钢铁企业热电厂碳排放的评价研究

V0I．30 No．5 Sept．2011 冶金能源 ENERGY FOR METALLURGICAL iDUSlTRY 3 钢铁企业热电厂碳排放的评价研究 刘 飞 蔡九菊 谢国威2 罗志刚 李 顺 ，2 (1．东北大学材料与冶金学院，2．中钢集团鞍山热能研究院有限公司) 摘要热电厂是钢铁企业重要的能源生产部门，热电联产的碳排放量关系到整个企业碳减 排成效。采用单位能源产品碳排放量指标结合炯分析来评价热电厂的碳排放量，将单位能源 产品碳排放量分解成最小排放量和附加排放量进行研究。结果表明：热电联产通过能源梯级 利用，提高能源转换效率，减少化石能源使用，有利于实现钢铁企业减少碳排放。 关键词热电联产烟分析碳排放 Research on carbon emissions evaluation of thermal power plant in iron and steel enterprise Liu Fei Cai Jiuju Xie Guowei Luo Zhigang2 Li Shun · (1．Northeastern University， 2．Sinosteel Anshan Research Institute of Thermo—Energy Co．，Ltd．) Abstract The thermal power plant was an important energy production department of iron and steel enterprises，carbon emission from the thermal power plant influenced carbon emission reductions of i— Ion and steel enterprises．Used carbon emissionsindex ofthe unit energy products andthe exergy anal- ysis methods to evaluate carbon emissions．the carbon emissions index was divided into two parts milli— munl emissions and additional emissions．The research indicated that combined heat and power was helpful to realize reducing carbon emissions for the steel enterprises by improving cascade energy con- version efficiency，reducing fossil energy use and cascade utilization of energy． Keywords combined heat and power exergy analysis carbon emissions 人为原因造成的碳排放量中约有90％来自 于化石燃料的转换利用，因此，碳排放的研究也 多围绕能源的转换利用展开。钢铁行业是我国最 重要的基础产业部门之一，对社会经济发展起着 重要的支撑作用，钢铁工业作为温室气体排放的 主要行业之一，其CO 排放量仅次于电力和水 泥行业，作为重要的耗能部门，钢铁行业的进一 步发展也将承受温室气体减排的压力。热电联产 在工矿企业实际生产中应用广泛，具有转换效率 ·国家高技术研究发展计划(863计划)项目 (2008AA042901) 收稿日期：2011—02—15 刘飞(1980一 )，博士生；110819辽宁省沈阳市。 高，能源消耗少的优点 。文章从能源品质的 角度来说明问题，提出了新的能源系统碳排放量 的评价方法，并应用于热电联产碳排放特性的评 价，通过该研究为未来钢铁企业降低碳排放提高 能源利用效率找到可行的发展模式 。 1 能量转换系统碳排放量的评价方法 1．1’能源转换过程碳排放 对于能源转换过程来说，本质上是一个由能 源的开采、转换、输配等多个环节组成的链式过 程，在能源转换过程中不可避免的要有能量损 失，转换而来的二次能源通过输送、分配等多个 环节提供给终端用户。整个系统的碳排放量 4 冶金能源 ENERGY FOR METAI lIIRGICAL INDUSTRY VoL 3O No．5 Sept．2011 (暂不考虑各环节设备制造过程所引起的碳排 放)来自于系统始端投入的能源。显然，能源 使用全过程碳排放总量由始端能源结构、消耗总 量决定。能源转换系统为终端用户服务，终端用 户所消费的能源实际上是凝聚了始端投入一次能 源的全部价值，包含了整个系统的碳排放量，将 碳排放量平均分摊到终端消费的单位能源产品 上，可以更加客观地研究评价能源转换系统的碳 排放状况。 产生能源转换系统碳排放的原因并不相同， 一部分是为了满足终端用户能源消费引起的排 放，另一部分是在转换过程中各环节的损耗和不 可避免损失造成的。前一部分碳排放量取决于始 端投入的一次能源清洁程度；后一部分则由能源 转换输配各环节中的损耗和转换效率决定。 I．2能源转换过程碳排放的评价方法 采用终端用户消费的单位能源产品碳排放量 来评价整个能源系统的碳排放水平，单位能源产 品的碳排放量为整个能源消费过程碳排放量平均 分摊到终端用户使用的能源产品上的数量。在这 里以可用能(烟)来衡量能源产品的质，以自 备热电厂所供热量和电量(以炯值计)对应的 碳排放量来评价不同能源转换方式的温室气体排 放特性。 不同能源转换方式的单位能源产品的碳排放 量为： ECCD=D =D ／E． 。llI (1) 式(1)中ECCD表征某种能源转换方式的碳排 放特性；D 表示单位能源产品碳排放量；D 表示为能源系统所消耗能源的碳排放总量； ．蚺 为终端用户消费的能源产品总量(以炯值计)。 而碳排放量D 由式(2)可求 D =E； XC。d。 (2) Cede=3．67×10 x26．2×10一 ×O．933=89．7 (3) 式(2)和式(3)中E； 表示能源系统所消耗能 源的烟值；C。如为该种能源的单位炯值co 排 放系数，此处为一次能源为褐煤时的c 值。 D。ep= 。p ． 嘶 +D 。 。。o (4) ． D mj =D P× (5) Duep 。 =Du印×=斋堕 (6) 而ECCD值构成则由式(3)～式(5)来表示。 上述各式中E．m表示能源系统消耗的一次能源量， ． 表示在能源转换和输配过程中各项烟损失 之和；D．p 表示能源产品自身所蕴含炯值对应 的碳排放量；Dusp一表示损失能源烟值所对应的 碳排放。 2实例分析 2．1热电联产的基本参数 实例选取6MW抽汽凝汽式热电联产机组， 一机一炉配置(如图1所示)。系统中机组和热 网参数如表1和表2所示。在不需要极为精确计 算的情况下，可以近似认为燃料(褐煤)的低 位发热值等于其化学烟。燃料的低位发热值为 23023kJ／kg。由式(7)可求得输入燃料量(褐 煤)B=9774．14kg／h。各股烟流值由式(8)可 求。在实例中工况所处的环境温度为一9℃( =264K)，环境压力P0为i0lkPa。 B： 鱼 (7) ．，7锅炉‘g量料低位 。 f=q[(^，一^。)一 ( 一 )] (8) 图1 热电联产系统图 2．2热电联产的烟分析 引 (1)锅炉 烟损失：EmM寻 燃料+ 给水一j 热 (9) (2)汽轮机 炯损失：E汽损=E主蒸汽一E发电一层-汽供热一 回热一E乏汽 (1o) (3)凝汽器 V01．3O No．5 Sept．2011 冶金能源 ENERCY FOR ME IIALLURGICAL INDUSTRY 5 表2热电联产热力学参数 烟损失：E羹掼=E乏汽一E凝水 (11) (4)回热 田损失：E目报=Era,+ 抽汽回水+E离加+E低加 一 培水 (12) (5)主管道 烟损失：E主f掼= 过热一E主蒸汽 (13) (6)热网加热器 炯损失：E加热嚣报=E一次网回水+Ettetft~一 E一次网供水一E抽汽供热回水 (7)热力站 (14) 用损失：E热力站损=E 一次网供水+E二次网回水一 一次阿回水一 二次用供水 (15) (8)热网管道 用损失： 管网损=J 1一次网供水+E --~leJN：,g— 一次同回水一E 一次同侠水 (16) 根据表2的数据和上述各式可以求得热电联 产烟分析结果见表3。 表3热电联产火甩损失分析结果 名称 娴损~f／GJ·h一 名称 烟损值／GJ·h 锅炉 凝汽器 主管道 热力站 123．841 6．588 2．663 3．808 汽轮机 回热 热网加热器 热网管道 15．82 3．708 15．861 5．13 依据二次网的供回水状况，热电联产供给热 用户的焓烟值20．603GJ／h。考虑到热电联产是 热能和电能的联合生产，联合生产所消耗的能源 按照电能和热能的烟值来分摊，同时依据厂用 电情况，抽汽供热的净炯值为45．402GJ，所供 电能的烟值为26．383C．J，则供热消耗褐煤为 6181．85kg，所耗一次能源的炯值为142．22GJ， 6 冶金能源 ENERGY FOR METALLUR( CAL INDUsTRY V01．3O No．5 Sept．2011 由式2计算得CO2排放量12768．23kg；供电所 消耗褐煤为3592．29kg，所耗一次能源的烟值为 82．7lGJ，CO2排放量为7420．05kg。 热电联产同时生产热能和电能两种能源，则 这两种能源的碳排放特性分别计算。由式(1)、 式(5)和式(6)计算得热电联产供热方式的 ECCD值为619．7kg／GJ，热电联产供热的最小排 放量D唧 ． 为89．7kg／GJ，附加排放量D唧一为 530kg／GJ。热电联产供电的ECCD为281．24kg／ GJ，热电联产供电的最小排放量D～ 为 89．7kg／GJ，附加排放量 一为191．54kg／GJ。 3结果讨论与分析 为了方便比较说明，列举了采用其他能源转 换方式供热或者供电时的碳排放特性(炯分析 采用黑箱分析法)，环境条件与热电联产分析一 致，具体结果见表4。 表4不同能源转换方式的碳排放特性 从表4中数据可知热电联产方式无论是供热 还是供电，其碳排放特性指标(ECCD值)都要 优于表中所列举其他形式能源转换方式的排放特 性指标。 无论何种能源利用方式，碳排放特性指标中 最小碳排放量都一致，这是因为各种能源转换方 式在始端投入的一次能源同为褐煤，也就是说始 端一次能源的洁净程度直接决定了供热模式的最 小碳排放量。而附加碳排放量则由整个能源转换 输配利用过程中可用能损耗的大小来决定。在一 次能源输送都为煤炭的情况下，热电联产模式其 整体可用能损耗小，所以热电联产的附加排放量 小于表中其他模式能源供应方式的附加排放量。 在以煤为能源系统始端一次能源的情况下，这是 决定碳排放特性的决定性原因。 减小碳排放最直接有效的办法是源头削减， 即减少含碳化石能源的使用。热电联产通过能源 梯级利用的途径，利用发电后的“余能”供热， 减少化石能源使用，进而实现了减少碳排放的目 的。 4结论 (1)热电联产模式使单纯以发电为目的的电 厂中总量巨大且不易被利用的余能用来供热，体 现了能源梯级利用和按质用能的能源利用原则， 这正是热电联产模式碳排放优势的根本原因。 (2)我国以煤为主的能源结构短时间难以有 根本性改变的，合理发展热电联产，特别是对于 作为能源消耗大户的钢铁行业，热电联产技术模 式更具有重要的意义，是行之有效的碳减排技术 路线。 参考文献 [1]郭云驰，李宏煦，苍大强等．宝钢二氧化碳排放分 析与减排对策研究[J] 冶金能源，2010，29 (3)i 3—7． [2]娄湖山．钢铁工业节能减排的历史重任[J]．冶金 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