作者：聂廷哲、高华伟、刘焕宇、解东来

单位：深圳中燃哈工大燃气技术研究院

已发表至煤气热力2016年8月刊

陶瓷行业是重要的能耗大户，普遍采用成本较低的发生炉煤气，会产生很大的环境污染。本文对比已有煤气发生炉、新建煤气发生炉与改用天然气的建设成本、运营成本及单位有效热值成本，分析陶瓷行业使用发生炉煤气与天然气的经济性和环保性，并提出陶瓷行业煤改气的建议。

1、概述

陶瓷行业是重要的能耗大户，陶瓷行业的能耗与陶瓷产品、窑型、烧成温度等有关。常见的陶瓷产品有日用陶瓷、建筑陶瓷、艺术陶瓷、化学工业陶瓷、实验室器材、电气绝缘材料等，其中日用陶瓷烧制的流程较为复杂，其产品能耗居陶瓷行业之首。窑型按照窑车的运动轨迹来分，大致分为梭式窑、隧道窑、辊道窑三类，其中辊道窑单位产量能耗较低，隧道窑较高，梭式窑最高。在陶瓷生产工艺中，不同烧制阶段如素烧、釉烧阶段烧成温度不同，烧成温度越高，能耗就越高，据热平衡计算，烧成温度从1400℃降低到1300℃，每千克产品能耗可降低20%；烧成温度从1300℃降低到1200℃，每千克产品能耗可降低11%。

目前高端建筑陶瓷、日用陶瓷、艺术陶瓷等利润水平相对较高、烧制工艺对燃气气质有一定要求的企业对天然气的接受程度较高^[1,2]，但低端建筑陶瓷、电气绝缘材料企业由于能源在其生产运营成本中所占比例较高，依然普遍采用成本较低的发生炉煤气，产生很大的环境污染。也有陶瓷园区计划采用焦炉煤气、空气、矿井气混合供气，解决矿井气供应不稳定的问题^[3]。

随着国家天然气调价方案的推出和实行，非居民天然气门站价格的下降，天然气对其他燃料的竞争性将有所增加。本文以某陶瓷厂为例，对比已有煤气发生炉、新建煤气发生炉与改用天然气的能源成本，分析陶瓷行业使用发生炉煤气与天然气的经济性和环保性，并提出陶瓷行业煤改气的建议。

2、项目概况及基础数据

2.1项目概况

某陶瓷厂建有一座煤气发生站，共4台两段式煤气发生炉，建设总投资2200万元，设备使用期为10年。陶瓷厂日耗煤量约110 t/d，年运行天数365d，年耗煤量40150 t/a。1t煤生产3200Nm³煤气，发生炉年产12848×10⁴Nm³/a煤气，日产气量为35.2×10⁴Nm³/a。烧制陶瓷的窑炉实际用气量为9636×10⁴Nm³/年。煤气发生炉操作人员20人，年人均工资2.7万元/(人·a)。

2.2基础数据

2.2.1 发生炉煤气与天然气热值^[4]

发生炉煤气主要成分为CO、N₂和H₂，天然气主要成分为CH₄，具体组分见下表：

表1发生炉煤气与天然气组分表(%)

根据发生炉煤气与天然气组分，计算发生炉煤气低热值为5.89MJ/Nm3，天然气低热值为35.61MJ/Nm3。在完全燃烧情况下，1Nm3天然气相当于6Nm3发生炉煤气。

2.2.2 发生炉煤气与天然气利用效率

煤气发生炉由于没有储气设施和调峰设备，不能连续供气，需要预先点炉，发生炉煤气使用完毕需要放空处理，大大降低了发生炉煤气的利用效率，实际用于窑炉烧制陶瓷的发生炉煤气量占发生炉产生的煤气量的比例即发生炉煤气利用效率约为75%。

而天然气供气设施可以做到随用随开，即关即停，基本不存在天然气的放空，考虑检修等造成的天然气排放，用于窑炉烧制陶瓷的天然气量占进厂的天然气量的比例定为天然气利用效率，约为95%。

3、发生炉煤气与天然气的经济性分析

3.1建设成本

已有煤气发生炉的陶瓷厂，考虑按现状与天然气对比，在计算能源成本时，不考虑建设投资，建设成本不计入能源成本中。

对于新建煤气发生炉，则要考虑建设成本，参照已建煤气发生炉投资，以内部收益率为12%计算，折现均摊至每年建设成本约为390万元/年。

陶瓷厂如改用天然气，气源由当地燃气公司提供，需建设调压站1座，建设总投资65万元，设备使用期为20年。以内部收益率为12%计算，折现均摊至每年建设成本约为12万元/年。

3.2运营成本

运营成本包括人工费用、设备运营维护费用、燃料费用。，煤气发生炉属于二类特种设备，按照《特种设备安全法》，国家对这类设备有相当高的安全要求，企业需进行设备自我管理和作业人员培训，保障设备安全使用。与天然气相比，企业对这类设备和操作人员的管理费用支出要高。已有、新建煤气发生炉运营成本都根据已有煤气发生炉运行情况确定。

3.2.1 人工费用

煤气发生炉需要专业操作工20人操作，年人均工资2.7万元，年人工费用54万元。天然气设施的运行管理人员配置2人，年人均工资2.7万元，年人工费用5.4万元。

3.2.2 设备运营维护费用

发生炉煤气的设备运营维护费用包括：

1）发生炉的维修保养费用以每年15万元计算。

2）煤的预处理费用（包括筛分、洗煤和储存）10万元/年，预处理设备维护费用4万元/年。

3）灰渣处理费用10万元/年。

4）废水处理费用200万元/年。

5）耗电以245万元/年计。

6）每年消耗水所需费用4万元。

发生炉煤气设备运营维护费用总计488万元/年。

天然气的设备运营维护费用仅3000元/年。

3.2.3 燃料费用

某陶瓷厂发生炉煤气生产设备，煤消耗量为110t/d，每吨煤以700元计，则煤气发生炉每年运营所需燃料费用2810.5万元。

陶瓷厂改用天然气时，按窑炉实际用发生炉煤气9636×104Nm3/年，根据燃气热值及利用效率折算，计算天然气年用气量为1676.6×104Nm3，当地天然气价格2.5元/Nm3，则天然气燃料费用为4191万元/年。

3.2.4 运营成本

因此发生炉煤气运营成本=54+488+2810.5=3352.5万元/年。发生炉生产煤气的同时也产生焦油，焦油产量2409t/年，单价按2000元/t，可产生收益481.8万元/年。扣除产生的收益，发生炉煤气年运营成本为2870.7万元。

天然气运营成本=5.4+0.3+4191=4196.7万元/年。天然气代替煤燃料，减少的CO2排放量可以通过碳排放交易获得收益。天然气二氧化碳排放因子为1.994kg/Nm3，标煤二氧化碳排放因子为2.7716kg/kg[5]。计算天然气年二氧化碳排放量为3.34×104t，煤年二氧化碳排放量为11.13×104t。则每年天然气可以减少7.79×104tCO2排放。按2016年3月份广东碳排放交易成交均价16元/tCO2计算，改烧天然气而减少碳排放的价值124.6万元。扣除碳排放收益，天然气年运营成本为4072.1万元。

3.3单位有效热值成本

陶瓷厂的能源成本=建设成本+运营成本。因为与改造天然气相比较，已有煤气发生炉不考虑建设成本，能源成本即运营成本2870.7万元/年。新建煤气发生炉能源成本=390+2870.7=3260.7万元/年，天然气能源成本=12+4072.1=4084.1万元/年。改用天然气比已有煤气发生炉年增加成本1213.4万元，比新建煤气发生炉年增加成本823.4万元。

考虑燃气热值及利用效率，计算单位有效热值成本=（建设成本+运营成本）/（年用气量×热值×利用效率）。计算已有煤气发生炉、新建煤气发生炉、天然气的单位有效热值成本见表2。

表2 天然气与发生炉煤气单位有效热值成本对比

从表2可以看到，单就燃气本身的热值而言，已有煤气发生装置时，陶瓷企业使用天然气替换发生炉煤气的成本增加42.3%，成本是比较高的，天然气替换新建煤气发生装置的成本增加25.3%，经济性也有一定差别。

由于燃料耗量大，燃料费用占运营成本的绝大部分，燃料价格的高低对运营成本影响很大。虽然天然气价格不断调整，但在当前煤价持续走低的情况下，天然气与煤炭在经济性方面相比不具有优势。根据前节内容，计算当煤价为700元/t时，如果要使天然气的单位有效热值成本与新建煤气发生装置的经济性相同，则天然气气价应降至（或在其他政策的补贴下达到）2.01元/Nm³。如果要使天然气的单位有效热值成本与已有煤气发生装置的经济性相同，则天然气气价应降至1.77元/Nm3。

4、天然气与煤制气环保性分析

煤炭气化过程中会产生焦油、酚类化合物、氰化物、硫、氨等以及其他有机物和粉尘，并含有大量的PM₁₀、PM_2.5等可致癌物。陶瓷厂煤炭消耗量110 t/d，每天产生的SO₂量为462kg，产生的NOx量为847kg，产生PM_2.5量为1100kg，给企业职工和附近居民带来非常大的危害。

陶瓷企业使用煤气发生炉除了会产生上述硫化物、氮氧化物和可吸入颗粒物等污染物外，最为严重的是会产生对环境、人体、水生物和农作物有巨大危害的含酚废水。发生炉煤气经过洗涤净化和冷却降温后会形成含酚废水，浓度在300~1000mg/L，直接排放会对生态环境造成极为严重的污染，如采用焚烧法处理含酚废水，处理成本为200~300元/吨废水[6,7]。经计算，每年耗煤4万吨的企业废水处理成本约200~300万元。而目前大部分陶瓷企业采用的含酚废水处理技术仍存在巨大安全隐患，长期在酚类有机物直接接触的环境下，人体致癌、致畸、致突变的机率明显升高，极大的危害工人的身体健康。

天然气的主要成分为甲烷，燃烧过程中，所产生的影响人类呼吸系统健康的氮化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧化硫，产生二氧化碳、氮氧化物的排放量比燃煤大大减少，燃烧之后也没有废渣、废水。

陶瓷企业由燃煤转变为燃用天然气，可以大大降低二氧化碳、硫化物、氮氧化物的排放，减少可吸入颗粒物的浓度，为工厂职工的健康着想，有助于塑造企业关爱职工、以人为本的形象，从根本上改善环境卫生，为城市可吸入颗粒物浓度的达标做出积极贡献，对改善城区的大气环境质量有十分重要的意义。

5、陶瓷行业煤改气结论及建议

虽然天然气价格不断调整，但在当前煤价持续走低的情况下，天然气与煤炭在经济性方面相比不具有优势。建议从以下几个方面考虑陶瓷行业煤改气工作的开展。

1）向陶瓷企业宣传天然气的环保特性，使用天然气有助于企业塑造关爱职工健康、以人为本的形象，改善大气环境，为城市环境卫生做贡献。

2）对于经济承受力弱的陶瓷企业，在煤改气初期，允许天然气与煤气并存。例如陶瓷二次烧成工艺流程中的釉烧阶段对燃气气质要求较高，釉烧比素烧改烧天然气的益处大，可优先进行釉烧窑炉的改造，后期条件成熟的时候再完成所有燃气替换。

3）对于天然气供应企业，应提高技术服务能力，协助陶瓷企业煤改气及之后的技术改造，提高能效，尽量为用户减少燃料成本，力求长久的合作关系。

4）煤改气主要是成本问题，建议发挥各种行业协会的协调沟通作用，以行业为整体向政府寻求扶持政策，引导政府保证企业之间的公平竞争。

来源：深圳中燃研究院

学习信息

1. 第四届中国天然气行业市场化发展大会邀请函2016.11.23
   

2. 实战型分布式能源站运行维护管理培训班 2016.12
   

3. 实战型天然气分布式能源与售电高级研修班2017.1
   

4. 10月25日大连燃气场站安全生产培训

   
   

   
   

联系人：张老师 13691315250

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