摘要：某鄉(xiāng)村擁有豬糞、秸稈等大量生物質(zhì)能，為降低該地區(qū)玻璃廠的能源成本及污染物排放量，提出建立生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)的改造方案。對(duì)改造前后生物質(zhì)處理利用方式及玻璃廠用能方式進(jìn)行探討，比較改造前后玻璃廠二氧化硫、溫室氣體排放量。生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)具有較高的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，在農(nóng)村地區(qū)具有可行性。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；  生物質(zhì)多聯(lián)供；  節(jié)能減排

Feasibility Analysis of Application of Biomass Cogeneration System

Abstract: A village possesses a large number of pig manure，straw and other biomass. The reconstruction scheme of building a biomass cogeneration system is proposed to reduce the energy cost and emissions of pollutants of the glassworks in the area. The biomass treatments and use patterns and the energy consumption patterns of the glassworks before and after the reconstruction are discussed. The emissions of sulfur dioxide and greenhouse gases from the glassworks before and after the reconstruction are compared. The biomass cogeneration system is feasible in the rural area due to its high environmental and economic benefits.

Key words: biomass；biomass cogeneration system；energy saving and emission reduction

生物質(zhì)利用過程中二氧化碳排放量等于生長(zhǎng)過程中的吸收量，因此生物質(zhì)是一種二氧化碳零排放的可再生資源。生物質(zhì)的揮發(fā)分高，炭活性高，硫、氮和灰分含量少，在利用轉(zhuǎn)化過程中的硫化物、氮氧化物、粉塵排放量很低^[1]。我國學(xué)者對(duì)生物質(zhì)能的利用方法進(jìn)行了廣泛研究^[2-9]。

我國農(nóng)村地區(qū)具有豐富的生物質(zhì)能，如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等，若不加以利用，不僅造成環(huán)境污染，而且也是資源的巨大浪費(fèi)。因此，將生物質(zhì)能用于農(nóng)村企業(yè)，對(duì)高污染農(nóng)村企業(yè)能源系統(tǒng)進(jìn)行改造，建立生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)，是改善農(nóng)村環(huán)境的有效途徑^[10]。本文對(duì)生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析。

1 工程概況

湘潭縣某玻璃廠生產(chǎn)能耗巨大，燃煤成本占年運(yùn)營成本的25％，生產(chǎn)過程中排放大量S0₂、C0₂。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，湘潭縣被譽(yù)為“全國養(yǎng)豬第一縣”，該玻璃廠所在村莊建有130多口沼氣池，主要以當(dāng)?shù)氐呢i糞為原料，產(chǎn)生的沼氣除部分用于炊事外，其他均排至大氣。另外，由于豬糞產(chǎn)量巨大，在滿足沼氣池使用之外仍有過剩豬糞直排田間，在開放環(huán)境下產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等。據(jù)初步估算，外排沼氣和過剩豬糞每年向環(huán)境排放的溫室氣體折合成二氧化碳約2 800 t/a。當(dāng)?shù)赜袊壹?jí)超級(jí)水稻大規(guī)模推廣基地，目前村民大多采用田間焚燒的方法處理秸稈，大量生物質(zhì)能被浪費(fèi)，排放大量二氧化硫及氮氧化物。

綜合分析當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)資源情況與玻璃廠的用能特點(diǎn)，對(duì)高污染企業(yè)的能源系統(tǒng)進(jìn)行改造，建立生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)。

2 改造方案及理論計(jì)算

①改造方案

改造前，生物質(zhì)處理利用方式及玻璃廠用能方式見圖1。由圖1可知，改造前，一方面，大量秸稈以及過剩豬糞、沼氣被浪費(fèi)；另一方面，玻璃廠卻在使用高污染的煤炭供能。調(diào)查顯示，玻璃廠采用煤氣發(fā)生爐制煤氣，用于生產(chǎn)玻璃，每日平均耗煤量為13 t/d。由于多采用高硫煤，且煙氣凈化設(shè)備工藝落后，煙氣中二氧化硫質(zhì)量濃度超過5 000 mg/m³，是典型的高污染企業(yè)。然而該玻璃廠解決了當(dāng)?shù)赜?span lang="EN-US">100人的就業(yè)問題，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)和解決農(nóng)村剩余勞動(dòng)力有很重要的作用。

為降低玻璃廠污染物排放量，降低能源成本，結(jié)合當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源條件，擬將生物質(zhì)能作為玻璃廠能源，構(gòu)建生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)(見圖2)。在玻璃廠原有的生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上，修建大型沼氣池、生物質(zhì)熱解氣化站、儲(chǔ)氣罐等設(shè)施。以豬糞作為制沼氣原料，秸稈作為制熱解氣原料，產(chǎn)生的混合氣(沼氣與熱解氣的混合氣)作為玻璃廠的燃料。沼渣、含碳灰渣可作為制肥原料。

②理論計(jì)算

a.沼氣與熱解氣需求量

沼氣、熱解氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)見表1、2。熔化單位質(zhì)量玻璃耗熱量為2 000 MJ/t，玻璃廠每日熔化玻璃質(zhì)量約20 t/d。沼氣與熱解氣按l:1的體積比例混合，混合氣低熱值為l5 MJ/m³，燃?xì)獠ＡС馗G生產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率取80％。由此可計(jì)算得每日混合氣需求量為3 333 m³/d，則沼氣與熱解氣的需求量分別為1 666.5 m³/d。經(jīng)核算，每日需處理豬糞35 t/d，需處理秸稈5.2 t/d。

b.煙氣二氧化硫含量

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可計(jì)算得l m³沼氣燃燒所需空氣量為5.21 m³，產(chǎn)生的煙氣量為6.53 m³。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可計(jì)算得l m³熱解氣燃燒所需空氣量為4.56 m³，產(chǎn)生的煙氣量為4.96 m³。由于沼氣與熱解氣按1：1的比例混合，可計(jì)算得l m³混合氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量為5.75 m³。H₂S的密度為l.54 kg/m³，可得到l m³混合氣燃燒產(chǎn)生的SO₂質(zhì)量為3 623.66 mg，則l m³混合氣燃燒后生成的煙氣中SO₂的質(zhì)量濃度為630.2 mg/m³。

c.溫室氣體排放量

由于生物質(zhì)利用過程中二氧化碳排放量等于生長(zhǎng)過程中的吸收量，因此生物質(zhì)利用過程中二氧化碳排放量為零。改造前，玻璃廠以煤炭為原料制取煤氣，煤樣的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果見表3。低位發(fā)熱量為20.9 MJ/kg。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得二氧化碳年排放量為13 355 t/a。

3效益分析

①環(huán)保效益分析

改造前后玻璃廠排放煙氣中SO₂質(zhì)量濃度及CO₂年排放量比較見表4。由表4可知，改造后玻璃廠排放煙氣中的SO₂質(zhì)量濃度明顯降低，溫室氣體CO₂排放量為零。改造后，過剩豬糞及秸稈得到了合理利用，豬糞污水化學(xué)需氧量(COD)將明顯降低，秸稈的田間焚燒將明顯減少。因此，改造后的生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)帶來巨大的環(huán)保效益。

②經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)項(xiàng)目改造需要，在玻璃廠原有生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上，需要修建沼氣池、熱解氣化站、儲(chǔ)氣罐等設(shè)施，應(yīng)列入建設(shè)成本。由于該項(xiàng)目符合國家政策中著力進(jìn)行綠色能源縣以及新農(nóng)村建設(shè)的思路，可得到發(fā)改委以及農(nóng)業(yè)部門的財(cái)政補(bǔ)貼。結(jié)合企業(yè)自籌資金，項(xiàng)目改造具有充分的經(jīng)濟(jì)保證。項(xiàng)目建設(shè)成本、項(xiàng)目補(bǔ)貼資金明細(xì)見表5，項(xiàng)目實(shí)施前后玻璃廠業(yè)績(jī)對(duì)比見表6。項(xiàng)目實(shí)施前的人員數(shù)量為100人，實(shí)施后新增崗位30個(gè)。

由表5、6數(shù)據(jù)可知，項(xiàng)目建設(shè)成本為330×10⁴元，發(fā)改委及農(nóng)業(yè)部門的補(bǔ)貼資金為l70×10⁴元，企業(yè)實(shí)際投資金額為160×10⁴元。項(xiàng)目實(shí)施前，玻璃廠年利潤為83×10⁴元/a；項(xiàng)目實(shí)施后，玻璃廠年利潤為156×10⁴元/a。經(jīng)計(jì)算可得，靜態(tài)差額投資回收期為2.2年。

4 結(jié)論

①生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豬糞和秸稈等生物質(zhì)能的有效利用，不僅為農(nóng)民增加了收入，又解決了豬糞直排、秸稈田間焚燒造成的環(huán)境污染問題，有效控制了玻璃廠的污染物排放量，具有較高的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益。

②生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源的實(shí)際情況及企業(yè)用能方式，建立適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的生物質(zhì)多聯(lián)供系統(tǒng)。

③隨著生物質(zhì)氣化中焦油轉(zhuǎn)化方法的進(jìn)一步研究，焦油的利用會(huì)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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本文作者：李攀 王賢華 陳應(yīng)泉 楊海平 陳漢平

作者單位：華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室