小型燃煤鍋爐改造技術(shù)路線研究

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0 引言

受經(jīng)濟(jì)規(guī)模和環(huán)保理念的限制，個體私營企業(yè)較多采用小型燃煤鍋爐制備蒸汽，這與現(xiàn)行的國家政策不相符合。燃煤鍋爐煤耗高、污染大，在能源與環(huán)保問題受到高度重視的今天，燃煤鍋爐必須進(jìn)行革命性的改造［1］。目前，全國各地都在進(jìn)行小型燃煤鍋爐的改造工作，采用的技術(shù)路線各不相同。本文將詳細(xì)分析改造過程中需要考慮的種種因素，以期為小型燃煤鍋爐的改造工作提供可行的思路。

1 改造技術(shù)路線

按照熱源的建設(shè)位置，小型燃煤鍋爐改造可分為就地改造和集中改造。

1.1 就地改造方式

（1）燃煤鍋爐煙氣凈化改造。不拆除原有的小型燃煤鍋爐，對煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，包括升級原有脫硫系統(tǒng)、增設(shè)高效除塵設(shè)備、增設(shè)脫硝系統(tǒng)等，比如采用布袋除塵器進(jìn)行除塵，濕法脫硫或者使用低硫煤，采用SCR 脫硝系統(tǒng)［2］。這種改造方式工程量小、費(fèi)用低，但是因為沒有改造原有鍋爐，往往不能使用清潔燃煤，煙氣排放指標(biāo)不是很理想，不能達(dá)到重點(diǎn)地區(qū)的環(huán)保要求。

（2）燃?xì)忮仩t改造。燃?xì)忮仩t是使用天然氣作為燃料制造高溫?zé)崴蛘羝脑O(shè)備。燃?xì)忮仩t燃燒效率高，可達(dá)85%以上，高于傳統(tǒng)的小型燃煤鍋爐，不需加裝額外的煙氣處理設(shè)施就可以實(shí)現(xiàn)極低的SO2和粉塵的排放。但氮氧化物排放量較高，需要采用低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行改造［3］。燃?xì)忮仩t具有啟動速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)用戶需求快速進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整和啟停操作。但這種改造方式不僅要加裝低氮燃燒器和脫硝設(shè)備，還需要更換整個鍋爐及附屬設(shè)備，投資高、工程量大、易受氣源短缺問題影響。燃?xì)鈨r格較高會增加用戶的生產(chǎn)成本，而且燃?xì)忮仩t的安全問題也需要高度重視，造成運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用進(jìn)一步升高。綜上所述，用戶主動進(jìn)行燃?xì)忮仩t改造的意愿不太強(qiáng)烈，需要政府推動。

（3）電鍋爐改造。電鍋爐是使用電能作為驅(qū)動能源制備所需品質(zhì)蒸汽或熱水的設(shè)備。工作原理是通過電熱元件或電磁感應(yīng)元件將電能轉(zhuǎn)化成熱能，再通過換熱介質(zhì)將熱能送出。按照電熱原理分類，電熱鍋爐可分為電熱管式、電熱棒式、電熱板式、電極式、感應(yīng)式等5 大類［4］。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，電熱鍋爐具有啟動速度快、調(diào)節(jié)靈活、占地小、噪音低、清潔環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，不需要設(shè)置燃料供應(yīng)和存儲系統(tǒng)，不需要設(shè)置煙氣凈化系統(tǒng)。但是，電鍋爐運(yùn)行費(fèi)用較高，需要改造變壓器等配電設(shè)施，建設(shè)初期投資費(fèi)用高；大容量的電鍋爐在使用過程中可能對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；電能作為優(yōu)質(zhì)能源，用來制熱屬于能源高質(zhì)低用的浪費(fèi)行為，只適合用在電量過剩的地區(qū)；受當(dāng)?shù)仄髽I(yè)用電總量政策的限制，難以被大規(guī)模推廣。

（4）生物質(zhì)鍋爐改造。生物質(zhì)鍋爐是使用農(nóng)業(yè)林業(yè)廢棄物為原料直接燃燒制備高品質(zhì)熱能的設(shè)備，類型有流化床式和層燃式。原有小型燃煤鍋爐可以花費(fèi)較小代價改建為層燃式生物質(zhì)鍋爐，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、改造費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但對鍋爐配風(fēng)要求較高，容易結(jié)渣，腐蝕情況較嚴(yán)重。SO2排放量雖有所降低，但是容易產(chǎn)生氣溶膠，影響催化劑作用［5］。在我國廣大的農(nóng)業(yè)和林業(yè)地區(qū)，采用生物質(zhì)鍋爐具有一定的可行性，但是需根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保政策，妥善解決好煙氣中HCl 和氣溶膠排放的問題。

就地改造是在原有鍋爐房位置進(jìn)行改造，大部分用戶因為鍋爐容量較小，未聘請專業(yè)人員進(jìn)行操作和維護(hù)，存在實(shí)際使用的入爐煤與設(shè)計煤種不一致導(dǎo)致燃燒效率較低的問題，排煙溫度較高導(dǎo)致熱能浪費(fèi)的問題，鍋爐維護(hù)保養(yǎng)不到位、給水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、操作不規(guī)范導(dǎo)致鍋爐壽命大大降低的問題，燃料燃燒產(chǎn)生的大量高品質(zhì)熱能低質(zhì)利用的問題；燃料品質(zhì)低、燃燒不充分、煙氣未有效處理等原因?qū)е碌奈廴疚锍瑯?biāo)排放的問題。對于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保監(jiān)督單位來說，存在難以有效監(jiān)測和管控數(shù)量龐大的分散小鍋爐的問題。這些小容量鍋爐即使進(jìn)行就地式改造，也難以將上述問題徹底解決。

1.2 集中改造方式

（1）燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是指以煤為原料生產(chǎn)電能和熱能的機(jī)組。我國北方采暖地區(qū)建有大量的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，機(jī)組通過抽汽向外提供蒸汽。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組具有燃燒效率高、運(yùn)行維護(hù)水平高、自動化程度高、能量利用率高、單位投資低等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行清潔燃燒改造后，煙氣排放指標(biāo)也能夠達(dá)到環(huán)保要求。如果用戶周邊有燃煤電廠或規(guī)劃建設(shè)燃煤電廠，則適合采用此種改造方式。

（2）燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組是指使用燃?xì)怛?qū)動燃?xì)廨啓C(jī)工作，燃?xì)廨啓C(jī)再驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，排出的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐制備蒸汽，蒸汽再驅(qū)動汽輪機(jī)的機(jī)組，整個機(jī)組發(fā)電容量在100 MW 到650 MW 之間。相對于燃?xì)忮仩t，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)具有綜合熱效率高、煙氣易于集中處理、自動化程度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)［6］。由于我國火力發(fā)電能力已經(jīng)處于富余狀態(tài)，因此難以新建此類機(jī)組，在用戶周邊地區(qū)存在燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組時可優(yōu)先考慮使用此種方式。

（3）分布式能源。分布式能源機(jī)組是指使用燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等原動機(jī)生產(chǎn)電能和熱能的機(jī)組。區(qū)別于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，分布式能源機(jī)組單機(jī)容量一般在50 MW 以下。它不僅具備燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)，還具有初投資小、占地面積少、輸配過程能源損失小的特點(diǎn)，而且國家可再生能源法、關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見、“十三五”能源規(guī)劃等政策文件都鼓勵發(fā)展分布式能源機(jī)組，機(jī)組建設(shè)不存在政策性問題［7］。

（4）區(qū)域鍋爐房。區(qū)域鍋爐房是指建設(shè)大型燃煤鍋爐進(jìn)行集中供熱的場所，鍋爐容量一般在每小時數(shù)十噸左右。用區(qū)域鍋爐房代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小型燃煤鍋爐，燃燒效率較高可節(jié)約燃料，單位初投資低而節(jié)省了造價，煙氣處理設(shè)施效率更高可確保煙氣達(dá)標(biāo)排放，燃煤消耗量較大使其在市場上易于獲得所需煤種，優(yōu)點(diǎn)較多，適合在燃煤鍋爐控制不太嚴(yán)格的區(qū)域進(jìn)行建設(shè)。

集中改造方式所介紹的幾種技術(shù)路線，均是拆除原有小鍋爐，利用附近原有機(jī)組或是集中建設(shè)新的供汽機(jī)組，通過管道向用戶供應(yīng)蒸汽。這種類型的方式比就地改造方式而言，具有燃燒效率高、單位投資低、單位占地面積小、單位運(yùn)行費(fèi)用低、自動化程度高、煙氣處理效果好等等優(yōu)點(diǎn)，宜優(yōu)先推廣。

2 影響因素分析

小型燃煤鍋爐改造時，除了考慮選擇合適的設(shè)備外，還需要綜合考慮燃料、場地、安全、環(huán)保、費(fèi)用等因素的影響。下文就這些影響因素進(jìn)行簡要分析。

2.1 燃料因素

我國煤炭資源豐富，燃煤采購不易受到世界市場波動的影響。由于煤炭清潔燃燒技術(shù)的發(fā)展，煤炭在非禁煤區(qū)仍然是物美價廉的優(yōu)選燃料。

我國天然氣資源相對貧乏，近年來通過西氣東輸、LNG 港口建設(shè)、天然氣田開發(fā)等手段提高了國內(nèi)天然氣的可獲得量，但是仍未從根本上解決天然氣依賴進(jìn)口的問題。尤其在冬季供暖季節(jié)，用戶往往面臨“斷氣”的威脅，使得生產(chǎn)可能無法順利進(jìn)行。因此現(xiàn)階段天然氣只適合用于對環(huán)保要求較高且氣源充足的地區(qū)。

生物質(zhì)能源主要指農(nóng)林廢棄物，如秸稈、鋸末、玉米芯、甘蔗渣以及各類谷殼。我國生物質(zhì)燃料數(shù)量巨大，完全可以作為化石能源的補(bǔ)充，而且生物質(zhì)燃料是可再生的，生物質(zhì)燃料燃燒廢物灰分、碳、氮、硫等含量均較低，煙氣簡單處理即可達(dá)標(biāo)排放。生物質(zhì)燃料相對熱值較低，導(dǎo)致其鍋爐體積偏大，而且生物質(zhì)燃料容易結(jié)渣，影響鍋爐使用壽命。生物質(zhì)燃料還具有收購困難、儲存成本高、需要進(jìn)行預(yù)處理等缺點(diǎn)［8］。因此在諸如農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)等生物質(zhì)原料供應(yīng)豐富的區(qū)域才適宜采用。

電能是高品質(zhì)能源，清潔高效、易于控制和轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。但是若將電能用來制備蒸汽或熱水，則是能源高質(zhì)低用的浪費(fèi)行為，不值得提倡。不過在部分區(qū)域，由于新能源發(fā)電的不可控性，給使用電能制備熱能的行為帶來了財務(wù)可行性，同時如果當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求高且其它清潔燃料難以獲得時，也可以采用電能作為替代，因此電能制備熱能只適合于電能富余或者清潔燃料短缺的地區(qū)。

2.2 場地因素

如今社會經(jīng)濟(jì)開始發(fā)展，城鎮(zhèn)用地寸土寸金，如果企業(yè)能夠合理規(guī)劃廠房用地，使用集中供汽系統(tǒng)提供的蒸汽，將節(jié)約的土地用于生產(chǎn)車間擴(kuò)建，帶來的經(jīng)濟(jì)回報是相當(dāng)可觀的。因此在地價較高的地區(qū)，用戶應(yīng)考慮改造后帶來的地價收益，推動建設(shè)集中供汽系統(tǒng)。如果當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)園區(qū)地價不高，且從長期規(guī)劃來看廠房擴(kuò)建所需土地供應(yīng)充足，則可以不考慮場地因素的影響。

2.3 安全因素

燃煤鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、電鍋爐安全性均較高，不容易燃燒和爆炸。而燃?xì)忮仩t具有易燃易爆的特點(diǎn)，因此設(shè)備投運(yùn)前必須要通過當(dāng)?shù)叵啦块T驗收。燃?xì)忮仩t房位置、內(nèi)部防火墻設(shè)置、門窗開口朝向、泄壓面積等均有嚴(yán)格要求，對于安全性要求較高的場所不建議使用燃?xì)忮仩t。

2.4 環(huán)保因素

煤燃燒后產(chǎn)生的煙氣中灰分、二氧化硫、氮氧化物含量均較高，因此必須對煤進(jìn)行預(yù)處理，并對燃燒后的煙氣進(jìn)行除塵、脫硫、脫硝等一系列操作，才能有效降低煙氣中的污染物指標(biāo)，做到達(dá)標(biāo)排放。生物質(zhì)燃料燃燒后的煙氣中煙塵、二氧化硫含量均較低，但是氮氧化物和氣溶膠含量較高，氣溶膠會影響催化劑作用，因此需處理好煙氣脫硝的問題。天然氣燃燒后基本無粉塵和二氧化硫排放，但是氮氧化物排放量較高，需要對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造并加裝脫硝設(shè)備才可以達(dá)標(biāo)排放。電能是清潔能源，直接使用電能不會對大氣環(huán)境產(chǎn)生不良影響。綜上分析可知，煤燃燒帶來的污染最大，需要采取的環(huán)保措施最復(fù)雜，生物質(zhì)和天然氣主要處理好脫硝問題，這幾種能源在采取合理措施后一般均能達(dá)標(biāo)排放。

2.5 費(fèi)用因素

對原有小型鍋爐進(jìn)行改造，主要涉及到初投資費(fèi)、燃料費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等幾大項。為便于比較，本文簡化了供汽熱源的型號，小型熱源統(tǒng)一設(shè)定為5t/h 的容量，區(qū)域內(nèi)總供汽能力設(shè)計為150 t/h，具體分析見表1。

通過上文的分析可知，燃煤熱源的折算年成本最低，燃?xì)鉄嵩吹恼鬯隳瓿杀炯s為燃煤熱源的3 倍左右，電鍋爐的折算年成本約為燃煤熱源的8 倍左右?？梢?，影響總成本的主要是燃料費(fèi)用，同樣燃料的情況下集中供汽的改造方式比分散式改造要略微便宜一些。但是如果區(qū)域內(nèi)已經(jīng)建成集中熱源，則可以省去熱源建成成本，那么集中供汽的改造方式優(yōu)勢進(jìn)一步增加。

表1 小型燃煤鍋爐改造方案費(fèi)用分析

3 結(jié)論

本文對小型燃煤鍋爐改造技術(shù)路線進(jìn)行了分析，列舉了就地改造方式與集中改造方式所采用的各類技術(shù)路線的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，并綜合考慮燃料、產(chǎn)地、安全、環(huán)保、費(fèi)用等5 個影響決策的因素。分析后可知，在非禁煤區(qū)，在進(jìn)行清潔燃燒改造后，燃煤熱源具有非常大的優(yōu)勢，其中以集中式的燃煤熱源改造為最優(yōu)；如果當(dāng)?shù)貙儆诮簠^(qū)，則燃?xì)鉄嵩吹木C合優(yōu)勢較大，集中式的改造方式比就地分散式的稍優(yōu)；只有在當(dāng)?shù)貨]有充足可靠的燃煤、燃?xì)?、生物質(zhì)燃料或者當(dāng)?shù)仉娔芙?jīng)常性富余的情況下，才可以考慮使用電鍋爐；特別要說明的是，如果當(dāng)?shù)匾呀?jīng)有建成的集中式熱源，則毫無疑問應(yīng)該選擇使用集中式熱源代替小型燃煤鍋爐。