小型燃煤鍋爐改造技術路線研究

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0 引言

受經濟規模和環保理念的限制，個體私營企業較多采用小型燃煤鍋爐制備蒸汽，這與現行的國家政策不相符合。燃煤鍋爐煤耗高、污染大，在能源與環保問題受到高度重視的今天，燃煤鍋爐必須進行革命性的改造［1］。目前，全國各地都在進行小型燃煤鍋爐的改造工作，采用的技術路線各不相同。本文將詳細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 改造技術路線

按照熱源的建設位置，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，對煙氣處理系統進行升級改造，包括升級原有脫硫系統、增設高效除塵設備、增設脫硝系統等，比如采用布袋除塵器進行除塵，濕法脫硫或者使用低硫煤，采用SCR 脫硝系統［2］。這種改造方式工程量小、費用低，但是因為沒有改造原有鍋爐，往往不能使用清潔燃煤，煙氣排放指標不是很理想，不能達到重點地區的環保要求。

（2）燃氣鍋爐改造。燃氣鍋爐是使用天然氣作為燃料制造高溫熱水或蒸汽的設備。燃氣鍋爐燃燒效率高，可達85%以上，高于傳統的小型燃煤鍋爐，不需加裝額外的煙氣處理設施就可以實現極低的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進行改造［3］。燃氣鍋爐具有啟動速度快的優點，可以根據用戶需求快速進行負荷調整和啟停操作。但這種改造方式不僅要加裝低氮燃燒器和脫硝設備，還需要更換整個鍋爐及附屬設備，投資高、工程量大、易受氣源短缺問題影響。燃氣價格較高會增加用戶的生產成本，而且燃氣鍋爐的安全問題也需要高度重視，造成運行維護費用進一步升高。綜上所述，用戶主動進行燃氣鍋爐改造的意愿不太強烈，需要政府推動。

（3）電鍋爐改造。電鍋爐是使用電能作為驅動能源制備所需品質蒸汽或熱水的設備。工作原理是通過電熱元件或電磁感應元件將電能轉化成熱能，再通過換熱介質將熱能送出。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、感應式等5 大類［4］。與傳統的燃煤鍋爐相比，電熱鍋爐具有啟動速度快、調節靈活、占地小、噪音低、清潔環保、運行穩定、熱效率高等優點，不需要設置燃料供應和存儲系統，不需要設置煙氣凈化系統。但是，電鍋爐運行費用較高，需要改造變壓器等配電設施，建設初期投資費用高；大容量的電鍋爐在使用過程中可能對電網產生沖擊；電能作為優質能源，用來制熱屬于能源高質低用的浪費行為，只適合用在電量過剩的地區；受當地企業用電總量政策的限制，難以被大規模推廣。

（4）生物質鍋爐改造。生物質鍋爐是使用農業林業廢棄物為原料直接燃燒制備高品質熱能的設備，類型有流化床式和層燃式。原有小型燃煤鍋爐可以花費較小代價改建為層燃式生物質鍋爐，具有結構簡單、操作方便、改造費用和運行維護費用低等優點，但對鍋爐配風要求較高，容易結渣，腐蝕情況較嚴重。SO2排放量雖有所降低，但是容易產生氣溶膠，影響催化劑作用［5］。在我國廣大的農業和林業地區，采用生物質鍋爐具有一定的可行性，但是需根據當地的環保政策，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行改造，大部分用戶因為鍋爐容量較小，未聘請專業人員進行操作和維護，存在實際使用的入爐煤與設計煤種不一致導致燃燒效率較低的問題，排煙溫度較高導致熱能浪費的問題，鍋爐維護保養不到位、給水水質不達標、操作不規范導致鍋爐壽命大大降低的問題，燃料燃燒產生的大量高品質熱能低質利用的問題；燃料品質低、燃燒不充分、煙氣未有效處理等原因導致的污染物超標排放的問題。對于當地的環保監督單位來說，存在難以有效監測和管控數量龐大的分散小鍋爐的問題。這些小容量鍋爐即使進行就地式改造，也難以將上述問題徹底解決。

1.2 集中改造方式

（1）燃煤熱電聯產。燃煤熱電聯產機組是指以煤為原料生產電能和熱能的機組。我國北方采暖地區建有大量的燃煤熱電聯產機組，機組通過抽汽向外提供蒸汽。燃煤熱電聯產機組具有燃燒效率高、運行維護水平高、自動化程度高、能量利用率高、單位投資低等優點，在進行清潔燃燒改造后，煙氣排放指標也能夠達到環保要求。如果用戶周邊有燃煤電廠或規劃建設燃煤電廠，則適合采用此種改造方式。

（2）燃氣蒸汽聯合循環。燃氣蒸汽聯合循環機組是指使用燃氣驅動燃氣輪機工作，燃氣輪機再驅動發電機發電，排出的煙氣進入余熱鍋爐制備蒸汽，蒸汽再驅動汽輪機的機組，整個機組發電容量在100 MW 到650 MW 之間。相對于燃氣鍋爐，燃氣蒸汽聯合循環具有綜合熱效率高、煙氣易于集中處理、自動化程度高、安全性好等優點［6］。由于我國火力發電能力已經處于富余狀態，因此難以新建此類機組，在用戶周邊地區存在燃氣蒸汽聯合循環機組時可優先考慮使用此種方式。

（3）分布式能源。分布式能源機組是指使用燃氣輪機、微燃機、內燃機等原動機生產電能和熱能的機組。區別于燃氣蒸汽聯合循環機組，分布式能源機組單機容量一般在50 MW 以下。它不僅具備燃氣蒸汽聯合循環機組的優點，還具有初投資小、占地面積少、輸配過程能源損失小的特點，而且國家可再生能源法、關于發展天然氣分布式能源的指導意見、“十三五”能源規劃等政策文件都鼓勵發展分布式能源機組，機組建設不存在政策性問題［7］。

（4）區域鍋爐房。區域鍋爐房是指建設大型燃煤鍋爐進行集中供熱的場所，鍋爐容量一般在每小時數十噸左右。用區域鍋爐房代替傳統的小型燃煤鍋爐，燃燒效率較高可節約燃料，單位初投資低而節省了造價，煙氣處理設施效率更高可確保煙氣達標排放，燃煤消耗量較大使其在市場上易于獲得所需煤種，優點較多，適合在燃煤鍋爐控制不太嚴格的區域進行建設。

集中改造方式所介紹的幾種技術路線，均是拆除原有小鍋爐，利用附近原有機組或是集中建設新的供汽機組，通過管道向用戶供應蒸汽。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、單位運行費用低、自動化程度高、煙氣處理效果好等等優點，宜優先推廣。

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備外，還需要綜合考慮燃料、場地、安全、環保、費用等因素的影響。下文就這些影響因素進行簡要分析。

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的發展，煤炭在非禁煤區仍然是物美價廉的優選燃料。

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、天然氣田開發等手段提高了國內天然氣的可獲得量，但是仍未從根本上解決天然氣依賴進口的問題。尤其在冬季供暖季節，用戶往往面臨“斷氣”的威脅，使得生產可能無法順利進行。因此現階段天然氣只適合用于對環保要求較高且氣源充足的地區。

生物質能源主要指農林廢棄物，如秸稈、鋸末、玉米芯、甘蔗渣以及各類谷殼。我國生物質燃料數量巨大，完全可以作為化石能源的補充，而且生物質燃料是可再生的，生物質燃料燃燒廢物灰分、碳、氮、硫等含量均較低，煙氣簡單處理即可達標排放。生物質燃料相對熱值較低，導致其鍋爐體積偏大，而且生物質燃料容易結渣，影響鍋爐使用壽命。生物質燃料還具有收購困難、儲存成本高、需要進行預處理等缺點［8］。因此在諸如農業主產區等生物質原料供應豐富的區域才適宜采用。

電能是高品質能源，清潔高效、易于控制和轉換，廣泛應用于國民經濟各領域。但是若將電能用來制備蒸汽或熱水，則是能源高質低用的浪費行為，不值得提倡。不過在部分區域，由于新能源發電的不可控性，給使用電能制備熱能的行為帶來了財務可行性，同時如果當地環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。

2.2 場地因素

如今社會經濟開始發展，城鎮用地寸土寸金，如果企業能夠合理規劃廠房用地，使用集中供汽系統提供的蒸汽，將節約的土地用于生產車間擴建，帶來的經濟回報是相當可觀的。因此在地價較高的地區，用戶應考慮改造后帶來的地價收益，推動建設集中供汽系統。如果當地產業園區地價不高，且從長期規劃來看廠房擴建所需土地供應充足，則可以不考慮場地因素的影響。

2.3 安全因素

燃煤鍋爐、生物質鍋爐、電鍋爐安全性均較高，不容易燃燒和爆炸。而燃氣鍋爐具有易燃易爆的特點，因此設備投運前必須要通過當地消防部門驗收。燃氣鍋爐房位置、內部防火墻設置、門窗開口朝向、泄壓面積等均有嚴格要求，對于安全性要求較高的場所不建議使用燃氣鍋爐。

2.4 環保因素

煤燃燒后產生的煙氣中灰分、二氧化硫、氮氧化物含量均較高，因此必須對煤進行預處理，并對燃燒后的煙氣進行除塵、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，做到達標排放。生物質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行改造并加裝脫硝設備才可以達標排放。電能是清潔能源，直接使用電能不會對大氣環境產生不良影響。綜上分析可知，煤燃燒帶來的污染最大，需要采取的環保措施最復雜，生物質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標排放。

2.5 費用因素

對原有小型鍋爐進行改造，主要涉及到初投資費、燃料費用、運行維護費用等幾大項。為便于比較，本文簡化了供汽熱源的型號，小型熱源統一設定為5t/h 的容量，區域內總供汽能力設計為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，燃氣熱源的折算年成本約為燃煤熱源的3 倍左右，電鍋爐的折算年成本約為燃煤熱源的8 倍左右。可見，影響總成本的主要是燃料費用，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。但是如果區域內已經建成集中熱源，則可以省去熱源建成成本，那么集中供汽的改造方式優勢進一步增加。

表1 小型燃煤鍋爐改造方案費用分析

3 結論

本文對小型燃煤鍋爐改造技術路線進行了分析，列舉了就地改造方式與集中改造方式所采用的各類技術路線的原理與優缺點，并綜合考慮燃料、產地、安全、環保、費用等5 個影響決策的因素。分析后可知，在非禁煤區，在進行清潔燃燒改造后，燃煤熱源具有非常大的優勢，其中以集中式的燃煤熱源改造為最優；如果當地屬于禁煤區，則燃氣熱源的綜合優勢較大，集中式的改造方式比就地分散式的稍優；只有在當地沒有充足可靠的燃煤、燃氣、生物質燃料或者當地電能經常性富余的情況下，才可以考慮使用電鍋爐；特別要說明的是，如果當地已經有建成的集中式熱源，則毫無疑問應該選擇使用集中式熱源代替小型燃煤鍋爐。