燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐技術(shù)經(jīng)濟分析

上海煤氣第二管線工程有限公司 萬捷文

燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐技術(shù)經(jīng)濟分析

上海煤氣第二管線工程有限公司 萬捷文

伴隨能源供需和環(huán)境污染的矛盾日益突出，在用燃煤鍋爐進行天然氣替代改造問題，引起管理部門和專家學者的關(guān)注，并進行了有益的研究。通過對燃煤鍋爐的燃氣替代中不同方案的技術(shù)經(jīng)濟分析，并結(jié)合工程實踐，論證了燃煤鍋爐天然氣替代的經(jīng)濟性和可行性。結(jié)論表明，通過合理選擇替代方案和工程實施，天然氣鍋爐能符合企業(yè)經(jīng)濟利益和社會環(huán)保政策、能源政策的發(fā)展趨勢，是目前鍋爐建設(shè)及改造的主要方向。

燃氣 燃氣鍋爐 燃煤鍋爐 技術(shù)經(jīng)濟分析

根據(jù)《上海市燃氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》天然氣能源替代配套項目規(guī)劃要求，“十二五”期間上海市約有1 300臺燃煤(重油)鍋爐、窯爐需完成燃氣替代。燃煤鍋爐的燃氣替代正式進入實施階段，如何將市區(qū)內(nèi)已有的燃煤鍋爐替代成燃氣鍋爐是個重要的問題。

1 燃氣替代方案選擇

燃煤鍋爐燃氣替代的方法主要有兩個途徑，重新購置燃氣鍋爐和在原有燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上進行改造。

1.1 重新購置燃氣鍋爐

全部拆除原燃煤鍋爐，改造鍋爐房，選用、安裝新的燃氣鍋爐。采用該方式，原燃煤鍋爐房的面積、結(jié)構(gòu)均能滿足燃氣鍋爐的安裝需要，且需對原鍋爐房進行整修即可。同時原鍋爐房的水處理系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)無需作較大的變更。

重新購置燃氣鍋爐系統(tǒng)，替換原有燃煤鍋爐系統(tǒng)。此方式相對簡單易行，改造徹底，設(shè)備間協(xié)調(diào)性較好，可充分發(fā)揮鍋爐能力，亦便于管理。鍋爐房可按燃氣鍋爐房裝修，鍋爐房可以達到整齊，美觀和明亮的要求。原有土建設(shè)施全部拆除后重新建設(shè)可節(jié)約出原有用地1/3的用地空間，可用于其他建設(shè)用途。選擇燃氣鍋爐應(yīng)注意自動控制程度、安全性、外觀和整體布置、安裝簡便與否。

目前燃氣鍋爐已經(jīng)做到無人操作、全自動運行。購置燃氣鍋爐的主要問題是費用較高。1臺10 t燃氣鍋爐的主要設(shè)備及安裝預(yù)算費用見表1。

表1 1臺10 t燃氣鍋爐的主要設(shè)備及安裝預(yù)算費用

1.2 原有燃煤鍋爐改造

在原燃煤鍋爐上進行改造，將燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐，該方法利用現(xiàn)有燃煤鍋爐進行改造。燃煤鍋爐爐膛的傳熱過程主要是通過燃燒的煤層與爐管之間的輻射傳熱。燃氣鍋爐的爐內(nèi)傳熱則主要是靠三原子氣體與爐管間的輻射傳熱。采用該方式，鍋爐本體需要部分改造；原來的進煤設(shè)備，鍋爐燃燒設(shè)備，除灰除渣設(shè)備需要拆除等；在燃氣改造時，尚需作一系列校核設(shè)計計算；選用合適的燃燒器以及自控系統(tǒng)的安裝和增裝等。燃煤鍋爐的燃氣改造，燃燒器的選型和布置對以后燃氣鍋爐的安全、經(jīng)濟運行有著重要的影響。改造后的鍋爐應(yīng)使爐膛內(nèi)火焰的充滿度好，同時避免火焰直接沖刷換熱面，使管壁過熱。

它最大的優(yōu)點是可以利用燃煤鍋爐爐膛容積較大的特點，稍作改動，即可提高鍋爐的出力。如層燃燃煤鍋爐改為燃氣后，出力可以提高30%~50%。原有爐膛、部分土建、水處理等設(shè)施可繼續(xù)利用，減少投資內(nèi)容，單位投資相對較低，見效較快。鍋爐改造方案必須簡單易行，欲被改造的燃煤鍋爐其受壓元件必須基本完好，有繼續(xù)使用的價值，鍋爐的給水系統(tǒng)和送、引風系統(tǒng)也必須基本完好。改造后的燃氣鍋爐，運行管理、經(jīng)濟、安全運行，一般不如新購置設(shè)備。1臺10 t燃氣鍋爐改造的預(yù)算費用見表2。

表2 1臺10 t燃氣鍋爐改造的預(yù)算費用

由于燃氣鍋爐的售價遠遠高于燃煤鍋爐改燒燃氣的費用，因此許多燃煤鍋爐用戶選擇了燃煤鍋爐改燒燃氣的途徑。一些用戶在改造工程中，未對鍋爐改造的可行性進行分析，只是將燃煤設(shè)備拆除，簡單加裝燃氣燃燒器。未對鍋爐受熱面進行改造，也未加裝必要的安全控制裝置，不符合勞動部頒發(fā)的《熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》或《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，造成熱效率低，浪費燃氣，運行成本過高，使用壽命短，存在許多安全隱患。

2 燃煤鍋爐改造的可行性分析

并非所有的燃煤鍋爐都具有改燒燃氣的價值，那些熱效率低和已接近報廢期的鍋爐就沒有改造價值。判斷一臺鍋爐是否具有改造價值，首先對燃煤鍋爐的熱效率進行檢測和剩余使用壽命進行評估，然后對鍋爐的改造費用和改造后的熱效率及使用壽命進行分析，根據(jù)改造后的年計算費用與新上燃氣鍋爐對比，判斷是否具有改造價值。

設(shè)計改造燃煤鍋爐的現(xiàn)有價值為k1，新上燃氣鍋爐投資為k2。使用燃氣燃燒及控制設(shè)備改造費用為b。T1、T2為運行年限。f1、f2為維護(包括維修)管理費占投資的百分數(shù)，f1取8%~10%，f2取5%。q為鍋爐效率100%時每年消耗燃氣和電的費用。η1、η2為設(shè)備實際運行效率。r為鍋爐工的年工資和福利等?，F(xiàn)制定兩種方案：方案1為改造之后的年運行費用S1，方案2為新上燃氣鍋爐的年運行費用S2。計算如下：

若S1小于S2，改造的年運行費用低，可以改造。否則不宜改造，而適合新上燃氣鍋爐。

3 上海味之素食品有限公司鍋爐替代案例分析

以上海味之素食品有限公司鍋爐替代為例，對燃煤鍋爐與燃天然氣鍋爐的改造及進行分析。公司現(xiàn)有10 t/h燃煤蒸汽鍋爐1臺，該鍋爐為上海工業(yè)鍋爐有限公司2010年生產(chǎn)，型號DZL10-1.25-AⅡ，2010年投入使用，設(shè)計使用壽命20年。鍋爐爐體受壓元件基本完好，有繼續(xù)使用價值；鍋爐的給水系統(tǒng)和送、引風系統(tǒng)基本完好。

根據(jù)表1、表2的新建和改造預(yù)算費用，按照(1)式、(2)式對改造方案進行年運行費用計算比較，由于待改造設(shè)備使用年限較短，其改造成本低于購買新鍋爐的改造方案，優(yōu)選考慮改造方案。

該鍋爐非常適宜改造為燃氣鍋爐。

3.1 燃煤鍋爐技術(shù)參數(shù)

額定蒸發(fā)量：10 t/h

工作壓力：1.25 MPa

蒸汽溫度：194 ℃

熱效率：60%

燃料：AⅡ煙煤

3.2 改造要求

將現(xiàn)有的該臺10 t/h燃煤蒸汽鍋爐改造為天然氣鍋爐，改造要求如下：

(1)改造方案簡單易行，較少或不改變原鍋爐本體受壓元件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

(2)改造后應(yīng)保持原鍋爐的額定參數(shù)(如汽溫、汽壓、給水溫度等不變)，保持或提高原鍋爐的出力和效率；

(3)通過改造達到消除煙塵滿足環(huán)保指標要求。

3.3 方案選擇

3.3.1 燃燒器選擇

燃煤鍋爐的改造，要選擇和設(shè)計合適的燃氣燃燒器，燃燒器應(yīng)符合以下條件：

(1)改造后的燃氣鍋爐運行時，根據(jù)不同的燃氣和負荷，近似估算燃燒火焰長度，應(yīng)使爐膛火焰充滿度較好，不形成氣流死角。

(2)燃燒完全，過?？諝庀禂?shù)小，燃燒溫度高，燃燒噪音小，爐膛火焰充滿度好，火焰輻射能力強，但火焰要避免高速沖刷換熱面，以免換熱面強度過高使管壁過熱。

(3)由于中小型鍋爐在負荷多變的情況下使用，要求燃燒器有很寬的負荷調(diào)節(jié)范圍。

(4)由于燃煤鍋爐爐膛容積大，要根據(jù)爐膛的大小和形狀選擇合適的燃燒器，保證燃燒器的熱負荷滿足鍋爐需求。

(5)便于安裝，操作簡單，維修方便，使用壽命長，造價低。

3.3.2 輔助設(shè)施選擇

由于燃氣易燃、易爆，燃氣鍋爐的危險性比較大，在燃氣鍋爐的開停爐過程，如操作不當，很容易造成鍋爐爆炸等事故。為保證鍋爐安全運行，需要對燃氣鍋爐采用安全控制系統(tǒng)。

(1)增設(shè)燃氣高、低壓報警和連鎖裝置，防止火焰脫火、回火，當火焰熄火、脫火時報警，并自動關(guān)閉電磁閥。

(2)增設(shè)高、低水位報警和連鎖裝置，超低水位時報警，并關(guān)閉電磁閥，切斷燃氣氣源，鼓風機30S后停機，引風機仍運行。

(3)由于燃煤鍋爐煙氣系統(tǒng)阻力比燃氣鍋爐大，鼓風機、引風機采用變頻調(diào)速技術(shù)，以達到優(yōu)化燃燒的目的。

3.4 技術(shù)方案總體構(gòu)思

(1)爐膛設(shè)計中考慮到天然氣燃燒的火焰直徑(D1 500 mm)和火焰長度(4 500 mm)，為使爐膛空間與火焰的充滿度達到最佳。爐膛容積熱負荷設(shè)計為≤4.184 MJ/m3h；

(2)考慮到天然氣主要成份為CH4，其燃燒后產(chǎn)生的H2O蒸汽份額較大，故其輻射能力較強，爐膛受熱可適當增加，以充分利用其輻射傳熱，提高熱效率，降低鋼材消耗，確保鍋爐出力，并可能提高鍋爐出力；

(3)鍋爐爐膛內(nèi)采用微正壓燃燒。要求鍋爐的爐墻，密封性能要加強；

(4)由于燃氣鍋爐的空氣過剩系數(shù)較小，只有1.05~1.2之間，燃燒所需風量較少一些，加上拆除除塵器后，以及煙道系統(tǒng)煙塵較小，所以煙道阻力較小，引風機風量有較多的富余采用檔板風門調(diào)節(jié)，功率損耗較大，建議可考慮采用變頻調(diào)速方式對引風機進行調(diào)控；

(5)在爐膛和后煙室看火門處，增加一個至兩個防爆門，提高鍋爐的抗爆性能；

(6)新增加燃燒器控制系統(tǒng)與原有的鍋爐控制有機結(jié)合在一起，具有燃燒程控功能，能預(yù)吹掃自動點火，火焰檢測器自檢，負荷自動調(diào)節(jié)，火焰監(jiān)測故障報警聯(lián)鎖停爐。燃氣閥阻檢漏，壓力高低報警，水位調(diào)節(jié)水位高低報警，極低水位停爐。蒸汽壓力超高爐膛溫度超高報警，引風機與燃燒機順控聯(lián)鎖功能。

3.5 鍋爐改造技術(shù)方案闡述

(1)配置進口燃氣燃燒器：“奧林”GP—700M，DN100一體化全自動燃燒器及自控系統(tǒng)，包括：組合電磁閥調(diào)壓閥、過濾器、檢漏裝置，高壓氣壓開關(guān)，氣壓表及連桿等組成閥組一套。

(2)拆除煤斗、拆除爐排。

(3)制作全爐墻及燃燒器的連接面板，改造新前爐墻。

(4)用原左側(cè)和后部的看火門，改成防爆門。

(5)拆除原有鼓風機、除塵器以及空氣預(yù)熱器，將原有鼓風機及送風道全部拆除(預(yù)熱器可根據(jù)情況考慮)，原除塵器拆除后，鋼制煙道將原除塵器卷入口和出口之間空間進行連接，形成完整煙道。

(6)清除爐內(nèi)水冷壁管對流管束等受熱面上的煙垢，同時將鍋爐內(nèi)水側(cè)的水垢進行清洗，提高鍋爐受熱面的傳熱能力。

(7)對所有的爐墻及爐門進行密封，保證燃氣鍋爐在微正壓狀態(tài)下安全運行。

(8)按要求依次裝上燃氣閥組及附件，最后裝上燃燒器主體部分，使用耐火材料將燃燒筒與爐墻進行密封。

(9)根據(jù)燃燒器要求配置鍋爐自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水氣、燃氣、電氣的監(jiān)測控制以及報警保護功能。

3.6 鍋爐改造工程費用預(yù)算

鍋爐改造項目見表2，改造費用50.25萬元。

3.7 燃氣系統(tǒng)工程改造

燃燒器對天然氣參數(shù)要求：

天然氣供氣壓力(動壓)：150~200 kPa

流量：720 m3/h

燃料熱值：≥33.472 MJ/m3

氣源接自市政道路天然氣管道，為中壓A，為達到鍋爐燃燒器前的壓力要求，同時又可以防止燃氣壓力的上下波動，需要在廠區(qū)設(shè)置一臺落地式燃氣調(diào)壓計量柜，該調(diào)壓柜可完成過濾、調(diào)壓、穩(wěn)壓、計量、安全切斷等功能。為保證向鍋爐24小時不間斷供氣，可采用2+1型式，及雙回路加旁通。

燃氣工程費用預(yù)算費用為16.7萬元。

4 燃煤鍋爐、燃氣鍋爐使用成本比較

燃煤鍋爐如使用煤炭，其熱值23.012 MJ/kg(按標準煤計算)左右，其市場價980元/t；天然氣的熱值為33.472 MJ/m3，天然氣價格為3.8元/m3；以全年生產(chǎn)2 000 h計算，兩者費用比較詳見表3：

表3 燃煤鍋爐與燃氣鍋爐費用比較

5 結(jié)語

從以上比較可以看出，通過技術(shù)經(jīng)濟分析，可合理選擇替代方案。通過改造后燃氣鍋爐的運行費用略高于燃煤鍋爐，但燃氣鍋爐可以大大改善工作環(huán)境，降低勞動強度，提高企業(yè)品位。隨著國家及地方環(huán)境保護政策、能源政策的發(fā)展趨勢,燃氣鍋爐的運行費用較燃煤鍋爐有非常大的下降空間，是目前鍋爐建設(shè)及改造的主要方向。

燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐過程必須嚴格遵守國家有關(guān)規(guī)程、規(guī)范，在經(jīng)濟合理、鍋爐額定參數(shù)不變的前提下，達到節(jié)能減耗、保護環(huán)境的要求。

Technical and Economic Analysis of Transforming Coal-Fired Boiler to Gas-Fired Boiler

Shanghai Gas No.2 Pipeline Engineering Co., Ltd. Wan Jiewen

To solve the contradiction of energy supply/demand and environmental pollution, the technology of transforming coal-fired boiler to gas-fired boiler has been discussed recently, and demonstrated by the technical and economic analysis combining with the engineering case. It points out that by choosing the alternative reasonably, the gas-fired Boiler is the main method of transforming coal-fired boiler, and it can meet the profits, environmental protection policy and energy policy as well.

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