集中供氣煤氣中CO₂成分降低的節(jié)能及環(huán)保效益分析

江鑫 馮青 宮小龍 陸琳

摘 要：在天然氣價格不斷攀升，并且不能保證穩(wěn)定輸入及國家日益重視節(jié)能減排的背景下，清潔煤氣在工業(yè)燃氣行業(yè)將更具有競爭力;本文就集中供氣中煤氣CO2成分降低對建陶企業(yè)的節(jié)能與環(huán)保效益進行分析，在國家大力推動煤炭清潔利用的政策下，其燃氣成分的改進改良對建陶企業(yè)的節(jié)能與環(huán)保有著重大意義。

關鍵詞：清潔煤氣;煤氣成分;節(jié)能環(huán)保;陶瓷窯爐

1 前 言

我國是世界煤炭消費第一大國，煤炭占一次能源消費總量的比例在55%以上，以煤炭為主的能源結構支撐了我國經(jīng)濟的高速發(fā)展[1]。數(shù)據(jù)顯示，2020年全國煤炭產(chǎn)量39.0億噸，同比增長1.4%;其中，規(guī)模以上煤炭企業(yè)原煤產(chǎn)量38.4億噸，同比增長0.9%，2021年我國原煤產(chǎn)量可達39.1億噸。在建陶行業(yè)的成本中，燃料消耗占成本比例較高，我國作為一個富煤少氣的國家，在天然氣價格不斷攀升，并且不能保證穩(wěn)定輸入及國家日益重視節(jié)能減排的背景下，清潔煤氣在陶瓷產(chǎn)區(qū)將更具有競爭力[2];許多建陶企業(yè)自己配套建設有小型氣化爐裝置，操作簡便，投資少，成本優(yōu)勢明顯。但這些小型氣化爐自制煤氣雖滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，并不能達到國家的環(huán)保標準;在國家環(huán)保壓力不斷增大、排放標準不斷提高的背景下，小型煤氣化裝置被取締是大勢所趨。目前，高安市在建陶產(chǎn)業(yè)園區(qū)力推采用集中供氣的方式，將清潔煤氣輸送至各企業(yè)，新采用的清潔煤氣較企業(yè)氣化爐自制的煤氣見表1，清潔煤氣的H2含量增加，減少了CO和N2的含量，同時熱值方面與企業(yè)自制煤氣相差不大，但是集中供氣的煤氣CO2含量較高，降低集中供氣中的CO2對環(huán)保及節(jié)能減排有著重大的意義與社會效益。

2影響煤氣中CO2含量的因素

2.1煤中的煤礦石含量

煤炭里的煤礦石含量較多時，轉(zhuǎn)化后的煤氣中CO2含量會有大幅度的增加，嚴重影響到煤氣的熱值。

2.2煤氣化系統(tǒng)的蒸汽用量

煤氣化是指在氣化爐內(nèi)一定溫度及壓力下使煤中有機質(zhì)與氣化劑（蒸汽/空氣或氧氣等）發(fā)生一系列化學反應，將固體煤轉(zhuǎn)化成CO、H2、CH4。等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。在轉(zhuǎn)化過程中會涉及到CO2還原成CO的反應即：C+CO2→2CO。蒸汽用量影響著爐內(nèi)的飽和溫度，飽和溫度對煤的氣化有至關重要的影響;如果蒸汽用量過多或者供應不足，氣化爐內(nèi)溫度降低，使還原反應減緩，導致煤氣中CO2含量增加[3]。

2.3煤的存儲時間和方式

煤的氣化需要消耗大量的煤，所以生產(chǎn)單位會一次性購買大量的煤以滿足生產(chǎn)需求，但是煤的長時間堆積，會降低煤的強度和熱穩(wěn)定性，在氣化過程中相關工序更加不易控制，改變了煤氣中CO2含量;露天存儲時煤的性能變化最為明顯，室內(nèi)存儲次之，地下存儲煤效果較好。

2.4燃料煤的粒度

燃料煤粒度需要根據(jù)設計的煤氣發(fā)生爐調(diào)整合適的粒度，當氣化用煤的粒度過大或者過小時，也會導致發(fā)生爐氣化異常，導致煤氣中二氧化碳成份增加。

2.5其它因素

煤的氣化有一套很復雜的工藝，也需要很多設備配套集成使用，在制氣設備沒有問題的前提下，操作人員的操作以及控制水平程度直接影響到煤氣的質(zhì)量，對煤氣中CO2含量有著很重要的影響。

3煤氣中CO2含量降低的節(jié)能分析

3.1煤氣熱值方面

Q低=4.187×（3046×CO%+2580×H2%+8550×CH4%+…+5520×H2S%）

Q低——燃氣低位熱值，單位KJ/m3;

（...部分為其他可燃氣體成分，含量很少，可忽略不計）

如表2所示，如果清潔煤氣中的CO2含量能夠降低至企業(yè)自制煤氣中的CO2含量，也就是降低至4%左右，將CO含量提升7%左右，煤氣的低位熱值達到7181.51KJ/m3，提高了14.22%;如果將煤氣中H2提升7%，煤氣的低位熱值達到7044.93KJ/m3，提高了12.05%;可見，降低煤氣中的CO2含量，其他可燃性成分的含量提高，那么煤氣的熱值有顯著的提升[6]。

部分建筑陶瓷行業(yè)窯爐生產(chǎn)產(chǎn)能及用氣量見表3，可以看到窯爐一條線一天平均產(chǎn)能在25000m2左右，一小時平均用氣量在10000Nm3左右，一天則是240000Nm3左右的耗氣量;以目前高安市清潔煤氣的價格0.41元/Nm3為例，在建筑陶瓷行業(yè)輥道窯一年工作330天的情況下，將清潔煤氣CO2含量降低至4%，CO與H2含量提高從而熱值提高對建筑陶瓷窯爐耗氣量及燃料成本進行對比，對比結果如下表4。

表4中計算可以得出，若清潔煤氣中CO2含量降低至企業(yè)自制煤氣中CO2含量時：

（1）CO含量提升7%

一條建筑陶瓷窯爐生產(chǎn)線每天的耗氣量能夠節(jié)省29891.52Nm3，降低了12.45%;一年所需的燃料成本減少了4044322.66元。

（2）H2含量提升7%

一條建筑陶瓷窯爐生產(chǎn)線每天的耗氣量能夠節(jié)省25803.41Nm3，降低了10.75%;一年所需的燃料成本減少了3491201.37元。

可以看出，清潔煤氣中CO2含量如果能降低至4%左右，一條窯爐生產(chǎn)線一年可以節(jié)省300—400萬元左右的燃料成本，在高安市建陶工業(yè)園內(nèi)多家企業(yè)多條窯爐生產(chǎn)線的情況下，降低集中供氣中的CO2含量，提高煤氣的熱值，那么將會帶來十分可觀的節(jié)能降耗效益。

3.2 熱量帶出方面

CO2在煤氣成分中相當于惰性氣體，不參與燃燒，還要將其加熱到排煙溫度排除，現(xiàn)在建筑陶瓷行業(yè)窯爐排煙溫度在200℃-400℃，若煤氣成分中CO2含量較高，其升高到排煙溫度所需要的熱量也較多;如果能夠降低煤氣成分中不參與燃燒的氣體如CO2和N2，包括煤氣燃燒后的燃燒產(chǎn)物中的CO2，對窯爐生產(chǎn)中的節(jié)能有著積極的意義;H2燃燒的燃燒產(chǎn)物是H2O，相比于CO燃燒后產(chǎn)生了CO2;降低煤氣成分中的CO2含量，提升H2的含量是煤氣化工藝中的重點方向。

3.3提高了煤氣燃燒性能

燃燒勢：燃燒勢（CP），是一個反映燃氣的燃燒性能的參數(shù)，它反映了燃氣燃燒火焰所產(chǎn)生的不完全燃燒、黃焰、脫火、回火和不完全燃燒等火焰燃燒狀態(tài)，是一項能夠反映燃氣燃燒穩(wěn)定狀況的綜合指標，能全面判斷燃氣的燃燒特性。

在國家標準GB/T13611-2018明確地規(guī)定了燃氣分類性能指標，即：

燃燒勢CP的計算方法：

隨著煤氣中CO2成分降低，燃氣的相對密度減小，其他可燃性成分增加，燃燒勢CP增大，燃氣的燃燒狀態(tài)變得更加穩(wěn)定，意味著在更低的燃氣消耗量的情況下就可以達到之前的燃燒狀態(tài)，使得窯爐生產(chǎn)線更加節(jié)能高效。

4煤氣中CO2含量降低的措施及環(huán)保分析

4.1降低了煙氣中CO2的排放

4.1.1總煙氣量降低

由上述中可以得出在清潔煤氣CO2含量降低至4%時，燃料的消耗量降低了10%左右，所以排放的總煙氣量降低了，排放的總CO2含量也降低了。

4.1.2煤氣中H2含量提升對CO2排放的影響

對于在清潔煤氣CO2含量降低至4%時，煤氣中H2含量提升了7%而言，H2的燃燒產(chǎn)物是H2O，由氣體燃料燃燒產(chǎn)物CO2的計算公式：

可以得出，煤氣CO2含量降低至4%，H2含量升高7%時，煙氣中CO2含量由原來的32.7%降低至25.7%;CO2排放量降低了21.42%，所以煤氣化過程中，降低煤氣中CO2含量，提升H2含量對于煤氣燃燒所帶來的CO2排放有很明顯的節(jié)能減排作用。

4.2煤化工CO2減排技術

在煤化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，所涉及的CO2減排技術主要包括：針對性收集、保存和循環(huán)利用CO2，同時進行對應的化學轉(zhuǎn)化。每種方法都有其可取的地方，在具體實施過程中，要結合實際情況，由此充分利用CO2，更有效更便利得實現(xiàn)節(jié)能減排，對其進行大規(guī)模的利用，使煤化工企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)煤炭的清潔利用。

4.2.1CO2捕捉技術

該技術能夠充分收集煤化過程中產(chǎn)生的CO2，隨后壓縮處理CO2，將其送入海底。這樣就能夠把CO2和大氣環(huán)境隔離。當前國內(nèi)煤化工生產(chǎn)中，大多都會將煤化工CO2存儲到長期不使用的計劃地質(zhì)，比如開采后的油田、深海地帶等。有資料顯示，向開采后油田注入CO2，不僅能夠解決CO2對環(huán)境的污染問題，同時還能夠提高油田產(chǎn)量穩(wěn)定性，對油田回采有很大的幫助。這種方法雖然是比較妥當?shù)氖侄?，但該方法作業(yè)過程存在很大的危險，要妥善處理。

4.2.2CO2循環(huán)利用技術

目前常見的循環(huán)技術如食品添加劑、滅火器制作等。另外還可以發(fā)揮CO2的填充氣體作用，使用在各種工業(yè)生產(chǎn)體系。循環(huán)使用CO2最受關注的莫過于超臨界萃取，該技術操作簡單，時間少并且萃取效果好。作為萃取劑的CO2，不僅有著良好的穩(wěn)定性，并且操作比較安全，能夠極大地提高超臨界萃取成功率，可以大力推廣。

4.2.3CO2轉(zhuǎn)化技術

根據(jù)CO2的化學特性，應用化學手段將CO2變成其他物質(zhì)，能夠使經(jīng)濟效益最大化，完成對碳氫原子的充分利用。當前比較成熟的轉(zhuǎn)化技術就是把CO2制作成對雙氰胺、烴基苯甲酸、硼砂、水楊酸、碳酸鹽等物質(zhì);在CO2轉(zhuǎn)化的相關研究中，可降解塑料是國內(nèi)外一直比較關注的一種技術;目前來看，只有少數(shù)發(fā)達國家具備年產(chǎn)萬噸以上的技術和能力，國內(nèi)只能達到每年千噸;該技術的研究在環(huán)境保護中體現(xiàn)出了巨大的價值，我國有必要加強這方面的研究投入，培養(yǎng)這方面的技術人才，擴大生產(chǎn)規(guī)模與能力，以更好地保護環(huán)境減少污染。除此之外將CO2當作催化劑也是比較常見的，附加價值高，但為了更好地使用需要進一步研究。

4.3碳交易應對策略

碳交易中有兩點需要充分考慮：（1）交易前如何應對生產(chǎn)分配，要結合國家實際發(fā)展狀況，做好配額生產(chǎn);（2）當前國內(nèi)并沒有完善的煤化工項目工藝，設備配置不夠成熟，許多項目內(nèi)容甚至無法達到國家標準;對此國家需要針對行業(yè)情況，完善相關政策，為企業(yè)提供相應的支持和幫助。

企業(yè)過渡期間需要做好技術創(chuàng)造和發(fā)展，提高生產(chǎn)效能。生產(chǎn)中控制二氧化碳排放量。結束過渡期以后，要確保生產(chǎn)環(huán)節(jié)能效與二氧化碳排放標準、能夠契合國家要求，逐漸控制二氧化碳排放。

5結語

在國家大力推動煤炭清潔利用的政策及“碳中和”節(jié)能理念下，高安市集中供氣項目若能穩(wěn)定持續(xù)的開展下去，其燃氣成分的改進改良對建陶企業(yè)的節(jié)能與環(huán)保有著重大的意義，特別是降低煤氣中CO2含量，提升H2含量這一方向，不僅提高了燃氣熱值，也有效降低了燃氣燃燒后產(chǎn)生的CO2排放;是燃氣成分改良的重點發(fā)展方向;集中供氣的成功也將為中國的陶瓷行業(yè)發(fā)展有很大的借鑒與引導作用。

參考文獻

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Analysis on Energy Saving and Environmental Protection Benefits of Reducing CO2 Content in Centralized Gas Supply Gas

JIANG Xin， FENG Qing， GONG Xiao-long， LU Lin

（ Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen 333000 ）

Abstract： In the context of rising natural gas prices， which cannot guarantee stable input， and increasing national emphasis on energy conservation and emission reduction， clean gas will become more competitive in the industrial gas industry. In this paper， the energy saving and environmental protection benefit of ceramic enterprises is analyzed by reducing the CO2 component of coal gas in centralized gas supply. Under the national policy of vigorously promoting the clean utilization of coal， the improvement of the gas component is of great significance to the energy saving and environmental protection of ceramic enterprises.