北京大學(xué)昌平校區(qū)燃煤鍋爐清潔能源改造探析

李 鐘 王憲輝 何 佳

(北京大學(xué)動(dòng)力中心，北京 100871)

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)成為我們?nèi)粘Ｉ钪兄档藐P(guān)注的熱點(diǎn)話題之一，北京作為一個(gè)特大型城市，人口密集，新老環(huán)境問(wèn)題并存，燃煤、機(jī)動(dòng)車、PM2.5等問(wèn)題需要同時(shí)解決，污染治理和環(huán)境質(zhì)量改善的任務(wù)十分艱巨。從2001年啟動(dòng)的“煤改氣”，到2017年的“清煤降氮”，為解決越來(lái)越突出的環(huán)境問(wèn)題，打贏城市藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，北京市始終堅(jiān)持源頭防治方向，實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)，連續(xù)出臺(tái)了一系列環(huán)保政策，其中對(duì)于采暖鍋爐的大氣污染物排放控制要求更加嚴(yán)格。

1 改造背景

為進(jìn)一步改善空氣質(zhì)量，北京市政府部門制定了2013年—2017年清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃，昌平區(qū)也加大了環(huán)保治理力度，在《昌平區(qū)2013—2017年清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)任務(wù)分解2017年工作措施》中，工業(yè)和供暖燃煤鍋爐清潔能源改造是重點(diǎn)之一，當(dāng)?shù)卣笸ㄟ^(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和燃煤設(shè)施清潔能源改造等方式，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)基本無(wú)燃煤。并且對(duì)未完成煤改清潔能源的工業(yè)企業(yè)，自8月1日后，燃煤設(shè)施原則上停止運(yùn)行。北京大學(xué)昌平校區(qū)的供暖鍋爐房即在本次改造范圍之內(nèi)，為了響應(yīng)號(hào)召在當(dāng)年完成改造任務(wù)，不影響正常供暖，學(xué)校于2016年提前啟動(dòng)了昌平校區(qū)清潔能源改造工程，并計(jì)劃于2017年4月，即當(dāng)年供暖季結(jié)束后即開(kāi)始改造施工，10月底工程竣工進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，當(dāng)年冬季燃?xì)忮仩t投入運(yùn)行。

2 改造的必要性

鍋爐房的4臺(tái)2.8 MW燃煤鍋爐于1998年投入使用，歷經(jīng)數(shù)次維修，2009年進(jìn)行過(guò)脫硫除塵系統(tǒng)的改造。其中有2臺(tái)作為供暖熱源正常使用(一用一備)，另外2臺(tái)處于停用狀態(tài)。由于燃煤鍋爐投用年代早，設(shè)備老舊，近年來(lái)鍋爐本體和環(huán)保設(shè)施的故障率上升，鍋爐的熱效率明顯降低。尤其是新標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后存在環(huán)保達(dá)標(biāo)困難的問(wèn)題，如果只是對(duì)鍋爐進(jìn)行環(huán)保設(shè)施的技術(shù)改造，不僅投入非常高，改造難度也很大，效果無(wú)法得到保證，從節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮并不合適。

另外，燃煤鍋爐體積大、輔機(jī)多，儲(chǔ)煤場(chǎng)、沉渣池、脫硫除塵設(shè)備等占地面積大，自動(dòng)化程度低，運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)滯后時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境差，運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，這些都是燃煤鍋爐所特有的缺點(diǎn)，而使用清潔能源的鍋爐可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。

因此，對(duì)運(yùn)行部門來(lái)說(shuō)，不管是為了環(huán)保達(dá)標(biāo)，還是為了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，或是改善校園環(huán)境，完成燃煤鍋爐的清潔能源改造都是非常必要而緊迫的。

3 改造方案

3.1 基本情況

該校區(qū)的供暖時(shí)間約為每年的11月7日至次年的3月22日，共約135 d，具體根據(jù)當(dāng)季天氣情況確定。根據(jù)學(xué)校近期規(guī)劃，校區(qū)供暖面積將由目前的約4.5萬(wàn)m2增加到6萬(wàn)m2，遠(yuǎn)期將達(dá)到10萬(wàn)m2。為滿足校區(qū)未來(lái)的發(fā)展需要，同時(shí)考慮到備用系數(shù)和鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率，選用2臺(tái)4.2 MW熱水鍋爐作為供暖熱源，并在鍋爐房?jī)?nèi)提前預(yù)留設(shè)備增容的空間。

3.2 熱源設(shè)備

燃?xì)忮仩t和蓄熱式電鍋爐都是清潔能源，經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)從廠區(qū)環(huán)境、調(diào)控便捷程度、熱效率等方面來(lái)看，二者有著很多共同之處，但是從投資運(yùn)行成本、環(huán)保、安全性等方面來(lái)看，卻存在著如下幾個(gè)方面的區(qū)別:1)電鍋爐在本地完全無(wú)污染，燃?xì)忮仩t需要重點(diǎn)考慮氮氧化物的排放問(wèn)題；2)蓄熱式電鍋爐可用低谷電，運(yùn)行成本低于燃?xì)忮仩t；3)電鍋爐適用范圍廣，無(wú)需相關(guān)審批，便于管理；4)燃?xì)忮仩t無(wú)電力增容要求，但需要附近有市政天然氣管道；5)電鍋爐需考慮電力增容問(wèn)題(見(jiàn)表1)。

該鍋爐房主要任務(wù)是為學(xué)校的教學(xué)科研提供安全、穩(wěn)定、可靠的供暖服務(wù)，根據(jù)該校區(qū)實(shí)際情況，再考慮到改造的緊迫性、施工工期等因素，最終確定采用燃?xì)鉄崴仩t作為供暖熱源設(shè)備。

表1 燃煤鍋爐與電鍋爐、燃?xì)忮仩t優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

3.3 氣源情況

由于市政天然氣尚未覆蓋到該區(qū)域，確定使用天然氣作為氣源后，第一時(shí)間向燃?xì)饧瘓F(tuán)提出報(bào)裝申請(qǐng)。燃?xì)饧瘓F(tuán)負(fù)責(zé)校外管線的敷設(shè)，學(xué)校負(fù)責(zé)校內(nèi)管線的敷設(shè)。但因?yàn)榇硕稳細(xì)馔饩€為隨路工程，需跟周邊的市政道路一起施工，管道氣能否按時(shí)通氣存在較大的不確定性。后期經(jīng)與燃?xì)饧瘓F(tuán)溝通，得知2017年供暖季前通氣無(wú)法保障后，學(xué)校及時(shí)調(diào)整氣源方案，第一個(gè)采暖季計(jì)劃采用LNG氣源作為臨時(shí)過(guò)渡，市政天然氣接通后，再按要求將氣源切換為市政管道氣。

3.4 節(jié)能和環(huán)保要求

節(jié)能方面，為提高鍋爐的燃燒效率，要求采用電子比例調(diào)節(jié)燃燒機(jī)，運(yùn)用全自動(dòng)電子比例線性控制技術(shù)，降低鍋爐綜合能耗。另外，為充分挖掘供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力，要求鍋爐必須配置節(jié)能器(煙氣余熱回收裝置)，對(duì)鍋爐排放出來(lái)的高溫?zé)煔庵械臐摕岷惋@熱進(jìn)行再利用，在一定程度提升鍋爐的回水溫度，從而提高鍋爐的整體效率。

環(huán)保方面，根據(jù)環(huán)保局2017年4月1日起執(zhí)行的有關(guān)規(guī)定，新建鍋爐二氧化硫排放限值為10 mg/m3，氮氧化物排放限值為30 mg/m3，鍋爐氮氧化物的排放控制標(biāo)準(zhǔn)目前在世界范圍內(nèi)也是最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，要求鍋爐燃燒設(shè)備采用最新的超低氮燃燒技術(shù)控制氮氧化物排放。

3.5 改造具體內(nèi)容

本次改造在原有鍋爐房主體保持不變的前提下，主要進(jìn)行熱源設(shè)備的改造，包括拆除燃煤鍋爐及其輔機(jī)設(shè)備，拆除脫硫除塵設(shè)施和煙囪等；安裝4.2 MW燃?xì)鉄崴仩t2臺(tái)，并對(duì)其配套的循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、軟化水裝置和配電系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。在鍋爐選型時(shí)要求燃燒機(jī)應(yīng)采用口碑較好的歐美進(jìn)口產(chǎn)品，鍋爐本體選用國(guó)內(nèi)知名廠家的成熟爐型。

4 改造前后對(duì)比

燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)年耗煤約1 250 t，鍋爐二氧化硫年排放量為153 kg，煙塵年排放量為139 kg，氮氧化物年排放量為1 013 kg。改造后燃用天然氣，可基本實(shí)現(xiàn)二氧化硫和煙塵的零排放，并大幅削減氮氧化物的排放，環(huán)境效益相當(dāng)可觀。預(yù)計(jì)二氧化硫削減量為150 kg/年，煙塵削減量為139 kg/年，氮氧化物削減量為822 kg/年。

燃煤鍋爐相比燃?xì)忮仩t本身熱效率就更低，使用年頭長(zhǎng)了后，熱效率還會(huì)緩慢下降，如果繼續(xù)投運(yùn)比較容易造成能源的浪費(fèi)。燃?xì)忮仩t通過(guò)安裝煙氣余熱回收裝置，可大幅降低鍋爐的排煙溫度，提升鍋爐熱效率。燃?xì)忮仩t運(yùn)行調(diào)節(jié)更加方便，參數(shù)調(diào)整響應(yīng)快捷，鍋爐的運(yùn)行曲線與天氣變化情況能夠更好地進(jìn)行匹配，以達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控運(yùn)行參數(shù)、科學(xué)合理供熱的目標(biāo)。

燃?xì)忮仩t的結(jié)構(gòu)緊湊、輔機(jī)設(shè)備少，故障率低，運(yùn)行期間，水電、環(huán)保和人工等成本較低，燃料成本較高，綜合成本要明顯高于燃煤鍋爐。

改造前后燃煤鍋爐與燃?xì)忮仩t運(yùn)行參數(shù)、能源消耗指標(biāo)和大氣污染物排放情況見(jiàn)表2。

表2 改造前后鍋爐運(yùn)行情況對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

燃煤鍋爐清潔能源改造應(yīng)以環(huán)保為首要出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)要考慮節(jié)能效果和運(yùn)行成本，也要考慮氣源供應(yīng)的安全穩(wěn)定性等問(wèn)題。熱源的選擇將直接關(guān)系到投產(chǎn)后運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益，在選擇時(shí)應(yīng)重視方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等因素的綜合分析論證。

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[3] 張群力,張秋月.燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收利用技術(shù)研究[J].建筑科學(xué),2016,32(6):133-141.