燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

陳立波王建偉柴壽明楊前明

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團(tuán)有限公司，青島 266400；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

陳立波1王建偉2柴壽明1楊前明2

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團(tuán)有限公司，青島 266400；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

本文從運(yùn)行成本、燃料供應(yīng)、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)天然氣鍋爐、生物質(zhì)鏈條鍋爐、生物質(zhì)燃燒機(jī)和甲醇鍋爐進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，生物質(zhì)鏈條鍋爐運(yùn)行成本低、燃料供應(yīng)來(lái)源廣，是一種較為合適的燃煤替代設(shè)備。針對(duì)生物質(zhì)燃料揮發(fā)份含量高、氣相燃燒比例高的特點(diǎn)，進(jìn)行爐拱和二次配風(fēng)改造，并具有一定的燃燒抑氮效果；對(duì)于生物質(zhì)燃料著火點(diǎn)提前的問(wèn)題，采用專用的生物質(zhì)上料裝置；對(duì)于負(fù)荷率低的鍋爐，進(jìn)行風(fēng)機(jī)變頻改造；為實(shí)現(xiàn)更低的煙塵排放控制，采用更換水膜除塵器為布袋除塵器的技術(shù)措施。

生物質(zhì) 鍋爐改造 經(jīng)濟(jì)性分析

引言

全球變暖和環(huán)境污染使可再生能源在世界范圍得到日益廣泛的推廣和應(yīng)用。在我國(guó)，2013年出臺(tái)的《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》[1]中提出，對(duì)蒸發(fā)量在35t/h及10t/h以下不同容量燃煤鍋爐按不同期限進(jìn)行改造或淘汰，初步估算涉及的小型工業(yè)鍋爐數(shù)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)。2014年，先后出臺(tái)了《重點(diǎn)地區(qū)煤炭消費(fèi)減量替代管理暫行辦法》[2]《國(guó)家能源局、環(huán)境保護(hù)部關(guān)于開(kāi)展生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》[3]等文件，逐步開(kāi)始控制傳統(tǒng)煤炭能源的使用，并加大力度實(shí)施可再生能源的替代工作。

在稅收方面，隨著碳排放稅、環(huán)保稅等稅種在中國(guó)即將開(kāi)始征收，清潔和可再生能源的運(yùn)行成本與傳統(tǒng)煤炭能源間的差距越來(lái)越小，其可行性越來(lái)越高，應(yīng)用前景變得越發(fā)廣闊。

1 設(shè)備性能對(duì)比

因小容量燃煤鍋爐已被禁止使用，目前企業(yè)可選擇的鍋爐設(shè)備主要包括天然氣鍋爐、生物質(zhì)層燃鍋爐[4]、生物質(zhì)燃燒機(jī)和甲醇燃料鍋爐等。各種鍋爐都已在不同程度上得到推廣應(yīng)用，不同鍋爐設(shè)備間的性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 不同小型供熱設(shè)備（＜10t/h，蒸汽鍋爐）間的性能指標(biāo)對(duì)比[5-6]

從表1中可以看出，就運(yùn)行成本而言，在綜合考慮燃料價(jià)格、人工及水電費(fèi)用、污染治理的前提下，生物質(zhì)層燃鍋爐的運(yùn)行成本僅稍高于小型煤粉鍋爐，遠(yuǎn)低于天然氣，也低于生物質(zhì)燃燒機(jī)和甲醇燃料鍋爐，尤其是在使用低檔次成型燃料或邊角碎料時(shí)，生物質(zhì)層燃鍋爐的噸蒸汽成本更會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降。

需要特別指出的是甲醇燃料鍋爐。目前，甲醇產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，1200元/噸的甲醇燃料售價(jià)已遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)煤制甲醇生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本，使得市售甲醇燃料摻水現(xiàn)象嚴(yán)重。估算表明，甲醇燃料每摻水10%，鍋爐的噸蒸汽生產(chǎn)成本則會(huì)上升約30元。一方面是因?yàn)閾剿疁p少了可燃燒的燃料量，另一方面，摻入水分蒸發(fā)時(shí)的氣化潛熱也需要由燃料燃燒提供，而這部分熱量最終并未得到回收。

生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)是灰分低，揮發(fā)份和氧含量高，易燃盡，固體不完全燃燒損失大幅降低。因而，生物質(zhì)層燃鍋爐及燃燒機(jī)的熱效率一般可比燃煤層燃鍋爐高出10%甚至更多。但生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)渣問(wèn)題卻是一個(gè)普遍存在的嚴(yán)重問(wèn)題，使生物質(zhì)燃燒機(jī)只能燃用灰分很低的優(yōu)質(zhì)木屑燃料（灰分含量＜3%）。相比而言，小型生物質(zhì)層燃鍋爐雖然也存在結(jié)渣問(wèn)題，但結(jié)渣情況并不嚴(yán)重，調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)企業(yè)自備小型工業(yè)鍋爐的額定容量普遍遠(yuǎn)高于實(shí)際所需容量，鍋爐負(fù)荷率較低，從而使燃料的燃燒溫度很少會(huì)超過(guò)其灰熔點(diǎn)。

天然氣鍋爐最大的不足在于運(yùn)行成本過(guò)高，比生物質(zhì)層燃鍋爐高出近1倍，使用汽企業(yè)無(wú)法承受。即使地方政府實(shí)施燃?xì)鈨r(jià)格補(bǔ)貼政策，其生產(chǎn)成本也比其他鍋爐高出很多。

小型煤粉鍋爐具有熱效率高、排放低、運(yùn)行成本最低的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用遠(yuǎn)景較好。但目前該技術(shù)在我國(guó)尚不成熟，未實(shí)現(xiàn)小型化。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煤粉結(jié)焦現(xiàn)象嚴(yán)重，燃燒器易損壞，導(dǎo)致停爐頻發(fā)。此外，煤粉燃料供應(yīng)問(wèn)題也尚未得到解決。

綜上所述，生物質(zhì)層燃鍋爐是較為理想的選擇。且這種鍋爐可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有燃煤鍋爐改造獲得，有利于降低企業(yè)投資。

2 燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)技術(shù)方案

以DZL4-1.25-AII型鍋爐為例，其技術(shù)改造方案如下。

（1）爐拱、二次配風(fēng)及燃燒抑NOx改造。生物質(zhì)的揮發(fā)分含量很高，一般在70%左右。生物質(zhì)在爐排上受熱至300℃以上后，揮發(fā)份就會(huì)快速析出并離開(kāi)爐排，在爐排的上方進(jìn)行氣相燃燒，而煤炭主要在爐排上進(jìn)行固相燃燒，兩者的燃燒特點(diǎn)差異較大。因此，燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料，必須對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行改造。

①二次配風(fēng)燃燒，主要針對(duì)鍋爐前拱。需要將原燃煤鍋爐的前拱全部砸掉后重砌，并在內(nèi)部布置二次風(fēng)管，外設(shè)二次風(fēng)機(jī)。

②在爐拱內(nèi)二次配風(fēng)口下方預(yù)留木屑燃料噴入口?？梢灾苯邮褂媚拘既剂献鳛槎稳剂希粌H能降低鍋爐運(yùn)行成本，還能進(jìn)一步降低氮氧化物的排放值，以滿足將來(lái)更為嚴(yán)苛的鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)。

③對(duì)一次配風(fēng)進(jìn)行改造。在主燃燒區(qū)通過(guò)引入部分煙氣再循環(huán)的方式，實(shí)現(xiàn)在燃燒過(guò)程中氮氧化物生成的抑制。

（2）上料系統(tǒng)改造。生物質(zhì)燃料中因揮發(fā)份含量高，相比燃煤鍋爐而言，在爐排上的著火點(diǎn)大大提前，這樣導(dǎo)致的后果是燃料還未通過(guò)煤閘板即開(kāi)始燃燒，不僅導(dǎo)致閘板燒壞、燃料浪費(fèi)，而且有起火的風(fēng)險(xiǎn)。因此，要將原燃煤鍋爐的煤斗上料系統(tǒng)，改為生物質(zhì)帶封閉裝置的專用上料斗，可有效解決燃料回燃的問(wèn)題。

（3）除塵改造。鍋爐大氣排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于煙塵的排放指標(biāo)是30mg/Nm3，傳統(tǒng)水膜式除塵器的除塵效率一般不高于95%，無(wú)法滿足煙塵指標(biāo)的排放要求，因而必須更換為布袋除塵器，其除塵效率可達(dá)99%以上。如將來(lái)國(guó)家對(duì)于工業(yè)鍋爐也提出超低排放的要求，則除塵裝置需要進(jìn)一步替換為濕式電除塵，或改造為靜電布袋除塵器，這兩種除塵方式都能實(shí)現(xiàn)將煙塵指標(biāo)降低至10mg/Nm3以下的要求。

國(guó)產(chǎn)布袋除塵器的價(jià)格一般可按2萬(wàn)元/蒸噸來(lái)計(jì)算，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備則多數(shù)在3.5萬(wàn)元/蒸噸以上。

（4）鼓引風(fēng)機(jī)變頻改造[7]。風(fēng)機(jī)電耗與鍋爐負(fù)荷率近似成3次方關(guān)系。即與不采用變頻改造的鍋爐相比，當(dāng)鍋爐負(fù)荷率只有50%時(shí)，采用變頻改造風(fēng)機(jī)的電耗僅為不采用變頻改造的鍋爐風(fēng)機(jī)電耗的0.53=0.125=12.5%，節(jié)電高達(dá)87.5%。以4t/h的鍋爐、負(fù)荷率50%，每度電0.8元計(jì)，一年至少可節(jié)省電費(fèi)近9萬(wàn)元，風(fēng)機(jī)變頻改造的投資回收期約為4個(gè)月。

3 鍋爐改造項(xiàng)目及費(fèi)用情況

表2為鍋爐改造各項(xiàng)目及其費(fèi)用情況。可看出，鍋爐改造投入中，布袋除塵器的費(fèi)用最高，占比達(dá)50%～60%。特別需注意的是，對(duì)于鼓引風(fēng)機(jī)變頻改造項(xiàng)目，如企業(yè)鍋爐負(fù)荷較低，則建議實(shí)施此項(xiàng)改造，節(jié)省電費(fèi)的效果極為可觀，潛力巨大。若企業(yè)鍋爐負(fù)荷率常年保持在很高的程度，則無(wú)須實(shí)施此項(xiàng)改造。

表2 鍋爐改造各項(xiàng)目及費(fèi)用情況表（以4t/h燃煤鍋爐為例）

4 結(jié)論與建議

（1）與其他各種清潔能源相比，生物質(zhì)層燃鍋爐具有運(yùn)行成本低、燃料供應(yīng)來(lái)源廣的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為合適的燃煤替代設(shè)備。

（2）燃煤鍋爐改為生物質(zhì)鍋爐，需要針對(duì)生物質(zhì)燃料揮發(fā)份含量高，氣相燃燒比例高的特點(diǎn)，在爐前拱部位增加二次配風(fēng)，以保證揮發(fā)份的完全燃燒。

（3）鍋爐負(fù)荷率不高時(shí)，對(duì)鼓引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造可以大幅度地降低電耗費(fèi)用。

（4）需要增設(shè)布袋除塵器，以滿足鍋爐大氣排放標(biāo)準(zhǔn)中煙塵含量低于30mg/Nm3的要求。

[1]環(huán)境保護(hù)部，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，工業(yè)和信息化部，財(cái)政部，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家能源局.關(guān)于印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》的通知[EB/OL].（2013-09-17）[2016-10-16].http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201309/t20130918_260414.htm

[2]國(guó)家發(fā)展改革委，工業(yè)和信息化部，財(cái)政部，環(huán)境保護(hù)部，統(tǒng)計(jì)局，能源局.關(guān)于印發(fā)《重點(diǎn)地區(qū)煤炭消費(fèi)減量替代管理暫行辦法》的通知[EB/OL].（2014-12-29）[2016-10-16]. http:// www.sdpc.gov.cn/gzdt/201501/t20150114_660128.html

[3]國(guó)家能源局，環(huán)境保護(hù)部.國(guó)家能源局.環(huán)境保護(hù)部關(guān)于開(kāi)展生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)目建設(shè)的通知[EB/OL].（2014-06-18）[2016-10-16]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/ auto87/201407/t20140708_1818.htm

[4]張啟昌，張英楠，王峰潔，等.吉林省幾種常見(jiàn)生物質(zhì)顆粒燃料的性能[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（11）：96-98.

[5]李海英.生物質(zhì)鍋爐的性能論述[J].節(jié)能，2008，27（8）：52-54.

[6]紀(jì)任山，王乃繼，肖翠微，等.高效煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].煤炭燃燒，2009，5（5）：52-56.

[7]王廷才，王本軼.風(fēng)機(jī)設(shè)備的變頻技術(shù)及應(yīng)用[J].節(jié)能，2004，（4）：41-43.

Reconstruction Design on Converting Coal-fired Boiler to Biomass Boiler and Comparative Technical and Economic Analysis

CHEN Libo1, WANG Jianwei2, CHAI Shouming1, YANG Qianming2
(1.Qingdao West Coast Public utility Group Co., Ltd., Qingdao 266400; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590）

In this paper, comparative analysis is conducted on running cost, fuel supplement, main advantages and disadvantages of gas-fired boiler, chain grate biomass boiler, biomass burner, and methanol-fired boiler. It is concluded that chain grate biomass boiler has the advantages of low running cost and wide fuel source, which is a proper combustion equipment for coal substitute. Aiming at the characteristics of high volatile matter and high ratio of gas-phase combustion for biomass, a technical scheme of furnace arch reconstruction and adding secondary air is provided, which is also expected to have effect on inhibition of nitrogen oxides during combustion； as for the problem of lower ignition temperature for biomass fuel, a special biomass feeding device is adopted; frequency conversion retrofitting for fan-motor is also carried out for the boiler with low load; bag-type dust collector is used to replace water film dust collector to realize lower dust emission control.

biomass, boiler improvement, economic analysis