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行业动态

天然气与生物质燃料的竞争性研究

文字:[大][中][小] 2017-6-20    浏览次数:348    

对锅炉燃用生物质燃料、天然气的经济性、环保性进行比较。生物质燃料锅炉房的设备造价高于天然气锅炉房,受天然气价格影响,天然气锅炉房的年运行费用(包括年燃料费、年电费、年人工费、年维护费)稍高于生物质燃料锅炉房。当燃用生物质燃料时,应配置除尘、脱硫脱硝装置,保证污染物排放量满足相关标准要求。天然气锅炉房需要采取必要措施(如低氮燃烧技术、脱硝装置)保证氮氧化物符合日益严格的排放要求。

1 概述

生物质能(Biomass Energy)是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,是一种可再生能源。

目前,按照来源可将生物质燃料分为6类:农作物秸秆、林业废弃物、禽畜粪便、水生植物、能源植物、生活垃圾。 生物质燃料的优点)分布广泛,资源量大;可再生,可储存,易转化。 缺点:(1)能量密度低,不适合远距离运输。 为保证生物质燃料供应的连续性,生物质燃料利用项目需配置大面积的燃料储存场地,这也带来了管理问题。(2)对于农作物秸秆,虽然原料分布广,但受到地域、季节、气候等诸多因素影响,来源并不稳定。且热值等条件差异较大,锅炉难以适应。(3)不同生物质燃料燃烧性能差别大,燃烧产物存在结渣严重、灰分较多、灰渣碱含量普遍偏高等问题,阻碍燃烧器持续运行,容易造成锅炉的腐蚀。(4)易受潮,其含水率对燃烧温度的影响大,含水率大到一定程度会使燃料无法点燃。

近年来,我国天然气利用发展快速,根据国家能源“十三五”规划,到2020年,天然气占一次能源消费比重将达到10%以上。目前在很多地区都出现了天然气作为清洁燃料与生物质燃料作为可再生能源的竞争问题,有必要对此展开研究。本文以锅炉燃烧为主,对生物质、天然气在设备造价、运行成本、环境保护等方面进行对比分析。

2 经济性

2.1 设备造价

以蒸发量为4t/h蒸汽锅炉为例,DZL卧式燃生物质颗粒锅炉(燃用生物质颗粒燃料)主机造价约为18×104元左右,锅炉辅机及安装费约6.5×104元,总设备造价约为24.5×104元;而WNS系列天然气锅炉为15×104元左右,锅炉辅机及安装费5.5×104元,总设备造价造价约20.5×104元。由以上数据可知,生物质锅炉的造价高于天然气锅炉。

2.2 年运行费用

仍以蒸发量为4 t/h的蒸汽锅炉为例,对生物质燃料、天然气锅炉房的年运行费用进行比较。锅炉房运行费用主要包括燃料费、年电费,人工费用,维护费等。

① 生物质锅炉房

年燃料费。生物质燃料锅炉热效率取80%,生物质燃料(木质成型颗粒)低热值取17.58MJ/kg,木质成型颗粒价格按1 250/t计算。锅炉每1 h燃用717 kg木质成型颗粒,锅炉每日运行时间10 h,每年运行300 d,年燃料费为268.88×104/a

年电费。送引风机总电功率为29.5 kW,减速机、上料机、水泵、输送机总功率为10 kW,则锅炉房总电功率为39.5 kW。电价按1.0/(kW·h)计算,每日运行时间10 h,每年运行300 d,则全年电费为11.85×104/a

年人工费。司炉人员分为2班,每班2人,司炉工1名,水处理操作人员1名。工资按3 000/(人·月)计算,年人工费为14.4×104/a

年维护费。由于生物质锅炉辅机较多,运行故障率高于燃气锅炉,因此年维护费按锅炉造价提取,比例按燃煤锅炉房选取,为2.5%,生物质燃料锅炉的维护费为0.61×104/a

由以上数据计算可得到,生物质锅炉房年运行费用为295.74×104/a

② 燃气锅炉房

年燃料费。生物质燃料锅炉热效率取90%,生物质燃料(木质成型颗粒)低热值取35.58MJ/kg,天然气按3.1/m3计算。锅炉每1 h燃用315 m3天然气,锅炉每日运行时间10 h,每年运行300 d,年燃料费为292.95×104/a

年电费。燃烧机电功率为7.5 kW,水泵及其他耗电设备电功率为7 kW,,则锅炉房总电功率为14.5 kW。电价按1.0/(kW·h)计算,每日运行时间10 h,每年运行300 d,则全年电费为4.35×104/a

年人工费。司炉人员分为2班,每班1人,燃气锅炉房自动化程度较高,操作比较简单,只需一名司炉工。工资按3 000/(人·月)计算,年人工费为7.2×104/a

年维护费。燃气锅炉房的维护量非常小,因此维护费非常低,本文按设备造价的1%提取,燃气燃料锅炉的维护费为0.21×104/a

③ 分析

对于设备造价,生物质锅炉房的设备造价高于天然气锅炉房。对于年运行费,得益于天然气锅炉房较少的耗电设备、较高的自动化程度以及维护量小,年电费、年人工费、年维护费低于生物质燃料锅炉房,但受天然气价格影响,天然气锅炉的运行费用稍高于生物质锅炉房。

3环保特性

2013年,中国环境科学院的耿春梅等人对蒸发量相近的2台生物质锅炉烟气中烟尘、SO2NOx质量浓度进行了测量分析。选取的2台生物质锅炉基本参数见表1,两台锅炉均未配备脱硫脱硝装置,所在地为北京。生物质燃料分别选取木质成型颗粒、秸秆成型颗粒,两种燃料的工业分析、元素分析分别见表23,工业分析、元素分析以空气干燥基计。

生物质锅炉污染物排放量测量结果见表4GB132712014《锅炉大气污染物排放标准》对在用燃气锅炉房烟尘、SO2NOx的排放标准限值分别为2050200 mg/m3。对于烟尘排放,采用水膜式除尘器的2号生物质锅炉烟尘排放质量浓度比较理想。对于SO2排放,在未配置脱硫脱硝装置的情况下,木质成型颗粒的SO2排放量能满足GB132712014。对于NOx排放,在未配置脱硫脱硝装置的情况下,燃用木质成型颗粒的2号锅炉能满足GB132712014要求。

天然气是一种优质、高效、清洁的气体燃料,采用天然气作为锅炉的燃料可以大幅减轻对环境的污染。这是由于燃气的灰分、含硫量和含氮量均比较低。燃烧后产生的烟气中粉尘量极少,硫氧化物也比较少,容易达到国家对燃烧设备烟气排放越来越高的标准,但天然气燃烧后产生的氮氧化物仍引起人们的重视。薛王庆丰等人对北京市85台小区集中供热燃气锅炉的NOx排放情况进行了实测,测试数据表明:天然气锅炉NOx平均排放质量浓度为125mg/m3,且25%的锅炉NOx排放质量浓度大于150 mg/m3

由以上分析可知,生物质燃料类型对污染物的排放影响较大,以木屑作为原料的木质成型颗粒SO2排放特性较好,但即使采用性能更优的水膜式除尘器,烟尘排放量仍不满足GB132712014的要求。对于NOx排放量,无论木质成型颗粒还是秸秆成型颗粒,在未配置脱硫脱硝装置前的情况均不理想。因此,对于生物质锅炉,应采用除尘性能更好的除尘装置,并配置脱硫脱硝装置。天然气锅炉在烟尘、SO2排放方面的优异特性,无异具有先天优势,但随着排放标准的不断提高,为满足NOx排放限值要求,采取低氮燃烧技术和脱硝装置也是趋势。

4 竞争性分析

生物质锅炉造价要高于天然气锅炉,但受到天然气价格的影响,两种锅炉房的年运行费用接近。从锅炉房控制角度出发,天然气锅炉房的控制更加便捷,而且天然气锅炉房也不需要建设占地面积较大的生物质燃料储存场所。

天然气供应属于市政公用领域,价格受政府管制,一般不会轻易变动,更重要的是天然气的供应可以在锅炉(特别是供热锅炉)使用期得到有力保障。生物质燃料(以秸秆成型颗粒为例)受季节性供应的限制,价格变化大,供应不稳定,往往导致锅炉房仓储面积较大。

从环保角度出发,生物质锅炉房须配置除尘装置、脱硫脱硝装置,才能保障烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放要求。天然气锅炉房往往无须配置除尘装置、脱硫装置,但需要采取必要措施(如低氮燃烧技术、脱硝装置)保证氮氧化物的排放符合要求。同时,天然气锅炉也省去了清灰等操作,使得操作更加简洁。

值得肯定的是,当生物质作为燃料时,由于生物质在生长时消耗的CO2量相当于它燃烧时排放的CO2量,因此CO2排放量近似为零。流化床燃烧是基于气固流化态的一项技术,对燃料适应性好,有害气体排放量低,而且在流化床燃烧过程中加入脱硫剂可直接脱硫,可以大幅降低烟气中SO2的含量。目前,发展比较迅速的循环流化床燃烧技术对燃料的适应性很好,能够同时燃烧几种不同特性的燃料,非常适合生物质与煤的混燃。而且燃料的选择以及混燃的比例灵活,能够根据燃料的市场价格进行选择,确保燃料的经济性。

但不能回避的问题是天然气价格价高,冬夏季的峰谷差形势也日加严峻。作为能源的补充,应合理对待生物质燃料的应用与发展,在满足经济、环保性要求的前提下,积极探索生物质能力的综合利用途径,合理规划调整区域能源配置。

来源:网络

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