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摘要：本文介紹了一種基于超焓燃燒思想設(shè)計(jì)的環(huán)形卷式燃燒器，其利用燃燒煙氣來預(yù)熱礦井通風(fēng)瓦斯（Ventilation Air Methane, VAM），這一方法大大拓展了VAM的燃燒極限。用水蒸氣取熱推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電來實(shí)現(xiàn)其熱能利用，并控制燃燒反應(yīng)區(qū)始終在燃燒器的中心多孔介質(zhì)位置。對(duì)該項(xiàng)目執(zhí)行清潔發(fā)展機(jī)制（Clean Development Mechanism, CDM）的可行性進(jìn)行了分析，其符合CDM的要求。在CDM基礎(chǔ)上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析結(jié)果表明，其內(nèi)部收益率（internal return rate, IRR)為26%，遠(yuǎn)大于資本成本10%，凈現(xiàn)值（net present value，NPV）為1633.67萬元，這表明利用CDM機(jī)制、交易CO₂減排指標(biāo)給項(xiàng)目帶來了經(jīng)濟(jì)收益和項(xiàng)目?jī)?nèi)部經(jīng)濟(jì)性的改善，對(duì)該系統(tǒng)的市場(chǎng)化起到良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)瓦斯，超焓燃燒，卷式燃燒器，CDM，技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

1. 引言

美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的數(shù)據(jù)表明：世界范圍內(nèi)煤礦每年排放29～41×10⁹m³ 的甲烷，其中不到2.3×10⁹m³的甲烷被當(dāng)作燃料，其余的直接以礦井通風(fēng)瓦斯的形式排放到大氣[1~3]。這一方面造成了有限的不可再生資源的嚴(yán)重浪費(fèi)；另一方面甲烷又是很強(qiáng)的溫室氣體，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）約為CO₂的21倍，還會(huì)造成對(duì)大氣臭氧層的破壞，加劇了大氣污染。因此，合理利用煤礦通風(fēng)氣中的低濃度瓦斯具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。通過增加利用礦井通風(fēng)瓦斯的方法來降低甲烷排放有很多困難，技術(shù)方面的困難有：VAM濃度低（0.1－1％CH₄），VAM濃度和流量的變化等。經(jīng)濟(jì)方面的困難有：資本的缺乏，天然氣價(jià)格低，缺乏開發(fā)VAM方面的信息等[1~3]。

目前，國(guó)外的低濃度瓦斯利用技術(shù)主要有兩種：TFRR和CFRR。熱力雙向流反應(yīng)器(Thermal Flow-Reversal Reactor, TFRR)都已步入商業(yè)示范階段，可連續(xù)處理含CH4濃度為0.35%的低濃度瓦斯；催化媒雙向流反應(yīng)器(Catalytic Flow-Reversal Reactor, CFRR)已在實(shí)驗(yàn)室完成了0.1%以下濃度瓦斯的處理。我國(guó)在這方面的研究較少，沒有形成自主的理論、技術(shù)方法[4~5]。
本研究室提出一種新的燃燒VAM的方法，即利用超焓燃燒的思想設(shè)計(jì)Swiss-Roll結(jié)構(gòu)的環(huán)形卷式燃燒器及其熱能利用系統(tǒng)，本文簡(jiǎn)述了這種新的燃燒裝置，對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行清潔發(fā)展機(jī)制的可行性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，為系統(tǒng)的市場(chǎng)化提供了經(jīng)濟(jì)學(xué)決策依據(jù)。

2  VAM燃燒與熱能利用系統(tǒng)簡(jiǎn)介

超焓燃燒(excess enthalpy combustion)的概念首先由Weinberg于1971年提出，所謂“超焓”燃燒，是指在不借助于外部熱源的前提下，通過熱交換器、蓄熱器或其他方式將燃燒所產(chǎn)生的熱能(或排放的高溫廢熱)回收再利用，用以預(yù)熱反應(yīng)物。焓的再循環(huán)相當(dāng)于“在熱流中建立了一個(gè)堤壩”,使反應(yīng)物在最高點(diǎn)釋放化學(xué)能的額外潛能,利用這種燃燒方式可以提高反應(yīng)速度,拓寬穩(wěn)定燃燒范圍,增加燃燒的穩(wěn)定性,對(duì)于低熱值或低濃度燃料燃燒,具有一定的適用性[6~8]。

本項(xiàng)目方案如圖1所示，SwissRoll結(jié)構(gòu)的環(huán)形燃燒器進(jìn)氣道與燃燒尾氣并行折疊成環(huán)形卷狀構(gòu)成逆向換熱器。VAM由進(jìn)口進(jìn)入環(huán)形通道，與在另一環(huán)行通道內(nèi)的高溫?zé)煔獍l(fā)生逆流換熱，預(yù)熱至一定溫度，進(jìn)入在環(huán)狀通道圈中心的多孔材料一側(cè)，經(jīng)氣流均布板整流后，以軸向氣流方向在多孔介質(zhì)內(nèi)中發(fā)生燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诙嗫撞牧系牧硪粋?cè)匯合，經(jīng)環(huán)形通道與煤層氣換熱后由出口排出。實(shí)現(xiàn)了有效的保溫和高效的換熱。燃燒反應(yīng)集中在環(huán)形卷的中心部分，并安裝了多孔介質(zhì)增加反應(yīng)時(shí)間和蓄熱來以穩(wěn)定燃燒；在進(jìn)氣口和中心區(qū)均設(shè)置電加熱啟動(dòng)設(shè)備；在中心區(qū)后部用工質(zhì)承壓蒸汽進(jìn)行可控的高品位熱量利用，在高溫中心區(qū)域取走部分熱量，這不僅是能量利用的需要，更是穩(wěn)定控制燃燒的必要手段，熱能利用所取走的熱量根據(jù)VAM濃度和流量的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以防止進(jìn)氣過熱而導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)提前或靠后，使得燃燒反應(yīng)區(qū)始終穩(wěn)定在中心的多孔介質(zhì)內(nèi)。[NextPage]

3. CDM項(xiàng)目的可行性分析和減排量計(jì)算

     VAM燃燒系統(tǒng)具有良好的溫室氣體減排能力，根據(jù)2005年2月生效的《京都議定書》，這些甲烷可以通過市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行減排，即CDM機(jī)制，清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）就是指發(fā)達(dá)國(guó)家把幫助發(fā)展中國(guó)家消減的減排量算作本國(guó)的消減量，是發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家之間的一種合作機(jī)制[12]。將CO2拿到國(guó)際市場(chǎng)，按照每噸一定的價(jià)格出售，使得原本無法體現(xiàn)價(jià)值的CO₂減排量變成了有價(jià)值的附加產(chǎn)品，可以使項(xiàng)目獲得額外的經(jīng)濟(jì)效益，使項(xiàng)目具有了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力[9~12]。根據(jù)CDM的規(guī)定,一個(gè)合格的CDM 項(xiàng)目至少要滿足三個(gè)方面的要求:(1)可以帶來真實(shí)的、長(zhǎng)期的,可測(cè)量的溫室氣體減排效益;(2)可以促進(jìn)該國(guó)的可持續(xù)發(fā)展;(3)具有額外性[12]。對(duì)該項(xiàng)目來說，前兩點(diǎn)顯然符合。對(duì)于額外性，是指如果沒有額外性的減排資金,項(xiàng)目業(yè)主必然會(huì)追求經(jīng)濟(jì)效益而選擇基準(zhǔn)線方案,而不選擇具有減排環(huán)境效益但成本較高的CDM項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，由于國(guó)內(nèi)尚無VAM處理的技術(shù)政策上也無必需處理的規(guī)定，所以業(yè)主必然會(huì)選擇基準(zhǔn)線方案即直接將VAM排向大氣，而不具備減排的環(huán)境效益。因此，該項(xiàng)目可作為CDM項(xiàng)目而獲得資金補(bǔ)助。

     在計(jì)算減排收益之前首先要確定項(xiàng)目的基準(zhǔn)線，基準(zhǔn)線是指：在沒有CDM情況下，按照東道國(guó)的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)特征，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目最可能出現(xiàn)的溫室氣體排放水平。基準(zhǔn)線水平直接決定著CDM 項(xiàng)目的減碳信用和環(huán)境效益[13~14]。

    以安徽省某煤礦為例，其風(fēng)排瓦斯的參數(shù)如表1所示：
表1. 安徽省某煤礦風(fēng)排瓦斯運(yùn)行參數(shù)

    在基準(zhǔn)線情況下，風(fēng)排瓦斯直接排入大氣中，甲烷排放量為：6078.24t/a，1kg甲烷的溫室效應(yīng)相當(dāng)于21kgCO₂當(dāng)量，所以基線排放量為：127643t CO₂當(dāng)量。在應(yīng)用該項(xiàng)目后，甲烷被燃燒成CO₂排放， 1kg甲烷氧化后生成2.75kg CO₂，扣除燃燒甲烷所生成的CO₂量16715.16t，可得到每年的CO₂減排量為：110927.8t。

4. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

4.1經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析[16]

表2. 項(xiàng)目的投資費(fèi)用(單位：萬元)

    資本成本用公司的加權(quán)平均資本成本（Weighted average cost of capital, WACC）來計(jì)算，WACC是公司作為資本組成部分的債務(wù)、優(yōu)先股權(quán)和普通股權(quán)資本成本的加權(quán)平均。該項(xiàng)目的年減排量為：110927.8t，目前，國(guó)際市場(chǎng)上溫室氣體減排權(quán)交易價(jià)格在8到11歐元之間，按照8歐元，匯率為1：10，項(xiàng)目的年收益約為：887.6萬元。

1.凈現(xiàn)值（Net Present Value, NPV）:按照一定的折現(xiàn)率將各年凈現(xiàn)金流折現(xiàn)到項(xiàng)目初期的現(xiàn)值之和，如公式（2）所示。

[NextPage]

    本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理能力CO₂量約為：11萬噸/年；固定成本：350 萬元；單位可變成本：18 元/噸；售價(jià)：80 元/噸。
（1）項(xiàng)目的保本處理量為：350/(80-18)=5.6萬噸
（2）盈虧平衡處理能力利用率為：5.6/11=51%
作為重要指標(biāo)的盈虧平衡生產(chǎn)利用率僅為項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理能力的51%，說明該項(xiàng)目的抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)，項(xiàng)目可行性大。

4.2投資風(fēng)險(xiǎn)分析

    敏感性分析（sensitivity analysis）研究在其他條件已定的情況下，某一輸入變量的變化帶來的凈現(xiàn)值變化程度，是一個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)的重要方法。在此，主要討論資本成本,運(yùn)行成本（run cost），CDM收益的變化對(duì)NPV的影響。敏感性分析的結(jié)果如圖3所示。

圖3 敏感性分析

    從圖3中可以看出，由CDM引起的收益變化對(duì)項(xiàng)目的NPV影響最大。VAM濃度和流量的變化所引起的甲烷減排量的變化，CDM機(jī)制中CO₂交易價(jià)格的變化，對(duì)CDM收益均有影響。當(dāng)CDM收益從基本情形的887.6萬元增加15%到1020萬元時(shí)，NPV從1633.67萬元增加到2158.18萬元，增加了32%，相反；當(dāng)CDM收益從基本情形的887.6萬元減少15%到754萬元時(shí)，NPV從1633.67萬元減少到1109.15萬元，減少了32%。所以，CDM收益15%的變動(dòng)引起了收益32%的變動(dòng)，項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)被放大了。公司的WACC的變動(dòng)會(huì)引起NPV等比例的相反方向變動(dòng)；變動(dòng)運(yùn)行成本的變化對(duì)NPV的影響最小，變動(dòng)成本減少1%會(huì)導(dǎo)致NPV 增加0.5%。

5. 總結(jié)

（1）提出了一種新的燃燒VAM的思想和方法，即用超焓燃燒思想設(shè)計(jì)卷式環(huán)形燃燒器，用燃燒煙氣來預(yù)熱反應(yīng)物。 實(shí)驗(yàn)室的小尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明0.5%濃度VAM可以在該結(jié)構(gòu)中維持穩(wěn)定燃燒。
（2）項(xiàng)目的CDM可行性分析結(jié)果表明，其符合一個(gè)合格CDM項(xiàng)目的3個(gè)方面的要求，即真實(shí)可測(cè)性，可持續(xù)發(fā)展性和額外性；并確定了該項(xiàng)目CO₂減排量的計(jì)算基準(zhǔn)線。以安徽省某煤礦為例，計(jì)算了其年CO₂減排量為110927.8t，年CDM收益約為：887.6萬元。
（3）對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，主要分析結(jié)果為：凈現(xiàn)值NPV（折現(xiàn)率10％,萬元）：1633.67；內(nèi)部收益率（IRR)：26%；盈虧平衡處理能力利用率為：51%。敏感性分析表明，CDM收益的變動(dòng)對(duì)項(xiàng)目的NPV影響最大，CDM收益1%的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致NPV2%的變動(dòng)，項(xiàng)目的資本成本對(duì)NPV影響其次，影響最小的是運(yùn)行成本。

    我國(guó)是煤炭大國(guó)，國(guó)內(nèi)尚無形成可對(duì)濃度低于6%的超低濃度瓦斯氣進(jìn)行燃燒與熱利用的技術(shù)，國(guó)外技術(shù)也尚處于示范應(yīng)用階段。礦井通風(fēng)瓦斯的處理和熱利用有著巨大的市場(chǎng)前景；另外煉油化工企業(yè)等在生產(chǎn)過程中也會(huì)有許多低熱值氣體產(chǎn)生，很多情況下也被直接排空，這也是潛在的市場(chǎng)。

(何賢釗  馬培勇  俞 瑜  邢獻(xiàn)軍  林其釗      中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系)