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生物质气化

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  生物质气化供热 项目建议书                 郑州大学环境科学研究院 河南瑞发新能源科技有限公司   2017年7月
一、国家政策 1. 项目背景 2. 国家政策 二、项目介绍 1. 原料要求 2. 气化工艺 3. 气化参数 4. 燃气成分 5. 燃气锅炉 锅炉参数 软水处理 6. 操作运行(规模与人员配备) 7. 产品应用范围 三、效益分析 1. 投资估算和经济效益 工程投资估算 财务评价 2. 社会效益 3. 环境效益  四、合作模式 五、联系方式

 
 
 
 
 
 

1、 项目背景 随着我国经济和社会的快速发展,改革开放以来我国的能源消耗平均以6.9%的年增长率快速增长,2000年我国一次能源消耗量为7.5亿吨石油当量,成为世界第二大能源消费国,而我国已探明的化石燃料人均资源量却不到世界平均水平的30%,资源不足与用能增长之间的矛盾今后将变得更为突出,与此同时,使用化石燃料排放的大量二氧化碳温室气体和其他污染物对我国环境和气候造成的危害已越来越严重,酸雨、洪水、干旱等自然灾害出现的频率越来越高,因此,在我国大力推广和应用包括生物质能在内的各种再生能源意义十分重大。 生物质能本质上是绝色植物通过光合作用转换和储存下来的太阳能,是与环境友好的一种独特的再生能源,它可以通过多种技术途径被转化成为高品位的液体或气体燃料,更进一步还可以转化为电力,这些转换技术与化石燃料技术有很大的兼容性,因此,生物质能的地位和作用已越来越为世界各国所重视,欧盟能源部也提出到2020年生物质能占总能源消耗的比例要由2000年的4%提高到12%。 我国的生物资质源十分丰富,主要有各种速生林、薪炭林、林业废弃物、城乡居民生活垃圾和工业有机废液等,年产量约合4亿多吨石油当量,由于生物质能的能源品位较低,直接使用越来越不能满足人们对高质量现代生活的需求。因此,研究各种新技术将生物质高效转化成高品位的洁净能源是大规模利用生物质能的必然趋势。

 

• 为了改善大气环境,全国各地进行燃煤锅炉禁燃行动,20吨以下的燃煤锅炉在2到3年内必须拆改完毕。 • 使用20吨以下的正是我们的中小企业,大部分地处城乡结合部,或处于乡村,这些企业是中西部地区就业脱贫和当地GDP的主力军,是当地政府和地方百姓的喜爱和依赖。 • 20吨以下的生物质气化首先能为中小企业降低生产成本 •      随着环保治理的加深,20吨以下燃煤锅炉的强制拆除,以前便宜的能源没有了,燃煤价格如果800元/吨,这样每吨蒸汽只计算燃料成本就是178元。 •        改用天然气来制取蒸汽,一是没有,二是价格高,按照理论数据,85立方天然气能生产一吨饱和蒸汽,天然气按4.5元/立方(河南大部分县的价格),这样每吨蒸汽只计算燃料成本就是382.5元; •        如果用电来制取蒸汽,按照理论计算860度电可以制取一吨饱和蒸汽,只计算燃料成本,农用电价平均超过1元/度,按城市工业平均电价也有0.75元/度计算,这样每吨蒸汽只计算燃料成本就是645元。 •       如果采用生物质燃气来制取蒸汽,生物质按500元/吨,这样每吨蒸汽只计算燃料成本就是167元。 • 20吨以下的生物质气化能为中小企业排放达标 • 生物质燃气是利用农作物秸秆和产品废弃物通过厌氧高温反应所得的的一种可燃气,燃气成分是氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷等可燃气体,经过净化的生物质燃气燃烧后大气排放完全满足锅炉大气污染物排放标准。由于它清洁环保、原料来源丰富、燃气的成本低廉,可放心的用于日常生活、工业等各个领域,是替代煤炭、电、天然气的理想产品,发展生物质燃气,前景广阔,利国利民。 在条件成熟的工业园区或产业聚集区进行集中供热,是推进锅炉淘汰改造工作的有力助推器。为此,国家环保部、发改委、河南省政府都鼓励相关镇街在有条件工业园区或产业聚集区开展集中供热工作。 作为县级和乡镇的工业园区,现有的企业总体的用气量不大,有长远的用气规划,同时这些地方又是收购秸秆、林业废弃物、农业废弃物的良好场所,20蒸吨以下的中小型生物质气化炉作为新型生物质环保气化产品,既能给工业企业供气,又能消化农林废弃物,正好是组成园区集中供热的必备设备。 2、 国家政策 “十三五”是我国实现能源转型升级的重要时期,作为重要新能源的生物质能更加面临产业化发展的重要机遇。针对生物质燃气产业的发展前景,清华大学环境学院教授王凯军立场坚定地亮出自己的观点,他说:“生物质燃气大产业的时代已然到来,我国生物质燃气资源量丰富,具有弥补天然气缺口的巨大潜力,且政策支持形势利好。” •   生物质能是一种重要的新能源,其技术成熟,应用广泛,在应对全球气候变化、缓解能源供需矛盾、保护生态环境等方面发挥着重要作用,是全球继石油、煤炭、天然气之后的第四大能源,成为国际能源转型的重要力量。“十三五”是我国实现能源转型升级的重要时期,是新型城镇化建设、生态文明建设、全面建成小康社会的关键时期。在此背景下,生物质能面临产业化发展的重要机遇。 • 目前,在世界范围内,许多国家都开始将生物质燃气和可再生能源发展作为国家重大战略。2011年,日本福岛核事故后,德国便开始加快推动能源转型战略,即“2020年彻底关闭其境内的全部核电站,且到2050年前,可再生能源使用比例提高至80%”。瑞典则提出,到2050年前后,生物质燃气将全部取代石化天然气。英国政府和工业界也联合发布了厌氧消化战略和相应的行动计划。
 
  王凯军坦言,从时间上看,我国提出生物质燃气发展战略已经略晚于上述国家。但是,我国生物质燃气资源量丰富,具有弥补天然气缺口的巨大潜力,且政策支持形势利好。据粗略估算,目前我国生物质燃气资源量近2000亿立方米,到2050年,该数值将超过3000亿立方米。随着生物质燃气产业的发展,预计将会有更多的农业废弃物用于生物质燃气生产。从体量和农业面源污染控制需求上看,农业废弃物气化是今后生物质燃气产业化工作的重点。
 
  国家能源局在《生物质能发展“十三五”规划》中提出,到2020年建设160个生物天然气示范点,年产量达到80亿立方米;到2030年超过400亿立方米。“这与500亿立方米缺口是基本相吻合的。”王凯军说。 一、 项目介绍 1、 原料要求 生物质气化炉作为主要用于消化农村的农林废弃物,对原料的要求不高,是一种“杂食性”很强的设备。 作为农村的秸秆麦秆、玉米杆、高粱杆、芝麻杆、稻谷杆等只要大致粉碎做一些简单的压缩,块状不大于120mm见方就可以; 作为林业废弃物的树枝、果树枝、树皮等做一些简单的粉碎,块状大小不大于160mm就可以; 作为另一些农林的废弃物如果核、玉米芯、松针、松塔、栗子包、花生壳等就可以直接使用; 作为许多工业的废弃物如脱水的中药渣、锯末、木地板边角料、密度板边角料、仿实木板边角料、秸秆板材的边角料、胶合板边角料、包装物废弃物等只需简单粉碎,只要长度不大于160mm,都可以直接使用;而这些工业企业又都是生产过程需要使用蒸汽的大户,在过去要处理自己产生的这些工业废弃物还要花钱,现在可以利用自己产生的这些废弃物为自己供应生产必须的蒸汽,是一个一举多得的好事情; 作为建筑垃圾的门窗、建筑模板废弃物、包装物废弃物等做一简单粉碎,长度不大于160mm,就可以使用; 企业正在尝试利用城市水处理的污泥,如果在脱水烘干过程中加入锯末后,形成颗粒,也可以作为气化的一种原料,解决消化城市和工业(如造纸、印染等)污水处理后形成的大量污泥,变费为宝; 作为垃圾分类以后的可燃物,也可以作为生物质气化的原料; 2、 气化工艺

三、技术及项目创新点:(300字以内)

该生物质气化技术采用与传统的固定床和流化床不同的工艺路线,将生物质气化所需的干燥热解、燃烧还原、气体重整等过程分开,使生物质气化过程分步进行,通过强化裂解,将秸秆等生物质废料转化为不含焦油的清洁燃气。该技术克服了现有气化装置存在的焦油等难点问题,提高了发电、供气等燃气利用系统的可靠性,避免了水洗除焦造成的二次污染,气化效率高,实现方法简单。 制气炉具有生物质原料造气,燃气净化,自动分离的功能。当燃料投入炉膛内燃烧产生大量CO和H2时,燃气自动导入分离系统执行脱焦油、脱烟尘,脱水蒸气的净化程序,从而产生优质燃气。 通过改变气化剂的种类和分多次在不同的气化阶段通入气化剂,可以较大幅度地调整燃气的品质。产生的燃气不但可用于炊事、发电、供热,也可以做化工合成气最终转化为液体燃料,替代燃煤、燃油等常规能源。该装置还可用来处理各种工业污泥等有机废弃物,实现固体有机废弃物的无害化和资源化处理。 焦油含量:<20mg/Nm3;能源利用率:>75%

3、气化参数

秸秆的气化过程:1、氧化反应  空气由气化炉的底部进入,在经过灰渣层时被加热,加热后的气体进入气化炉底部的氧化区,在这里同炽热的炭发生燃烧反应,生成二氧化碳同时放出热量,由于是限氧燃烧,氧气的供给是不充分的,因而不完全燃烧反应同时发生,生成一氧化碳,同时也放热量。在氧化区,温度可达1000~1200℃,反应方程式为:C+O2=CO2+△H △H=408.8千焦  在氧化区进行的均为燃烧反应,并放出热量,也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥,提供了热源。在氧化区中生成的热气体(一氧化碳和二氧化碳)进入气化炉的还原区,灰则落入下部的灰室中。2、还原反应  在还原区已没有氧气存在,在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应,生成一氧化碳(CO)和氢气(H2)。由于还原反应是吸热反应,还原区的温度也相应降低,约为700~900℃。还原区的主要产物为一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氢气(H2),这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区,而没有反应完的炭则落入氧化区。3、裂解反应  在氧化区和还原区生成的热气体,在上行过程中经过裂解层,同时将秸秆加热,当秸秆受热后发生裂解反应。在反应中,秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于秸秆的裂解需要大量的热量,在裂解区温度已降到400~600℃。  在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等,这些热气体继续上升,进入到干燥区,而炭则进入下面的还原区。4、秸秆的干燥  气化炉最上层为干燥区,从上面加入的物料直接进入到干燥区,物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热,使原料中的水分蒸发出去,该层温度为100~300℃。干燥层的产物为干物料和水蒸气,水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉,而干物料则落入裂解区。  气化实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物,如焦油、醋酸、低温干馏气体。所以在气化炉出口,产出气体成分主要为一氧化碳(CO),二氧化碳(CO2)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、焦油及少量共他烃类,还有水蒸气及少量灰分 4、 燃气成分

根据河南省节能及燃气具产品质量监督检验中心的检测报告,生物质气化气成分化验结果,组分:氧气0.56%,氮气46.74%,甲烷2.8%,乙烷0.27%,丙烷0.16%,一氧化碳25.73%,二氧化碳11.03%,氢气12.73%,燃气热值:高热值6.2MJ/m3,低热值5.82MJ/m3;燃气密度1.1747kg/m3,相对密度0.9085

5、 燃气锅炉 锅炉参数:如果项目是新建项目,建议采用最新技术的SZS型天燃气锅炉都可以直接使用,如果是项目改造,如燃煤锅炉改造可以使用原有的燃煤锅炉,如果是燃油锅炉改造,也可以使用原有的燃油锅炉,锅炉使用生物质燃气,其燃烧机可以购买现有的燃烧机,也可以有我们直接配套。 1、采用双锅筒“D”型布置,结构紧凑,占地面积小,火焰充满度好。 2、炉膛采用膜式水冷壁结构,锅炉整体全封闭焊接结构,炉墙密封性好。 3、锅炉布置受热面面积大,设计有足够大的汽水空间,保证锅炉参数稳定。 4、尾部可以布置烟气冷凝回收装置,能有效控制排烟温度,锅炉热效率高。 5、采用高热阻材料作为绝热层,保温性能良好。锅炉外层采用压制护板,外观美观、漂亮。 6、35t/h以下采用快装结构,整台锅炉设计在钢性很强的底座上,安装运输方便。 7、炉膛设有检查孔,为使用、维修提供了极大方便。炉顶设有防爆门。 8、采用全自动燃烧器,给水采用连续电动调节,燃烧效率高,并具有多重保护功能,运行安全可靠。

 
SZS型燃油燃气蒸汽锅炉 SZS型燃油燃气热水锅炉
型号规格 额定蒸发量(t/h) 额定蒸汽压力(MPa) 额定蒸汽温度() 给水温度() 设计燃料 出厂方式
SZS6-1.25/220-Y(Q) 6 1.25 220 20 天然气、轻油 快装
SZS6-2.5-Y(Q) 6 2.5 226 105 天然气、轻油 快装
SZS10-1.25/300-Y(Q) 10 1.25 300 105 水煤气、天然气 快装
SZS10-1.25-Y(Q) 10 1.25 194 20 天然气、轻油 快装
SZS10-2.5-Y(Q) 10 2.5 226 104 天然气、轻油 快装
SZS15-1.25-Y(Q) 15 1.25 194 105 轻油、天然气、焦炉煤气 快装
SZS20-1.25-Q 20 1.25 193 104 天然气 快装
SZS20-1.6-Y(Q) 20 1.6 204 104 天然气、轻油 快装
SZS20-2.5-Y(Q) 20 2.5 226 105 天然气、轻油 快装

 

锅炉的水处理
 
锅炉水处理常用离子交换法。在离子交换过程中,交换与被交换的离子均为阳离子,这种只进行阳离子交换的方法称为阳离子交换。树脂参加交换反应中的阳离子是钠离子(Na+)时,则此树脂为钠型阳离子交换树脂。当此树脂与水中钙、镁离子进行交换时 , 树脂上的钠离子(Na+)全部进入软化水中,这种用钠离子取代水中钙、镁的过程我们称之为钠离子软化交换法。
一、钠离子交换的原理
当含有钙、镁离子的生水,流经离子交换器中的钠离子交换剂层时,水中的钙、镁离子被交换剂中的钠离子所置换,从而将在锅炉中可能形成水垢的钙、镁盐类,转变为易溶性钠盐,而使水得以软化。用反应方程式表示如下:
ca2++2NaR=CaR2+2Na+
Mg2++2NaR=MgR2+2Na+.
式中: NaR一一代表锅离子交换剂;
Na+一一代表交换剂中的交换离子;
R一一表示交换离子以外的母体部分,它并不参加反应。
二、钠离子交换的特点
1.生水硬度大大降低或基本消除。
2.碱度保持不变。
经钠型离子交换树脂软化后的水质,由于碳酸盐硬度等量地转变成了碳酸氢钠,所以软化水中碱度与进水中的碱度相等。
3.软化水中含盐量略有增加经钠型离子交换树脂软化后的水,由于原水中的阴离子,即水中的氯离子(Cl-),硫酸根(S042- 一 )、碳酸氢根(HCO3-)和硅酸根(Si032-)等并不改变,如果水中的其他重金属阳离子忽略不计时,只是钙、镁盐类等量地转变成了不生成水垢的锅盐。钠离子的摩尔质量为23g/mo1,以1/2Ca2+为基本单元的摩尔质量为20.04g/mol、以1/2Mg2+为基本单元的摩尔质量为12.16g/mo1,因此,使软化后的水质,其含盐量要比其原水含盐量为高。
三、再生过程
在钠离子交换过程中,当软水中出现了硬度,而且超过了标准时,则证明钠型离子交换树脂已经失效。为了恢复其再交换的能力,就需要对此树脂进行再生。在再生过程中,就是使含有大量锅离子的氯化钠(NaCl)溶液,通过失效的树脂层,从而将离子交换树脂中的钙、镁离子排到溶液中去,钠离子则被树脂所吸附,使树脂重新又恢复了交换能力。
钠型离子交换树脂的再生过程,可以下列反应式表示:
CaR2十2NaC1=2NaR+CaCl2MgR2+2NaCl=2NaR+MgCl2
四、钠离子交换器的运行
钠离子交换器的运行一般分为四个步骤(从交换器失效算起〉:反洗、再生、正洗和交换(即运行)这四步组成一个运行循环,通常称为一个周期,现分述如下:
1.反洗
当交换器出水硬度超过规定水质标准,即为失效。失效后停止软化,先用一定压力的水自下而上对树脂层进行短时间的强烈反洗。反洗的目的是:
(1)松动交换剂层,为再生打下良好基础。在交换过程中,由于水自上而下地通过交换剂层,使交换剂层被压实,再生时就会造成交换剂与再生液接触不充分。所以再生前要反洗,使交换剂层得到充分松动,为再生打下良好基础。
(2)冲掉交换剂表层中截留的悬浮物、碎粒和气泡。在交换过程中,交换剂表层也起着过滤作用,水中的悬浮物被截留在表层上,致使压力增大,还会使交换剂污染结块,从而使交换容量下降;另外,交换剂碎粒也影响水流通过。反洗时可以冲掉这些悬浮物和碎粒,还可以排除交换剂层中的气泡。
最佳反洗强度,通过试验求得。一般反洗流速可控制在11~18m/h。反洗须至出水澄清为止。反洗时间约为10~15min 。在正常情况下,每立方米交换剂反洗水量约2.5~3m3。
2.再生
再生的目的是使失效的交换剂重新恢复交换能力。它是交换器运行操作中很重要的一环。再生时采用动态再生,而不用静态再生。即再生时不要放掉交换器内的水,然后在开始进再生液(盐液浓度以6~10×10-2为宜)的同时打开排水阀门,边进再生液边排水。应严格控制排水阀门开度,使再生液流速控制在3~5m/h,并确保全部交换剂层都浸泡在再生液里面。再生时间应不少于40min。
3.正洗
正洗的目的就是清除交换器中残留的再生剂和再生产物(CaCL、MgCl2)。正洗初期实际上是再生的继续,流速不要太大,可掌握在3~5m/hp。当正洗出水基本不咸时,可将流速加大到10~15m/h;正洗后期应经常取样化验出水硬度, 当出水硬度达到标准时,且氯化物不超过原水氯根50~100mg/L时,即可投入交换运行。
4.交换运行
正洗结束后,钠离子交换器即可投入运行。交换剂在交换器中的工作情况具有层状的特性。当水进入交换器时,首先发生的交换过程是在交换剂的上层,此时交换剂的下层实际上是没有什么变化的,因为水通过上面时各反应物质已达平衡。但当开始运行后,最上层很快就失效了,因此以后交换作用在此失效层以下的交换剂中运行。
在钠离子交换软化过程中交换剂层分为三层,如图7-1所示。第一层为失效层,第二层为工作层,第三层为没参加工作的交换剂层,又称保护层。在交换软化中,第一层渐渐加大,第二层渐渐向下移动,而第三层逐渐缩小,等到第二层的下边缘移到和交换剂层的下边缘重合时,若再继续交换,出水的硬度就开始增加了,也就是说交换器已开始失效。

6、 操作与运行 一台20蒸吨的生物质气化炉+锅炉+水处理,每班只需要2个人运行,整个过程都是自动操作,操作方便、简单。如果是新建的多台生物质气化炉+锅炉+水处理设备的运行,也只需要每班3-4个人。其中操作监控室内每班一个人,现场巡查、上料、化验1-3人,视设备多少而定。 7、 产品应用范围 生物质燃气,作为提供热源的燃料,可满足多种行业的需求,如:金属冶炼:熔铜炉、熔铝炉等;建材行业:卫生陶瓷、日用陶瓷、玻璃、耐火材料等;机械工业:热处理炉、煅烧炉、轧铜炉、退火炉等;锅炉:蒸汽锅炉、热水锅炉、导热油锅炉等;化工行业:产品煅烧、产品干燥、产品烘烤等;轻工行业:产品和车间的加湿、调温、熨烫、干燥等;食品药品行业:产品的消毒、加热、干燥等;发电:蒸汽轮机、蒸汽内燃机等。 二、 效益分析 1、 投资估算和经济效益 工程投资估算 以一台20蒸吨的生物质气化炉项目为例 气化炉:360万(含安装费、基础、调试),锅炉:120万,水处理:15万,厂房(锅炉房、原料库、维修件、控制室、水处理化验室等):60万,水电、变压器等:30万。新建项目公司总投资580万左右,如果是老锅炉改造,可以利用原有的锅炉、水处理、水电等投资就相对节省。 财务评价:项目投资年限10年,财务费用和折旧费:65万,年供蒸汽天数按300天,每天利用小时16小时,每小时用蒸汽16吨,年总供蒸汽76800吨,每吨蒸汽售价240元,燃料价格平均550元,每吨燃料可蒸汽3.5吨,燃料成本:157元/吨,人工+电费+维修费+水处理费:200万元,年利润(税前):372.44万,投资回收周期为1.557年。如果是集中供热,总的投资每吨投资额会降低,管理成本也会降低。 2、 社会效益 我国丰富的生物质资源,为生物质热解气化发电和热电联供,提供了资源保证。可以充分利用当地的生物质资源(秸秆、薪柴、谷壳和木屑等),以一台20吨的气化炉为例,年利用生物质2.2万吨,为当地农民增收1210万元。 3、 环境效益 生物质能属于清洁能源,有助于国家的环境建设和CO2与SO2的减排。生物质的有害物质(硫和灰分等)含量仅为中质烟煤的十分之一左右,另外,生物质产生和能源利用过程所排放的C生物质能属于清洁能源,有助于国家的环境建设和CO2与SO2的减排。O2可纳入自然界碳循环,实现CO2零排放,是减少CO2的重要的途径。 
    以一台20吨的锅炉为例,一年生产需要7.68万吨蒸汽,所需标煤1.67万吨,现在改为生物质燃气供热少排放烟尘484854Kg,少排放So2为9955680 Kg, 少排放Co为1118412Kg,少排放Nox 为244516Kg。整个蒸汽生产过程没有废水、废弃排出,残留的生物质碳制作成炭基复合肥给农作物利用。

生物质热解气化的研究符合国家中长期科技发展规划和国家能源战略需求,对缓解我国石油资源短缺、实现循环经济良性发展、解决“三农”问题起到十分积极的推动作用。 
  我国正面临着经济增长和环境保护的双重压力,今后的能源发展格局,应该借鉴发达国家的经验,重视环境保护与可持续发展,改变能源生产和消费中的掠夺式粗放模式,开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源,对促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

三、 合作模式 • 合作可以多种方式,如可以采用BOT模式,也可以采用EMC模式或PPP模式,或者其它灵活的合作方式。 • 采用BOT模式,即建设-运营-移交。 •   采用“能源+装置+服务”的全产业链模式,根据各个县域工业园区不同的能源需求,设计全面的能源解决方案,依据解决方案提供生物质工业燃料、热能运行装置,以及热能运行装置安装建设和运营服务,最终实现热力的生产,满足客户的能源需求。 • “能源”是指根据工业园区的总需求,确定供热规模,从而确定总体的一年生物质的总消耗量,根据总体消耗量,与各个乡镇、村签订秸秆需求计划,把农民的秸秆回收过来,这样既增加了农民的收入,把秸秆从农村的垃圾变为财源,又防止了农民烧秸秆,达到了环保的要求。      •  通过向客户提供热能服务,实质上是对客户能源供应的托管经营,将客户的能源供应环节分离出来由我公司负责运营。相比客户购买传统石化燃料自己生产的能源模式,我公司向客户提供热能服务的模式可以在减少对环境污染的同时降低企业的能源耗用成本。目前,我们为客户提供的热能服务不采取单独收费的方式,而热能服务的价值最终在我们提供的全套供热系统解决方案中实现。

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