天津中心城區(qū)煤改燃節(jié)能減排效益評估

黃瑞新

(津燃華潤燃?xì)庥邢薰镜谌N售分公司 天津300112)

天津中心城區(qū)煤改燃節(jié)能減排效益評估

黃瑞新

(津燃華潤燃?xì)庥邢薰镜谌N售分公司 天津300112)

燃煤供熱是北方城市采暖的主要方式，但煤燃燒過程中污染物的排放顯著加劇了冬季大氣污染狀況，同時(shí)也增加了碳排放。在可持續(xù)、低碳發(fā)展的背景下，因地制宜發(fā)展清潔熱源形式、選擇合適的供熱方式是城市供熱規(guī)劃的主要內(nèi)容之一。探討了包括集中燃煤供熱、集中燃?xì)夤帷⒎植际饺細(xì)夤岷头植际饺細(xì)狻稍偕茉绰?lián)合等不同供熱方式的原理、技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，并綜合比較其低碳、環(huán)境效益，從而為天津中心城區(qū)供熱熱源規(guī)劃提供參考。

燃?xì)?供熱 環(huán)境效益

城市供熱工程是北方城市宜居發(fā)展的基礎(chǔ)，是城市物質(zhì)生產(chǎn)和人民生活必不可少的條件，是衡量城市吸引力及現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。科學(xué)合理地規(guī)劃供熱系統(tǒng)，對于提高供熱保障能力、滿足人民生活需求、改善大氣環(huán)境、構(gòu)建低碳、和諧社會(huì)具有重要意義。[1]在天津，長期以煤炭為主要熱源形式的集中供熱方式對大氣環(huán)境質(zhì)量造成了嚴(yán)重破壞，同時(shí)也影響城市低碳化發(fā)展進(jìn)程。世界許多大城市的經(jīng)驗(yàn)表明，改善大氣污染狀況的根本途徑是改變?nèi)剂辖Y(jié)構(gòu)，作為清潔能源的天然氣是現(xiàn)有發(fā)展條件下較為理想的熱源形式之一。

1 熱源形式

天津地處北溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。冬季盛行西北風(fēng)，采暖季歷時(shí)4個(gè)月。中心城區(qū)面積334,km2，人口396萬人，290.86萬戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年天津中心城區(qū)供熱用煤量為 357萬 t，占年度全市生活能源消耗總量的 47.2%,。根據(jù)《2010年天津市環(huán)境狀況公報(bào)》，全年可吸入顆粒物為影響環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物，進(jìn)入采暖期后，受供熱燃煤影響，煤炭燃燒的污染物排放增加，與逆溫、多霧等不利氣象因素相耦合，使空氣污染狀況進(jìn)一步加重。二氧化硫污染與可吸入顆粒物交替成為影響空氣質(zhì)量的首要污染物。

1.2 天然氣

研究表明，天然氣能效比煤高 1/3，供熱投資比煤低 1/3，是高品質(zhì)清潔能源，采用燃?xì)夤峥商岣吣茉蠢寐屎徒?jīng)濟(jì)性，減少污染，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)。[2-3]為貫徹執(zhí)行新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，保障全市國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，減少大氣環(huán)境污染，改善城市居民生活環(huán)境，天津市政府從治理污染大、見效快的供熱系統(tǒng)入手，計(jì)劃在“十二五”期間將熱源形式由燃煤改為燃?xì)?。根?jù)市建交委編制的《天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)淘汰燃煤鍋爐房實(shí)施方案》，中心城區(qū)的132座鍋爐房內(nèi)改燃鍋爐376臺(tái)，供熱面積9,632萬m2，裝機(jī)容量 7,988,MW。預(yù)測全部實(shí)施燃?xì)夤岷?，中心城區(qū)天然氣需求量將達(dá)20.71億m3，減少煤用量357萬t，CO2減排255.7萬t。此舉有助于緩解我市空氣質(zhì)量惡化的情況，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展騰出更多的環(huán)境容量，同時(shí)促進(jìn)城市發(fā)展低碳化轉(zhuǎn)型。

1.3 可再生能源

可再生能源包括水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?，由于受其技術(shù)發(fā)展、環(huán)境條件及冬季氣候特點(diǎn)的局限，在天津中心城區(qū)能夠成規(guī)模應(yīng)用的可再生能源主要為淺層地?zé)崮?，也稱地溫能，即地表以下一定深度范圍內(nèi)蘊(yùn)藏在巖土體、地下水體中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。由于 200,m深度范圍內(nèi)的巖土體、地下水體溫度比較恒定(14～16,℃)，與冬、夏兩季室外溫差較大，利用這種溫差，通過熱泵技術(shù)可以冬季供熱，夏季制冷。經(jīng)測算，天津中心城區(qū)可有效利用淺層低溫能約為370,670萬KW·h，可解決約3,336萬m2建筑的采暖需求。

2 燃?xì)夤岱绞?/h2>

2.1 集中(燃?xì)?供熱

供熱熱源形式由燃煤改成燃?xì)夂螅芍苯永迷泄峁芫W(wǎng)系統(tǒng)和鍋爐房附屬設(shè)備，節(jié)省初投資。改燃前后，保持大型鍋爐房原有一次熱網(wǎng)、二次熱網(wǎng)和換熱站不變，在鍋爐房用地范圍內(nèi)建設(shè)燃?xì)忮仩t房替代現(xiàn)有燃煤鍋爐房，形成原址改燃，改燃示意圖如圖1所示。

圖1 原址改燃示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal to gas transformation at original sites

天然氣供熱較傳統(tǒng)燃煤供熱方式有較大優(yōu)勢，但在天津全面發(fā)展仍有一定難度，主要為供需矛盾。

通過對揚(yáng)州市連續(xù)9年的數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)揚(yáng)州市水環(huán)境生態(tài)安全的主要警源是河道污染嚴(yán)重、污染治理措施差，經(jīng)濟(jì)社會(huì)壓力大以及自然水環(huán)境條件下降。從揚(yáng)州市水環(huán)境生態(tài)安全年際變化可以看出，揚(yáng)州市水體水質(zhì)惡化現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但并未得到穩(wěn)定控制，水環(huán)境生態(tài)安全仍處在預(yù)警狀態(tài)。預(yù)測在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，提高自然水環(huán)境條件，合理統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源之間的關(guān)系，是揚(yáng)州市水環(huán)境生態(tài)安全建設(shè)的重點(diǎn)。

2.2 分布式燃?xì)夤?/p>

分布式燃?xì)夤崮Ｊ街饕歉鶕?jù)用戶用熱需求和特點(diǎn)選用適合的單用戶燃?xì)獠膳Ｊ剑嵩O(shè)備有燃?xì)獗趻鞝t、燃?xì)庵比紮C(jī)、燃?xì)鉄岜煤蜕逃萌細(xì)鉄崴鞯?。鑒于技術(shù)可靠性和產(chǎn)品適用性，結(jié)合天津應(yīng)用的普遍性，建議住宅用戶使用燃?xì)獗趻鞝t，公建用戶利用燃?xì)庵比紮C(jī)采暖。相較于集中供熱，分布式供熱適應(yīng)管網(wǎng)熱負(fù)荷的變化能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行調(diào)節(jié)方便、靈活，管網(wǎng)投資少、能耗低、利用率高。[4]但該方式污染排放分散，難以集中處理，不利于環(huán)境質(zhì)量的改善和提升。

2.3 分布式燃?xì)狻稍偕茉绰?lián)合供熱

利用淺層地溫能是一種在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢的供熱、制冷方式。據(jù)悉，截至 2011年 3月，我國地源熱泵供暖面積達(dá)1.4億m2，80%,集中在華北、東北等地區(qū)。在北京，利用淺層地溫能供暖制冷的建筑約有 3,000萬 m2，沈陽則已超過6,000萬m2。[5]

根據(jù)資料，天津可有效利用淺層低溫能約為1,340萬KW·h/km2。[6]通過計(jì)算，中心城區(qū)除道路及部分水面、河流，土地開發(fā)面積約為 277,km2，可有效利用淺層低溫能約為 370,670萬 KW·h，如利用燃?xì)獍l(fā)電驅(qū)動(dòng)熱泵對其加以利用，供熱面積約3,336萬m2；對于燃?xì)獍l(fā)電的余熱可采用吸收式熱泵供熱，計(jì)算后約為1,334萬m2，二者合計(jì)約占現(xiàn)狀供熱建筑面積的37%,。考慮到同時(shí)供熱制冷，每年的資源量相當(dāng)于90萬t標(biāo)煤。受土地面積限制，淺層地?zé)峁┡瘜ㄖ莘e率有一定要求。根據(jù)住宅和公建的熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算，如全部利用淺層地?zé)崮?，中心城區(qū)容積率須在0.12左右為宜，這顯然不切合實(shí)際。這就形成了以淺層地?zé)釣榛A(chǔ)，燃?xì)庾鳛檩o助調(diào)節(jié)手段的聯(lián)合供熱模式來滿足供熱需求。

3 環(huán)境綜合效益評估

不同的熱源形式和供熱方式的工作原理和過程有所差異，其熱效率、能耗、土地占用、低碳效應(yīng)及污染排放量均不同，最終導(dǎo)致其應(yīng)用的環(huán)境效益也有所差異。

3.1 熱效率

燃煤熱水鍋爐熱效率與規(guī)模成正比，其熱效率在 40%,～ 0%，熱效率不高，造成能源利用浪費(fèi)。相比之下，燃?xì)鉄崴仩t的熱效率基本在 90%,以上，外網(wǎng)和換熱站熱損失和熱媒輸送動(dòng)力消耗大，造成 8%,～15%,的熱損失。考慮到燃?xì)馊紵裏嵝室约跋到y(tǒng)輸送動(dòng)力及外網(wǎng)熱損失，預(yù)計(jì)利用效率可達(dá)0%,左右。相關(guān)資料表明，分布式與集中燃?xì)夤釤嵝氏喈?dāng)，因其接近負(fù)荷中心，節(jié)省輸送耗能損失，同時(shí)可以避免戶間不必要的傳熱，熱效率一般在90%,左右。分布式燃?xì)狻稍偕茉绰?lián)供系統(tǒng)按照溫度對口、梯級用能的模式，在獲得0%,～40%,發(fā)電效率的同時(shí)，利用發(fā)電后的余熱來制熱，能源綜合利用效率高達(dá) 80%,以上。同時(shí)，由于天然氣-淺層地?zé)嵯到y(tǒng)靠近用戶側(cè)，熱能可以直接供給用戶，避免了運(yùn)輸過程中的能量損失，節(jié)省了高品質(zhì)能源。通過對天津中心城區(qū)該供熱方式的分析，能源綜合利用效率達(dá) 165%,。不同供熱方式熱效率對比如圖2所示。

圖2 不同供熱方式熱效率對比Fig.2 Comparison of heat efficiencies among different heating modes

3.2 能源消耗

據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津中心城區(qū)一個(gè)采暖季的耗煤量約為357萬t；根據(jù)測算，采用集中燃?xì)夤岱绞接脩粝牧亢凸芫W(wǎng)損失合計(jì)天然氣消耗量約為20.7億m3/a，折合成標(biāo)煤約250萬t。分戶燃?xì)夤嵊脷饬靠烧{(diào)可控，同時(shí)輸送熱損失最少，成為能源節(jié)約的主要途徑。分布式燃?xì)狻稍偕茉绰?lián)合供熱方式燃?xì)庀牧繙y算如下：可再生能源部分，利用燃?xì)獍l(fā)電驅(qū)動(dòng)熱泵和吸收式熱泵供熱，供熱面積約4,670萬m2，燃?xì)庀牧考s為3.1億m3；剩余建筑可以由分布式燃?xì)夤岱绞浇鉀Q，用氣量約為11.7億m3?？傆脷饬繛?4.8億m3，約合180萬t標(biāo)準(zhǔn)煤?？紤]到建筑節(jié)能措施對采暖能耗的降低以及其他可再生能源的利用(如太陽能、污水熱能)對采暖的輔助，燃?xì)庥昧磕軌蜻M(jìn)一步降低。

3.3 土地占用

目前，中心城區(qū)現(xiàn)有 132座燃煤鍋爐房，占地面積約70萬m2，煤場占地面積約20萬m2，共占地約90萬m2。運(yùn)用集中燃?xì)夤岱绞秸嫉貎H為現(xiàn)有鍋爐房用地，約70萬m2。分布式燃?xì)夤岵粌H節(jié)省了煤場占地，同時(shí)也省去了室外鍋爐房、換熱站和室外熱力管線的施工，幾乎無需占地。分布式燃?xì)狻稍偕茉绰?lián)合供熱方式中，淺層地?zé)峋偷芈窆芗霸O(shè)備間占地比常規(guī)燃煤供熱站小，若設(shè)備間設(shè)于地下，淺層地?zé)峋Y(jié)合綠地、地埋管結(jié)合樁基敷設(shè)，供熱設(shè)施幾乎不占用土地，適合新建區(qū)域。燃?xì)獠糠忠酂o需占地。上述 4種供熱方式的占地面積對比如圖3所示。

3.4 低碳效應(yīng)

天然氣燃燒排放的主要?dú)怏w為二氧化碳(CO2)，燃燒過程中還會(huì)有部分甲烷(CH4)?！毒┒甲h定書》提出控制的6種主要溫室氣體中，上述兩種氣體均被列入其中。從不同供熱方式運(yùn)行過程中的碳排放機(jī)制入手，分析不同供熱方式能源需求和能源利用過程耗能及熱能損失，定性衡量不同供熱方式的低碳效應(yīng)，詳見表1。

圖3 不同供熱方式占地面積對比Fig.3 Comparison of floor areas among different heating modes

表1 不同供熱方式的碳排放機(jī)制Tab.1 Carbon emission mechanisms for different heating modes

從定量角度，不同供熱方式的熱源使用量不同，運(yùn)用物料衡算法定量估算不同供熱方式的 CO2和 CH4排放量。相關(guān)參數(shù)選自《綜合能耗計(jì)算通則 GB/T 2589—2008》和《省級溫室氣體清單編制指南》。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同供熱方式碳排放量(單位：萬t)Tab.2 Carbon emission with different heating modes(Unit：per 10,000,t)

3.5 污染排放

燃煤或燃?xì)夤釋Νh(huán)境的主要影響表現(xiàn)為其污染物排放對大氣環(huán)境的破壞。煤燃燒產(chǎn)生二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)是形成酸雨主要因子；煤粉中的無機(jī)礦物質(zhì)在煤完全燃燒后形成固態(tài)殘?jiān)惋w灰顆粒物，粒徑大的粒子在經(jīng)過除塵設(shè)備時(shí)被捕集下來，粒徑小的可吸入顆粒物逃逸，[7]進(jìn)入空氣中成為霧霾形成的主導(dǎo)因子。天然氣燃燒同樣也會(huì)排放一定量的SO2、CO2。

綜合比較，燃?xì)夤岱绞街蟹植际饺細(xì)狻稍偕茉绰?lián)合供熱方式在熱效率、能耗及污染排放方面均具有比較優(yōu)勢，同時(shí)有利于供熱系統(tǒng)的低碳化發(fā)展。此外，分布式燃?xì)夤嵊捎谂艢庑?，煙囪伸出墻外?qiáng)制排煙造成建筑物局部地區(qū)有害氣體濃度高等安全隱患依然存在。

4 結(jié) 語

隨著城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高，建議在供熱熱源規(guī)劃中結(jié)合自身資源優(yōu)勢，積極選用天然氣和可再生能源等熱源形式。在供熱方式上進(jìn)一步推廣分布式供熱和熱電冷三聯(lián)供，不僅有利于節(jié)能減排，還有助于平衡電力與燃?xì)鈨纱竽茉?，從而促進(jìn)供熱規(guī)劃向低碳化轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提升城市供熱系統(tǒng)的服務(wù)水平?！?/p>

［1］ 任淇. 對低碳城市與供熱熱源規(guī)劃的分析研究[J]. 科技與企業(yè)，2012(7)：140.

［2］ 李先瑞，劉笑. 燃?xì)夤岬默F(xiàn)狀與展望[J]. 北京節(jié)能，2000(2)：8-11.

［3］ 董曄，李貴民. 燃?xì)夤岱绞降倪x擇[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010(6)：47-48.

［4］ 王建國，楊宏斌. 燃煤供熱與燃?xì)夤岱治霰容^[J].區(qū)域供熱，2010(3)：57-60.

［5］ 佚名. 我國使用地源熱泵供熱未來五年將大幅度提升[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保，2011(4)：29.

［6］ 王貴玲，藺文靜，張薇. 我國主要城市淺層地溫能利用潛力評價(jià)[J]. 建筑科學(xué)，2012(10)：4-6，11.

［7］ 呂建，楊官平，李晶欣. 燃煤過程可吸入顆粒物生成及控制措施的分析[J]. 鍋爐技術(shù)，2010(3)：34-38.

Benefit Evaluation on Energy Conservation and Emission Reduction for Coal to Gas Transformation in Central Urban Areas of Tianjin

HUANG Ruixin
(Third Sales Branch Company of JINRAN China Resource Gas Co.，Ltd.，Tianjin 300112，China)

In north China，coal heating is a major way of urban heating in winter．However，pollutants discharged during the heating process have significantly aggravated atmospheric contamination in the season while increasing carbon emissions．Under the background of sustainable and low-carbon development，one of the important contents of urban heat supply planning is to choose an appropriate heating mode and to develop clean heat source according to local conditions．This paper discusses the principle，technical feature and advantages and disadvantages of various heating modes，such as intensive (coal) heating，intensive (gas) heating，distributed (gas) heating and distributed (gas)-renewable energy sources．Besides，it makes a comprehensive comparison between their low-carbon degrees and environmental benefits so as to provide reference to heating source program in central urban areas of Tianjin.

gas；heat supply；environmental benefit

X823

A

1006-8945(2015)09-0087-04

2015-08-05