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作者：楊天坤、史海廷、劉鋒（聯合優發生物質能源徐州有限公司，江蘇省豐縣221731）
摘要： 散煤燃燒成為大氣污染的重要來源，燃煤小爐窯治理成為大氣污染治理的重要措施。本文針對《中華人民共和國大氣污染防治法》以及各省《大氣污染防止條例》列舉的幾種常見的燃煤鍋爐替代方式，包括熱電聯供、電鍋爐、燃氣鍋爐及生物質成型燃料鍋爐四種現今最具推廣價值的蒸汽熱能供應形式，進行了污染排放及用戶成本分析比較，同時考慮到2017年我國即將建立全國碳市場，我們也對四種供熱方式的碳排放價值進行了分析。本文引用從一次能源到用戶的全周期污染物排放分析和排放控制社會成本分析方法，更加全面、客觀地研究了四種方式的排放量和排放控制成本。可以作為政策制定者和法規執行者的科學依據。本文基于當前市場價格水平從熱能用戶的角度分析了在不同供熱方式下的供熱成本，包括了取得熱能消費權的前期投資和持續的運營成本，為熱能用戶決策提供參考依據。
0.引言
依據新修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》第三十八條：城市人民政府可以劃定并公布高污染燃料禁燃區，并根據大氣環境質量改善要求，逐步擴大高污染燃料禁燃區范圍。高污染燃料的目錄由國務院環境保護主管部門確定。在禁燃區內，禁止銷售、燃用高污染燃料；禁止新建、擴建燃用高污染燃料的設施，已建成的，應當在城市人民政府規定的期限內改用天然氣、頁巖氣、液化石，油氣、電或者其他清潔能源。第三十九條規定：城市建設應當統籌規劃，在燃煤供熱地區，推進熱電聯產和集中供熱。在集中供熱管網覆蓋地區，禁止新建、擴建分散燃煤供熱鍋爐；已建成的不能達標排放的燃煤供熱鍋爐，應當在城市人民政府規定的期限內拆除。[1]
可見，目前蒸汽用戶可以選擇的熱能供應方式有：熱電聯產、天然氣、電或者其他清潔能源。
那么何為清潔能源？根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的《氣候變化2007綜合報告》對能源的定義[2]，將能源分為一次能源和可再生能源兩大類。一次能源(也稱作能源)是自然資源(如煤、原油、天然氣、鈾)中的能量，這類能源未經過任何人為轉換。一次能源需要通過轉換和運輸而成為可用能源(如：電能)。清潔能源是不排放污染物的能源，它包括核能和“可再生能源”。可再生能源是指原材料可以再生的能源，如水力發電、風力發電、太陽能、生物能、地熱能、海潮能這些能源。
何為高污染燃料：根據國家環保總局的通知（環發【2001】37號）[03]，原（散）煤、煤矸石、粉煤、煤泥、燃料油（重油和渣油）、各種可燃廢物和直接燃用的生物質燃料（樹木、秸桿、鋸末、稻殼、蔗渣等）。
其中生物質直接燃用由于能量密度低，燃燒方式不完善，容易造成污染。但是經過加工處理成為生物質成型燃料后可以則變為可再生的清潔燃料。環境保護部辦公廳關于生物質成型燃料有關問題的復函(環辦函〔2009〕797號)中指出:采用農林廢棄物（秸桿、稻殼、木屑、樹枝等）為原料，通過專門設備在特定工藝條件下加工制成的棒狀、塊狀或顆粒狀等生物質成型燃料，可有效改善農林廢棄物的燃燒性能，其硫、氮和灰份含量較低，在配套的專用燃燒設備上應用，可實現清潔、高效燃燒，產生的二氧化硫、氮氧化物和煙塵較少，不屬于高污染燃料[4]。
考慮到熱能用戶對熱能的需求方式包括了熱水、蒸汽、熱風、熱處理等方式，本文對僅限于低溫熱能的供熱方式沒有列入研究范圍，僅就天然氣、電能、燃煤熱電聯產、生物質成型燃料四種方式做了研究對比。
考慮到人類在氣候變化和能源危機中面臨的挑戰，因此我們在鼓勵和引導能源消費時，必須把溫室氣體排放和能源的可再生屬性作為重要的戰略要素來考慮。因此，在研究中也引用了碳資產的概念。
1.熱能需求及其供應方式
1.1 熱能需求
熱能是最早被人類認識和利用的能源形式之一。人類依賴于太陽的光和熱生存繁衍，人類從鉆木取火開始主動消費熱能。現代生產生活中熱能的利用形式包括熱水、熱風、蒸汽、熱處理等，而這些熱介質或熱處理所需要的熱能由一次能源經過一次或多次轉換而來的，熱能是人類生產生活中最重要的能源消費方式之一。本文研究應用較廣泛，可提供持續熱能服務的蒸汽熱能形式。產蒸汽的能源來自天然氣、電能、燃煤熱電聯產、生物質成型燃料四種方式。
1.2 熱電聯產與熱能供應
火電廠利用大型燃煤鍋爐產生的蒸汽，進入蒸汽輪機帶動發電機生產電能，同時又利用汽輪機背壓蒸汽或抽汽對用戶供熱的生產方式，叫做熱電聯產。以熱電聯產方式運行的火電廠稱為熱電廠。當然熱電廠的燃料可以是燃煤、油、氣、生物質、垃圾等。
其對外供熱的蒸汽源壓力通常分為0.78～1.28 MPa和0.12～0.25MPa兩等。前者供工業生產，后者供民用采暖。熱電聯產的蒸汽沒有冷源損失，所以能將熱效率提高達85%以上，比大型凝汽式機組(熱效率達40%)還要高得多。因此熱電聯產是受到大力推廣的能源利用方式。但是，如果熱電比達不到一定的水平，一些以熱電聯產為名的小型火電機組反而效率比大型火電機組要低，因此關閉小火電也是國家鼓勵的方向。
綜上所述，發展熱電聯產的條件是熱負荷全年穩定，而且要足夠大，足夠集中，才應該得到鼓勵。目前我國大多數熱電聯產還是以燃煤為主，建設一個熱電廠需要配套各種環保設施，還需要建立龐大的熱網設施。燃煤的使用會增加溫室氣體排放，根據我國2017年即將實施的碳市場有關規定，需要取得溫室氣體排放權。
熱電聯產熱能供應過程是一個燃煤等傳統化石能源高效率多形式應用過程，其主要流程如下圖所示：
圖1-1 熱電聯供熱能供應流程圖
在此生產流程中，煤、油、氣等化石能源的使用，會產生二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物和二氧化碳（溫室氣體）的排放。
1.3 電力生產與熱能供應
電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，是以電力為能源，利用電阻發熱或電磁感應發熱，通過鍋爐的換熱部位把熱媒水或有機熱載體（導熱油）加熱到一定參數(溫度、壓力)時，向外輸出具有額定工質的一種熱能設備。
電鍋爐按照用途的不同又可以分為電開水鍋爐、電熱水鍋爐、電蒸汽鍋爐、電導熱油鍋爐和電加熱爐等。
電鍋爐消耗的能源是電能，這部分電能主要來源于城市電網，追根溯源其來源仍主要是發電廠中燃煤、燃油及燃氣等化石能源的為主的電能輸出，其主要流程如下圖所示：
圖1-2 電鍋爐熱能供應流程圖
因此，盡管最終用戶具有使用電能的環境優勢，但電能的生產過程中如果采用的是煤、油、氣等化石能源，依然會產生二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物和二氧化碳的排放。
1.4 天然氣生產與熱能供應
燃氣鍋爐是指利用燃氣燃燒放熱將鍋爐中的介質加熱到一定的狀態參數（熱水、熱風、蒸汽、熱處理等）并對外輸出熱能以全面滿足人們對于工業生產及生活熱能需求。
燃氣鍋爐所使用的燃氣主要包括管道天然氣和液化天然氣等。天然氣主要成分為烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣和少量一氧化碳等。
而天然氣由開發到最終在客戶端完全燃燒放熱，其主要流程如下圖所示：
圖1-3 燃氣鍋爐熱能供應流程圖
由天然氣的使用流程可見，天然氣的應用，依然會產生二氧化硫、氮氧化物、粉塵等污染物和二氧化碳的排放。
1.5 生物質成型燃料生產與熱能供應
生物質成型燃料是指將各種生物質廢棄物，如鋸末、秸稈、稻殼、樹木啞枝等經過破碎、篩選、烘干、成型等工藝使原來松散、細碎、無定形的生物質原料壓縮成密度較大的顆粒、棒狀、塊狀等各種成型燃料。
由于生物質原料分布散、質地松散、能量密度小，給采集、儲運及使用過程帶來諸多不便，所以未經加工轉化的生物質原材料，一般只能當作低品味能源用于農村傳統炊事供暖，甚至直接廢棄在田間地頭，不僅沒有商業價值，而且也是重要的污染源。而經過加工成型后的生物質成型燃料，質地均勻，密度及強度大幅度加強，儲運過程更加方便、安全且快捷，能量密度大大增加，燃燒性能大為改善，可以成為比燃煤更清潔的可再生能源燃料。
我國生物質資源豐富，分布較廣，可作為能源化利用的玉米、水稻、小麥、棉花、油料農作物秸稈及農產品加工剩余物資源量每年約2億噸標煤，薪炭林、林業“三剩物”、木材加工剩余物等林業剩余物約2億噸標煤，合計每年約4億噸標煤。保守估算，用生物質成型燃料供熱至少能夠替代75％的散煤，從資源、技術等條件來看煤改生物質將是煤改天然氣的重要替代及補充。
從國際經驗來看，歐洲國家生物質能供熱比較普遍，芬蘭、丹麥、奧地利生物質能熱力占全國熱力消費總量比重分別達到43%、28%和31%。當前在我國，生物質成型燃料鍋爐供熱作為低碳清潔環保經濟的可再生能源供熱方式，還沒有得到充分的推廣和應用。
與常規的依靠大規模長途輸送化石燃料、集中建設大規模供熱項目、布局大規模管網等熱力生產和利用方式相比，生物質成型燃料鍋爐供熱是典型的分布式供熱，當地收集原料，當地生產，當地利用，直接在終端消費側替代燃煤供熱，布局分散，運行靈活，適應性較強，能滿足多元化用熱需求，是能源生產和消費方式革命的重要內容。
由松散的原始生物質原料到最后形成高品位、可商業化的生物質成型燃料其主要工藝流程如下圖所示：
圖1-4 生物質成型燃料生產流程圖
同時生物質由成型燃料到最終完全燃燒放熱，其主要流程如下圖所示：
圖1-5 生物質成型燃料鍋爐熱能供應流程圖
作為一種低碳環保經濟的可再生能源分布式供熱方式，生物質成型燃料供熱不僅是治理燃煤污染的重要途徑，也是用低碳和可持續方式滿足熱能需要的總要方式。
2.四種熱能供應方式的煙氣排放量分析
由于涉及電網排放因子，我們在分析研究中選定華北電網。對四種熱能供應方式的煙氣排放量統一折算至每生產1噸蒸汽的排放，蒸汽熱值按工業蒸汽1.2MPa，260℃，焓值2958kJ/kg（相當于70.7萬大卡/噸蒸汽）計算。
2.1 熱電聯產供應熱能的煙氣排放
根據《熱電聯產管理辦法》的規定，50萬人口以下采暖型熱電聯產原則采用50MW及以下背壓熱電聯產機組。考慮當前熱電廠以燃煤為主，本節計算采用能源主要為優質動力煤（低位熱值為6000kCal/kg的煙煤）。根據相關資料[7]計算可知，50MW背壓機組燃煤熱電廠額定工況下的全廠熱效率取88％，熱電比取650％。依據火電廠大氣污染物排放標準[5]，其中規定鍋爐排放煙氣的指標如下表所示：
表2-1 火電廠燃煤鍋爐大氣污染物排放限值[5]
每噸熱值為6000kCal/kg的煙煤完全燃燒理論空氣消耗量為6500m³[6]，為保證燃煤的燃燒消耗充分，需要配給過量的空氣，依據火電廠大氣污染物排放標準相關規定，電廠燃煤鍋爐排放基準氧氣含量為6％（折算后選取空氣過量系數為1.4），即燃煤鍋爐的實際煙氣量（假定理論煙氣量近似于理論空氣量）為9100m³。
每噸燃煤的供能輸出量為Q熱電聯產。
Q熱電聯產熱輸出=6000kCal/kg×1000kg×88％×（6.5/7.5）=457.6萬kCal
相當于輸出蒸汽量為Q熱電聯產蒸汽量=457.6萬kCal÷70.7萬kCal/t=6.47t
按熱電聯產的熱電比，對蒸汽供熱的煙氣排放量進行熱電分攤：
燃燒1噸煤的煙氣量，分攤到供熱的煙氣量=9100×6.5/7.5=7887 m³。
分攤至生產每噸蒸汽所產生的煙氣量為V熱電煙氣=7887÷6.47=1219m³。
2.2 電熱鍋爐熱能溯源的煙氣排放
電熱鍋爐使用方便，且在使用端清潔性良好，僅消耗電力。但是追根溯源，電熱鍋爐所消耗的電能依舊主要來源于火電廠的燃煤消耗火力發電，在源頭上產生大量的污染排放。其污染物排放目前執行的是火電廠大氣污染物排放標準，如表2-2所示：
表2-2： 火電廠燃煤鍋爐大氣污染物排放極限[5]
表2-3：2014年華北電網電能生產蒸汽在發電廠產生的煙氣當量根據國家發改委公布的華北電網排放因子相關文件[8]可知，2014年華北電網煤、油、氣的總消耗量及火力發電的總供電量11614億kWh，核算出單位電能的煙氣排放量。再考慮電加熱蒸汽鍋爐效率95%，從而計算出電加熱蒸汽鍋爐生產1噸蒸汽，所耗電能在發電廠產生的煙氣排放量。依據相關文件 [8]中華北電網計算說明表格可算出如下參數：
注： 生產1噸蒸汽（熱焓2.958GJ），需要耗電=2.958÷95%÷3.6GJ(1MWh=3.6GJ)=0.865MWh
2.3 天然氣鍋爐供應熱能的煙氣排放
天然氣是一種清潔的化石燃料，雖然由于資源制約、輸送管路設施局限及高昂的價格等原因使其全面推廣受到了一定阻礙，但是煤改氣仍然是人們很容易想到的治理燃煤污染的重要措施。
目前國內小型燃氣鍋爐執行的是鍋爐大氣污染物排放標準[9]，其中規定燃氣鍋爐排放煙氣的指標如下表所示：
表2-4： 燃氣鍋爐大氣污染物排放限值[9]
依據相關數據選取天然氣熱值為8500kCal/m³和工業爐設計手冊[10]相關計算公式，可計算出每燃燒一方熱值為8500kCal的天然氣理論煙氣（空氣）量為9.4m³/m³燃氣，參考鍋爐大氣污染物排放標準的相關規定，燃氣鍋爐排放基準氧氣含量為3.5％（折算后選取空氣過量系數為1.2），即燃煤鍋爐的實際煙氣量（空氣量）為11.28m³/m³燃氣。
根據相關調研計算分析結果，天然氣蒸汽鍋爐綜合熱效率在85.96-88.26％（未考慮設置節能器），此處選取效率為86％。為便于統一比較，假定天然氣蒸汽鍋爐生產1.2MPa，260℃的過熱蒸汽，由此，生產1噸蒸汽的天然氣鍋爐產生的煙氣量V燃氣鍋爐煙氣為：
V燃氣鍋爐煙氣=2958MJ÷0.86÷8500kCal/m³÷4.1816×1000×11.28m³/m³燃氣=1092m³。
2.4 生物質成型燃料鍋爐供應熱能煙氣排放
查閱相關文獻[11]數據可知1000kg生物質燃料完全燃燒產生的煙氣量為6552.29m³/1000kg燃料，氮氧化物含量為1.02kg/1000kg燃料。依據相關標準[09]規定“使用型煤、水煤漿、煤矸石、石油焦、油頁巖、生物質成型燃料參照本標準中燃煤鍋爐排放控制要求執行”，因此生物質成型燃料在作為鍋爐燃料時其鍋爐排放煙氣的指標如下表所示：
表2-5：生物質成型燃料鍋爐大氣污染物排放極限[9]
由于生物質成型燃料鍋爐效率接近于燃煤鍋爐，小型生物質成型燃料鍋爐運行效率選取為85％。故使用生物質成型燃料鍋爐進行供暖每產生1噸蒸汽量所消耗的生物質燃量及產生的煙氣量分別為為m生物質供暖及V生物質煙氣。
M生物質供暖=2958MJ÷4.1816×1000÷4300kCal/kg÷0.85=193.5kg
V生物質煙氣=6552.29m³/1000kg÷1000kg×193.5kg=1258 m³/t蒸汽
3.四種熱能供應方式的污染物排放分析
本章節將依據四種熱能供應形式煙氣量的計算結果展開煙塵、二氧化硫、二氧化氮等污染組分及溫室氣體二氧化碳的排放的分析。其中熱電聯供、電鍋爐、燃氣鍋爐三種熱能供應形式均有現行國標作為參照，在計算排放極值可直接參照標準限制進行計算；而生物質成型燃料鍋爐排放目前雖然按照燃煤鍋爐執行，但是其真實排放情況標準相差較大，因此以下將參照生物質成型燃料的真實排放情況進行計算，并將計算結果直接帶入后文排放分析。
1）生物質成型燃料鍋爐煙塵排放量計算
依據本公司隨機送檢的成型燃料檢測報告，取成型燃料灰分為17.3g/kg燃料，假設燃燒后灰分的30％轉化為煙塵排出。可知每燃燒1kg生物質成型燃料的排放煙塵量為m生物質煙塵=17.3×30％=5.19g /kg燃料。
而每產生1噸蒸汽消耗生物質成型燃料193.5kg，產生煙氣量1258m³，因此每產生1噸蒸汽量產生的煙塵含量為M生物質煙塵=5.19g/kg×193.5kg=1004.3g/t蒸汽。
常規中使用生物質成型燃料鍋爐需要添加布袋除塵器，其效率為99％以上，因此除塵器凈化過濾后煙塵排放量為M生物質煙塵過濾=1004.3g/t蒸汽×1％=10.04g/t蒸汽。
煙氣的平均含塵量為X生物質煙塵過濾=10.04g÷1258m³=8mg/ m³
可以看出經布袋除塵器過濾的生物質成型燃料鍋爐煙塵排放量遠優于燃煤鍋爐，達到甚至遠超燃氣排放標準。
2）生物質成型燃料鍋爐二氧化硫排放量計算
依據本公司隨機送檢的成型燃料檢測報告，取成型燃料硫含量（單質硫）為0.3g/kg燃料，假設燃燒后完全轉化為二氧化硫0.6g/kg燃料。
因此每產生1噸蒸汽量產生的二氧化硫排放量為M生物質二氧化硫=0.6g/kg×193.5kg=116.1g/t蒸汽。
煙氣的平均二氧化硫含量為X生物質二氧化硫=116.1g÷1258m³=92.3mg/ m³
可以看出經布袋除塵器過濾的生物質成型燃料鍋爐二氧化硫排放量遠優于燃煤鍋爐，甚至達到了燃氣排放標準。
3）生物質成型燃料鍋爐二氧化氮排放量計算
相關文獻[11]數據可知生物質成型燃料完全燃燒后的產生的二氧化氮含量為1.02 g/kg燃料。
因此每產生1噸蒸汽量產生的二氧化氮排放量為M生物質二氧化氮=1.02g/kg×193.5kg=197.4g/t蒸汽。
煙氣的平均二氧化硫含量為X生物質二氧化硫=197.4g÷1258m³=156.9mg/ m³
可以看出經布袋除塵器過濾的生物質成型燃料鍋爐二氧化氮排放量遠優于燃煤鍋爐，甚至達到了燃氣排放標準。
綜上所述，每生產1噸蒸汽，生物質成型燃料完全燃燒釋放的污染區排放量量一次為10.04g、116.1g、197.4g。
3.1 四種熱能供應方式的SO2排放分析
根據上述分析的不同蒸汽生產方式，在生產過程中對環境排放的煙氣量及二氧化硫的排放限值標準，四種熱能供應方式下產生的SO2排放如下表和下圖所示：
表3-1 四種熱能供應方式煙氣及SO2排放分析表
圖3.1 四種熱能供應形式SO2排放量柱狀圖
3.2 四種熱能供應方式的NO2排放分析
根據上述的四種熱能供應方式的煙氣量和排放標準計算的不同供能方式產生的二氧化氮排放量如下表和下圖：
表3-2 四種熱能供應方式煙氣及NO2排放分析表
圖3.2 四種熱能供應形式NO2排放量柱狀圖
3.3 四種熱能供應方式的粉塵排放分析
根據上述的四種熱能供應方式的煙氣量和排放標準計算的不同供能方式產生的粉塵排放量如下表和下圖：
表3-3 四種熱能供應方式煙氣及煙塵排放分析表
圖3.3 四種熱能供應形式煙塵排放量柱狀圖
3.4 四種熱能供應方式的CO2排放分析
根據上述的四種熱能供應方式的煙氣量和排放標準計算的不同供能方式產生的CO2排放量如下表和下圖：
表3-4 四種熱能供應方式CO2排放分析表
*說明：根據2.1部分內容，熱電聯產生產1噸蒸汽按熱電分攤需要的燃煤熱能=6000kCal×1000/4.1816×6.5/7.5/6.47/1000000=3.36GJ。電加熱鍋爐生產1噸蒸汽需要0.865MWh電能。天然氣鍋爐生產1噸蒸汽需要天然氣能=2.958GJ(1噸蒸汽熱焓)/86%=3.44GJ。生物質成型燃料鍋爐生產1噸蒸汽需要生物質熱能=2.958GJ(1噸蒸汽熱焓)/85%=3.48GJ。
**說明：根據國家發改委公布的華北電網排放因子相關文件[8]可知，燃煤的排放因子為0.0873tCO2/GJ。2014年華北電網火力發電的排放因子為0.9913tCO2/MWh。天然氣的排放因子為：0.0543tCO2/GJ。生物質屬于碳中性，CO2排放不計。
3.5 污染物排放總結分析
通過上述計算主要針對熱電聯供、電加熱鍋爐、燃氣鍋爐及生物質成型燃料鍋爐四種常見蒸汽生產方式，生產1噸蒸汽所產生的煙塵、硫化物、氮氧化物、溫室氣體二氧化碳排放相關數據，總結統計表如下：
表3-5：幾種熱能供應方式噸蒸汽排放數據匯總
圖3.4 四種熱能供應形式排放量匯總柱狀圖
根據以上計算結果，我們不難看出，電加熱蒸汽鍋爐的溫室氣體CO2、SO2、粉塵排放最大，對環境的負面影響也最大，分別為天然氣鍋爐的4.58倍、6.20倍、3.09倍。因此，貌似使用清潔的電能，其實際對環境的影響最大，其本質是將能源從一個空間移至另一個空間，但對大氣的污染卻是不容忽視的。其次，天然氣鍋爐生產蒸汽排放的氮氧化物最高；熱電聯產生產蒸汽排放的CO2和SO2較高，分別為天然氣鍋爐的1.57倍、2.23倍。
相比較來看，生物質成型燃料的污染物排放都較小，且為碳中性的可再生能源燃料。另外，其他三種能源所消耗的化石燃料都需要進行煙氣凈化處理或事前凈化處理，比如：天然氣資源在開采后需要脫硫、除水等凈化后，制成合格的天然氣商品才能使用；發電廠和熱電廠需要進行脫硫、脫硝，上述排放都是在經過凈化處理后依據排放限值做的計算；生物質成型燃料鍋爐本身產生的粉塵盡管遠小于燃煤鍋爐，但仍然需要除塵設施。四種生產方式的排放控制成本將在下一節中分析比較。
4. 四種熱能生產方式的成本分析
在最終能源用戶所在地，用戶所使用的蒸汽熱能、電能，屬于一次能源經轉化的二次能源，天然氣屬于經過加工處理的一次商品能源，這些一次、二次能源在使用過程中，為達到環保要求和生產使用條件會產生相應凈化費用，如：根據國家發改委相關文件規定[12][13]“電網企業自驗收合格之日起分別支付脫硝、除塵電價每千瓦1分錢和0.2分錢”；脫硫電價加價標準為每千瓦時1.5分錢；參閱相關資料文獻[14]可知，成品天然氣達到標準的凈化處理成本約為0.05元/m³。本論文將這一部分成本我們稱之為煙氣除塵“社會治理成本”。由于在蒸汽熱能利用中，沒有明確蒸汽價格所包含的脫硫、脫氮、除塵治理成本，本論文暫時依據電能和熱電廠的熱電比核算熱電廠蒸汽的社會治理成本。
假定熱能用戶現有10噸/h燃煤小鍋爐，需要進行清潔化改造。本文對比四種選擇方式在固定資產投資、能源采購成本、社會治理成本的差別，便于用戶在成本、環境方面做綜合考慮。也可以供政策制定者考慮不同治理方式的社會成本。用戶年運行時間按7000小時計。
4.1 四種熱能方式的社會治理成本分析
四種供能方式的社會治理成本對比見下表：
表4-1：幾種熱能供應方式社會治理成本對比表
*說明：依據第二部分介紹，天然氣低位熱值取8500kCal/m3，生物質低位熱值4300kCal/kg。
圖4.1 四種熱能供應形式社會治理成本對比柱狀圖
由此可見，為能達到環境排放標準，四種供能方式所用于環境治理的成本以電熱蒸汽鍋爐最高、其次為熱電聯產供應蒸汽。生物質燃料燃料鍋爐的除塵采用布袋除塵，費用計入用戶側。
4.2 四種熱能方式的用戶投資和能源采購成本分析
4.2.1 用戶固定投資估算
取締原有小型燃煤鍋爐，并改造新型熱能供應方式后，用戶需要一定的初期固定投入成本。用戶選用上述四種能源方式時，其所面臨的固定投入是不同的：
1、 采用熱電聯產供熱管網蒸汽：增建熱源接頭及對應熱站泵房配套建設費用和熱力管網接口費；
2、 采用電加熱鍋爐供應蒸汽：電力增容費、電鍋爐設備購買費用及配套鍋爐房建設費用
3、 采用天然氣鍋爐供應蒸汽：主要體現在燃氣增容費、鍋爐設備購買費用及配套鍋爐房建設費用；
4、 采用生物質成型燃料鍋爐供應蒸汽：鍋爐設備購買費用及配套鍋爐房建設費用，除塵凈化設備費用；
表4-2： 四種熱能供給形式10噸鍋爐投資成本(含除塵)
對于鍋爐及其配套建設，除生物質成型燃料鍋爐需要配備除塵器（布袋）外，三種形式鍋爐房配套較為相似，且熱電聯供形式也配有對應的熱站泵房，因此為簡便計算過程，假設四種形式配套建設費用基本相同，在以下忽略計算。
4.2.2 相關能源接入費用
與接入相關的費用有：燃氣接入費、電力接入費、熱網接入費等。
1）依據相關文件規定[17]“非住宅建設項目和非民用單位（含個體經營戶）需使用城市燃氣設施，要求供氣或增加供氣量的，應按已批準的初步設計用氣量或申請新增用氣量一次性繳納煤氣增容費。其收費標準為天然氣每立方米1500元”，以此作為參考，可以認為用戶每新增1m³/h天然用量需承擔1500元燃氣增容費，經過前文計算可知完全供給10t蒸汽量燃氣鍋爐的燃氣量為968m³,為留有余量，實際燃氣總容量選取為968×（1+10％）≈1065m³。
因此其燃氣增容費為S燃氣增容=1065m³×1500元/m³=160萬元
2）經過前文計算可知完全供給10t蒸汽量電鍋爐運行的供電量約為8650 kWh，按75%功率因數考慮，選1250kVA變壓器。依據相關調研結果，用戶新增用電量時需要添加對應配電系統，包括變壓器、配電柜、電纜、安裝費等，對于10噸電鍋爐的配電系統建造費用約為158萬元（估算）。
3）依據市場調研結果可知目前現行的管網接入費用為40-80元/㎡,參考此數據低值，估算1噸蒸汽可供10000㎡計算，可得供熱接入費為40萬元/t蒸汽。因此10t供熱量的接入費用為400萬元。
4.2.3 綜合固定成本計算分析
通過綜合上述計算結果，固定費用用戶成本組成主要如下表所述：
表4-3：幾種熱能供應方式的固定費用部分用戶成本計算表
圖4.2 四種熱能供應形式折合噸蒸汽固定投入成本對比柱狀圖
4.2.4 四種熱能方式用戶能源購入成本估算分析
本文只論述運營成本中采購成本，不包含人工和管理成本。最終折算至生產1噸蒸汽所需直接采購或購入的能源成本：
1）通過調研分析可知，北京2011年的工業蒸汽價格已漲至230元/t蒸汽，考慮到各地蒸汽價格差別較大，本文取蒸汽采購單價230元
2）電鍋爐耗電成本：按2016年華北電網中河北南網大工業用電平段電價和變壓器容量電價計算電價，每度電電價成本為0.5893元。依據本文之前計算生產1噸蒸汽耗電865kWh，因此：W電鍋爐耗電=865×0.5893=510元/噸蒸汽。
3）燃氣鍋爐燃料消耗成本：依據4.1部分計算數據，1噸蒸汽消耗96.77m3天然氣，按每方天然氣3元估算，W燃氣鍋爐燃氣=3×96.77=290.31元/噸蒸汽。
4）生物質成型燃料鍋爐燃料消耗成本：依據4.1部分計算數據， 1噸蒸汽消耗193.54kg生物質燃料，按燃料單價1元估算，W燃氣鍋爐燃氣=1×193.54=193.54元/噸蒸汽。
表4-4：幾種熱能供應形式生產1噸蒸汽所需外購能源成本
圖4.3 四種熱能供應形式采購能源成本投入成本對比柱狀圖
4.3 四種用能方式用戶成本比對分析
綜合上述表格可知四種熱能形式均可為用戶提供10t/h蒸汽量的供給，用戶固定成本投入較高的是熱電聯產的供熱管網供熱（其主要原因為熱力管網建設投資），電熱鍋爐和燃氣鍋爐的投入接近，但都遠高于生物質成型燃料鍋爐的固定資產投入。以電熱蒸汽鍋爐成本最高，燃氣鍋爐成本次之，都遠高于生物質成型燃料生產蒸汽和從熱力管網直接采購的蒸汽成本。
因此從用戶端考慮，生物質成型燃料鍋爐是綜合投入最低的供熱形式；而電鍋爐則是綜合投入最高的熱能供應形式，客戶慎重選取；熱電聯供及燃氣鍋爐則用戶依據需求酌情選取。
5. 四種蒸汽生產方式消耗的碳資產價值分析
5.1 關于中國碳市場
為了應對全球氣候變暖，減緩與控制全球氣溫過快上升，促進企業走向可持續發展道路，政府正在逐步推進全國統一的碳市場。當前，國內碳市場的建立相關管理政策依據為：2012年6月13日，國家發改委印發《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》的通知（發改氣候【2012】1668號）[18]，2014年12月10日，國家發改委發布第17號令《碳排放權交易管理暫行辦法》[19]，2016年1月19日，國家發展改革委辦公廳關于切實做好全國碳排放權交易市場啟動重點工作的通知（發改辦氣候[2016]57號）[20]。這一系列辦法和2013年以來北京、上海、天津、重慶、廣州、深圳、湖北等7個碳市場試點的運行經驗，為2017年建立全國碳市場奠定了基礎。
2017年全國統一執行碳交易的政策，基本上所有的省份都要進入這個市場，企業將逐步被納入碳排放配額管理范圍。根據上述相關規定未來中國碳市廠的交易品種包括企業從國家獲取（免費或拍賣）的碳排放權和獲得國家認證的減排信用，例如中國核證減排量（CCER）。本文對四種熱能生產方式的碳排放進行了計算，參照目前試點碳市場的配額價格對四種熱能消費方式的碳資產價值進行了評估。在全國碳市場運行之后，能源消費企業會按照相同的基準線取得碳排放權，選擇低碳能源消費將通過碳市場交易將節約的配額賣出，其中利用生物質成型燃料不僅不消費配額，還能通過相關認證取得減排信用（CCER）。
5.2 四種蒸汽生產方式消耗的碳資產價值分析
對于一個10噸/h蒸汽消費的用能企業，很有可能被納入全國碳市場，參與碳交易。對于四種方式生產的蒸汽，企業消耗的碳排放權是不一樣的。由于熱電聯產、電熱鍋爐、天然氣鍋爐所供熱能，其本質為化石燃料排放CO2，將消耗企業的碳排放權，而生物質成型燃料鍋爐由于屬于碳中性，不消耗碳排放權，節余的碳排放權可以通過碳市場交易出去。
表5.1 四種熱能供應形式排放碳資產價值分析表
6.結論
本文對熱電聯供、電鍋爐、燃氣鍋爐及生物質成型燃料鍋爐四種成熟的熱能生產方式的污染物排放、用戶成本進行了研究。主要結論如下：
6.1使用熱電聯產1噸蒸汽，要排放煙塵36.6克，排放二氧化硫243.8克，排放氮氧化物121.9，排放二氧化碳293kg。達到排放標準的污染控制成本為22.19元。用戶固定投資5.7元，用戶能源采購成本為230元，消耗的碳資產價值為11.72元；
6.2使用電鍋爐生產1噸蒸汽，要排放煙塵101.5克，排放二氧化硫676.5克，排放氮氧化物348.4g，排放二氧化碳857kg。達到排放標準的污染控制成本為23.36元。用戶固定投資3.2元，用戶能源采購成本為510元，消耗的碳資產價值為32.28元；
6.3 使用天然氣鍋爐生產1噸蒸汽，要排放煙塵32.8克，排放二氧化硫109.2克，排放氮氧化物436.8g，排放二氧化碳187kg。達到排放標準的污染控制成本為4.84元。用戶固定投資3.1元，用戶能源采購成本為290.31元，消耗的碳資產價值為7.48元；
6.4 使用生物質成型燃料鍋爐生產1噸蒸汽，要排放煙塵10.04克，排放二氧化硫116.1克，排放氮氧化物197.4g，排放二氧化碳0kg（碳中性）。達到排放標準的污染控制成本為0元。用戶固定投資1.1元，用戶能源采購成本為193.54元，消耗的碳資產價值為0元；
通過研究可以發現生物質成型燃料鍋爐各項指標為四種熱能形式中最佳，值得推廣；而電鍋爐供熱雖然看似清潔高效，實際上通過各項綜合指標分析發現電鍋爐供熱在四種熱能形式中污染排放最高，成本最高，從能源利用角度也最不科學，建議盡量規避；對于熱電聯供及燃氣鍋爐供熱，客戶可依據自身條件合理選擇。
引用文獻
[01]中華人民共和國大氣污染防治法
[02]《氣候變化2007綜合報告》 政府間氣候變化專門委員會（IPCC）
[03]關于印發《關于劃分高污染燃料的規定》的通知（環發[2001]37號） 國家環境保護總局
[04]關于生物質成型燃料有關問題的復函（環辦函〔2009〕797號） 環境保護部辦公廳函
[05]火電廠大氣污染物排放標準（GB13223-2011）
[06]小型熱電站使用設備手冊 水利電力出版社 1988年 洪向道等
[07]中小型熱電聯產工程設計手冊-背壓汽輪機參數
[08]國家電網排放因子計算 2015年中國區域電網基準線排放因子 國家發改委
[09]GB 13271-2014 鍋爐大氣污染物排放標準
[10]工業爐設計手冊 王秉銓 2010-4-1機械工業出版社出版
[11]第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊（2010年）
[12] 國家發展改革委關于進一步疏導環保電價矛盾的通知(發改價格[2014]1908號)
[13]燃煤發電機組環保電價及環保設施運行監管辦法（發改價格【2014】536號）
[14]國內外天然氣開發、利用及發展趨勢 中國百科網文獻
[17]《關于進一步清理整頓我市有關收費項目的實施意見》（津政發[2007]80號）文件規定
[18]《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》的通知（發改氣候【2012】1668號
[19]《碳排放權交易管理暫行辦法》國家發改委發布第17號令
[20] 國家發展改革委辦公廳關于切實做好全國碳排放權交易市場啟動重點工作的通知（發改辦氣候[2016]57號） |
