī)定要發(fā)展熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù);國家發(fā)改委制定的《天然氣利用政策》第一類優(yōu)先類中有熱電冷聯(lián)供;國家能源局2011年3月29日下發(fā)《分布式發(fā)電管理辦法》(征求意見稿)，在電站容量、并網(wǎng)、電價及運行管理等方面將明確支持分布式能源;國家發(fā)改委、財政部、住建部、國家能源局2011年10月8日聯(lián)合下發(fā)發(fā)改能源〔2011〕2196號文《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》中明確指出，“十二五”期間，我國擬建設(shè)1 000個天然氣分布式能源項目;到2020年，全國分布式能源裝機容量要達到50GW?！蛾P(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》專門提出電網(wǎng)方面要加強對天然氣分布式能源并網(wǎng)的配合，今后將在財政、標準等多方面，進一步加強對天然氣分布式能源的支持;國家能源局2011年10月28日下發(fā)《分布式發(fā)電上網(wǎng)指導(dǎo)意見》(征求意見稿)。各地方也相繼在土地和天然氣價格方面出臺優(yōu)惠政策。

3 結(jié)束語

燃氣鍋爐單體設(shè)備熱效率高，但企業(yè)綜合能源利用率不高;燃氣分布式供能總體能源利用率高，符合國際和我國能量梯級利用、能源循環(huán)再利用的趨勢。

燃氣分布式供能和燃氣鍋爐2種形式均符合燃煤鍋爐清潔能源利用的要求，環(huán)保效果顯著，但前者在技術(shù)上更勝一籌。

燃氣分布式供能系統(tǒng)造價高，對于只要求提供單一蒸汽來源的中小型工業(yè)企業(yè)，若自己投資CCHP在經(jīng)濟性上不占優(yōu)勢;若工業(yè)企業(yè)附近有現(xiàn)成的區(qū)域型分布式能源系統(tǒng)，燃煤鍋爐的替代直接可由區(qū)域CCHP系統(tǒng)引入工業(yè)蒸汽，那將是最理想的結(jié)果。這樣，既解決了初投資大的問題，也解決了自建燃氣鍋爐蒸汽成本高的問題。

國家政策鼓勵發(fā)展分布式能源，因此，綜合以上各點，在分布式供能范圍內(nèi)的工業(yè)企業(yè)如果進行燃煤鍋爐替代，建議可直接引入燃氣分布式供能系統(tǒng)的工業(yè)蒸汽;如果在其供能范圍以外，建議自建燃氣鍋爐。

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