張松，劉靜，霍達(dá)，朱強(qiáng)，馬晨銘，趙軍*

（1.深圳正和能源有限公司，廣東深圳518000；2.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）

0 引言

環(huán)境污染和氣候變化是我國能源領(lǐng)域目前面臨的主要問題，燃煤鍋爐，尤其是散煤和小噸位鍋爐供暖是造成冬季環(huán)境污染的原因之一［1-2］。我國自2015 年開始加快淘汰關(guān)閉35 t/h 及以下燃煤鍋爐，對燃煤鍋爐實(shí)施提效改造，以達(dá)到國家、省規(guī)定的能效標(biāo)準(zhǔn)和排放要求［3］。從長遠(yuǎn)看，醇基燃料作為燃煤工業(yè)鍋爐的清潔替代能源具有樂觀的前景［4-5］。

1990年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主George Andrew Olah提出了甲醇經(jīng)濟(jì)的概念，用可再生甲醇替代化石資源［6-7］。1973年石油危機(jī)爆發(fā)后，醇基燃料開始出現(xiàn)在人們的視野中，由于其理化性質(zhì)與石化燃料相似且具有較好的清潔性而被作為石化燃料的主要清潔替代能源之一。目前，醇基燃料主要有醇基車用燃料油、灶用醇基燃料和工業(yè)鍋爐用醇基燃料等用途［8-9］。

甲醇是醇基燃料的主要成分之一，它具有燃燒效率高、黏度較小、易霧化、排放清潔等特點(diǎn)。自1994 年開始，甲醇被應(yīng)用于熱力燃燒領(lǐng)域，張榕林［10］從多方面論述了醇基燃料應(yīng)用的技術(shù)條件，對甲醇的增熱、含水及添加劑的摻混做了較深入的分析與闡述。孫世海［11］對20 t/h 燃煤鍋爐“改爐不改鍋”的煤改醇基燃料項(xiàng)目進(jìn)行了分析，探討了改造后燃燒器的安全平穩(wěn)運(yùn)行問題。胡艷花等［12］綜述了霧化質(zhì)量、旋流結(jié)構(gòu)、多級送風(fēng)等因素對醇基燃料燃燒器性能的影響。李海鋒［13］設(shè)計(jì)了1 t/h 的醇基燃料鍋爐，燃燒器外置熱反應(yīng)蓋與燃燒器之間形成高溫反應(yīng)釜，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，燃燒效果良好。熊燕［14］對醇基燃料燃燒器噴嘴進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，霧化角為40°，油滴粒徑集中在40～130 μm 時(shí)霧化效果較好。

我國車用和灶用醇基燃料已成功投入實(shí)際應(yīng)用，但工業(yè)鍋爐用醇基燃料始終未被廣泛應(yīng)用。本文主要論述醇基燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問題及煤改醇基燃料的技術(shù)改造工藝，對比分析6 種常用熱源的經(jīng)濟(jì)性和污染物排放量，最后通過具體案例闡述煤改醇基燃料的綜合效益。

1 醇基燃料概況

1.1 醇基燃料現(xiàn)狀

醇基燃料的主體是甲醇，甲醇可以通過煤制醇、氣制醇、生物制醇、二氧化碳加氫等多種方式獲得。目前，制取高熱值醇基燃料大多采取在甲醇中直接兌入高熱值添加劑的方式，而由合成氣按照特殊工藝合成的燃料較少［15］。我國甲醇主要通過煤制取，由圖1 所示的2010—2019 年我國甲醇產(chǎn)量、產(chǎn)能及工廠開工率變化趨勢可以看出，甲醇的產(chǎn)量逐年增長，但同時(shí)存在產(chǎn)能過剩問題［16-17］，而醇基燃料在燃煤鍋爐替代方面的推廣和使用將緩解我國清潔能源短缺、煤化工產(chǎn)能過剩的矛盾。

圖2 為2015 年我國不同燃料及工業(yè)鍋爐的分布情況。截至2015 年年底，全國共有工業(yè)鍋爐57.16 萬臺，35 t/h 以下的52.59 萬臺，10 t/h 以下的約26.29 萬臺。隨著國家相關(guān)政策的出臺，小型燃煤鍋爐開始批量淘汰，大量的此類鍋爐將成為醇基燃料熱力系統(tǒng)的潛在替代對象，醇基燃料將擁有可觀的市場。

圖1 甲醇產(chǎn)業(yè)變化趨勢Fig.1 Trends of the methanol industry

圖2 工業(yè)鍋爐分布情況Fig.2 Distribution of industrial boilers

GB 16663—1996《醇基液體燃料》是目前唯一一部用于醇基燃料的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)制定較早，對醇基燃料的規(guī)定較粗略，已經(jīng)不完全適用現(xiàn)階段對醇基燃料的要求，特別是在鍋爐用醇基燃料方面的適用性較差。

2017 年以來，各地相繼出臺了DB 13/T 2643—2018《鍋爐用醇基燃料通用技術(shù)要求》、DB 13/T 5053—2019《農(nóng)村民用醇基燃料清潔取暖、炊事通用技術(shù)要求》等多部推薦性醇基燃料標(biāo)準(zhǔn)，醇基燃料制備、使用和監(jiān)管不規(guī)范的問題得到了緩解。

我國醇基燃料添加劑方面的規(guī)范較為欠缺，市面上醇基燃料中各化學(xué)成分的含量更是千差萬別，因此，研究煤改醇基燃料鍋爐［18］，首先需要確定所采用醇基燃料的具體成分。表1 和表2 分別為唐山中陽新能源有限公司生產(chǎn)的鍋爐用醇基燃料各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及燃料物性參數(shù)。

表1 醇基燃料各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Proportion of each component in alcohol-based fuel

表2 醇基燃料物性參數(shù)Tab.2 Alcohol-based fuel physical parameters

2017 年，開灤股份范各莊礦業(yè)分公司引進(jìn)8 臺深圳正和能源有限公司獨(dú)有的“RSG”綠色熱力燃燒技術(shù)（將R. 標(biāo)準(zhǔn)清潔燃料、S. 專用燃燒設(shè)備、G. 強(qiáng)化燃燒工藝作為一個(gè)整體系統(tǒng)研發(fā)）支撐的大功率醇基燃料燃燒器（S1200 型），對4 臺20 t/h 燃煤蒸汽鍋爐進(jìn)行煤改醇改造。該型醇基燃料燃燒器采用“燃料介質(zhì)壓力霧化”工藝，具有點(diǎn)火成功率高、燃盡率高、規(guī)避爆燃區(qū)間、設(shè)備一體化、操作簡捷、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的過程中實(shí)現(xiàn)了“安全、環(huán)保、高效”的目的。改造后的鍋爐采用唐山中陽新能源有限公司生產(chǎn)的鍋爐用醇基燃料。

測定開灤股份范各莊礦業(yè)分公司鍋爐改造期間各階段鍋爐煙道中污染物質(zhì)量濃度，并與原燃煤鍋爐排放值及河北省燃?xì)忮仩t排放限值進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。由表3 可見，與燃?xì)忮仩t相比，醇基燃料鍋爐顆粒物、煙氣排放值均低于燃?xì)忮仩t國家標(biāo)準(zhǔn)。

表3 醇基燃料鍋爐與燃?xì)忮仩t污染物排放對比Tab.3 Comparison of pollutant emissions between alcohol-based fuel boilers and gas boilers

1.2 燃燒技術(shù)

醇基燃料燃燒器的燃燒方式主要有霧化擴(kuò)散燃燒和汽化完全預(yù)混燃燒。霧化燃燒是通過霧化技術(shù)將液體燃料破碎為小液滴，與助燃空氣混合后一邊蒸發(fā)一邊燃燒，比較容易實(shí)現(xiàn)；汽化燃燒是將液體燃料完全汽化后再與空氣混合進(jìn)行純氣相燃燒。相比于霧化燃燒，汽化燃燒時(shí)燃料與空氣的混合效果更好，燃燒更完全；但汽化燃燒一般需要利用鍋爐余熱對液體燃料進(jìn)行完全汽化，且在鍋爐啟動(dòng)階段需要通過電加熱設(shè)備對燃料進(jìn)行汽化［19］，使用條件較為苛刻。

醇基燃料霧化燃燒器采用介質(zhì)壓力霧化工藝實(shí)現(xiàn)燃料的霧化（如圖3所示）：在壓力作用下，液態(tài)醇基燃料通過噴嘴高速噴出，液體燃料的壓力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，空氣和液體之間的相互摩擦使燃料充分霧化；霧化的燃料在旋流燃燒器中邊蒸發(fā)邊燃燒，壓力控制在0.5～2.5 MPa；采用煙氣再循環(huán)與紅外線輻射強(qiáng)化燃燒相結(jié)合的燃燒工藝，在達(dá)到較高的燃燒溫度的同時(shí)抑制NOx的生成。

圖3 醇基燃料霧化燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of an alcohol-based fuel atomizing burner

圖4 為醇基燃料大氣式汽化燃燒器，燃料汽化后經(jīng)引射器噴入，與吸入的空氣混合后經(jīng)過噴嘴轉(zhuǎn)化為高速射流進(jìn)入燃燒區(qū)形成負(fù)壓區(qū)域，再次吸入二次空氣，并與燃?xì)馔瓿晌镔|(zhì)和能量的傳遞，最終完成燃燒。引射器的結(jié)構(gòu)對燃?xì)馀c空氣的合理混合起到關(guān)鍵作用。

圖4 醇基燃料汽化燃燒器示意Fig.4 Structure of an alcohol-based fuel gasification burner

對于熱值較低的醇基燃料，通常采用空氣預(yù)熱技術(shù)保證燃燒區(qū)溫度較高，或通過增加旋流或鈍體來合理設(shè)計(jì)回流區(qū)，將高溫的煙氣回流并加熱剛注入的燃料，從而保證燃料及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒［20］。

2 改造原理及計(jì)算模型

2.1 工藝原理

甲醇燃料腐蝕性強(qiáng)，對部分塑料和橡膠有一定的溶脹作用，應(yīng)避免存儲在碳、鋼、銅、鋁等金屬制成的儲罐中，圖5 為北京金景達(dá)環(huán)保熱力科技有限公司研發(fā)的醇基液體燃料專用儲罐。

圖6為醇基燃料鍋爐燃料儲運(yùn)、供給、運(yùn)輸以及熱量供應(yīng)的系統(tǒng)流程。燃料經(jīng)管道連接至燃燒器，在鍋爐的燃燒室內(nèi)充分燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；熱能經(jīng)過爐膛和煙道各受熱面?zhèn)髦了橘|(zhì)，水介質(zhì)吸熱汽化并達(dá)到工藝要求指標(biāo)時(shí)，輸出水蒸氣作為熱載體轉(zhuǎn)化為熱水，用于居民供暖并提供熱水等。

改造時(shí)需新增燃料儲備供應(yīng)機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)水消防設(shè)施、避雷設(shè)施以及防靜電設(shè)施。將燃煤鍋爐爐體各處的觀察孔、撥渣門改造為重力式防爆安全門，將一處撥渣門改造為燃燒器安裝法蘭盤及燃燒器碹口并對其周邊進(jìn)行加固和防漏風(fēng)處理；對燃燒室進(jìn)行清理和防漏風(fēng)修補(bǔ)并在爐排上部增設(shè)絕熱層，在燃燒室內(nèi)新增焰流引導(dǎo)裝置以強(qiáng)化燃燒。

圖5 甲醇專用儲罐Fig.5 Special storage tank for methanol

圖6 甲醇供暖熱力系統(tǒng)Fig.6 Methanol heating system

因不再需要燃煤，原有存煤場地可用于建設(shè)醇基燃料儲罐；合理布置燃料管路，充分利用自然壓力，減少燃料輸送至鍋爐的額外加壓；若鍋爐位置遠(yuǎn)高于燃料罐，則需加裝燃料提升設(shè)備及鍋爐房日用罐。

2.2 運(yùn)行模式及安全措施

采用鍋爐原有的溫度與壓力傳感器采集溫度信號并反饋到介質(zhì)溫度控制器，由介質(zhì)溫度與壓力控制器執(zhí)行專用燃燒器的開、關(guān)信號，通過專用燃燒器待令或運(yùn)行模式，調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)介質(zhì)的溫度與壓力參數(shù)：當(dāng)被加熱介質(zhì)的溫度或壓力達(dá)到工藝設(shè)定上限值時(shí)，溫度或壓力控制器向?qū)Ｓ萌紵鱾魉完P(guān)閉信號，專用燃燒器停止運(yùn)作待令；當(dāng)被加熱的介質(zhì)溫度或壓力達(dá)到工藝設(shè)定下限值時(shí)，溫度或壓力控制器向?qū)Ｓ萌紵鱾魉蛦?dòng)信號，專用燃燒器點(diǎn)火啟動(dòng)。

2.2.1 鍋爐運(yùn)行安全措施

采用超溫及超壓安全聯(lián)鎖控制模式保證運(yùn)行安全，由接點(diǎn)溫度表或接點(diǎn)壓力表執(zhí)行燃燒器的安全聯(lián)鎖開、關(guān)信號。執(zhí)行超溫或超壓安全聯(lián)鎖優(yōu)先的原則為：當(dāng)被加熱的水介質(zhì)溫度或壓力達(dá)到鍋爐設(shè)定上限值或下限值時(shí)，接點(diǎn)溫度表或接點(diǎn)壓力表向?qū)Ｓ萌紵鱾魉桶踩?lián)鎖信號，專用燃燒器執(zhí)行“待令”或“運(yùn)作”命令。

2.2.2 受熱設(shè)備安全措施

在燃燒室爐墻原撥渣門或觀察門處（或煙囪入口煙道上距離煙囪入口小于1 m 處）安裝規(guī)定通徑的防爆安全門，燃燒室發(fā)生爆燃事故時(shí)用于卸壓，避免設(shè)備損壞。

2.2.3 燃料安全

在儲備罐燃料輸入端配置消防沙池，燃料儲備罐配置阻火防爆呼吸閥，燃料日用罐配置溢流管和阻火防爆呼吸帽。爐前燃料輸送管接在專用燃燒器燃料分支輸送管道上且與其保持1 m 以上的距離。大通徑安全電磁閥以串聯(lián)形式安裝在爐前燃料供應(yīng)處，發(fā)生意外時(shí)，專用燃燒器的燃燒程序控制器能夠指令該電磁閥關(guān)閉燃料供應(yīng)，避免傷害相關(guān)人員或損壞生產(chǎn)設(shè)備。

2.2.3 燃燒器安全措施

設(shè)置燃燒器程序控制器在點(diǎn)火前對燃燒室進(jìn)行預(yù)吹掃，將假想的可燃?xì)怏w排出燃燒室，排除閃燃與爆燃等不可預(yù)見的隱患。燃燒器設(shè)計(jì)為二級點(diǎn)火模式，避免點(diǎn)火失敗時(shí)因閃燃或爆燃而損壞受熱設(shè)備。一級點(diǎn)火通過高壓電弧點(diǎn)燃少量燃料，二級點(diǎn)火由一級點(diǎn)火的火焰引燃二級燃料，一級點(diǎn)火單次功率為189 kJ，引燃燃料量為8.3 g。

2.2.4 其他安全措施

為應(yīng)對醇類燃料意外火災(zāi)，在爐前適當(dāng)位置增設(shè)自來水消防栓。燃料罐和燃料輸送管線均采用阻抗小于8 Ω 的良導(dǎo)體連接，防止靜電積累，并在關(guān)鍵部位安裝靜電消除裝置。在燃料進(jìn)口設(shè)置安全電磁閥，當(dāng)因燃燒器間歇式工作、停機(jī)、發(fā)生人為事故或不可抗力自然災(zāi)害而影響爐前燃料安全時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。

2.3 計(jì)算模型

醇基燃料來源廣泛，主要成分是碳?xì)浠衔?，下面從?jīng)濟(jì)性和排放2 方面與其他5 種常規(guī)能源進(jìn)行對比分析。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型

采用綜合年值法評價(jià)各熱源供暖的經(jīng)濟(jì)性［21］。將各熱源的初投資根據(jù)供熱面積和設(shè)備壽命折算后與單位面積年運(yùn)行費(fèi)相加，即得到該種熱源的綜合費(fèi)用年值，計(jì)算公式為［22］

式中：CA為綜合費(fèi)用年值，元/（m2·a）；Ii為第i種供暖設(shè)備的折合初投資；C 為單位面積供暖年運(yùn)行費(fèi)用，元/（m2·a）；S 為供熱面積，m2；n 為供暖設(shè)備種類數(shù)；Ki為第i 種供暖設(shè)備的價(jià)格，元；ti為第i 種供暖設(shè)備的壽命，a。

對于消耗燃料的熱源，單位面積供暖年運(yùn)行燃料費(fèi)用C1為

式中：q 為供暖平均熱負(fù)荷，W/m2；td為供暖季時(shí)間，d；frl為燃料單價(jià)，元/kg 或元/m3；η 為供暖設(shè)備效率；Q為供暖燃料低位熱值，kJ/kg或kJ/m3。

對于消耗電能的熱源，單位面積供暖年運(yùn)行費(fèi)用C2為

式中：fd為單位電價(jià)，元/（kW·h）；η 為供暖設(shè)備效率或性能系數(shù)。

2.3.2 污染物排放計(jì)算模型

參考《鍋爐及鍋爐房設(shè)備》中的燃料燃燒數(shù)學(xué)模型，對不同熱源的污染物排放進(jìn)行計(jì)算［23］。消耗燃料的熱源先計(jì)算單位燃料消耗產(chǎn)生的污染物排放量，再根據(jù)各熱源單位供暖面積年消耗燃料量折算單位供暖面積污染物年排放量。污染物中CO2，SO2的質(zhì)量濃度根據(jù)燃料的元素成分進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)燃料充分燃燒，燃燒所需空氣量按完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式計(jì)算，空氣中氧氣與氮?dú)獾捏w積比為21∶79，空氣和煙氣各組分均為理想氣體。NOx排放質(zhì)量濃度根據(jù)不同燃料NOx的排放因子或測得煙氣中的NOx質(zhì)量濃度計(jì)算。消耗電能的熱源排放按火力發(fā)電各污染物的排放績效乘以單位供暖面積年用電量計(jì)算。

式中：V'y為1 m3天然氣燃燒生成的煙氣量，m3。

3 結(jié)果與討論

供暖用戶設(shè)定為100 m2的農(nóng)村單戶房屋。文獻(xiàn)［24］對我國北方地區(qū)房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)進(jìn)行了調(diào)研，現(xiàn)有農(nóng)宅外墻多為370 mm 厚的實(shí)心磚，無保溫墻體，綜合考慮后取供暖季平均熱負(fù)荷為50 W/m2［25］。根據(jù)中國北方代表城市供暖時(shí)長，取供暖季時(shí)長125 d［26］。根據(jù)以上工況選定熱源設(shè)備的參數(shù)，見表4。

表4 熱源設(shè)備參數(shù)Tab.4 Model and parameters of heat source equipment

空氣源熱泵出水溫度較低，末端選用地?zé)岜P管，管路價(jià)格為6 730 元，其他5 種熱源均采用散熱器末端，管路價(jià)格為4 247 元，根據(jù)式（2）計(jì)算各熱源的折合初投資，由式（3）和式（4）分別計(jì)算各熱源的運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以得出甲醇熱源及其他5種熱源的綜合費(fèi)用年值，如圖7所示。

由圖7 可知：甲醇取暖爐和空氣源熱泵的費(fèi)用年值相當(dāng)且在清潔熱源中處于較低水平；單位面積年運(yùn)行費(fèi)用最高的是電壁掛爐，其次是蓄熱電壁掛爐；蓄熱電壁掛爐可利用低谷時(shí)段電價(jià)優(yōu)勢降低運(yùn)行費(fèi)。

圖7 各熱源綜合費(fèi)用年值Fig.7 Annual total cost of each heat source

6 種熱源單位供熱面積污染物年排放量如圖8所示。由圖8 可知：甲醇取暖爐的CO2排放量與天然氣壁掛爐接近，均低于20 kg/（m2·a），遠(yuǎn)低于其他4種清潔熱源；甲醇取暖爐無SO2排放，NOx排放量在清潔熱源中最少。

圖8 6種熱源單位供熱面積污染物年排放量Fig.8 Annual emissions of CO2，SO2 and NOx per unit heating area of six heat sources

綜上所述，從單位面積年運(yùn)行費(fèi)用和污染物排放2方面看，甲醇作為燃料均有很大的優(yōu)勢。

4 案例分析

開灤股份范各莊礦業(yè)分公司總供熱面積為41.3 萬m2，原燃煤鍋爐設(shè)備及外圍供暖管道老舊、效率低下、污染嚴(yán)重，鍋爐熱效率僅為50%且運(yùn)行時(shí)故障頻發(fā)，已無法滿足正常供暖和礦井生產(chǎn)。該公司于2017 年11 月對原有鍋爐進(jìn)行了醇基燃料改造，并于2018 年10 月完成了新增7 臺10 t/h 醇基燃料熱水鍋爐的安裝和外部設(shè)施改造工作。

具體改造分2 個(gè)階段執(zhí)行。2017 年8—11 月為第1階段，進(jìn)行過渡式改造，對原有鍋爐內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)化燃燒改造，加裝由深圳正和能源有限公司生產(chǎn)的NOx排放質(zhì)量濃度低于80 mg/m3的低氮醇基燃料專用燃燒器，如圖9 所示。燃燒器外形尺寸為1 835 mm×1 613 mm×1 440 mm（長×寬×高），額定功率為7.0 MW，最大輸出功率為7.7 MW，額定醇基燃料消耗量為1 071 kg/h。

圖9 醇基燃料專用燃燒器Fig.9 Special burner for alcohol-based fuel

實(shí)行1 套受熱裝置配置2 套發(fā)熱設(shè)備的一爐雙機(jī)配置模式，此模式下即使發(fā)生燃燒器單機(jī)癱瘓形式的故障，燃燒系統(tǒng)仍然能夠確保單臺鍋爐在50%以上的負(fù)荷率長期運(yùn)行。圖10a 為燃煤蒸汽鍋爐，圖10b為改造后采用醇基燃料的鍋爐。

圖10 鍋爐改造前后Fig.10 Boiler before and after the transformation

2018 年5—10 月為第2 階段，進(jìn)行整體改造，改造一次、二次熱水管網(wǎng)，更新5 座熱水交換站設(shè)備，拆除原有鍋爐，安裝7 臺10 t/h 醇基燃料熱水鍋爐、輔助設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)及安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等。

4.1 改造效果

4.1.1 污染物減排情況

根據(jù)2 個(gè)改造階段的煙氣檢測指標(biāo)，每年可減少煙塵排放5 t，SO2排放35 t，NOx排放21 t。每年可少產(chǎn)生6 000 余t 爐渣固廢并降低因爐渣堆存、裝卸造成的二次揚(yáng)塵污染。表5 為鍋爐改造前以及2 個(gè)改造階段的污染物排放情況。

表5 鍋爐改造前后鍋爐污染物排放Tab.5 Boiler pollutant emissions before and after the boiler modification mg/m3

4.1.2 能耗降低情況

改造前鍋爐用燃煤的發(fā)熱量為20 929 kJ/kg，每個(gè)供暖季燃煤量折合11 390 t 標(biāo)準(zhǔn)煤；醇基燃料發(fā)熱量為26 371 kJ/kg，改造第1 階段醇基燃料用量折合9 917 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，改造第2 階段醇基燃料用量折合5 891 t標(biāo)準(zhǔn)煤。表6為2016—2019年供暖季的燃料消耗情況，反映了鍋爐改造前、改造第1階段和改造第2階段共3個(gè)階段的能耗水平。

表6 2016—2019年供暖季燃料消耗量Tab.6 Fuel consumption in the heating seasons 2016—2019

原燃煤鍋爐熱效率為50%，生產(chǎn)1 t蒸汽消耗的燃料量為240 kg。以開灤股份范各莊礦業(yè)分公司2017年12月生產(chǎn)情況為例，通過式（11）和式（12）計(jì)算第1 階段改造后生產(chǎn)1 t 蒸汽消耗的燃料量及鍋爐效率

式中：b 為生產(chǎn)1 t 蒸汽消耗的燃料量，kg；ma為每月的實(shí)際燃料消耗量，t；Crl為鍋爐容量，t/h；α 為鍋爐負(fù)荷率，%；Qzq為1 t 蒸汽的熱量，kJ；Qnet為燃料的低位熱值，kJ/kg。

2017年12月醇基燃料實(shí)際消耗量為2 441 t，鍋爐負(fù)荷率為37.84%。由式（11）和（12）可得，12 月生產(chǎn)1 t 蒸汽消耗的燃料量為112 kg，鍋爐效率為85.00%，與原燃煤鍋爐相比，生產(chǎn)1 t 蒸汽消耗的燃料量減少了128 kg，鍋爐效率提高了35 百分點(diǎn)，改造后鍋爐實(shí)際運(yùn)行的最高熱效率達(dá)95.23%。

4.1.3 經(jīng)濟(jì)性改善情況

改造后對供暖系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，去除了脫硫、除塵等設(shè)備，每年可減少運(yùn)行費(fèi)用180 萬元。增加了自動(dòng)化控制模式，在與原鍋爐供熱面積相同的情況下，過渡期每個(gè)供暖季可減少900 個(gè)工日。供暖管網(wǎng)改造后不再有沖渣水、脫硫用水等，每個(gè)供暖季可減少用水量20 萬t。表7 為2016—2020 年4 個(gè)供暖季燃料消費(fèi)情況，由表7可以看出：因煤改醇基燃料鍋爐仍采用蒸汽供熱，無熱回收裝置且原熱力管道老化嚴(yán)重，熱損失較大，過渡階段醇基燃料鍋爐燃料成本約為燃煤鍋爐的3 倍；完成第2 階段改造后，醇基燃料鍋爐供暖季成本逐年下降，但仍高于煤炭。

表7 2016—2020年供暖季燃料成本Tab.7 Fuel cost in heating seasons 2016—2020

4.2 燃料價(jià)格波動(dòng)對經(jīng)濟(jì)性的影響

醇基燃料基料為甲醇，甲醇價(jià)格波動(dòng)將同步影響燃料價(jià)格。鄭州商品交易所甲醇期貨數(shù)據(jù)顯示：2016年年初至2018年下半年，甲醇價(jià)格從1 600 元/t上漲至3 200 元/t，處于上升期；2018 年年底至2020年年初，甲醇價(jià)格逐步回歸至1 600 元/t［27］。隨著國內(nèi)甲醇裝置的增加，預(yù)計(jì)甲醇價(jià)格將進(jìn)入較長的穩(wěn)定期，對醇基燃料市場的健康發(fā)展有利。圖11為煤炭和醇基燃料價(jià)格波動(dòng)對2種供暖方式經(jīng)濟(jì)性的影響?？梢钥闯觯剂蟽r(jià)格波動(dòng)對經(jīng)濟(jì)性的影響較大，一般市場價(jià)格下醇基燃料的價(jià)格與燃煤相比沒有優(yōu)勢，實(shí)際煤炭價(jià)格為700 元/t，醇基燃料價(jià)格為1 900 元/t時(shí)，改造后燃料成本能達(dá)到與原燃煤鍋爐相同。當(dāng)煤炭價(jià)格低于600 元/t，醇基燃料價(jià)格低于1 600 元/t時(shí)，采用醇基燃料的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于煤炭。

圖11 燃料價(jià)格對供暖經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.11 Impact of fuel prices on heating economy

5 結(jié)論

（1）醇基燃料存在產(chǎn)能過剩、缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范監(jiān)管、質(zhì)量良莠不齊、缺少較高級合成方法、燃料價(jià)格過高等問題，因此，進(jìn)一步推廣醇基燃料需不斷完善醇基燃料相關(guān)規(guī)范，研發(fā)高質(zhì)量醇基燃料合成技術(shù)并予以適當(dāng)?shù)恼咧С帧?/p>

（2）與其他5種清潔能源相比，甲醇作為燃料的綜合費(fèi)用年值為21.94 元/（m2·a），與空氣源熱泵的費(fèi)用年值相當(dāng)，且在清潔熱源中處于較低水平；同時(shí)，使用甲醇燃料時(shí)單位供熱面積CO2，SO2，NOx的年排放量均有較大的優(yōu)勢。

（3）根據(jù)實(shí)際煤改醇基燃料工程，改造后，在滿足原有鍋爐運(yùn)行工況、供熱面積與原鍋爐同為41.3萬m2的情況下，污染物排放量和能耗有明顯下降，每年煙塵、SO2和NOx排放量分別減少5，35，21 t，每年能耗減少5 499 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。改造后每年可節(jié)省脫硫、除塵成本180 萬元，減少工日900 個(gè)，但燃料成本相對燃煤上升。

（4）燃料價(jià)格波動(dòng)對經(jīng)濟(jì)性影響較大，一般市場價(jià)格下醇基燃料的價(jià)格與燃煤相比沒有優(yōu)勢，但當(dāng)煤炭價(jià)格為700 元/t，而醇基燃料價(jià)格低于1 900元/t時(shí)，采用醇基燃料的經(jīng)濟(jì)性較好。

隨著我國大氣污染治理進(jìn)程的深入，醇基燃料作為一種新型的清潔能源有著廣闊的市場前景，采用醇基燃料替代燃煤進(jìn)行供暖是緩解環(huán)境問題的最佳途徑之一，希望本文的研究可為中小型煤改醇基燃料鍋爐實(shí)際工程提供一些參考。