引言山东省煤炭消费量占一次能源消费总量的75%以上，约占我国煤炭消费总量的12%。在控制能源消费总量和增量的基础上，通过淘汰落后产能、压减过剩产能、提高煤炭利用效率等措施，直接减少煤炭消费；利用可再生能源、天然气、电力等优质资源替代煤炭消费，进一步优化能源结构；尽快淘汰落后窑炉、锅炉，推广使用高效煤粉等清洁能源，实现工业炉窑清洁燃料供给。“十三五”期间相关部门提出在山东省全省范围内推广高效环保煤粉锅炉，截至2018年累计推广高效环保煤粉锅炉2.5万蒸吨以上，煤粉锅炉应用比例达到65%[1]。煤粉工业锅炉系统[2-3]通过采用低氮燃烧、SCR（选择性催化还原）/SNCR（非选择性催化还原）脱硝、超细布袋除尘等先进技术实现燃料的高效利用。高效煤粉工业锅炉是煤炭科学技术研究院有限公司自主研发的新型环保锅炉，较传统链条炉相比具有煤粉燃尽率高、热效率高、污染物排放少等优点[4]。从燃煤污染物排放达标方面考量，高效煤粉锅炉能够满足当时的《锅炉大气污染物排放标准》，起到了一定的减排效果，但高效煤粉锅炉仍是燃煤锅炉。据有关部门统计，工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的30%~40%[5-6]。某药业公司现有低吨位运行的35 t/h、20 t/h高效煤粉锅炉仍面临关停和淘汰。以某药业公司为例，从节能降碳的角度出发，推行绿色清洁能源利用方式，挖掘减污降碳潜力，详细核算锅炉改造带来的减碳效果。1案例概况山东省某药业公司以注射剂为主，兼有口服制剂和原料药等产品。药业公司持续推进新旧动能转换、完成能源消耗总量和强度“双控”。公司所处区域属于省重点控制区，污染物排放实施严格的总量控制原则。污染物排放总量指标采取市区域内平衡的政策。药业公司厂址所处区域上一年环境空气质量年平均浓度不达标[7]，后续新上项目污染物排放减量按不达标区双倍减量替代方案执行[8]。药业公司厂区目前配备35 t/h（型号DHS35-1.6-AIII）和20 t/h（型号DHS20-1.6-AIII）高效煤粉锅各一台，额定蒸发量达到55 t/h，可为全厂区片剂、口服液、软包装输液、注射剂、原料药等10多条生产线提供足量的热力。根据全厂现状用热情况的连续调查数据，药业公司只运行35 t/h燃煤锅炉基本就能满足全厂热力需求，20 t/h燃煤锅炉在调峰时期启用。根据既定的绿色循环低碳发展思路，该药业公司需要完成35 t/h及以下燃煤锅炉淘汰任务，以便为在建生产线及后续储备项目发展留出环境容量，减轻环保压力。由于厂区所在园区集中供热尚未在短期内实现，因此企业为了实现增产不增污，必须寻求高效能源供应系统，提出合理可行的清洁能源替代方案，为减碳提供切实有据可查的碳排放绩效数据。某药业公司热力供给情况如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.032.F001图1某药业公司热力供给情况基于市场因素，根据生产线运行负荷实际统计情况，2019~2021年药厂一直未达到全厂所有装置的满负荷运行。2019~2021年药业公司蒸汽实际消耗量如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.032.T001表12019~2021年药业公司蒸汽实际消耗量年份蒸汽实际用量/t煤粉用量/t年运行时间/h平均蒸汽负荷/(t/h)2019176 72818 0267 92022.312020160 43416 3647 92020.262021186 68619 0427 92023.57由表1可知，药业公司生产装置运行负荷为67.3%~78.3%。现有的两台煤粉锅炉产能明显过剩，应解决锅炉低负荷长时间运行或闲置的问题。分析药业公司现有煤粉炉的实际运行负荷，由于锅炉运行随生产负荷波动，即使只开启35 t/h锅炉，锅炉运行负荷为57.9%~63.8%。煤粉锅炉低负荷运行时，由于受安装、调试和调整等因素的影响，炉内空气动力场达不到设计要求，炉内火焰中心位置常发生偏斜，热负荷分布不均导致炉膛四周吸热不均，可能引起管内工质发生停滞或倒流等。煤粉锅炉低负荷运行时，蒸发吸热和过热吸热难以匹配，过热蒸汽温度难以满足运行要求，升降负荷速率时负荷调节范围窄，在低负荷时经常出现燃烧不稳定、爆燃、火焰上移甚至灭火现象[9]。2锅炉排放现状选取2019年~2021年1月、4月、7月和10月在线检测值，药业公司煤粉锅炉实际排放量[10]如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.032.T002表2药业公司煤粉锅炉实际排放量项目排放浓度/(mg/m3)排放速率/(kg/h)SO2NOX颗粒物SO2NOX颗粒物2019年1月12.1357.721.520.442.120.064月12.8759.092.130.572.590.097月19.9066.522.810.883.000.1310月22.6361.501.520.681.830.052020年1月17.7969.601.960.521.990.064月18.9765.171.980.411.340.037月27.2368.421.260.721.760.0310月21.7069.021.030.732.320.032021年1月25.9351.510.630.881.740.024月13.9534.772.240.521.240.077月11.4733.082.970.371.010.0910月15.2540.444.380.541.420.16平均值18.3256.402.040.601.860.07标准值5010010锅炉运行时间7 920 h/a，由表2可知，2019~2021年药业公司污染物排放情况：二氧化硫排放量为4.79 t/a，排放浓度为18.32 mg/m3；颗粒物排放量为0.54 t/a，排放浓度为2.04 mg/m3；氮氧化物排放量为14.78 t/a，排放浓度为56.40 mg/m3，能够达到山东省《锅炉大气污染物排放标准》（BD 37/2374—2018）表2中重点控制区大气污染物排放浓度限值要求。碳排放计算方法包含排放因子法和物料衡算法[11]。碳排放包括燃料燃烧排放、过程排放、购入电力与热力产生的排放和特殊排放。为了简便计算，此处仅考虑煤粉燃烧排放。ECO2=AD×CC×OF×44×12-1 (1)CC=NCV×EF (2)式中：AD——煤粉用量，在考虑蒸汽冷凝水（温度80 ℃、0.6 MPa、335.43 kJ/kg）回收于锅炉给水的情况下，药业公司2019~2021年煤粉用量为53 432 t；CC——煤粉含碳量，t C/t；OF——碳氧化率，煤粉取94%；NCV——煤粉低位发热量，取24.515 GJ/t；EF——单位热值含碳量，取27.49×10-3 t C/GJ。2019~2021年药业公司煤粉燃料产生的通过DA003排气筒的二氧化碳排放量ECO2=124 110 t，平均每年排放二氧化碳41 370 t。3清洁能源利用3.1药业公司天然气锅炉替代后污染物排放根据当地环保要求，药业公司需要在2022年底前关停现有煤粉锅炉，为了不影响药业生产，在对现有生产装置实际用汽需求的调查基础上，2021年药业公司投资400万元新上一台25 t/a天然气锅炉。根据山东省碳排放减量替代办法，需要寻求替代源并提供可行的替代源方案，以减少碳排放。药业公司使用1台25 t/h天然气锅炉替代厂区原有锅炉房的35 t/h、20 t/h高效煤粉炉各一台，燃烧烟气通过改造现有5台4 t/h备用天然气锅炉烟囱（DA004，H27，D1.5）外排。与原来煤粉锅炉生产同样蒸汽（温度180 ℃、1.0 MPa、2 777.12 kJ/kg、22.047 t/h）的情况下，锅炉运行负荷维持在88.19%即可，此时天然气用量为1 296.78×104 m3/a，烟气量为18 502 m3/h。药业公司新上天然气锅炉排放情况的预测值如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.032.T003表3药业公司新上天然气锅炉排放情况的预测值污染物种类核算方法污染物产量/(t/a)污染物产生速率/(kg/h)污染物废气浓度/(mg/m3)SO2物料衡算2.5940.32717.7NOX类比法5.1730.65335.3颗粒物类比法0.6450.0814.4由表2和表3可知，改为清洁能源后，SO2排放量为2.594 t/a，减排2.196 t/a，减排幅度达45.85%；NOX排放量为5.173 t/a，减排9.607 t/a，减排幅度达65%；颗粒物排放量为0.645 t/a，略增0.105 t/a，增加幅度为19.4%，上升原因是煤粉锅炉有除尘措施。3.2天然气碳排放参考煤粉炉的碳排放计算规则，天然气碳排放ECO2'为：ECO2'=ADg×CCg×OFg×44×12-1 (3)CCg=NCVg×EFg (4)式中：ADg——天然气用量，在考虑蒸汽冷凝水（温度80 ℃、0.6 MPa、335.43 kJ/kg）回收于锅炉给水的情况下，取1 296.78×104 m3/a；CCg——天然气含碳量，取15.30×10-3 t C/GJ；OF——碳氧化率，取99%；NCVg——天然气低位发热量，取389.31 GJ/万m3；EFg——单位热值含碳量，15.3×10-3 t C/GJ。天然气产生相同蒸汽量的情况下，DA004排气筒的二氧化碳排放量ECO2'=28 039 t/a。通过燃料替换减少二氧化碳排放13 331 t/a。4验证药业公司天然气锅炉于2023年3月建成，2023年3月23日~3月24日委托ZX环境检测有限公司进行环保验收检测，此次检测天然气锅炉按100%负荷运行。此次验证折算为88.19%的负荷。检测得到的污染物浓度较小，原因可能是风量较大，故取污染物平均排放速率计算污染物排放量。SO2排放浓度较低，未在报告中写出数值。NOX平均排放速率为0.779 9 kg/h、6.177 t/a；颗粒物平均排放速率为0.049 4 kg/h、0.391 t/a。通过对比验收结果，天然气作为清洁能源，在减排减碳方面具有可观的效果。5结语采用天然气清洁能源替代煤粉燃料，可以直接降低煤炭消费量增长，减排减碳效果明显，短期内达到总量控制及落实排污许可制度。石油和天然气的单位热量消耗碳排放量比煤炭低10%~30%，因此，加速国家能源消费必然从以传统煤炭矿种为主的结构向以现代石油和天然气矿种为主转变，这不仅是减少国家碳排放的有效途径，也是国家工业化和城市化发展的正常趋势。为确保如期实现2030年前碳达峰目标，国家推进煤炭消费替代和转型升级计划，加快煤炭减量的步伐。山东省作为能源消耗大省，被中华人民共和国生态环境部列为碳排放环境影响评价试点，在电力、钢铁、建材、有色、石化和化工等重点行业已经实行碳排放环境评价制度。在“双碳”背景下，涉煤企业在开展节能减排过程中，正确认识能源绿色低碳转型、燃料优化、废热污染与余热回收、设备能效水平提高的重要性，坚持能量平衡原理，研究碳排放节点，重视工艺过程减碳，兼顾环境污染问题，争取多种途径建立合理可行的污染源替代方案。天然气依旧属于化石能源，具有不可再生的特点。未来仍然大力开展低碳能源技术，新的低碳能源技术在提供能量的同时不产生或很少产生碳排放，如氢能、海洋能和核能等。