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周宏春:清洁供热产业系列讨论之九:天然气供热的长短利弊浅析

发布者:CHIC | 日期:2020-07-27 | 来源:宏春观察 | 阅读:1711

天然气供热,是清洁供热的重要原则之一:宜气则气;原意是在适宜用天然气供暖的地方要用天然气供暖,目的是要求供暖对环境的不利影响最小化。2018年供暖季中出现的一些情况,引起媒体和公众的关注,并对天然气供暖展开了大讨论。

本随笔简要讨论天然气供暖的长短利弊。

一、一般概述

“煤改气”,有人喜欢用“气代煤”(有人将煤改气、煤改电称为电代煤、气代煤,简称为“双代”);简单地说,就是用天然气供暖来代替煤炭供暖,目的是减少供暖的环境污染。

总体上看,“煤改气”的出发点是好的,人设是可以改善环境质量,也得到不少“煤改气”地方的群众拥护,还带动了天然气消费总量的迅速攀升。

另一方面,“煤改气”也带来未曾料想到的问题。

从能源品位看,天然气是优质高品位的能源,而热是低品位的能源。在编辑出版《中国清洁供热产业报告2019》之前,我们曾邀请国内大牌专家召开清洁供热座谈会;会上有专家提出,从能源品位角度看,用天然气供暖属于典型的“大材小用”。按照吴仲华院士提出的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”的能源高效利用原则,用天然气供暖的确存在品位不对口、“大材小用”问题。

我国的能源禀赋是煤多油少气不足。2017年冬天,北方各地“煤改气”导致天然气缺口高达220亿立方米;2018年对外依存度达45%。全面推广“煤改气”,不仅使我国能源安全面临压力,居民也难以承担高昂的采暖费用。因此,天然气应该“好钢用在刀刃上”,在优先保障民生、生产和重要领域需求基础上,技术合理、高效、因地制宜地用于供热。


更主要的是,“煤改气”的本意是减少污染物排放,但国内一些能源专家认为,利用天然气供暖导致局部性的污染严重。

为什么会出现这样的结果呢?有专家分析认为,由于天然气燃烧的脱氮水平与煤炭的脱氮水平差不多,而供暖是低空排放。因此,用天然气供暖的小区污染也是挺重的。

想一想还有些道理,但缺乏准确的数据来证明。之所以强调数据,因为我们对事情的评判不能靠专家的感觉,还要依据数据和事实说话!

从经济性看,天然气供暖不仅需要购买壁挂炉等的一次性投资,日常运行也需要消耗天然气;总体上看,单位面积供暖的费用是比较高的。

二、天然气供热技术与案例

我们在《中国清洁供热产业报告2019》中,选取了两个案例,一是北京燃气能源公司中车北京南口机械厂的“煤改气”项目,一是内蒙古利用租赁做的“煤改气”项目。

2019年7月27日,清洁供热产业委员会(CHIC)和泰安市人民政府联合开展了“清洁供热中国行—泰安行”大型公益活动。与会代表还参观了壁挂炉生产企业爱客多,这是一家拥有5条自动化生产线,年设计产能超过60万台。其中,家居板块包括燃气壁挂炉、燃气热水器、燃气灶、速热型干/湿地暖模块等几十个品类;商用板块覆盖大气式低氮冷凝模块炉、全预混铸铝冷凝模块炉、全预混不锈钢冷凝模块炉,多台并联可满足500-500万平方米的供暖需求,可用于医院、学校、别墅、酒店、办公楼、养殖场、住宅小区、洗浴中心、蔬菜大棚等的供暖。

天然气供暖的类型取决于热用户的分布和需求,主要有以下几种类型。

1.燃气锅炉及壁挂炉

天然气直接燃烧供热方式主要有两类,一是在集中供热区域,与城市热网结合,承担供热调峰;二是燃气锅炉或壁挂炉作为分散供热方式,作为集中供热的有效补充。

与燃煤锅炉房不同,燃气锅炉房效率和容量关系不大;应当是容量宜小不宜大,宜分散不宜集中。对壁挂炉来说,冷凝式壁挂炉效率高,用户末端调节运行灵活、节能;但和燃气炊事一样,存在氮氧化物无组织排放处理问题。

在燃气锅炉独立运行时,寒冷期开始和结束前都要运行,燃气耗量大,供热成本高。如果采用热电联产供热,寒冷期开始和结束前的热网供热能力富裕,但惯性大,不易调节,燃气锅炉可作为集中热源的分布式调峰,整合成一个系统。

该系统有以下优点,一是优化配置供热负荷。高效低成本的热源承担基础负荷,高成本燃气承担尖峰负荷;二是通过增大热网输送能力,可以提高管网利用率;三是可用于降低热网回水温度,为余热回收创造条件;四是多源联网供热,保障供热安全性、调节灵活性,也有利于全网的热力、水力平衡。

天然气锅炉效率一般可达90%(低位燃烧值),烟气余热全热(显热和潜热)的回收潜力巨大,可使利用效率提高15%~20%,锅炉效率可达到110%(低位燃烧值),可实现余热节能、节省天然气运行经济和节水、减排效果。

传统的烟气余热回收包括空气预热方式、热网水间壁式换热方式及其组合,可提高供热效率3%~5%,但不能实现显热、潜热的深度回收,换热设备体积大、易酸性腐蚀,受外界冷源温度限制,排烟温度降低有限。

清华大学提出直接接触式换热与热泵相结合的全热回收新流程,利用高温热水、烟气或燃气、电力作驱动力,减小换热过程中的不可逆损失,同时回收烟气显热和潜热,将排烟温度降至20℃以下,可提高锅炉供热效率10%以上。

采用直接接触式换热,一是换热效果好,气液两相接触面积大,喷淋换热烟气与冷却水之间换热差可达2℃左右,比传统换热温差5℃降低60%;二是结构简单,体积小,成本低,仅为间壁式结构的20%~50%左右;三是可以实现余热回收与减排一体化,喷淋水加碱中和,解决了酸性冷凝水对金属的腐蚀问题。

对分散的用户而言,壁挂炉是一种选择。国内也有了不少的燃气壁挂炉厂家。

2.大型燃气热电联产

燃气蒸汽联合循环大型燃气热电联产是天然气的高效利用方式。而在应用中也存在以下挑战:一是供热成本高,将发电按当地上网电价折算,供热成本约为200元/GJ,需政府每年支付大量补贴同时用于发电和供热,如2台9F机组每年约需要10亿元补贴;二是相比燃煤热电厂,热电比低,约为0.6。在相同供热面积下,该技术耗气量是燃气锅炉的8倍左右,全年天然气消耗量大加上燃烧温度高,氮氧化物总排量大;三是燃气供应安全保障性相对较差。四是余热浪费严重,占供热量的60%,大量余热随烟气和乏汽排放;五是燃气电厂的调节缺少灵活性,“以热定电”运行模式难以作为电网的调峰电源主要方式之一。

针对上述问题,一些单位或企业,已经找到了较好的解决方案。

3.天然气分布式供热

这种方式适用于热负荷需求稳定的用户,尤其工业企业蒸汽负荷需求,具有特定应用场合和对象。分布式能源供应的发电容量一般在50MW及以下,发电效率不如大型燃气热电联产;由于接近用户,管网等基础设施投资小,用户侧用电价格高,在一定条件下供热成本可低于大型燃气热电联产。

如能充分利用余热资源,特别是烟气余热,可进一步提高能效、降低成本。清华大学设计了热泵型燃气热电冷联供系统,排烟温度可降至20℃,综合效率(发电效率+供热效率)可达到90%以上,可以进一步降低供热成本。

4.天然气热泵供热系统

天然气直接燃烧用于供热,一次能源利用效率低于1;在1份燃料转换化为热量时,还可从外界低品位自然冷热源(如空气源、水源、地源、余热等)提取热量,实现一次能源利用效率大于1。燃气空气源吸收式热泵(GAP)是其中的一类设备,以燃气作驱动能源,用氨水吸收式热泵技术,1份燃气可从空气中获取约0.7份的低品位热能,制取高品位热能的装置,减少环境温度对供热量的影响。

“煤改气”的利弊主要有:一是易于建设,适用分散的居民壁挂炉用户,调节灵活,适用大、中小学等间歇性采暖用户,也宜用于集中热网调峰;二是污染物排放较少,几乎无烟尘和二氧化硫排放,但会排放大量NOx,进而增强大气氧化性、使大量污染气体氧化成颗粒物或细颗粒物(PM2.5);二氧化碳排放约为燃煤的60%;三是我国天然气价格较高,是燃煤的2~3倍,每年需要对供热和发电大量补贴;四是我国城市配套设施不足,需要完善城市各压力等级的输配网络及季节调峰设施,管网建设安全要求高。

天然气供暖,有燃气锅炉、热电联产、壁挂炉、热泵等形式。哪家企业做得好,从2020年7月1日起,中国清洁供热产业委员会(CHIC)将与国家认监委(CNCA)批准的第三方认证机构—北京信标认证有限公司(BBC)共同开展清洁供热服务认证,详见中国清洁供热产业网(http://www.chic.org.cn/home/index/index1)



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