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基于環保标準和能源安全玻璃熔制燃料選擇分析

發布時間:2021-06-24
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苑衛軍王輝韓明汝楊征

(唐山科源環保技術裝備有限公司河北唐山 063000)

摘要:以國家和地方頒布的污染物排放标準為基點,從玻璃行業生産過程中煙氣污染物的來源出發,結合國家能源供應狀況,對天然氣、發生爐煤氣、重油和石油焦作為玻璃生産燃料進行了系統分析。指出:就煙氣達标排放而言,以上四種燃料并無明顯的優劣之分;從國家能源安全角度考慮,天然氣不具備大面積推廣的基礎,重油和石油焦作為燃料會受到能源安全的影響,發生爐煤氣符合我國能源結構要求;另外,煤制天然氣雖符合我國能源結構要求,但不符合我國節能減排的主基調。

關鍵詞:玻璃行業;環保标準;能源安全;燃料;天然氣;發生爐煤氣;煤制天然氣;重油;石油焦

Based on environmental standards and fuel safety glass industry fuel selection analysis

Yuan Weijun  Wang Hui HanMingruYang Zheng  

(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd  Tangshan Hebei  063000)

Abstract:Based on the pollutant discharge standards promulgated by the state and local governments, starting from the source of flue gas pollutants in the glass industry production process, combined with the national energy supply situation, natural gas, producer gas, heavy oil and petroleum coke as fuel for glass production has been systematically analyzes. It is pointed out that there are no obvious advantages and disadvantages for the above four types of fuels in terms of smoke emission standards. From the perspective of national energy security, natural gas does not have a large-scale promotion basis, and heavy oil and petroleum coke as fuel will be affected by energy security. The producer gas meets China's energy structure requirements; it is also pointed out that although coal-based natural gas meets China's energy structure requirements, it does not meet the main tone of China's energy-saving emission reduction.

Keywords :glass industry; environmental protection standards; energy security; fuel; natural gas; producer gas; coal-based natural gas; heavy oil; petroleum coke

0引言

近幾年受國家環保及相關産業政策的影響,玻璃行業的生産形勢呈現不同程度的起伏。2018 年我國平闆玻璃(含壓延玻璃)産量 8.68 億重量箱(約合434萬噸),同比增長2.1%【1】,同期我國日用玻璃産量為727.58萬噸,同比下降7.8%【2】。燃料是玻璃生産的動力源頭,我國玻璃熔窯常用燃料主要包括天然氣、發生爐煤氣、重油和石油焦等。近期國家和地方在頒布了一系列污染物排放最新标準的同時,又出台了一系列諸如“限煤”及“煤改氣”類的強制性措施,但接連出現的大面積天然氣“氣荒”,使玻璃行業對燃料的選擇陷入了一片茫然。

本文以國家和地方頒布的污染物排放标準為基點,從玻璃熔窯生産過程中煙氣污染物的來源出發,結合國家能源供應狀況,對天然氣、發生爐煤氣、重油和石油焦作為玻璃生産燃料進行分析,旨在說明玻璃熔窯燃料選擇應該在環保達标的前提下,考慮行業生産特點和國家能源安全狀況,對燃料布局進行系統、科學、長遠的規劃和引導。

1玻璃行業現行環保标準及不同燃料煙氣主要污染物排放

1.1 玻璃行業現行環保标準

近年來國家針對玻璃行業陸續頒布了一系列大氣污染物排放标準,在此基礎上一些地方政府也陸續頒布實施了更為嚴格的控制标準。新标準的實施有利于玻璃行業的健康可持續發展,相關标準規定的煙氣污染物初始排放限值參見表1。

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1.2不同燃料在玻璃生産過程中主要污染物排放

玻璃生産過程中有組織排放的主要污染物來源于生産爐窯,主要為煙塵、SO2和NOx等。煙塵主要由兩部分組成,首先是原料和配合料小顆粒粉塵随煙氣攜出産生的煙塵,其次為燃料燃燒過程産生的煙塵。SO2主要由燃料燃燒産生的SO2和芒硝(Na2SO4)類原輔料受熱分解産生的SO2構成,玻璃配合料中每加入1%的芒硝,每kg玻璃中實際引入煙氣中的SO2 0.8mg【3】。NOx主要由原料中的硝酸鹽高溫分解産生的NOx和燃料燃燒過程中産生的燃料型NOx和熱力型NOx構成,玻璃配合料中每加入0.1%的NaNO3,每kg玻璃中引入煙氣中的NO2 0.54mg【3】,表2【4】列出了玻璃熔化工序産生的大氣污染物初始濃度。

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從燃料燃燒産生的煙氣角度分析,就煙塵排放而言,天然氣和發生爐煤氣燃燒過程中産生的煙塵量較少,石油焦和重油作為固、液态燃料存在燃燒不夠完全問題,其燃燒産生的煙塵排放量相對較大;就SO2排放而言,天然氣燃燒産生的SO2較低,其他三種燃料燃燒産生的SO2量取決于燃料的含硫情況;就NOx的排放而言,由于玻璃熔窯溫度一般都>1550℃,采用以上任何一種燃料,熱力型NOx都是排放煙氣NOx的主要貢獻源。

結合表1和表2分析,就煙氣達标排放而言,燃燒石油焦、重油和發生爐煤氣,爐窯煙氣必須采取有效措施進行除塵、脫硫和脫硝處理【4】;以天然氣為燃料,爐窯煙氣有可能不需要脫硫處理,但必須進行除塵和脫硝處理。根據以上分析,針對玻璃熔窯而言,以上四種燃料并無明顯的優劣之分。

2我國能源供應及消費現狀【5,6,7】

2018年,我國能源生産總量37.7×108tce,同比增長5.0%,其中原煤産量36.8×108t,同比增長4.5%,原油産量1.9×108t,同比下降1.3%,天然氣産量1603×108m3,同比增長8.3%。從一次能源供應結構分析:2018年煤炭占比69.1%,原油占比7.1%,天然氣占比5.6%。從能源消費結構分析,2018年,我國能源消費總量為46.4×108tce,其中煤炭占比59.0%,天然氣占比8.0%,石油占比也有同步增長。

近年我國石油、天然氣消費呈急速上升趨勢,我國于2017年超過美國,成為全球最大的原油進口國,2018年超過日本,成為全球最大的天然氣進口國。同時我國石油和天然氣的對外依存度數據也不斷被刷新,2018年,我國能源淨進口量約為10×108tce,對外依存度21%。其中原油淨進口量4.6×108t,對外依存度高達71%;天然氣淨進口量1200×108m3,對外依存度達到43%。我國原油和天然氣的對外依存度都遠高于國際公認的30%的安全警戒線,而且我國能源輸入渠道過分依賴海上集中運輸,其中天然氣進口總量的58%依靠海運,原油進口總量的80%須要通過馬六甲海峽運輸,這些也極大的增加了我國能源安全的風險。

3 玻璃熔制燃料選擇分析

3.1 天然氣

随着國家“限煤”和“煤改氣”政策的不斷推進,我國某些地區的玻璃企業紛紛改用天然氣作為燃料。就環保排放達标而言,采用天然氣作為燃料,熔窯煙氣雖然可能不需要采取脫硫措施便可以滿足SO2排放要求,但仍然須要采取除塵和脫硝處置才能達到排放标準。就企業生産而言,我國天然氣自身産量不足、對外依存度較大、存儲設施不完善,受冬季北方地區采暖等季節性需求的沖擊,天然氣的供應量波動較大,天然氣斷供現象時有發生,這對于連續性生産要求較高的玻璃行業而言,其造成的沖擊是緻命的。

燃燒天然氣單位産品能耗按照6.0MJ/kg玻璃液計算,天然氣熱值取35.393MJ/m3。假如玻璃熔制全部以天然氣為燃料,則2018年平闆玻璃和日用玻璃生産過程中玻璃液熔制需要消耗天然氣約20×108m3,約占本年度天然氣進口量(1200×108m3)的1.7%。就能源安全角度考慮,全行業大面積改用天然氣缺乏現實性支撐。

3.2 發生爐煤氣與煤制天然氣

發生爐煤氣作為玻璃熔窯的傳統燃料應用極為廣泛,表2數據顯示,以發生爐煤氣和天然氣為燃料,其煙塵、SO2和NOx排放并沒有明顯的區别。但受近年出台的“煤改氣”及“限煤”等政策的沖擊,發生爐煤氣的應用受到了極大的限制。2019年7月1日生态環境部等四部委發布《工業爐窯大氣污染綜合治理方案》(環大氣[2019]56号),文件規定:原則上禁止新建燃料類的煤氣發生爐。

就造氣過程中産生的污染狀況分析,目前玻璃熔制應用的發生爐煤氣站大部分為3Q兩段爐不脫焦的熱煤氣工藝,如圖1所示,上下段煤氣在爐外混合後輸送至用氣點。由于發生爐上段煤氣溫度相對較低(80-120℃),一部分焦油、酚水從上段煤氣冷凝析出造成環境污染。與3Q兩段爐相比,強化幹餾的5Q兩段爐在煤氣熱值、副産焦油的産量和質量、炭資源的節約利用、爐内固硫效果和設備操作與維護等方面具有諸多優勢【8,9】,圖2為5Q兩段爐不脫焦的熱煤氣工藝流程,上下段煤氣在5Q氣化爐内混合,爐出煤氣溫度450-550℃,無焦油、酚水從煤氣中冷凝析出,有效的克服了3Q兩段爐熱煤氣站的焦油和酚水污染問題。煤氣站儲煤和輸煤過程産生的粉塵,以及隔斷水封和沉降室水封處散發的VOCs物質等無組織排放可以通過有效措施進行治理【10】。煤氣發生爐在烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程中煤氣(煙氣)放散也會産生相應的污染,其污染主要特征參見表4【11】。發生爐幹餾段爐襯壽命一般5-10年,即每5-10年烘爐一次,烘爐頻次較低;點火送氣初期,發生爐放散廢氣以CO2為主,同烘爐過程一樣,采取自然放散形式,但該階段時間較短;點火送氣後期、發生爐熱備和停爐階段,放散廢氣以CO為主,基本采取火炬放散形式以CO2形式排放。烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程最後産生的煙氣可以通過設置除塵、脫硫及脫硝系統進行有效處理。另外,熱煤氣輸送過程中少量冷凝焦油和粉塵的清理點也是玻璃行業煤氣站普遍存在的環境污染節點,這可以通過采取對煤氣輸送管道強化保溫等措施,避免焦油冷凝加以解決。綜上所述,玻璃熔制應用的發生爐煤氣站可以通過技術創新、采用先進的技術進行改進和完善,從而達到可以解禁的環境水平。

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從系統能源利用效率【12】角度分析,玻璃行業熱煤氣站生産的煤氣和副産焦油提供的化學能以及熱煤氣(300-350℃)的物理顯熱,都屬于系統的有效産出能量,系統消耗能量僅為系統消耗的電能和氣化用煤的化學熱量。表4為KM5Q3.6煤氣發生爐熱煤氣站系統能源利用率的計算,結果顯示系統能源利用效率高達90.9%。梁德海【13,14】指出在煤制能源産品中,優質煤制發生爐煤氣的能量利用率最高、單位熱值成本最低,污染物治理後的排放指标可與國際先進水平指标接軌,是有利于環境保護的工業燃氣。


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近年,借“煤改氣”的東風,煤制天然氣(煤經過氣化後,再經過甲烷化處理,生産的代用天然氣)作為燃料開始粉墨登場【15】。2018年煤制天然氣生産量28億m3,在我國自産天然氣總量中占比約為1.75%【6】。煤制天然氣工藝複雜、投資巨大、耗水量大(每生産1000Nm3天然氣需耗水10t)、環保治理難度大,同時煤制氣過程會産生大量硫化物和含酚廢水等污染物,處理不當會對環境造成很大污染【16】。煤制天然氣的能源利用效率相對較低,該效率理論上可以超過60%【17】,隻相當于發生爐煤氣的2/3,不符合我國節能減排的主基調。

就我國“富煤、少油、缺氣”的能源結構而言,煤制天然氣與發生爐煤氣都屬于潔淨煤技術範疇,都符合我國能源安全的要求,煤制天然氣可以作為應付能源安全的儲備技術,但作為燃料目前不具備推廣應用的價值。

3.3重油與石油焦

重油和石油焦都是原油加工過程産生的衍生物。重油主要作為燃料應用,另外重油還可以制取其他化工原料。石油焦主要用于煉鋁、制造石墨、制取炭素制品、制取炭化矽制品等,做為燃料應用隻是其用途之一。作為燃料應用,重油和石油焦都是比較好的高熱值燃料,重油的熱值一般為40-42MJ/kg,石油焦的熱值一般35-36 MJ/kg。

對比表1和表2,重油和石油焦作為玻璃熔窯的燃料應用,和天然氣及發生爐煤氣一樣,熔窯煙氣必須經過除塵、脫硫和脫硝處理才能達标排放。另外,重油必須經過蒸汽加熱和霧化後才能燃燒完全;石油焦需用經過超微粉碎制成焦粉後才能進行燃燒。重油和石油焦燃燒前的處理過程需要采取相應的環保控制措施,才能達到相關排放标準要求。

從能源安全角度考慮,重油和石油焦都是原油的衍生品,其供應量會直接受到原油供應的影響。目前我國原油對外依存度高達71%,一旦出現能源危機,首先受到沖擊的是原油供應,重油和石油焦的供應量勢必相應驟減,特别是石油焦由于其他用途廣泛,作為燃料供應可能會受到更大的沖擊。

4 總結

(1)受玻璃生産過程中原料和配合料以及玻璃熔窯溫度的影響,采用天然氣、發生爐煤氣、重油和石油焦任何一種燃料,其熔窯煙氣都必須經過除塵、脫硫和脫硝處理後,才能符合國家(地方)排放标準(燃用天然氣可能不需要脫硫處理)。就煙氣達标排放而言,以上四種燃料并無明顯的優劣之分。

(2)就國家能源安全角度分析,目前我國天然氣和原油的對外依存度都遠高于國際公認的30%的安全警戒線。大面積推廣天然氣不具備現實性的支撐,另外重油和石油焦作為原油的衍生品,也會受到原油安全供應的直接影響,發生爐煤氣作為潔淨煤轉化技術,符合我國能源結構要求。

(3)煤制天然氣雖然屬于潔淨煤轉化技術,符合我國能源結構要求,但該技術耗水量大、環保治理難度大,其能源利用效率隻相當于發生爐煤氣的2/3,不符合我國節能減排的主基調。

(4)玻璃行業燃料選擇應該在環保達标的前提下,考慮行業生産特點和國家能源安全狀況,對燃料布局進行系統、科學、長遠的規劃和引導。

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第一作者

姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于華北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com。

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