“電能替代”在烤煙生產(chǎn)中的綜合效益評價

張海彬

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

“電能替代”在烤煙生產(chǎn)中的綜合效益評價

張海彬

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

傳統(tǒng)烤煙作業(yè)中，使用燃煤進行煙葉烘烤將釋放粉塵、碳氧化合物、硫化物等大氣污染物。在霧霾天氣日益增多的情況下，利用清潔電能替代化石能源進行煙葉烘烤起到治污降霾、節(jié)能減排的作用。以單烤煙房為研究對象，建立技術經(jīng)濟分析模型，對比電烤煙替代燃煤烤煙后的煙農(nóng)和電網(wǎng)公司的經(jīng)濟效益。建立環(huán)境效益分析模型，計算實施電能替代后的環(huán)境效益。

電能替代；以電代煤；烤煙生產(chǎn)；經(jīng)濟環(huán)境效益

近兩年開始的大范圍、長時間的嚴重霧霾天氣真實反映了當前空氣污染的嚴重程度，面對日益嚴重的大氣污染情況，能源生產(chǎn)結構與能源消費結構需要做出調(diào)整。實施“以電代煤、以電代油”的電能替代戰(zhàn)略可有效緩解城市大氣污染和調(diào)整能源消費結構[1]。

電能替代的顯著社會經(jīng)濟環(huán)境效益引起了國內(nèi)外專家廣泛的關注。環(huán)境保護方面，文獻[2]中相關專家進行了估算，通過全面實施電能替代，2015年、2017年、2020年東中部地區(qū)PM2.5排放可比2010年分別降低12%、20%、28%左右。經(jīng)濟效益層面，文獻[3-4]提出，隨著石油、天然氣價格的不斷上漲和電氣普及率的不斷上升，使用電能更加實惠。其中電鍋爐替代燃煤鍋爐是電能替代的主要實施領域，文獻[5]介紹了電鍋爐替代燃煤鍋爐供暖的發(fā)展情況。第三產(chǎn)業(yè)中，蓄熱式電鍋爐替代燃煤、燃油鍋爐，電炊具替代燃煤燃氣炊具等電能替代方式也在大力推廣中[6-7]?？緹熜袠I(yè)的電能替代相關研究還較為匱乏，本文借鑒其他領域的相關研究方法，利用技術經(jīng)濟手段建立效益對比分析模型，以單烤煙房為研究對象進行電能替代前后效益分析，為推廣電烤煙替代燃煤烤煙提供理論支撐。

目前，燃煤烤煙仍是我國煙葉烘烤[8-10]中長期且廣泛采用的烘烤方式，煤炭燃燒產(chǎn)生大量的二氧化硫、煙塵等污染物，嚴重污染大氣環(huán)境并危害人們的身體健康。為了實現(xiàn)節(jié)能減排目的，積極尋求開發(fā)可以替代煤炭進行烘烤的綠色能源，本文對以電能為加熱能源的烤煙房和以燃煤為加熱能源的烤煙房進行效益對比分析。

1 “電能替代”典型經(jīng)驗及應用場景

1.1 “煤改電”工程

在北方地區(qū)冬季采暖過程中，燃煤特別是劣質煤的使用是產(chǎn)生污染的重要原因之一，推動采暖清潔化、去煤化是治理城市霧霾的主要手段之一?！懊焊碾姟惫こ淌侵竿ㄟ^政府部門的財政支持，通過電網(wǎng)增容和電表改造，使平房區(qū)的居民冬季采暖告別蜂窩煤爐，使用清潔衛(wèi)生的電力進行采暖，以達到提高居民生活品質和緩解空氣污染的雙重目的。與傳統(tǒng)的煤鍋爐取暖相比，使用安全、清潔、高效的電采暖，不會產(chǎn)生二氧化硫、可吸入顆粒物等大氣污染物，使日益嚴峻的霧霾問題得到有效緩解。同時，也消除了平房區(qū)居民的煤氣泄露等安全隱患。以北京市為例，其“煤改電”工程的改造費用由市區(qū)政府、供電部門和居民共同承擔，政府將負擔外電網(wǎng)改造費用、居民住宅配電設施改造費用及居民安裝電采暖設備的大部分費用?！懊焊碾姟惫こ滩粌H可以完善平房區(qū)的基礎設施，提升居民生活質量與用能安全，更為重要的是為減少可吸入顆粒物的。

1.2 農(nóng)業(yè)電排灌替代工程

電水泵是以電動機為動力帶動泵體輸送液體或使液體增壓的機械。相較于柴油泵，電水泵有著很明顯的高效率、低能耗、低排放、高可靠性等優(yōu)點，但是農(nóng)業(yè)灌溉長期以來一直由于思想意識、資金、技術等方面的原因，我國大部分地區(qū)仍在使用柴油泵灌溉農(nóng)田。電動水泵的引入能夠使得能源利用效率提高，直接使用高品位能源，能夠有效降低低品位能源直接消耗過程中所產(chǎn)生的高環(huán)境成本。以千畝噴灌工程為例，使用電排灌將給電網(wǎng)帶來14.65萬kW·h的新增電量(日用電量488.37 kW·h，一年按300天計算)；每年減少燃燒柴油3.71 t，減少煙塵排放量10.09 kg左右，減少二氧化硫排放量59.84 kg左右，減少氮氧化物排放量8.65 kg。推廣農(nóng)業(yè)電排灌替代工程，可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉型、促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

1.3 風冷/熱水機組能源替代經(jīng)驗

模塊式風冷風熱水機組是以空氣為冷(熱)介質，作為冷(熱)源的一體化中央空調(diào)設備，具有節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的特性。除滿足建筑物夏天制冷、冬天制熱要求外，還能全天候供給生活熱水，設備(能源)利用率較高。此類設備廣泛用于公寓、高級賓館飯店、寫字樓、學校、科研樓、醫(yī)院門診病房等建筑的采暖、空調(diào)、熱水供應及生活熱水。若充分合理利用風冷模塊熱回收裝置，用以提供生活熱水，特別是夏天使用空調(diào)的時候，生活熱水是免費的，大量節(jié)省了運行費用，可以進一步地降低經(jīng)營成本，并減少煤炭燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染。

1.4 皮廊傳輸電能替代典型經(jīng)驗

皮廊傳輸主要是指運用于煤礦地面井口-儲煤倉-煤炭(火車)集運站的封閉式皮帶運輸系統(tǒng)，主要由三部分組成，外部輕質廊道、除塵器及煤炭皮帶運輸機。皮廊傳輸運行可靠、故障率低、能耗小，皮帶運輸機被封閉在廊道里，不會導致飄散灰塵污染空氣。與汽車運輸對比，可有效減少汽油燃燒，降低二氧化碳等的排放。以年產(chǎn)煤300萬t，距離煤炭集運站5.5 km的某煤礦廠為例，在使用汽車運煤時，每年需載重量為30 t的汽車運送10萬車次，運輸成本約600萬元。改用皮廊傳輸后，運煤成本約250萬元，減少350萬元，并有效降低了污染，每年約減排二氧化碳 6 000 t、粉塵 500 t。

2 烤煙生產(chǎn)中的“電能替代”經(jīng)濟效 益分析模型

利用技術經(jīng)濟分析方法，考慮初始投資和年運行成本，以年費用為綜合指標，對燃煤烤煙房和電烤煙房之間的年費用進行比較。

2.1 燃煤烤煙房年費用

式中：ACcoal-tobacco為煤烤煙房的年費用，萬元；Icoal-tobacco為燃煤烤煙房初始投資額，萬元；r為基準折現(xiàn)率；Nt為煤烤煙房使用年限；Ccoal-tobacco為烤煙房年運行成本，萬元。

Ccoal-tobacco=Lcoal總×Pcoal

式中：Lcoal為烤煙房年煤耗量,t;Pcoal為煤價,元/t。

不考慮自然蒸發(fā)和其他因素，煙葉中的水要全部蒸發(fā)需耗煤量為

式中：m為煙葉中的含水量/(單烤煙房·年烤煙量)，Wcoal為燃燒一噸煤可蒸發(fā)煙葉的含水量。m計為0.9M，M為年需烤煙量,kg。

煙葉是一種含水量達90%的物質，烤煙過程的本質就是將煙葉中所含的水除去的過程。通過推導可得

式中：MH2O為水的相對分子量，計為18；Scoal為標煤熱值；ηcoal-tobacco為烤煙燃煤熱效率；ΔvapHm(H2O)為水的蒸發(fā)焓。在正?？緹熯^程中，一般保持烤房的溫度在40～65℃，需計算此溫度區(qū)間水的蒸發(fā)焓。根據(jù)基爾霍夫定律，即可計算出40、45、50、55、60、65℃溫度下，煙葉中水的蒸發(fā)焓分別為12.5、12.7、12.9、13.1、13.3、13.5 kJ/mol，取均值13 kJ/mol,

則

式中，烤煙裝煙葉時的環(huán)境溫度T1往往低于烤制時期的溫度T2。若裝煙時煙葉的溫度為20℃，需加熱到近40℃，這需要消耗熱能，需計算此時燃煤消耗量Lcoal,2，其計算方法如下：

式中：Cp,m為水的等壓熱容，計為75.3 J/kmol；m為煙葉中水的含量，kg。則

綜上，烤煙全過程的理論總煤耗量為

Lcoal=Lcoal,1+Lcoal,2

若考慮熱損耗40%的正常情況下，實際總煤耗量為Lcoal總=1.4×Lcoal，即

Lcoal總=1.4×

2.2 電烤煙房年費用

式中：ACe為電烤煙房的年費用，萬元；Ie為電烤煙房初始投資額，萬元；Ne為電烤煙房使用年限，Ce為年運行成本(萬元)。

Ce=Qe總×Pe

式中：Qe總為烤煙房年用電量,t;Pe為電烤煙電價,元/kWh。

不考慮自然蒸發(fā)和其他因素，煙葉中的水要全部蒸發(fā)需耗電量為

綜上，烤煙全過程的理論總用電量為

Qe=Qe,1+Qe,2

考慮熱損耗40%的正常情況下，實際總用電量為Qe總=1.4×Le，即

Qe總=1.4×

烤煙房要求24小時不停工作，則電烤煙房年運行成本為

Ce=1.4×

式中:Pef、Pep、Peg為電烤煙峰平谷電價。

3 烤煙生產(chǎn)中的“電能替代”環(huán)境效 益分析模型

本節(jié)將針對燃煤帶來的空氣污染量進行計算。燃煤煙塵排放量為

式中：GTSP為煙塵排放量，t；B為單位耗煤量，t；kt為煤的灰分，%；λ為灰分中的煙塵，%；θ為除塵效率，%?；曳种械臒焿m是指煙塵中的灰分占燃煤灰分的百分比。煤的灰分取20%，除塵取80%；煙塵中可燃物一般為15%～45%，取20%。

燃煤SO2排放量為

GSO2=2×0.8×B×ks×(1-β)

式中：GSO2為二氧化硫排放量，t；B為單位耗煤量，t；ks為煤中的含硫分，%；β為脫硫效率，%。取煤中含硫分為1.5%。

燃煤NOx排放量為

GNOx=1.63×B×(Pn×kn+0.000 938)

式中：GNOx為氮氧化物排放量，t；Pn為燃煤中氮的含量，%；Kn為燃煤中氮的NOx轉化率，%。煤耗量以1 t為基準，燃煤中氮的含量取1.5%，燃煤中氮的轉化率取25%。

根據(jù)上節(jié)已知，用戶選擇煤烤煙房時的煤耗量為

Le總=λ×Qe總

式中λ為單位用的煤耗，計為283 g/kW·h。則替代前后節(jié)煤量，即燃煤烤煙房煤耗量和電烤煙房煤耗量之間的差額ΔL，其值為

ΔL=Lcoal總-Le總

則一個烤煙季(一年一季)內(nèi)NOx的減排量ENOx、SO2的減排量ESO2和煙塵減排量ETSP為

ENOx=ΔL·ηNOx

ESO2=ΔL·ηSO2

ETSP=ΔL·ηTSP

式中ηNOx、ηSO2、ηTSP分別為氮氧化物、二氧化硫、粉塵的單位煤耗排放量。

4 案例分析

目前，我國烤煙電價按照一般工商業(yè)電價收取，如采取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)峰谷分時電價能夠降低烤煙生產(chǎn)成本(湖南省目前烤煙電價已采用此類價格)。煙葉烘烤時間設定為60天烤煙設備使用年限計為10年，以標準烤房裝煙葉量平均400竿計算，烤煙量約為4 000 kg，具體參數(shù)見表1。

表1 模型各參數(shù)設定情況Table 1 Various parameters setting situations of model

注：Pcoal燃煤價格選取2014年12月份26日榆林動力煤塊煤價格

4.1 經(jīng)濟效益分析

4.1.1 煙農(nóng)經(jīng)濟效益

我國烤煙電價按照一般工商業(yè)用電收取，電價和時段如表2所示。

表2 一般工商業(yè)用電分時電價Table 2 Time-of-use price of common industrial and commercial electricity 元/kW·h

以單烤煙房作為研究對象，表3為三類烤煙房經(jīng)濟效益情況，其中，熱效率較高的為熱泵烤煙房，熱效率為煤烤煙房的14倍，但其初始投資也是較高的，達到9.5萬元。從年運行費用來看，使用燃煤烤煙的能源費用較低，為147元，電烤煙房年用電費用約為981元，較高的熱效率使得熱泵烤煙耗電量較少，年用電費為362元?？紤]初始投資，在使用期內(nèi)，熱泵烤煙房的年費用是最高的，達到1.33萬元，燃煤烤煙年費用僅為其11%左右。

表3 三類烤煙房經(jīng)濟效益對比Table 3 Comparison of economic effect among three kinds of flue-cured houses

4.1.2 電力公司效益

對于電力公司來講，使用電烤煙替代燃煤烤煙帶來用電量的增長。對于烤煙量為4 000 kg的單烤煙房，使用熱泵烤煙，電網(wǎng)公司在烤煙季可增售電量414 kW·h，使用電烤煙可增售電量1124 kW·h，按照目前我國某省烤煙實行的大工業(yè)電價計費，使用熱泵烤煙可增收電費362元，使用電烤煙可增收電費981元。

4.2 環(huán)境效益分析

計算電烤煙替代燃煤烤煙的環(huán)境效益，利用環(huán)境效益分析模型，根據(jù)大氣污染物排放系數(shù)與烤煙房參數(shù)，得到計算結果如表4所示。

表4 電烤煙替代燃煤烤煙環(huán)境效益Table 4 Environmental effect after electric power substitution for coal in flue-cured tobacco production

從表4可看出，若只考慮烤煙程中的能源消耗，電烤煙房相對于煤烤煙房可減少0.414 t煤耗量，可減少二氧化硫排放量近10 kg，氮氧化物3.15 kg，粉塵4.14 kg。如考慮上游電力煤耗，熱泵烤煙房煤耗量較少為0.115 t，電烤煙為0.318 t，三者相比，仍是煤烤煙能源消耗量最大，污染物排放量最多。

5 結 論

傳統(tǒng)煙葉烘烤作業(yè)中煤炭、生物質能源的燃燒會釋放大量的空氣污染物。其中，燃煤產(chǎn)生的粉塵、氮氧化物、硫化物等大氣污染物是導致霧霾天氣的主要原因之一。通過測算可得一個20座規(guī)模的傳統(tǒng)燃煤烤房群，整個烘烤季節(jié)排放煙塵4～5 t，產(chǎn)生的二氧化硫約為3.4～5.6 t，氮氧化物為1.6～2.8 t。在烤煙作業(yè)中，使用電烤煙替代燃煤烤煙房進行煙葉烘烤可減少污染物排放，對緩解霧霾有著積極作用。電烤煙房及熱泵烤煙房是熱效率較高的兩類烤煙房，其中，熱泵烤煙能效較高，可吸入顆粒物排放量最小，電費相對于電烤煙房較低，若政府能夠出臺相應的補貼政策，可在未來推廣使用熱泵烤煙房替代燃煤烤煙房。

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(編輯 侯世春)

Comprehensive effect review of "electric power substation" project in flue-cured tobacco production

ZHANG Haibin

( State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited，Harbin 150090,China)

In the traditional operation of flue-cured tobacco,the burning of coal during tobacco flue-curing will produce dust,carbon oxides,sulfide and other air pollutants.As the haze days are increasing,in such a case,the use of clean electric power which replaces fossil energy during tobacco curing could play a role in pollution control,haze reduction,energy conservation and emission cut.Taking a electrically flue-cured tobacco house as the research object,technical and economic analysis model is established,which is used to compare the economic benefits of tobacco farmers and power grid companies after substituting electric power for coal in flue-cured tobacco production.What’s more,environmental benefit analysis model is constructed,thus to calculate the environmental benefits after implementation of “electric power substitution” project.

“electric power substitution” project; coal replacement by electricity; tobacco production; economic and environmental benefits

2017-05-18。

張海彬(1964—)，男，高級工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)科技及信息化管理工作。

TM924.2+X795

A

2095-6843(2017)04-0347-05