燃气分布式系统供热和分散燃气锅炉供热方案比较

时间：2024-07-28

华静芳，叶小伟

(上海华电闵行能源有限公司，上海 201108)

1 问题的提出

我国“十一五”期间减排工作获得显著成效，但随着工业化、城镇化的快速推进，能源消费总量不断上升，污染物产生量将继续增加，经济增长的环境约束日趋强化。在国家环保“十二五”规划中，除了提出持续推进电力等重点行业污染减排、加快其他行业脱硫/脱硝步伐、开展机动车船污染物控制外，还提出加大结构调整力度、加快淘汰落后产能并大力推行清洁生产和发展循环经济。

目前，在工业企业中尚存在大量中、小型燃煤工业锅炉，这些锅炉普遍存在着结构旧、能耗大、污染重等问题，属于《产业结构调整指导目录》中淘汰或限制类产品。因此，各地对中、小型燃煤工业锅炉进行清洁能源替代工作势在必行。替代中、小型燃煤工业锅炉的清洁能源有燃气分布式冷热电联产、热电联产、燃气(轻油)锅炉、太阳能、风能和生物质供能等。其中，太阳能、风能、生物质供能容量普遍偏小，造价高且地域限制明显，因此，尚不具备大规模对高耗能燃煤工业锅炉进行清洁能源替代的推广基础;反之，燃气锅炉因各方面所受限制少，是工业蒸汽用户选择的主要方式之一;分布式冷热电联产与热电联产相比，同属能源多级利用，而前者提供冷能多了一级利用，显然更有优势。

天然气被称作“21世纪的洁净能源”。目前，我国新能源发展还处于起步阶段，积极利用天然气资源是我国在一次能源消费中降低碳排放的最好选择。资料显示，从目前世界能源消费结构看，化石能源约占世界一次能源消费量的88%，其中石油占33%，煤占29%，天然气占24%。而在我国一次能源消费结构中，天然气消费仅为4%左右，是世界平均水平的1/6、欧美国家平均水平的1/12。目前，世界人均天然气消费量为508m3/年，是我国人均消费量的8倍多，我国天然气利用潜力还十分巨大。

本文对以天然气为燃料的分布式供能和企业自建工业燃气锅炉替代工业燃煤锅炉方案进行比较分析，找出更适合于中、小型燃煤锅炉的清洁能源替代改造方案。

2 替代方案概述

2．1 天然气分布式供能

分布式能源系统(Distributed Energy System)在许多发达国家和地区已经是一种成熟的能源综合利用技术，它以靠近用户、能源梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府、企业界的广泛关注和青睐。分布式能源系统有多种形式，区域性或建筑群或独立的大中型建筑的冷热电三联供CCHP(Combined Cooling Heating and Power)是其中十分重要的一种方式，燃气冷热电三联供系统工艺流程如图1所示。

2．2 燃气锅炉

燃煤锅炉曾经是工业时代的一个重要标志，随着时间的推移，它已很难完全满足现代企业的需求，燃气锅炉应运而生。

燃气蒸汽锅炉是指利用燃气燃烧加热的蒸汽锅炉。按照结构形式可分为立式蒸汽锅炉和卧式蒸汽锅炉。立式蒸汽锅炉采用燃烧机下置方式，二回程结构，燃料燃烧充分，锅炉运行稳定且占用空间少，同时烟管内插有扰流片，可减缓排烟速度，增加换热量，锅炉热效率高，降低用户使用费用。卧式蒸汽锅炉为锅壳式全湿背顺流三回程烟火管结构，火焰在大燃烧室内微正压燃烧，完全伸展，燃烧热负荷低，燃烧热效率高，有效地降低了排烟温度，较之燃煤锅炉更能节能降耗，使用更经济，冷凝式燃气蒸汽锅炉工艺流程如图2所示。

图1 燃气冷热电三联供系统工艺流程

2．3 方案比较

2．3．1 能效

天然气三联供分布式供能系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上，以天然气为一次能源，产生热、电、冷的联产联供系统。它以天然气为燃料，利用小型燃气轮机、燃气内燃机、微型燃气轮机等设备将天然气燃烧后获得的高温烟气首先用于发电，余热供给工业企业工艺用蒸汽、冬季供暖等，在夏季通过驱动吸收式制冷机供冷，同时还可提供生活热水，充分利用了排气余热。传统的火力发电厂煤炭燃烧发电的利用率是30%～40%，用煤作为燃料发电并供热的热电厂，能源利用率在45%左右，而燃气三联供系统的能源利用效率可达80%～90%，大量节省了一次能源。

燃气锅炉生产蒸汽的热量主要来源于天然气燃烧生成的热量。影响燃气锅炉有效利用率的原因包括排烟损失热量、燃料不完全燃烧损失热量和锅炉散热损失热量。在热损失中，排烟热损失所占的比重较大。总体来说，燃气锅炉单体设备的热效率较高(能达到80%～90%)，这是很多热用户乐于使用燃气锅炉的首要原因。但就一个企业和一个产业区域来说，在生产、办公过程中还要用到电能、水等其他资源，以维持设备运作和办公需求。因此，我国工业企业综合能源利用率还处在相对较低的水平。

2．3．2 环保

天然气是一种优质、高效、清洁的气体燃料，采用天然气取代煤作为锅炉的燃料可大幅减轻对环境的污染。这是因为天然气中的灰分含量、硫含量、氮含量均比煤低很多，燃烧后在产生的烟气中几乎不含烟尘，硫和氮氧化物也大幅减少，容易达到国家对燃烧设备烟气排放标准的要求。同时，没有燃煤时所需要处理的大量灰渣，天然气采用管道输送减少了运煤和运灰渣的车辆对城市所带来的大气污染、噪声、交通拥挤等一系列问题。

图2 冷凝式燃气蒸汽锅炉工艺流程

以天然气为一次能源的分布式能源系统和燃气锅炉污染物排放量极低，二者均能达到我国目前环保标准的要求，是国家鼓励采用的能源系统。而分布式能源系统则往往因为其更先进的核心设备，能耗和污染物排放率更低，以通用航改型燃气轮机为核心设备的三联供系统，其氮氧化物的排放可控制在31mg/m3，远低于目前我国燃气锅炉50mg/m3的排放标准。

2．3．3 经济性

目前，CCHP系统的核心设备多为进口，设备价格较高，一般为5 000～9 000元/kW，因此，整套CCHP系统的投资较大。如果一般企业进行工业燃煤锅炉改造仅为解决工业蒸汽来源，对整体配套CCHP系统兴趣不大。在固定成本和燃料、水、材料、排污费等边界条件相对固定的情况下，电价是影响CCHP系统供热成本的最主要因素。但集中供热价格必须由地方物价部门审核批准，就我国目前工业蒸汽集中供热价格来看，普遍在200元/t左右。很多城市根据区域特点及燃料成本等因素，也会有相对高的蒸汽价格，但基本控制在300元/t以内。

工业企业自建分散型燃气锅炉蒸汽价格包括初投资、折旧费、修理费、人工成本、财务成本和天然气价格等。以自建4 t/h容量的天然气蒸汽锅炉为例，其成本核算见表1。

表1 企业自建燃气锅炉成本

可见，在上海地区工业企业自建天然气蒸汽锅炉蒸汽价格约400～450元/t，较CCHP集中供热要高30%以上。

2．3．4 政策支持和发展前景

对于实施燃煤锅炉清洁能源改造，各地政府部门均有鼓励措施。

北京市2002年出台《北京市锅炉改造补助资金管理办法》，要求全市所有燃煤锅炉改用清洁能源，对于改用天然气的用户，最高补贴23万元/t;2012年3月北京市提出加速燃煤替代，将此作为治理PM2．5的重要举措，到2015年五环路内基本实现无煤化。上海市2001年出台《关于本市燃煤锅炉及工业炉窑改清洁能源实施办法的通知》，对改炉单位给予4万元/t补贴;2002年，上海市创建“基本无燃煤区”，对处于该区域的锅炉进行改造;2012年，出台《上海市燃煤(重油)锅炉清洁能源替代工作方案和专项资金扶持办法的通知》，明确对“十二五”期间燃煤(重油)锅炉实施清洁能源替代的，给予20～30万元/t的一次性资金补贴。杭州市于2005年出台《杭州市污染治理项目资金补助办法》规定，对列入环保局划定的禁止销售、使用高污染区域的能源结构调整等项目实施补贴，其中燃煤、燃重油、燃轻质柴油、燃水煤浆等改用天然气的，按改造总投资的25%～30%进行补助。宁波市2011年出台《宁波市淘汰燃煤锅炉专项补助资金使用管理办法》规定，对淘汰燃煤锅炉改用天然气、液化石油气、电等清洁能源，政府将给予10万元/t的一次性补助。燃气分布式供能和燃气锅炉2种替代方式均属于以上各资金支持政策范围。

分布式能源项目是节能环保的大趋势。《中华人民共和国节约能源法》明确规定要发展热电冷联产技术;国家发改委制定的《天然气利用政策》第一类优先类中有热电冷联供;国家能源局2011年3月29日下发《分布式发电管理办法》(征求意见稿)，在电站容量、并网、电价及运行管理等方面将明确支持分布式能源;国家发改委、财政部、住建部、国家能源局2011年10月8日联合下发发改能源〔2011〕2196号文《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中明确指出，“十二五”期间，我国拟建设1 000个天然气分布式能源项目;到2020年，全国分布式能源装机容量要达到50GW。《关于发展天然气分布式能源的指导意见》专门提出电网方面要加强对天然气分布式能源并网的配合，今后将在财政、标准等多方面，进一步加强对天然气分布式能源的支持;国家能源局2011年10月28日下发《分布式发电上网指导意见》(征求意见稿)。各地方也相继在土地和天然气价格方面出台优惠政策。