陳立波王建偉柴壽明楊前明

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團有限公司，青島 266400；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

燃煤鍋爐改燒生物質方案及技術經(jīng)濟對比分析

陳立波1王建偉2柴壽明1楊前明2

（1.青島西海岸公用事業(yè)集團有限公司，青島 266400；2.山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

本文從運行成本、燃料供應、優(yōu)缺點等方面對天然氣鍋爐、生物質鏈條鍋爐、生物質燃燒機和甲醇鍋爐進行對比分析。結果表明，生物質鏈條鍋爐運行成本低、燃料供應來源廣，是一種較為合適的燃煤替代設備。針對生物質燃料揮發(fā)份含量高、氣相燃燒比例高的特點，進行爐拱和二次配風改造，并具有一定的燃燒抑氮效果；對于生物質燃料著火點提前的問題，采用專用的生物質上料裝置；對于負荷率低的鍋爐，進行風機變頻改造；為實現(xiàn)更低的煙塵排放控制，采用更換水膜除塵器為布袋除塵器的技術措施。

生物質 鍋爐改造 經(jīng)濟性分析

引言

全球變暖和環(huán)境污染使可再生能源在世界范圍得到日益廣泛的推廣和應用。在我國，2013年出臺的《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》[1]中提出，對蒸發(fā)量在35t/h及10t/h以下不同容量燃煤鍋爐按不同期限進行改造或淘汰，初步估算涉及的小型工業(yè)鍋爐數(shù)量達數(shù)十萬臺。2014年，先后出臺了《重點地區(qū)煤炭消費減量替代管理暫行辦法》[2]《國家能源局、環(huán)境保護部關于開展生物質成型燃料鍋爐供熱示范項目建設的通知》[3]等文件，逐步開始控制傳統(tǒng)煤炭能源的使用，并加大力度實施可再生能源的替代工作。

在稅收方面，隨著碳排放稅、環(huán)保稅等稅種在中國即將開始征收，清潔和可再生能源的運行成本與傳統(tǒng)煤炭能源間的差距越來越小，其可行性越來越高，應用前景變得越發(fā)廣闊。

1 設備性能對比

因小容量燃煤鍋爐已被禁止使用，目前企業(yè)可選擇的鍋爐設備主要包括天然氣鍋爐、生物質層燃鍋爐[4]、生物質燃燒機和甲醇燃料鍋爐等。各種鍋爐都已在不同程度上得到推廣應用，不同鍋爐設備間的性能對比情況見表1。

表1 不同小型供熱設備（＜10t/h，蒸汽鍋爐）間的性能指標對比[5-6]

從表1中可以看出，就運行成本而言，在綜合考慮燃料價格、人工及水電費用、污染治理的前提下，生物質層燃鍋爐的運行成本僅稍高于小型煤粉鍋爐，遠低于天然氣，也低于生物質燃燒機和甲醇燃料鍋爐，尤其是在使用低檔次成型燃料或邊角碎料時，生物質層燃鍋爐的噸蒸汽成本更會出現(xiàn)大幅度的下降。

需要特別指出的是甲醇燃料鍋爐。目前，甲醇產能嚴重過剩，1200元/噸的甲醇燃料售價已遠低于國內煤制甲醇生產企業(yè)的生產成本，使得市售甲醇燃料摻水現(xiàn)象嚴重。估算表明，甲醇燃料每摻水10%，鍋爐的噸蒸汽生產成本則會上升約30元。一方面是因為摻水減少了可燃燒的燃料量，另一方面，摻入水分蒸發(fā)時的氣化潛熱也需要由燃料燃燒提供，而這部分熱量最終并未得到回收。

生物質燃料的特點是灰分低，揮發(fā)份和氧含量高，易燃盡，固體不完全燃燒損失大幅降低。因而，生物質層燃鍋爐及燃燒機的熱效率一般可比燃煤層燃鍋爐高出10%甚至更多。但生物質燃燒機的結渣問題卻是一個普遍存在的嚴重問題，使生物質燃燒機只能燃用灰分很低的優(yōu)質木屑燃料（灰分含量＜3%）。相比而言，小型生物質層燃鍋爐雖然也存在結渣問題，但結渣情況并不嚴重，調查表明，國內企業(yè)自備小型工業(yè)鍋爐的額定容量普遍遠高于實際所需容量，鍋爐負荷率較低，從而使燃料的燃燒溫度很少會超過其灰熔點。

天然氣鍋爐最大的不足在于運行成本過高，比生物質層燃鍋爐高出近1倍，使用汽企業(yè)無法承受。即使地方政府實施燃氣價格補貼政策，其生產成本也比其他鍋爐高出很多。

小型煤粉鍋爐具有熱效率高、排放低、運行成本最低的優(yōu)點，其應用遠景較好。但目前該技術在我國尚不成熟，未實現(xiàn)小型化。在實際運行過程中，煤粉結焦現(xiàn)象嚴重，燃燒器易損壞，導致停爐頻發(fā)。此外，煤粉燃料供應問題也尚未得到解決。

綜上所述，生物質層燃鍋爐是較為理想的選擇。且這種鍋爐可通過對現(xiàn)有燃煤鍋爐改造獲得，有利于降低企業(yè)投資。

2 燃煤鍋爐改燒生物質技術方案

以DZL4-1.25-AII型鍋爐為例，其技術改造方案如下。

（1）爐拱、二次配風及燃燒抑NOx改造。生物質的揮發(fā)分含量很高，一般在70%左右。生物質在爐排上受熱至300℃以上后，揮發(fā)份就會快速析出并離開爐排，在爐排的上方進行氣相燃燒，而煤炭主要在爐排上進行固相燃燒，兩者的燃燒特點差異較大。因此，燃煤鍋爐改燒生物質燃料，必須對燃燒過程進行改造。

①二次配風燃燒，主要針對鍋爐前拱。需要將原燃煤鍋爐的前拱全部砸掉后重砌，并在內部布置二次風管，外設二次風機。

②在爐拱內二次配風口下方預留木屑燃料噴入口。可以直接使用木屑燃料作為二次燃料，不僅能降低鍋爐運行成本，還能進一步降低氮氧化物的排放值，以滿足將來更為嚴苛的鍋爐排放標準。

③對一次配風進行改造。在主燃燒區(qū)通過引入部分煙氣再循環(huán)的方式，實現(xiàn)在燃燒過程中氮氧化物生成的抑制。

（2）上料系統(tǒng)改造。生物質燃料中因揮發(fā)份含量高，相比燃煤鍋爐而言，在爐排上的著火點大大提前，這樣導致的后果是燃料還未通過煤閘板即開始燃燒，不僅導致閘板燒壞、燃料浪費，而且有起火的風險。因此，要將原燃煤鍋爐的煤斗上料系統(tǒng)，改為生物質帶封閉裝置的專用上料斗，可有效解決燃料回燃的問題。

（3）除塵改造。鍋爐大氣排放標準中對于煙塵的排放指標是30mg/Nm3，傳統(tǒng)水膜式除塵器的除塵效率一般不高于95%，無法滿足煙塵指標的排放要求，因而必須更換為布袋除塵器，其除塵效率可達99%以上。如將來國家對于工業(yè)鍋爐也提出超低排放的要求，則除塵裝置需要進一步替換為濕式電除塵，或改造為靜電布袋除塵器，這兩種除塵方式都能實現(xiàn)將煙塵指標降低至10mg/Nm3以下的要求。

國產布袋除塵器的價格一般可按2萬元/蒸噸來計算，國外進口設備則多數(shù)在3.5萬元/蒸噸以上。

（4）鼓引風機變頻改造[7]。風機電耗與鍋爐負荷率近似成3次方關系。即與不采用變頻改造的鍋爐相比，當鍋爐負荷率只有50%時，采用變頻改造風機的電耗僅為不采用變頻改造的鍋爐風機電耗的0.53=0.125=12.5%，節(jié)電高達87.5%。以4t/h的鍋爐、負荷率50%，每度電0.8元計，一年至少可節(jié)省電費近9萬元，風機變頻改造的投資回收期約為4個月。

3 鍋爐改造項目及費用情況

表2為鍋爐改造各項目及其費用情況?？煽闯觯仩t改造投入中，布袋除塵器的費用最高，占比達50%～60%。特別需注意的是，對于鼓引風機變頻改造項目，如企業(yè)鍋爐負荷較低，則建議實施此項改造，節(jié)省電費的效果極為可觀，潛力巨大。若企業(yè)鍋爐負荷率常年保持在很高的程度，則無須實施此項改造。

表2 鍋爐改造各項目及費用情況表（以4t/h燃煤鍋爐為例）

4 結論與建議

（1）與其他各種清潔能源相比，生物質層燃鍋爐具有運行成本低、燃料供應來源廣的優(yōu)點，是一種較為合適的燃煤替代設備。

（2）燃煤鍋爐改為生物質鍋爐，需要針對生物質燃料揮發(fā)份含量高，氣相燃燒比例高的特點，在爐前拱部位增加二次配風，以保證揮發(fā)份的完全燃燒。

（3）鍋爐負荷率不高時，對鼓引風機進行變頻改造可以大幅度地降低電耗費用。

（4）需要增設布袋除塵器，以滿足鍋爐大氣排放標準中煙塵含量低于30mg/Nm3的要求。

[1]環(huán)境保護部，國家發(fā)展和改革委員會，工業(yè)和信息化部，財政部，住房和城鄉(xiāng)建設部，國家能源局.關于印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》的通知[EB/OL].（2013-09-17）[2016-10-16].http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201309/t20130918_260414.htm

[2]國家發(fā)展改革委，工業(yè)和信息化部，財政部，環(huán)境保護部，統(tǒng)計局，能源局.關于印發(fā)《重點地區(qū)煤炭消費減量替代管理暫行辦法》的通知[EB/OL].（2014-12-29）[2016-10-16]. http:// www.sdpc.gov.cn/gzdt/201501/t20150114_660128.html

[3]國家能源局，環(huán)境保護部.國家能源局.環(huán)境保護部關于開展生物質成型燃料鍋爐供熱示范項目建設的通知[EB/OL].（2014-06-18）[2016-10-16]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/ auto87/201407/t20140708_1818.htm

[4]張啟昌，張英楠，王峰潔，等.吉林省幾種常見生物質顆粒燃料的性能[J].東北林業(yè)大學學報，2009，37（11）：96-98.

[5]李海英.生物質鍋爐的性能論述[J].節(jié)能，2008，27（8）：52-54.

[6]紀任山，王乃繼，肖翠微，等.高效煤粉工業(yè)鍋爐技術現(xiàn)狀及應用[J].煤炭燃燒，2009，5（5）：52-56.

[7]王廷才，王本軼.風機設備的變頻技術及應用[J].節(jié)能，2004，（4）：41-43.

Reconstruction Design on Converting Coal-fired Boiler to Biomass Boiler and Comparative Technical and Economic Analysis

CHEN Libo1, WANG Jianwei2, CHAI Shouming1, YANG Qianming2
(1.Qingdao West Coast Public utility Group Co., Ltd., Qingdao 266400; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590）

In this paper, comparative analysis is conducted on running cost, fuel supplement, main advantages and disadvantages of gas-fired boiler, chain grate biomass boiler, biomass burner, and methanol-fired boiler. It is concluded that chain grate biomass boiler has the advantages of low running cost and wide fuel source, which is a proper combustion equipment for coal substitute. Aiming at the characteristics of high volatile matter and high ratio of gas-phase combustion for biomass, a technical scheme of furnace arch reconstruction and adding secondary air is provided, which is also expected to have effect on inhibition of nitrogen oxides during combustion； as for the problem of lower ignition temperature for biomass fuel, a special biomass feeding device is adopted; frequency conversion retrofitting for fan-motor is also carried out for the boiler with low load; bag-type dust collector is used to replace water film dust collector to realize lower dust emission control.

biomass, boiler improvement, economic analysis