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天然气和煤炭做为烧结砖燃料的成本分析及可行性
文献：《砖 家》 2017年12月 总第33期 返回索引
添加日期：2018/1/18 11:50:44   浏览次数：1766   文章来源：   作者：姬广庆

 摘要：虽然天然气在我国是比较紧缺的能源，天然气在烧结砖行业由于环保要求做为燃料应用的已有可能，烧结砖产品的质量会更有保证。同时由于煤炭价格的上涨，经济性的差异在逐渐缩小。但烧结砖的功能和市场应用会发生根本性变化。本文重点从环保排放、经济性、市场应用等方面进行分析，探讨天然气在烧结砖行业的应用。

天然气是一种优质、高效、清洁的能源，热值高，燃烧产生的有害物质少。在国家注重环保，强调节能减排，倡导低碳的政策引导下，天然气做为燃料，在气体质量、输送使用、环境保护、减少大气污染等方面有着无法比拟的优越性。虽然天然气在我国是比较紧缺的能源。市场供应也存在一些问题，在烧结砖生产中做为燃料的条件逐渐趋于成熟，有推广利用的可能。下面我们仅仅通过内燃砖使用煤炭与天然气做为燃料的对比，探讨天然气在烧结砖行业的应用，清水墙砖、铺路砖等其他产品的耗能另文讨论。
一、天然气与煤炭做为烧结砖燃料的使用量比较
1、理论折算：
标煤热值为29.27MJ/kg（7000kcal/kg），天然气热值为35.53MJ/Nm3（8500kcal/Nm3），则在两者燃烧效率相等的理想条件下，每立方米天然气相当于1.214kg标准煤，即燃烧一吨标煤相当于燃烧824Nm3的天然气，但实际应用中还有燃烧效率1（注意燃烧效率与能源折算等价值的区别）。
2、综合燃烧效率折算：
考虑燃烧效率，砖瓦行业的能源利用率取50％2，天然气燃烧效率大于90％。即有效利用的热能：燃烧一吨标煤相当于燃烧458Nm3的天然气。
而实际应用中，按砖瓦行业习惯热耗3近似1.3~1.6吨标煤/折万块计算，每万块需要1071~1318Nm3天然气的热量，估算可取中间值按1200Nm3/折万块普通砖。
按《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》（GB30526-2014）的限制值（实心砖51kgce/t），折天然气的量1024Nm3/折万块普通砖。
1）、燃烧效率相等的理想条件下：一吨标煤相当于燃烧824Nm3的天然气；
2）、有效利用的热能：综合燃烧效率的条件下，一吨标煤相当于燃烧458Nm3的天然气；
3）、万块普通砖煤耗1.3~1.6吨标煤，近似相当于燃烧1071~1318Nm3的天然气。
按《烧结墙体材料单位产品能源消耗限额》（GB30526-2014）的限制值（实心砖51kgce/t），折天然气的量1024Nm3/折万块普通砖。
3、实际生产情况
由于目前国内以内燃烧砖为主，能耗相对要低一些，以外燃为主的欧盟九国烧结砖瓦工业能耗4折算为1.770~2.077kg吨标煤/万块普通砖。相当于天然气882.5~1711Nm3/折万块普通砖。
国内其他企业目前没有公开的内燃砖能耗数据，据长沙经济技术开发区经沣高新建材有限公司烧结清水墙砖、铺路砖的燃气热耗600 kcal/kg产品，折1754 Nm3/万块普通砖。
二、天然气与煤炭做为烧结砖燃料的经济性比较
假定标煤价按900元/吨（即折实物煤价到厂642元/吨、折4500kcal/kg的煤到厂价578元/吨、均含损耗）时，则在两者燃烧效率相等的理想条件下，燃烧一吨标煤相当于燃烧824Nm3的天然气，按照燃煤价格折算到相对应的天然气价格为1.09元/Nm3。
综合燃烧效率，则燃烧一吨标煤相当于燃烧458Nm3的天然气，此时按照燃煤价格折算到相对应的天然气价格为1.97元/Nm3。
即：标煤到厂价按900元/吨时。不考虑投资、资源供应条件等因素，天然气价格低于2.00元/Nm3替代煤燃料仅燃料方面从经济上讲是合理的。
为了简化以下折算量都采用（GB30526-2014）的限制值（实心砖51kgce/t），折天然气的量1024Nm3/折万块普通砖。由于煤炭、天然气不同地区价格差别大，不同天然气价对成本影响很大。
1、以甘肃省的工业城市白银市为例：目前煤炭（热值4500kcal/kg左右）一般到厂价520元（折吨标煤价809元）左右，工业用天然气（热值7800kcal/kg左右）最低可以到2.20元/Nm3。
用煤做为燃料时（折吨标煤价809元），每万块普通砖燃料价相当于1052元/万块。
用天然气的量1024Nm3/折万块普通砖，燃料价相当于2253元/万块普通砖，增加1201元/万块。与燃煤相比近似增加0.12元/块
2、河南省等地的天然气价格在3.50元/Nm3左右时：
煤炭也按（热值4500kcal/kg左右）到厂价520元（折吨标煤价809元）计算，按每万块砖1.3~1.6吨标煤/万块普通砖计算。
用煤做为燃料时燃料成本相当于1052元/万块普通砖。
用天然气的量1024Nm3/折万块普通砖，燃料价相当于3584元/万块普通砖，增加2532元/万块，与燃煤相比近似增加0.25元/块。
3、长沙经济技术开发区经沣高新建材有限公司烧结清水墙砖、铺路砖的燃气热耗600 kcal/kg、折每万块1754 Nm3。
烧结清水墙砖、铺路砖的用天然气的量1754Nm3/折万块，燃料价相当于6139元/万块，增加5087元/万块，与燃煤相比近似增加0.51元/块。
通过以上分析：天然气的价格决定替代煤炭做为燃料经济性和可行性，用天然气替代煤炭做为烧结砖的燃料，仅燃料成本增加1~3倍。
三、天然气与煤炭做为烧结砖燃料的对环境污染的比较
煤主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成。故其燃烧后会产生SO2、NOx等大气污染物。又由于煤做为固体燃料，若其燃烧时与空气接触不充分会导致燃烧不完全，会造成CO气体产生。砖瓦行业目前的燃烧工艺以内燃为主，由于行业缺少这方面的数据，下面的计算参考《煤气规划设计手册》中相关计算方法，并按每标立方米天然气完全燃烧产生1.843kg二氧化碳，计算出替代1吨标煤所减少的大气污染物排放量。
1、天然气燃烧产生的二氧化碳
天然气做为绿色能源，其在上游就已经过净化，几乎不含硫。其完全燃烧后的产物可近似认为仅含二氧化碳和水。经计算：
1标立方米的天然气(甲烷含量按96%计算，其余4%按杂质考虑；天然气密度为0.6980kg/Nm3)，完全燃烧将产生1.843kg二氧化碳。
2、减少SO2排放量计算
年减少二氧化硫排放量=1.6×年替代煤量×煤的平均含硫量
硫的含量根据煤种不同而定，国家标准规定煤的含硫量1%为低硫煤，则：替代1吨标煤可减少0.016吨（16千克）SO2排放。
3、减少飞灰量计算
砖瓦行业是内燃烧砖为主，没有计算公式，参考锅炉行业的计算公式：年减少飞灰量=年替煤量×煤平均灰分×烟气中烟尘占灰分量的比率×（1-除尘器的总效率）
根据各种炉型的不同，其产生的烟气中烟尘占灰分量的比率达范围为0.15~0.4（煤粉炉为0.7~0.8）；除尘率按85%计算，煤的平均灰分按20%计算。则：替代1吨标煤可减少0.0045~0.012吨（煤粉炉为0.021~0.024吨）飞灰的排放。
4、减少炉灰量计算
年减少炉灰量=年替煤量×煤平均灰分×（1-烟汽中烟尘占灰分量的比率）则：替代1吨标煤可减少0.12~0.17吨（煤粉炉为0.04~0.06吨）炉灰的排放。
5、减少CO排放量计算
年减少CO排放量=年替煤量×CO生成量
采用与标煤最相近的焦煤的不完全燃烧值3%，含碳量85%来计算，则：替代1吨标煤可减少0.0595吨CO的排放。
6、减少NOX排放量计算
NOX排放量（吨）=1.63×耗煤量（吨）×（燃煤中氮的含量×燃煤中氮的NOX转化率%+0.000938）。
其中耗煤量以1吨标煤为基准，标煤中氮的含量取1.5%标煤中氮的转化率取25%。则：替代1吨标煤可减少0.0076吨（7.6公斤）NOx排放。
7、减少CO2排放量计算
年减少CO2排放量=年替煤量×CO2生成量
采用与标煤最相近的焦煤的不完全燃烧值3%，按含碳量85%；每标立方米天然气完全燃烧产生1.843kg二氧化碳来计算。则：替代1吨标煤可减少1.4935吨CO2的排放。
通过以上比较不难看出，仅从经济角度比较，煤炭较天然气更具优势。但综合环境保护这一方面考虑，若以煤炭为燃料，则用户需在环境保护方面投入不少资金及人力资源。
综合比较：以天然气做为燃料较煤炭更环保。同时由于天然气燃烧时的火焰及温度都较燃煤稳定，且易于控制，对烧结砖等产品质量更有保证，同时由于煤炭价格的上涨，经济性的差异在逐渐缩小。
四、重视天然气做为烧结砖燃料的NOx排放
1、简单认识NOx
NOx：包括：N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5。烟气中NOx主要以NO、NO2的形式存在。
NOx的性质：N2O单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏。
NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。
NOx的来源：固氮菌、雷电等自然过程、人类活动：燃料燃烧占90％，95％以NO形式，其余主要为NO2
2、NOx形成机理：
燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的NOx
热力型NOx：高温下N2与O2反应生成的NOx
瞬时NO：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO
3、天然气与煤炭做为烧结砖燃料的氮氧化物的来源不同
在用煤炭做为烧结砖燃料时，由于烧成温度低（<1200℃）NOx以燃料型（燃料中的固定氮生成的NOx）和瞬时NO（低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO）为主。
在用天然气做为烧结砖燃料时，虽然烧结砖需要的温度低，但燃烧器燃烧的温度高，以热力型NOx（高温下N2与O2反应生成的NOx）为主。
4、降低氮氧化物的措施
特别注意：以下是锅炉等行业推荐的低氮氧化物燃烧技术，在以煤为燃料时是不适合砖瓦行业的。但砖瓦行业采用天然气燃料时，就可利用这些技术。
1）、低氧燃烧：降低NOx的同时提高锅炉热效率，不足是CO、HC、碳黑产生量增加；
2）、降低助燃空气预热温度：燃烧空气由27℃预热到315℃，NO排放量增加3倍；
3）、烟气循环燃烧：降低氧浓度和燃烧区温度，主要减少热力型NOx；
4）、两段燃烧技术：第一段：氧气不足，烟气温度低，NOx生成量很小；第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低。
五、天然气做为烧结砖燃料时产品，生产工艺要发生变化
1、天然气做为烧结砖燃料时适合生产的烧结砖产品
天然气做为燃料适合生产清水墙装饰砖、保温砌块、高档空心砖等附加值高的产品，由于成本高，生产普通烧结砖，多孔砖等产品从经济性上不划算。
2、天然气做为燃料时要采用以外燃料为主的烧成工艺
“内燃烧砖法”虽然是我国砖瓦工作者的一个创举，可提高产量、降低能耗、减少排放量，但对产品质量影响很大，产品档次低。如果采用天然气做为燃料，烧成工艺都需要改变。
六、天然气做为烧结砖燃料时烧结砖的功能要发生变化
1、正确认识国内外对烧结墙材在建筑功能上的差异。
国外多孔砖、空心砖的应用比例很高，质量很好，确实如此，而且国外在烧结砖产品研究、原料处理、生产工艺、生产技术方面坚持不懈研究，其自动化程度高，设备性能先进，这些是需要我们学习的。美国工业化已有一百多年，美国的烧结砖年产量才100亿块左右，而中国2005年烧结砖产量已超过9000亿块1。主要原因是：国内外应用烧结墙材的功能不同，国内把烧结墙材做为原料来源广泛、低成本、多用途的基本建材产品，主要利用烧结墙材的承重、围护、保温功能。而国外重点应用了烧结砖的承重和装饰功能，烧结砖国外的应用更倾向于装饰材料。
在烧结砖行业燃料结构变化过程中借鉴国外先进经验，结合中国产品的建筑应用是烧结砖行业值得认真探讨的问题。
2、天然气做为烧结砖燃料时需要进一步定位烧结砖的市场应用
采用天然气为燃料时，烧结砖的产品结构向清水墙装饰砖、空心砖及砌块等高附加值产品方向发展；工艺要以外燃料燃烧为主。随着天然气应用，成本增加，市场竞争加剧，天然气应用后烧结砖与其它墙材成本优势消失殆尽，市场格局发生重大变化，需要进一步考虑烧结砖的建筑功能、市场定位、应用范围。
七、天然气在烧结砖生产应用中资源供应与利废问题
1、国内天然气的需求与资源供应矛盾突出
用天然气做为烧结砖燃料仅仅是理论的探讨，最关键的是天然气的供应量、供应方式、安全性决定在烧结砖行业的应用。
根据国际燃气网（引用发改委网站）数据：2014年天然气消费量1828亿m3。2015年，天然气产量1350亿m3，天然气进口量614亿m3，天然气消费量1932亿m3。
砖瓦行业是能源的消耗比较大的行业，按年产烧结砖8000亿（折普通砖）（每万块按标煤1.3吨/万块，天然气1024 Nm3 /万块）估算，如果按一半产量烧结砖生产采用天然气。年需天然气8000x1024x50%≈410亿m3，仅烧结砖的需要量接近2015年全国的三分之一。显然，在国内天然气供不应求的情况下，增加这么大的需求，能不能保证供应？如果全部采用天然气压力更大，需要行业和国家认真考虑。
2、要正确认识国外不用煤和煤矸石的原因
欧洲已经在砖瓦行业全面使用天然气做为主要燃料来生产黏土烧结砖，虽然从国外来看天然气做为烧结砖的燃料是必然的，但在欧洲砖瓦行业是一个微利企业行为，不是国家环保战略中一员，没有能力和财力来替国家进行环保处理。使用煤或煤矸石做燃料是要进行严格的环保处理的，尤其是含硫量高的煤矸石，企业的投入产出比例太悬殊，往往还无法达到环保要求，所以国外摒弃了煤或煤矸石做为砖瓦原料，这也是真实反映企业以利益至上的原则。
八、烧结砖行业不应承担其他行业的污染转移
砖瓦行业对社会的重大贡献之一是利废、消纳其他行业的煤矸石、粉煤灰、尾矿、污泥等工业固体废弃物。但在环保的生存压力下，应该正本清源，采用低硫煤、天然气等清洁燃料，仅承担为社会提供优质的墙体材料的责任，工业固体废弃物应由“谁污染谁治理”，如果行业还要很“高尚”的利废、用煤矸石、尾矿、污泥等做砖，承担污染转移，沉重的环保压力会将砖瓦行业压垮。
结语：
1、天然气在烧结砖生产中做为燃料应用由于各地价格差异，成本比目前用煤炭要高1~3倍，虽然存在一些问题，但条件逐渐趋于成熟，有利用的可能。
2、采用天然气为燃料时需要进一步定位烧结砖的建筑功能和市场应用。采用天然气为燃料时，烧结砖的产品结构向清水墙砖、装饰砖、空心砖及砌块等高附加值产品方向发展；工艺要以外燃料燃烧为主。
随着天然气应用，成本增加，市场竞争加剧，天然气应用后烧结砖与其他墙材比成本优势消失殆尽，市场格局发生重大变化，需要进一步考虑烧结砖的建筑功能、市场定位、应用范围。
3、烧结砖行业不应承担其他行业的污染转移。砖瓦行业承担为社会提供优质的墙体材料的责任，工业固体废弃物应由“谁污染谁治理”，如果行业还要很“高尚”的利废、用煤矸石、尾矿、污泥等做砖，承担污染转移，沉重的环保压力会将砖瓦行业压垮。
附表1：《烧结墙体材料单位产品限额》综合能耗折万块值

级别

综合能耗限额值

综合能耗准入值

综合能耗先进值

产品类型

kgcc/吨

kg/万块

kgcc/吨

kg/万块

kgcc/吨

kg/万块

烧结多孔砖和多孔砌块

53

1317

48

1193

46

1143

烧结空心砖和空心砌块

55

1367

50

1243

47

1168

烧结保温砖和保温砌块

57

1416

52

1292

50

1243

烧结实心制品

51

1267

48

1193

44

1093

《烧结墙体材料单位产品限额》（GB30526-2014）表中万块折标煤是为了过渡行业的习惯，本人折算后加上去，不一定准确，仅供参考。单位换算：烧结砖的密度按1.7t/m3，砖1m3＝684块，万块烧结砖体积=14.62m3，万块烧结砖质量=24.85吨计算，下同。

附表2：欧盟九国烧结砖瓦工业能耗折算

　

砖瓦总量

砖

　

国家

产量（kt）

燃料（TJ）

电耗（Gwh）

产量（kt）

燃料（TJ）

电耗（Gwh）

折平均燃料消耗kg标煤/万块[1]

比利时

2939

5003

133

2939

5003

133

1452.08

瑞士

1300

3195

74.8

1300

3195

74.8

2096.46

西班牙

13000

27093

560.8

10500

21840

451.5

1774.28

法国

4947

12521

340.2

2611

　

　

　

英国

8786

20230

442.4

6743

18680

389.9

2363.11

意大利

20380

42900

1092

13600

28600

720

1793.85

荷兰

3046

8124

133.9

2873

7335

107

2177.83

瑞典

171

422

13.5

171

422

13.5

2105.12

芬兰

334

804

29

334

804

29

2053.38

 

1、数据来源：《烧结砖瓦行业的节能－欧盟九国烧结砖瓦工业能耗形势及节能发展状态综述》《砖瓦》2008.9p139，（李密芳、王竹茹译自《欧盟工业技术》）

2、其中折标砖是本人计算的。单位换算：烧结砖的密度按1.7t/m3，砖1m3＝684块，万块烧结砖体积=14.62m3，万块烧结砖质量=24.85吨计算。

附表3：全国主要能源则算标准表

全国主要能源折算标准表

  

燃料名称

实物计量单位

国家统计局

标准总局

  

热值（大卡）

标准煤（公斤）

热值(大卡）

标准煤（公斤）

原煤

公斤

5000

0.714

5000

0.714

焦煤

公斤

6800

0.97

　

　

蒸汽

公斤

889

0.127

　

　

综合石油

公斤

10080

1.44

　

　

原油

公斤

10000

1.43

10000

1.429

重油

公斤

9700

1.39

10000

1.429

汽（煤）油

公斤

10300

1.47

10300

1.471

柴油

公斤

10100

1.44

10100

1.57

油渣

公斤

　

　

9000

1.285

天然气

立方米

9500

1.34

8500

1.214

焦炉煤气

立方米

4000

0.571

4300

0.614

城市煤气

立方米

　

　

4000

0.571

液化石油气

立方米

　

　

12000

1.714

电力

度

　

　

3000

0.249

沼气

立方米

　

　

　

　

瓦斯

立方米

　

　

8000

1.14

洗煤

立方米

7100

1.014

　

　

电石炉煤气

立方米

3000

0.429

　

　

4000

0.571

　

　

油田伴生气

立方米

10000

1.429

　

　

高炉煤气

立方米

900

0.129

　

　

1000

0.143

　

　

转炉气

立方米

2000

0.286

　

　

2100

0.300

　

　

发生炉煤气

立方米

1000

0.143

　

　

1500

0.214

　

　

标煤

公斤

7000

1

7000

1