建筑陶瓷企業(yè)三種能源結(jié)構(gòu)情景的二氧化碳排放量分析

謝炳豪 張裕泰

摘 要： 本文采用企業(yè)實際生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)，依據(jù)國家現(xiàn)行二氧化碳排放計算規(guī)范，對建筑陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在三種能源結(jié)構(gòu)情景下分析二氧化碳排放量，探討建筑陶瓷企業(yè)采用不同能源結(jié)構(gòu)時的CO2減排可行性。

關(guān)鍵詞： 建筑陶瓷生產(chǎn);調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu);CO2減排

1 前言

實現(xiàn)碳達峰、碳中和是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，也是推動構(gòu)建人類命運共同體的必然選擇。中國承諾在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策。碳達峰、碳中和將會徹底改變能源產(chǎn)業(yè)格局，重構(gòu)整個制造業(yè)，改變我們每個人的生活方式。化石燃料燃燒是我國主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的80%以上。圍繞推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、支持綠色低碳技術(shù)研發(fā)推廣，加快電能替代，支持“以電代煤”、“以電代油代氣”，加快工業(yè)、建筑、交通等重點行業(yè)電能替代是當前需要研究的重點課題之一。

建筑陶瓷企業(yè)其傳統(tǒng)的工藝需要過程，物料干燥、制品燒成過程使用大量的燃料熱能。企業(yè)的原料車間生產(chǎn)一直沿用多年的工藝是將泥料、礦砂和水混合進入球磨機，研磨成規(guī)定一定細度并含有較高水份的泥漿，泥漿經(jīng)陳化之后送入以熱風(fēng)作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經(jīng)與熱風(fēng)進行熱交換成為含較低水分的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐所用的燃料經(jīng)歷了從80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部采用水煤漿燃料，（部份采用水煤氣作燃料，，近年也有部份噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐直接采用鏈排式燃煤熱風(fēng)爐取代水煤漿熱風(fēng)爐）。建筑企業(yè)的陶瓷制品燒成的窯爐，經(jīng)歷了從80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部分采自制水煤氣作燃料。整個生產(chǎn)過程消耗的燃料量很大，燃料燃燒CO2排放高，屬于典型的高耗能、高排放重點行業(yè)。

2建筑陶瓷企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)及其利用狀況

建筑陶瓷企業(yè)如何實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個需要迫切考慮的問題。本文以下我們僅以一家當前正常生產(chǎn)并帶有普遍性的墻地磚生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)行的能源使用結(jié)構(gòu)的改變，評估企業(yè)二氧化碳減排的可能性。

據(jù)該企業(yè)2015年度統(tǒng)計資料，生產(chǎn)拋釉磚和釉面磚二種產(chǎn)品，生產(chǎn)設(shè)備有燃用水煤漿的噴霧干燥塔三座;燃用煤氣的輥道窯6條，其中1#、2#二條窯爐生產(chǎn)拋釉磚產(chǎn)品，01#、02#二組窯爐（每組含素燒窯和釉燒窯各一）生產(chǎn)釉面磚產(chǎn)品。

表1中每天產(chǎn)量按年平均生產(chǎn)天數(shù)300天計。

2.1情景1—使用原煤和電力的用能結(jié)構(gòu)

據(jù)了解，企業(yè)從2015至2020年一直沿用的能源結(jié)構(gòu)為未發(fā)生大的改變：采購原煤進廠，篩分后部分原塊狀煤供給自備煤氣站自產(chǎn)生產(chǎn)水煤氣供給窯爐作燃料;部分原，粉狀煤供給球磨機自產(chǎn)制作水煤漿作供噴霧干燥塔熱風(fēng)爐作燃料;購入少量柴油作為輔助生產(chǎn)叉車使用;從電網(wǎng)供電購電作為全企業(yè)動力使用。其能源消費流向如圖1，能源消耗平平衡表及能源利用效率計算如表2。企業(yè)使用天原煤、電力時各項能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表3所示。

2015年企業(yè)使用原煤36491.62噸、柴油148.72噸、電力30507.7MWh，綜合能源消費量為35757.6噸標煤（或tce），其中原煤占88.91%。

忽略原料和脫硫過程排放，化石能源及電力所致二氧化碳排放總量為97895.12噸，其中化石燃料燃燒所致排放占83.57%，電力16.43%。

以實測工序能源效率為依據(jù)，企業(yè)能源利用率約63.84%。

說明：原煤（煙煤）熱值6100kcal/kg，碳排放計算按《中國陶瓷生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》，電力排放因子取2019年值，單位tCO2/萬kWh。忽略原料及脫硫過程排放量。

2.2情景2—使用天然氣、原煤和電力的用能結(jié)構(gòu)

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展、國力的提高以及對環(huán)保問題的重視，尤其是對日益嚴重的工業(yè)污染的擔憂，使得天然氣的利用成為必然。目前，各地政府開始采取行動限制煤的使用，鼓勵工業(yè)、企業(yè)、居民使用天然氣、電力等清潔能源。2020年底該企業(yè)按照政府要求實施了“煤改氣”，取消煤氣站，將窯爐燃料全部改為天然氣，噴霧干燥熱風(fēng)爐仍用煤作為燃料。

在產(chǎn)品、產(chǎn)量不改變的情況下，預(yù)計企業(yè)使用天然氣1388.72萬m3、原煤8983.37噸、柴油148.72噸、電力29152.6MWh，綜合能耗為28389.51tce。對比 “煤改氣”前，由于減少了煤氣站的能源轉(zhuǎn)換損失，窯爐使用天然氣后能源利用率也有所提高，能耗下降率20.61%，企業(yè)能源利用率從63.84%提高至82.95%。

化石能源及電力所致二氧化碳排放總量為63137.57噸，比“煤改氣”前二氧化碳排放量總體下降35.5%?？傮w比例來看，化石燃料占75.66%，比情景1下降7.91個百分點，電力消耗間接排放由情景1的16.43%上升至24.34% 。

企業(yè)使用天然氣、原煤、電力時能源流向圖如圖2所示，企業(yè)使用天然氣、原煤、電力時各項能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表5所示。

2.3情景3—使用天然氣和電力的用能結(jié)構(gòu)

從二氧化碳減排角度考慮，盡可能減少高碳能源使用，減排效果較為明顯，情景3擬采取“熱電聯(lián)產(chǎn)”方案提高企業(yè)能源綜合利用效率，進一步減少二氧化碳排放。

根據(jù)建筑陶瓷企業(yè)的現(xiàn)行的工藝流程，考慮到噴霧干燥工藝仍然需要高溫煙氣作熱源。情景3在原料加工車間采取裝備燃氣輪機發(fā)電機組以“熱電聯(lián)產(chǎn)”方式，天然氣燃料供燃氣機組發(fā)電后，其高溫排氣（500-600℃煙氣）余熱供給噴霧干燥塔作熱源使用，余熱不足部分由天然氣補燃供給;企業(yè)燃氣窯爐全部改為電熱窯爐，與企業(yè)其它動力設(shè)備全部使用電力。電力部份由所裝備燃氣輪機發(fā)電機組供給，不足部分由電網(wǎng)供給。預(yù)計其能源消費流向如圖3，能源消耗平衡表及能源利用效率計算如表6。企業(yè)使用天然氣、電力時各項能源消耗平衡及企業(yè)能源利用率如表7所示。

企業(yè)仍然生產(chǎn)上述產(chǎn)品品種和產(chǎn)量，企業(yè)使用天然氣1498.60萬m3、柴油148.72噸、電力53704.7MWh，折算合計消耗標準煤量為24905.09tce。計算得企業(yè)能源利用率89.20%。

對比采取新能源結(jié)構(gòu)之前，由于系統(tǒng)采用“熱電聯(lián)產(chǎn)”和“電窯爐”，企業(yè)能源利用效率明顯提高，進一步降低了能源消耗。對比于企業(yè)仍然采用部份原煤前，折算合計綜合消耗標準煤量再下降了4294.20tce，能耗再下降15.13%。計算得企業(yè)能源利用率從82.95提高至89.20%。

情景3 下，二氧化碳排放量相比情景2下降9.9%，比情景1下降41.89%，情景3下電力消耗間接排放和天然氣燃燒直接排放各占一半。

情景3 引至三種結(jié)果：

1）能源效率提高，但因用電量增加，能源成本上升;

2）二氧化碳減排因素并不是因熱電聯(lián)產(chǎn)或電替代燃料二項措施所致，而是因為天然氣代煤導(dǎo)致的;

3）同樣能量值下目前電力排放因子遠大于天然氣，如果電力排放因子仍在高位（2019年5.271CO2/萬kWh），則電替代天然氣減排效果不明顯，反而增加能源成本。

3建筑陶瓷企業(yè)原料車間的“熱電聯(lián)產(chǎn)”

天然氣分布式能源系統(tǒng)，即熱電聯(lián)供系統(tǒng)，是指以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝天然氣燃氣輪機發(fā)電機組，發(fā)電機組產(chǎn)生的電力滿足用戶的電力需求，同時通過燃氣輪機的排出煙氣的余熱向用戶供熱，滿足用戶的用熱需要。熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要特點如下：

（1）可實現(xiàn)能源的梯級利用，能源綜合利用效率高;

（2）采用天然氣作為能源，清潔、環(huán)保、排放少;

（3）設(shè)置于用戶內(nèi)，可有效降低輸送通道的能耗;

（4）具有備用電源的功能，實現(xiàn)兩路供電，企業(yè)的用電安全性和穩(wěn)定性提高;

（5）對天然氣和電網(wǎng)電力實現(xiàn)“削峰填谷”。天然氣使用的低谷時段與市政電力高峰時段常常同時出現(xiàn)在夏季，使用天然氣分布式能源系統(tǒng)，可降低區(qū)域電網(wǎng)的壓力，同時增加夏季的天然氣使用量。

早期，燃氣輪機發(fā)電機組一般與余熱鍋爐和蒸汽汽輪機組共同組成聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)作為發(fā)電廠使用，發(fā)電功率在120MW以上，聯(lián)合循環(huán)熱效率達到52%以上，此運行方式已經(jīng)有多年的歷史。而天然氣分布式能源系統(tǒng)，則是近年在燃氣輪機發(fā)電機組微型化技術(shù)進步之后推行的一種熱電聯(lián)供系統(tǒng)。微型燃氣輪機發(fā)電機組可以提供從0.4MW至6.5MW發(fā)電功率范圍機組。它們既能使用天然氣，又能使用多種可燃氣體。目前國內(nèi)在城市區(qū)域供熱供冷、造紙企業(yè)熱電聯(lián)供、工業(yè)園區(qū)冷熱電聯(lián)供等已經(jīng)有較多的成功應(yīng)用。其目的是以最高的用能效率和最經(jīng)濟的代價，滿足終端用戶的多樣化的能源需求。天然氣的利用效率可達到85%以上。天然氣分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供作為最先進的能源利用技術(shù)，目前在國內(nèi)外得到了快速的發(fā)展。

建筑陶瓷企業(yè)噴霧干燥工藝主要是用熱需求，要求的加熱介質(zhì)為熱風(fēng)，而陶瓷企業(yè)噴霧干燥要求的則是熱煙氣，熱煙氣的溫度在600℃左右。結(jié)合燃氣輪機發(fā)電機組的運行，其排氣也是以溫度在500℃左右的熱煙氣方式排出，陶瓷企業(yè)噴霧干燥工藝若能結(jié)合分布式能源系統(tǒng)進行熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計，將可大大降低企業(yè)使用天然氣消耗量和成本，并提高天然氣的綜合能源利用效率。

熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計方案即采用分布式能源系統(tǒng)設(shè)置燃氣輪機發(fā)電機組，天然氣供給燃氣輪機發(fā)電機組所發(fā)電，提供企業(yè)全部用電后，余電上網(wǎng)。而燃氣輪機排出的高溫煙氣經(jīng)增設(shè)的天然氣直燃燃燒機補燃至工藝所需要的溫度后供給噴霧塔干燥使用。

仍以上述企業(yè)為例，該企業(yè)全年全廠生產(chǎn)用電31168900 kWh，平均用電負荷為約4329kW。按噴霧干燥塔按使用的天然氣時輸入熱風(fēng)爐天然氣熱量36499672kJ/h。擬設(shè)置一臺額定發(fā)電功率4.60MW燃氣輪機發(fā)電機組，額定煙氣溫度460℃。該企業(yè)使用燃氣輪機發(fā)電負荷為5520kW時，此時燃氣輪機排出煙氣熱量和經(jīng)直燃燃燒機天然氣補燃后將煙氣溫度提升至600℃的熱量送至噴霧干燥塔。剛好可滿足噴霧干燥工藝用熱需求。另外配置天然氣燃燒機，以滿足燃氣輪機檢修時干燥工藝用熱需求。燃氣輪機發(fā)電負荷為5520kW與企業(yè)原來實際動力用電負荷4329kW之差余電供窯爐使用。燃氣輪機組使用的天然氣量加上補充直燃燃燒機天然氣量的總使用天然氣量為1988m3/h，總使用天然氣總費用為4195元/h，扣除發(fā)電收益4195元/h（電價按0.76元/kWh），噴霧干燥塔使用天然氣的實際費用為2764元/h。

4建筑陶瓷企業(yè)采用不同的能源結(jié)構(gòu)時CO2排放量對比

上文介紹的企業(yè)采取三個不同的能源結(jié)構(gòu)時，按照《中國陶瓷企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》和采用《化石燃料品種相關(guān)參數(shù)缺省值》數(shù)據(jù)，計算企業(yè)采取三個不同的能源結(jié)構(gòu)時的CO2排放量如表9。

上表中計算公式：

原煤折標系數(shù)：0.8712kgce/kg;電力折標系數(shù)：0.1229kgce/kWh;柴油折標系數(shù)：1.4571kgce/kg

總熱量（TJ）=當量值（tce）×29307.6/1000000

燃料燃燒排放量（tCO2）=總熱量（TJ）×碳排放因子（tc/TJ）×碳氧化率（%）

電能使用排放量（tCO2）=電力消耗實物量（MWh）×碳排放因子電力（tCO2/MWh）

企業(yè)使用原煤和電力時（即上述第一種用能結(jié)構(gòu)），合計能源消耗折算標準煤量為35757.6tce，核算得其CO2排放量為97878.12噸/年。

企業(yè)使用天然氣、原煤和電力時（即上述第二種用能結(jié)構(gòu)），合計能源消耗折算標準煤量為28389.51tce。核算得其CO2排放量為63136.88噸/年。

企業(yè)使用天然氣和電力時（即上述第三種用能結(jié)構(gòu)），合計能源消耗折算標準煤量為24905.09tce。核算得其CO2排放量為58210.97噸/年。

5結(jié)語

（1）通過對比、計算、分析、評估，通過改變建筑陶瓷企業(yè)使用能源結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，是可以減少企業(yè)能源消耗和減少CO2排放的，效果顯著。

（2）為了實現(xiàn)碳減排，建筑陶瓷企業(yè)應(yīng)積極考慮用能系統(tǒng)優(yōu)化，考慮采取節(jié)能減排措施，推動新的用能系統(tǒng)技術(shù)改造和設(shè)備改造，如考慮原料車間“熱電聯(lián)供”，考慮“燃料窯爐”更新為“電熱窯爐”的設(shè)備更換。

（3）企業(yè)需要加大碳減排方面的資金投入，支持綠色低碳技術(shù)研發(fā)推廣應(yīng)用，為將來國家對重點行業(yè)實行遏制“高耗能、高排放”發(fā)展作好預(yù)期思想準備。