鍋爐煤改氣技術分析及環境影響評價研究

文_宋彬 太原燃氣集團有限公司

1 鍋爐煤改氣情況概述

在霧霾的主要來源中，煤燃燒后產生的PM2.5占比較大。燃煤鍋爐熱效率一般在70%～75%之間，其燃燒過程中，不僅會排放較多的PM2.5粉塵，還會排放二氧化碳、二氧化硫等有害氣體。根據國家和地方政府的政策要求，各地均出臺了空氣污染綜合治理方案，在一定的時期內，通過使用清潔能源代替傳統的高污染燃料。天然氣是全世界范圍內認可度較高的清潔能源，它的燃燒效率較為充分，并且燃燒后產生的粉灰含硫、含氧量均較低。另外天然氣主要依靠管道傳輸，極大地節省了人力成本，鍋爐煤改氣是近十年來的趨勢。

鍋爐煤改氣以后，擁有政策、技術和原料三大優勢。2015年國家能源局曾印發《綠色能源示范縣建設補助資金管理暫行辦法》，2018年國家發展和改革委與國家能源局共同印發了《2018年-2020年國家清潔能源消納計劃》，這些都為鍋爐煤改氣提供了政策支持。從鍋爐的技術結構上來說，燃氣鍋爐大多采用了機電一體化的結構，空間布局、占用更加合理，前期的投入更少，既能供應大量高效的熱能，又能實現節能環保。在原料方面，西氣東輸工程為我國大多數地區提供了較為物美價廉的天然氣資源，完全能滿足鍋爐煤改氣的需求。

2 鍋爐煤改氣的技術要點分析

鍋爐由燃煤改成燃氣，不僅僅是改變了鍋爐的燃燒方式，而是對鍋爐的運行情況和鍋爐房的管理帶來了翻天覆地的變化。燃氣鍋爐的燃料除天然氣之外，還有焦爐氣和煤制氣，這些均是有毒的易燃、易爆氣體，如果改造技術不過關，容易造成爐膛爆炸，甚至引起局部的火災。鍋爐煤改氣需在遵守并執行《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》等國家相關法律法規的基礎上，編制相關方案上報監管部門。在鍋爐煤改氣的過程中，需要對鍋爐的本體、燃燒系統、排煙系統、自動控制系統、自動保護系統、鍋爐房進行全面的改造，方能符合國家的相關環保標準。

2.1 鍋爐房的技術改造要點

鍋爐房的技術改造要點主要集中在對鍋爐房安全措施的加固，墻壁均采用耐火材料進行施工。一是由于燃氣易燃易爆的特點，需要在鍋爐房中加裝相應的燃氣濃度警報系統，并且實時監測鍋爐房中的燃氣濃度。二是需要對鍋爐房的電氣和機械設備機型防爆加固。三是根據燃氣鍋爐的運行工況，酌情增設燃氣調壓站。四是根據氣源的可靠程度，建立備用氣源的存儲點，嚴格落實各項鍋爐房安全措施。

2.2 鍋爐本體的技術改造要點

燃煤鍋爐多為層燃爐，而燃氣鍋爐多為室燃爐，二者使用的燃料及鍋爐的燃燒方式均存在差異，也使得鍋爐的特性以及熱傳導性存在較大的不同。與燃煤鍋爐比較，燃氣鍋爐的溫度更高、熱強度更大，這會導致局部爐膛受熱負荷更大。在進行鍋爐改造方案設計時，需要對鍋爐的熱力計算進行校核，保證煙溫低于6000℃，避免引起管板裂紋和鍋爐的泄漏。在進行鍋爐熱力特性分析時，還需對水循環裝置和煙氣的阻力進行重新計算，避免由于鍋爐煤改氣造成的安全隱患。燃煤鍋爐和燃氣鍋爐的爐膛、煙道使用的材料也不相同，需要針對性地完善爐膛的維護結構強度，增強鍋爐的密封性，并按照相關規定在煙道和爐膛上增設防爆門。

2.3 燃燒系統的技術改造要點

鍋爐燃燒系統的改造是煤改氣工程的重中之重，該系統包含空氣、燃氣供給、點火、燃燒器、排煙五個子系統。空氣子系統需要對管線的壓力進行限制，并增設壓力傳感器和流量調節控制開關，方便根據鍋爐的情況，隨時調整空氣和燃氣的流量。燃氣供給管線上也應該加裝壓力監測裝置，并在主管線和鍋爐之間安裝切斷閥，相較于燃煤鍋爐，點火磁場閥、調壓器、過濾器、電磁閥以及燃氣泄露檢驗裝置均為燃氣鍋爐的標配，在煤改氣的過程中，需要注意此類設計。燃燒器是鍋爐燃燒系統的核心，燃燒器的熱功率、溫度分布和火焰形狀都需要與鍋爐相匹配，需特別注意的是在整個燃燒過程中火焰不能沖刷鍋爐壁的任意一個地方，燃燒器的整體布局也不能干擾火焰的擴展。

2.4 排煙系統的技術改造要點

鍋爐排煙系統的技術改造程度直接決定了其環境影響效果，有條件的地方應對鍋爐系統設置單獨的煙道和煙囪，并最大程度保證煙氣在爐膛和煙道內的正常流通，防止燃氣廢氣的聚集。同時，通過對燃氣鍋爐煙氣冷凝水和熱能的回收，并使用熱能加熱熱網水，幫助空氣充分燃燒，讓鍋爐氮氧化物下降，從而降低氮的排放量，避免鍋爐的快速腐蝕。

2.5 自動控制和自動保護系統技術改造要點

自動控制和自動保護系統是鍋爐的大腦，燃煤鍋爐與燃氣鍋爐運行時的熱工參數檢測方法大致相同，不需要額外的改造，但在報警、參數調節和控制程序方面存在著一定的差異。燃氣與空氣的壓力監測是自動控制系統的核心，燃氣和空氣的比例決定著鍋爐排放的廢氣是否符合環保要求。另外，煙氣溫度的檢測，風門調節器的開關狀態，水位、水溫、爐溫、開關斷開和燃氣泄漏的報警至關重要，配合聯鎖保護，可以實現鍋爐的自動保護。自動控制程序實際是為了減少人為操作失誤導致的生產安全事故，最重要的是實現人為的一鍵式控制。從啟動開關被按下開始，首先是輔助設備開始啟動，然后是爐膛煙道的預吹掃，進而進行點火和燃燒器點火等程序，最后是熄滅，反之順序亦然。自動控制系統中同樣包含了對鍋爐環保系統的控制，最終實現鍋爐的自動化運行。

3 環境影響評價分析

3.1 燃氣鍋爐的節能優勢

相較于燃煤鍋爐，燃氣鍋爐本體結構更加簡單、輔助設備少，進而在運行過程中故障排查容易、保養維護量小、維護費用較低。相同熱功率的燃氣鍋爐體積是燃煤鍋爐體積的1/3～1/5，使得燃氣鍋爐的的占地面積較小，在相同的位置實行鍋爐的煤改氣可以得到更大熱功率或者蒸發量的燃氣鍋爐。燃氣鍋爐的傳熱性能佳，受熱面的腐蝕輕微，經過改良后的燃氣鍋爐熱效率能達到92%～95%。通過對北京、河北、山西等幾十個煤改氣工程的數據進行統計，發現其表計顯示節能率在55%～60%，實際節能率均超過15%，節能效果十分顯著。燃氣鍋爐在使用過程中的電量消耗僅為燃油鍋爐的1/4～1/6，即使考慮到為了提高熱效率所增加的小型鼓風機等設備，耗電量仍具有明顯優勢，每年節能費用可觀。

3.2 燃氣鍋爐的減排優勢

燃煤鍋爐的燃燒過程中會排放出大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，雖然燃煤鍋爐的脫硫裝置已十分普及，但經過處理后的排放物與燃氣鍋爐的排放物仍然存在不小的差距。近年來人們對于溫室氣體的排放愈加重視，可以通過以下公式來計算煤改氣前后鍋爐溫室氣體的排放量。

式中T-溫室氣體排放量；Mn-第n種能源的年消費總量；EFn-第n種燃料的排放因子。

根據對五十余個鍋爐煤改氣的統計數據分析發現，二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物的排放濃度均下降了80%以上，排放總量則下降了80%～90%，而顆粒物PM2.5、PM10的排放濃度下降了40%以上，排放總量下降了94%左右，溫室氣體的總排放量下降了約75%，減排效果十分明顯。

4 結語

綜上所述，鍋爐煤改氣工程的實施過程中，需要對鍋爐房、鍋爐本體、燃燒系統、排煙系統以及自動保護和控制系統進行一系列的改造，只有掌握了改造的技術要點才能使燃氣鍋爐能夠平穩、安全地運行。通過對鍋爐的煤改氣，節能和減排效果顯著，對環境質量的改善也起到積極作用。