小城鎮(zhèn)燃煤鍋爐熱源替代方案研究

牛永勝

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來，我國大氣污染呈逐年加重趨勢，尤其2013年，部分區(qū)域開始出現(xiàn)大范圍且長時間持續(xù)的強(qiáng)霧霾天氣，損害了人民群眾的身體健康、影響了社會和諧穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

《國務(wù)院關(guān)于大氣污染治理行動計(jì)劃》[1]指出：全面整治燃煤小鍋爐。加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè)，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐；《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》[2]指出：全面淘汰燃煤小鍋爐。到2015 年底，京津冀及周邊地區(qū)地級及以上城市建成區(qū)，除必要保留的以外，全部淘汰每小時10 蒸噸及以下燃煤鍋爐、茶浴爐。

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃(2014-2020年)的通知》[3]指出著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，像邯鄲市邱縣這樣的小城鎮(zhèn)原有供熱熱源已經(jīng)難以滿足城市發(fā)展的需求，在當(dāng)前大氣環(huán)境急需治理的今天，增加燃煤鍋爐已受到制約，根據(jù)小城鎮(zhèn)余熱資源條件，采用熱泵技術(shù)、余熱鍋爐等技術(shù)手段，積極尋找新的鍋爐熱源替代方案，解決當(dāng)前小城鎮(zhèn)供熱熱源緊張，節(jié)能減排、消除大氣污染的新的方向[4]。

1 邱縣小城鎮(zhèn)污染現(xiàn)狀

2013年上半年全國重點(diǎn)監(jiān)測74個城市的空氣質(zhì)量中，有28個城市達(dá)標(biāo)天數(shù)不足50%，而在這些城市中，河北省的邢臺市、邯鄲市被特別點(diǎn)出。

2014年第一季度74個城市達(dá)標(biāo)天數(shù)比例范圍平均為53.1%，第一季度空氣質(zhì)量相對較差的前十位城市分別是邢臺、石家莊、保定、唐山、邯鄲、衡水、濟(jì)南、西安、廊坊和成都，河北省占七個，邯鄲仍然是其中之一。

為了減少大氣污染，河北省大力推進(jìn)“電代煤”“氣代煤”工程和燃煤小鍋爐淘汰，鼓勵發(fā)展熱泵等清潔能源的使用。2017年2月9日，河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市供熱專項(xiàng)規(guī)劃修編工作的通知》，指出因地制宜、科學(xué)利用天然氣、電能、地?zé)?、工業(yè)余熱等能源，努力提高清潔供熱水平和供熱質(zhì)量。經(jīng)過不斷努力,河北省治理大氣污染取得了重要的階段性成效。截止到2019年，河北全省PM2.5平均濃度為56 μg/m3，與2013年相比，降幅48%，比2018年下降14%。

邱縣是一個典型的平原農(nóng)業(yè)縣份，現(xiàn)對于邯鄲其他地區(qū)，污染相對較小，但受邯鄲整個大環(huán)境影響，空氣質(zhì)量不容樂觀。

從邯鄲氣體狀態(tài)大氣污染源調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其主要來源可概括為三大方面：冬季采暖鍋爐、工業(yè)生產(chǎn)過程、交通運(yùn)輸?shù)取Ｒ陨先矫娈a(chǎn)生的大氣污染所占的比例分別為70%、20%和10%[5]。在邱縣，煤是人們的首選燃料，同時該縣城10噸以下小鍋爐居多，而且分散，效率較低，這就增加了煤的燃燒量，使大氣背上了沉重的包袱。

邯鄲市建設(shè)局關(guān)于印發(fā)《2017年供熱專項(xiàng)實(shí)施方案》的通知[6]指出邱縣：2017年，重點(diǎn)開展淘汰燃煤鍋爐供暖能力替代工作，到2020年實(shí)現(xiàn)縣城集中供暖和清潔能源供暖率達(dá)到95%以上。

近年隨著邱縣城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，進(jìn)一步加劇了燃煤的污染，因此開發(fā)新型綠色能源，替代傳統(tǒng)鍋爐熱源，解決邱縣供熱熱源和城市大氣污染是當(dāng)前迫切解決的問題。

2 邱縣縣城可利用的熱源分析

邱縣縣城余熱資源豐富，龍港化工、邦秸稈發(fā)電廠生活污水處理廠污水等有大量余熱資源，目前這些余熱不但都白白排放到空氣中，同時也是對城市的熱污染。

根據(jù)對邱縣縣城余熱資源的調(diào)研，可回收利用的余熱資源主要有如下幾種：

(1) 龍港化工氨生產(chǎn)與水煤氣生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的余熱

龍港化工在氨與水煤氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的熱量，在工藝中需要對氨與水煤氣進(jìn)行降溫，熱量通過冷卻塔直接排放到了大氣中，這部分余熱資源溫度高，便于回收利用，同時該廠檢修一般安排在夏秋季節(jié)，可以作為穩(wěn)定、可靠的冬季余熱資源，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，該廠余熱資源如下：

1) 水煤氣工藝所能產(chǎn)生的熱量

該企業(yè)水煤氣的生產(chǎn)量為20000～25000 m3/h，水煤氣溫度為140～150℃，同時采用三座400 m3的冷卻塔為其降溫，溫差降15℃以上，按1200 m3/h水煤氣冷卻水量計(jì)算，可以從水煤氣中提取的熱量為：20934 kW，相當(dāng)于30噸鍋爐的供熱量。

2) 制氨工藝產(chǎn)生的熱量

該企業(yè)制氨時可產(chǎn)生120℃的混合高壓氣，通過現(xiàn)有噴淋冷卻水方式可將混合氣體降低到70～80℃，該工藝主要有設(shè)有四座200 m3的淋管式換熱裝置，總冷卻水量為800 m3/h，溫差降為10℃，則可從氨氣中提取的熱量為：9304 kW，相當(dāng)于13噸鍋爐的供熱量。

(2) 威利邦秸稈電廠可回收的熱能

威利邦秸稈電廠設(shè)計(jì)安裝2×18 MW高溫高壓單抽凝汽式供熱機(jī)組，配2×75噸/h高溫高壓秸稈爐排鍋爐，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.85億度，設(shè)計(jì)年供熱量49.9 GJ，同時該發(fā)電廠循環(huán)冷卻水中還有大量的余熱資源，同時冬季是秸稈電廠主要發(fā)電的季節(jié)，余熱資源穩(wěn)定、可靠。

該電廠循環(huán)水量為1800 m3/h，循環(huán)水溫度最高為45 ℃，在冬季循環(huán)水溫度可達(dá)30℃左右；循環(huán)水溫度降為10～15℃，本設(shè)計(jì)按10 ℃考慮，可回收的熱量為20934 kW，相當(dāng)于30噸鍋爐的供熱量。

(3) 生活污水處理廠的排水熱能

邱縣污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力為3萬噸/天，目前處理量為2萬噸/天，清水排量2萬噸/天，冬季水溫為11～12℃左右。目前污水處理廠的排水量為833 m3/h，排水溫度按11℃計(jì)算，則在生活污水中提取的熱量為4843 kW，相當(dāng)于7噸鍋爐的供熱量。

(4) 余熱資源匯總

表1 余熱資源匯總

從余熱資源統(tǒng)計(jì)可以看出，邱縣總余熱資源折合鍋爐供熱相當(dāng)于80噸鍋爐的供熱量，考慮到回收余熱消耗的電能和蒸汽熱能(按20%考慮),可以轉(zhuǎn)換的供熱能力約100噸鍋爐的供熱量，余熱資源量大，合理利用可以大范圍的替代燃煤鍋爐。

從余熱資源分布，可以看出，余熱資源主要集中在邱縣縣城西部，因此有限考慮對邱縣縣城西部區(qū)域鍋爐熱源的替代。

3 邱縣縣城鍋爐熱源替換分析

目前邱縣地區(qū)一區(qū)到八區(qū)和十六區(qū)主要是工業(yè)建筑，九區(qū)到十五區(qū)和十八區(qū)是住宅建筑，根據(jù)上面分析，邱縣雖然有豐富的余熱資源，但如果替換邱縣全部鍋爐熱源也是不現(xiàn)實(shí)的，因此考慮首先替換與老百姓生活密切相關(guān)的住宅采暖熱源上。

邱縣住宅供熱面積及供熱形式統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 邱縣縣城供熱統(tǒng)計(jì)表

按照單位建筑面積熱指標(biāo)計(jì)算，針對邱縣地理位置和建筑新舊情況綜合考慮，建筑面積熱指標(biāo)取45 W/m2，則住宅建筑冬季總熱負(fù)荷為67500 kW，折合96噸鍋爐。

4 邱縣余熱回收方案

4.1 方案思路

(1) 根據(jù)邱縣可回收余熱情況和邱縣縣城要替換的熱源情況，采用梯級回收方式回收，分別提供暖氣片用高溫?zé)嵩春偷匕遢椛洳膳玫蜏責(zé)嵩础?/p>

(2) 根據(jù)余熱資源位置，劃分替換熱源區(qū)域，龍港化工廠余熱和威利邦秸稈電廠冷卻水余熱分別設(shè)立集中供熱站，污水廠熱源考慮污水廠附近新建小區(qū)供熱熱源。

(3) 龍港化工優(yōu)先利用余熱鍋爐和換熱器技術(shù)直接回收高溫部分熱能。

(4) 采用蒸汽驅(qū)動熱泵技術(shù)，回收電廠及化工廠低溫冷卻水熱能，提供90℃熱水供熱介質(zhì)。

(5) 低溫余熱采用電驅(qū)動熱泵機(jī)組提供50℃供熱介質(zhì)。

4.2 龍港化工廠余熱回收方案

(1) 龍港化工廠高溫煤氣余熱回收方案

龍港化工廠高溫水煤氣溫度為140～150℃：煤氣冷卻余熱約30噸，設(shè)計(jì)采用梯級熱回收，高溫部分設(shè)計(jì)兩臺10噸高溫煤氣余熱回收熱水鍋爐提供90℃采暖用熱水。剩余10噸余熱采用該化工廠富裕的20噸蒸汽驅(qū)動一臺蒸汽溴化鋰熱泵機(jī)組回收。

龍港化工高溫煤氣回收的總熱能為30噸，加上20噸鍋爐熱能，可以提供50噸鍋爐供熱量，回收原理如圖1所示。

(2) 制氨工藝?yán)鋮s水余熱回收

制氨時產(chǎn)生120℃的混合高壓氣，該企業(yè)有設(shè)有四座200 m3的淋管式換熱裝置，總冷卻水量為800 m3/h，設(shè)計(jì)三臺3600 kW的螺桿熱泵機(jī)組直接回收冷卻水熱能，提供50℃熱水，供地板輻射采暖，可以提供15鍋爐供熱量，回收原理如圖2所示。

圖1 梯級回收原理圖

圖2 高溫氨氣余熱回收原理圖

4.3 威利邦秸稈電廠余熱回收方案

該電廠設(shè)計(jì)年供熱量49.9 GJ，及71.3噸鍋爐的供熱量，采用該蒸汽驅(qū)動吸收式熱泵可以回收該電廠冷卻水中30噸鍋爐余熱[7]，但考慮到該電廠蒸汽主要為工業(yè)提供熱源，而且供熱用熱交換站系統(tǒng)完善，因此考慮不影響電廠原供熱系統(tǒng)，而采用電驅(qū)動螺桿熱泵機(jī)組回收電廠冷卻水余熱。

本方案根據(jù)邱縣電廠周邊用熱負(fù)荷，考慮設(shè)計(jì)五臺供熱量4200 kW的螺桿熱泵機(jī)組，回收電廠冷卻水熱能，提供30噸鍋爐的供熱量，主要滿足邱縣十一、十二區(qū)地板采暖供熱，回收原理如圖3所示。

4.4 生活污水處理廠余熱回收方案

邱縣污水處理廠日處理量為2萬噸/天，清水排量2萬噸/天，考慮設(shè)計(jì)采用兩臺3600 kW的螺桿熱泵機(jī)組，直接從處理后清水中回收熱量，可以提供10噸鍋爐供熱量，回收原理見圖4。

圖3 高溫氨氣余熱回收原理圖

圖4 污水廠余熱回收原理圖

4.5 總回收余熱量

表3 邱縣縣城供熱統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

(1) 針對邱縣熱源需求和余熱資源情況，本文綜合使用余熱鍋爐技術(shù)、熱泵技術(shù)、梯級熱能利用技術(shù)等多種余熱回收技術(shù)，研究通過回收邱縣化工廠、秸稈電廠、生活污水處理廠中豐富的余熱資源，替代了傳統(tǒng)燃煤鍋爐供熱。

(2) 既解決了當(dāng)前小城鎮(zhèn)快速發(fā)展供熱熱源緊張問題，又為我國小城鎮(zhèn)傳統(tǒng)熱源置換、節(jié)能減排、大氣污染治理提供了新的途徑。

(3) 傳統(tǒng)鍋爐熱源替代除了要考慮供熱量外還涉及到對原有供熱網(wǎng)的改造，用戶供熱末端的配套、改造費(fèi)用等問題，因此傳統(tǒng)鍋爐熱源的實(shí)際替換還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行深入研究。