范振山，張 彥，張 強(qiáng)

(1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450121；2.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司，鄭州 450008)

0 引 言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，2018年我國(guó)煤炭消費(fèi)總量464 000萬(wàn)tce，占能源消費(fèi)總量比重為59%[1]。生物質(zhì)能是重要的新能源，是能源轉(zhuǎn)型的重要力量。我國(guó)生物質(zhì)能利用潛力大，可作為能源利用的生物質(zhì)資源每年約4.6億tce，2015年生物質(zhì)能利用量約3 500萬(wàn)tce。生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)已起步，發(fā)展勢(shì)頭良好。2015年，全世界生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)量約3 000萬(wàn)t，歐洲消費(fèi)年均約1 600萬(wàn)t，我國(guó)年利用量約800萬(wàn)t[2]。生物質(zhì)成型燃料作為一種生物質(zhì)能，是重要的可再生能源，具有替代化石能源的節(jié)能減排效益。

1 生物質(zhì)成型燃料特性

生物質(zhì)成型燃料是生物質(zhì)原料經(jīng)脫水、粉碎、壓縮成型等加工工序后形成的形狀規(guī)則、性質(zhì)均一、方便運(yùn)輸和儲(chǔ)存、可以替代煤炭的綠色燃料[3]。我國(guó)生物質(zhì)成型燃料以秸稈(約為75%)為主要原料[4]，松散的秸稈原料經(jīng)擠壓成型后，密度提升至0.8～1.3 kg/m3[5]。生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析見(jiàn)表1，其中C含量為35.1%～42.6%，低于煤；H含量低于6%；O含量為33%～38%，與泥煤近似[5-7]。生物質(zhì)成型燃料與原生物質(zhì)相比體積小、密度大，使用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸方便，燃燒特性和燃燒效率得到改善和提升；與煤炭相比揮發(fā)分高，易引燃，燃燒煙氣中SO2、NOx、顆粒物(PM)含量低，排渣少，CO2零排放，環(huán)境污染小，可作為煤炭的替代燃料為生產(chǎn)和生活供能。

表1 生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析

2 節(jié)能效益分析

由表1知，水稻稈、小麥稈、玉米稈三種生物質(zhì)成型燃料的干燥基低位發(fā)熱量Qnet.ad分別為14 654、15 740、15 840 kJ/kg，平均值為為(15 840+15 740+14 654)/3=15 411 kJ/kg?！睹嘿|(zhì)及煤分析有關(guān)術(shù)語(yǔ)》(GB/T 3715-2007)定義標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29.27 MJ/kgce[8]。通過(guò)低位發(fā)熱量相比，可知1kg生物質(zhì)成型燃料相當(dāng)于0.526 5 kgce。根據(jù)《可再生能源十三五規(guī)劃》、《生物質(zhì)能十三五規(guī)劃》2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料規(guī)劃年利用量(目標(biāo)值)為3 000萬(wàn)t[2,9]。則2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料可替代煤炭消費(fèi)量的熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為：3 000×0.526 5=1 579.5萬(wàn)tce。

3 溫室氣體CO2減排效益分析

生物質(zhì)能的生成過(guò)程為:

燃燒為其逆過(guò)程[10]。生物質(zhì)成型燃料燃燒為CO2零排放，其循環(huán)圖如圖1所示。

在不同報(bào)道中單位標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放量數(shù)據(jù)相差較大，文中根據(jù)文獻(xiàn)[11]1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量為2.54 kg(2.54 kgCO2/kgce)進(jìn)行計(jì)算。則2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料的CO2減排量=1 579.5×2.54=4 011.93萬(wàn)t。

4 廢氣污染物減排效益分析

參考《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 鍋爐》(HJ953-2018)，采用物料衡算法核算SO2的排放量、產(chǎn)污系數(shù)法核算NOx和顆粒物(PM)的排放量，且均按直接排放進(jìn)行核算[12]。

4.1 SO2減排量

采用物料衡算法，根據(jù)燃料消耗量、S含量按直排核算SO2排放量，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，ESO2為SO2的排放量，t；R為鍋爐燃料耗量，t，生物質(zhì)成型燃料取3 000萬(wàn)t，煤取2 211.26萬(wàn)t。原煤平均低位發(fā)熱量為20 908 kJ/kg，折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.714 3 kgce/kg[13]，通過(guò)低位發(fā)熱量相比，可知1 579.5萬(wàn)tce 折算原煤為2 211.26萬(wàn)t；Sar為燃料收到基S含量，百分比，參考表1，生物質(zhì)成型燃料取平均值(0.12+0.18+0.11)/3=0.14；煤的種類很多，煤質(zhì)差別很大，《中國(guó)煤炭分類》(GB/T5751-2009)把煤分為三大類，即無(wú)煙煤、煙煤和褐煤[14]，參考有關(guān)文獻(xiàn)[15-17]，文中煤取1；q4為鍋爐機(jī)械不完全燃燒熱損失，百分比，參考表2[12]，燃生物質(zhì)成型燃料鍋爐取平均值(2+2)/2，燃煤鍋爐取平均值(4+5+2+10+16+3)/6=6.833；K為燃料中的S燃燒后氧化成SO2的份額，無(wú)量綱，參考表2，燃生物質(zhì)成型燃料鍋爐取均值(0.50+0.40)/2=0.45，燃煤鍋爐取均值(0.85+0.833)/2=0.842。

表2 q4、K的取值

則2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料SO2排放量為：

0.45=3.70(萬(wàn)t)

所替代煤的SO2排放量為：

34.69(萬(wàn)t)

SO2減排量為：

ESO2煤-ESO2生物質(zhì)成型燃料=34.69-3.70=30.99(萬(wàn)t)

4.2 NOx和PM的減排量

采用產(chǎn)排污系數(shù)法按式(2)核算污染物排放量。

Ej=R×βj×10-3

(2)

式中，Ej為第j種污染物的排放量，t；R為鍋爐燃料耗量，t，生物質(zhì)成型燃料取3 000萬(wàn)t，煤取2 211.26萬(wàn)t；βj為第j種污染物產(chǎn)排污系數(shù)，kg/t-燃料，參考表3[12]，對(duì)于NOx，燃生物質(zhì)成型燃料鍋爐取1.02(無(wú)低氮燃燒)，燃煤鍋爐取3.22(無(wú)低氮燃燒)，對(duì)于PM，燃生物質(zhì)成型燃料鍋爐取0.5，燃煤鍋爐取79.95。燃煤鍋爐取煙煤、褐煤、無(wú)煙煤，層燃爐、循環(huán)流化床、煤粉爐的平均值，NOx取(2.94+2.7+4.72+2.94+4.72+2.7+1.82)/7=3.22(無(wú)低氮燃燒)，PM取(1.25A+5.19A+8.93A+1.25A+8.93A+1.8A+4.63A)/7=4.568 6A=4.568 6×17.5=79.95，我國(guó)煤炭灰分含量波動(dòng)較大，在10%～25%之間都有分布[18]，文中A%取中間值17.5%。

表3 燃煤鍋爐、燃生物質(zhì)成型燃料鍋爐的廢氣產(chǎn)排污系數(shù)

(1)則2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料NOx排放量為：

所替代煤的NOx排放量為：

NOx減排量為：

ENOx煤-ENOx生物質(zhì)成型燃料=7.12-3.06=4.06(萬(wàn)t)

(2)則2020年我國(guó)生物質(zhì)成型燃料PM排放量為：

所替代煤的PM排放量為：

PM減排量為：

EPM煤-EPM生物質(zhì)成型燃料=176.79-1.5=

175.29(萬(wàn)t)

5 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)成型燃料鍋爐燃燒具有顯著的節(jié)能減排效益。預(yù)計(jì)2020年，生物質(zhì)成型燃料可替代煤炭折合1 579.5萬(wàn)tce，減少CO2排放4 011.93萬(wàn)t，減少SO2排放約30.99萬(wàn)t，減少NOx排放約4.06萬(wàn)t，減少PM排放175.29萬(wàn)t。