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| 燃煤鍋爐改造為生物質鍋爐在企業中的應用實踐 |
| （時間:2020-5-7 9:39:58） |
目前，中國約有50萬的工業鍋爐，全國每年煤炭消費量約占全世界煤炭消費總量的1/3。燃煤工業鍋爐造成的環境污染十分嚴重，為應對霧霾天氣，改善空氣質量，沈陽市政府頒布了《沈陽市藍天行動實施方案 (2015-2017) 》，該方案要求工業提標改造，取締20t (含20t) 以下燃煤鍋爐，用清潔能源代替燃煤工業鍋爐。為響應《沈陽市藍天行動實施方案 (2015-2017) 》，某企業決策將對兩臺20t燃煤鍋爐進行改造，通過對燃氣鍋爐、周邊市政管網、電鍋爐、生物質鍋爐等綜合對比，結合企業實際，決定改用生物質燃料方式，并對鍋爐及附屬設備設施進行升級改造，從2016年計劃實施改造至今，設施穩定運行。某企業燃煤鍋爐改造生物質燃料鍋爐項目，使用生物質成型燃料作為唯一燃燒物。在政策上生物質能源是可再生能源，屬于國家鼓勵項目;在經濟上相對于其他供熱方式，投資小，運行成本低，經濟效益好，比燃氣鍋爐、電鍋爐節約20%～50%的成本;在環保上，在保證各項污染物達標排放的基礎上，國家是大力支持生物質專用鍋爐項目的。同時該項目預計年消耗玉米秸稈及花生殼生物質成型燃料1×104t，可以解決沈陽市國家航空高技術產業開發區周邊20km2的玉米秸稈處置問題。此項目經濟上可行，環保上達標，是利國利民的可再生能源項目。文章以某企業具體燃煤鍋爐改造成生物質鍋爐為例，并通過運營成本、煙氣污染物的排放情況，分析該改造方案的環境效益和社會效益，望給其他單位改造提供參考。
1 生物質成型燃料的種類及特點
制作生物質燃料的原料有很多，包括木屑、秸稈、稻殼、花生殼、樹枝、刨花等，無需任何添加劑，均可固化成型為生物質成型燃料。生物質成型燃料熱值高、具有高揮發性、低硫、燃燒好、燃燒率高達95%以上，一般生物質成型燃料根據其原料不同，其發熱量在13400～22000 kJ/kg，燃燒溫度可達1000 ℃以上，完全可以替代煤炭。生物質成型燃料燃燒后產生的二氧化硫、粉塵、含氮量都遠低于煤炭、石油等，是一種環保清潔能源。同時，其作為可再生能源產品，有利于國家能源結構調整和節能環保政策的落實。鍋爐的運行成本分為燃料、人工、電費、水費、維修成本、環保成本、管理成本等幾個方面，其中燃料成本約占總成本的70%。
生物質鍋爐燃料成本與燃煤鍋爐基本相同，比燃氣鍋爐和電鍋爐節約50%～80%的燃料成本，生物質燃料鍋爐年總成本與燃煤鍋爐相當，較燃氣和電有十分明顯的成本優勢。
2 改造項目及資金投入
以該企業為例，將現有2臺20t/h燃煤鍋爐改造成100%燃燒生物質成型燃料的生物質專用鍋爐，其主要建設內容包括2臺20t/h燃煤鍋爐的爐體改造、鍋爐輔機改造、上料系統改造、儲料庫改造、煙囪改造、增加布袋除塵系統、煙氣在線監測系統等，累計投資594.36萬元。
3 改造技術方案
與傳統的燃煤鍋爐相比，生物質鍋爐全部燃燒生物質成型燃料，生物質成型燃料與煤相比，最大的區別就是高揮發份含量和低灰熔融溫度。因此生物質鍋爐與傳統鍋爐相比有著不同的燃燒特性，生物質鍋爐改造項目需針對這些特性做相應的升級改造。
爐膛燃燒系統改造
鑒于生物質成型燃料的燃燒特性，增加鍋爐前拱高度，增強鍋爐輻射換熱，使生物質燃料在爐膛中高溫裂解燃燒，將析出的大量“揮發份”完全燃燒。而針對鍋爐后拱的改造，則要減少爐拱長度，增加生物質燃料燃燒后產生熱能與水冷壁的輻射換熱面積，增加爐膛容積，增加燃燒空間及換熱強度，以利于增大生物質燃料的燃耗及換熱空間，確保換熱強度，提高鍋爐改造后的熱效率。為了降低爐膛溫度，避免生物質燃料嚴重結焦，同時降低排煙溫度 (因為生物質燃料煙氣量大，排煙溫度會有所增加) ，爐內前拱和爐膛中部位燃帶均做減薄處理，爐排保證密封結構完整。爐排改為往復爐排，以避免生物質成型燃料在爐排上結焦，堵塞通風孔。另外，由于生物質爐膛堆積比比燃煤鍋爐低3～4倍，同比進爐燃料的體積比要比燃煤鍋爐高3～4倍，因此對爐排轉速進行了調整，較燃煤鍋爐提高25%～50%。
二次風及三次風系統改造
根據生物質燃燒階段性特點，需加大鍋爐鼓風量，及時、分段、合理、有效補入二次風量，并就除塵系統增加的設備加大引風機引風量，確保鍋爐系統能正常運行。在保證最佳爐膛過剩空氣量各燃燒區域溫度的條件下，滿足各階段燃燒所需氧量，使生物質干燥裂解產生的70%“揮發份”完全燃燒，固定碳燃盡，減少和杜絕黑煙 (生物質煙氣成分、未燃燒生物質揮發份、氧化物、未燃燒的燃料碎屑) 及煙氣污染物的產生。
在生物質鍋爐改造過程中，還設計了三次風進行低氮燃燒。為了氮氧化物達到環保的排放標準，鍋爐進行脫氮的方式有兩種，一是新建脫硝設備，氧化或者還原已經產生的氮氧化物;二是進行鍋爐內部改造，通過改善燃燒，主動降低氮氧化物的產生，即燃燒溫度超過1000 ℃的區域保持缺氧狀態、燃燒溫度在900～1000 ℃的區域保持長期工作、燃燒溫度剛剛低于900 ℃的區域補充空氣。為此開展了鍋爐的內部改造:第一，把經過爐排的一次風降低到70%，在喉部以下形成缺氧高溫環境。第二，把現有二次風管接入三次風，降低煙氣溫度，里面安裝一個高溫控制器，通過調控三次風流量，把混合后煙氣溫度降低到1000 ℃。第三，在前爐拱上方靠近喉部和爐頂中間的位置，重新加二次風管 (材質為耐高溫不銹鋼) ，向內延伸400mm，將二次風分為兩路，一前一后噴入鍋爐內部，一路位于1/3處，一路位于2/3處。改造實施后，可將氮氧化物的排放量降低至200mg/m3以內。
鍋爐進料系統改造
鍋爐進料系統是指將生物質燃料由料倉輸送至爐膛的系統。因為生物質燃料的易燃特性，原有的料倉不可以直接使用，重新改造的進料系統必須考慮回火、蓄熱帶來的安全隱患，能夠滿足多級防火的需求。某企業采用絞龍進料系統，該系統由料倉、排料閥或震料器、螺旋輸送器等組成。設備運行時排料閥將料倉內的生物質燃料排入絞龍輸送器，起到讓料倉內燃料蓬松易下落作用，在不送料時還有隔斷作用，防止料倉著火。
除塵系統升級改造
由于生物質鍋爐的煙氣含有大量灰份，極易導致鍋爐排放不達標，并且造成環境污染，因此改裝項目還加裝了布袋除塵器，這種除塵器適用于捕集細小、干燥、非纖維性粉塵。當含塵煙氣進入除塵器后，顆粒大、比重大的粉塵由于重力的作用沉降至灰斗，細小粉塵通過濾袋時被阻隔，使煙氣得到凈化。布袋除塵器除塵效率高，對于生物質鍋爐煙氣有顯著的凈化作用，而且目前技術成熟，結構簡單，維護操作方便，已經得到了廣泛的應用。
該企業根據自己的實際情況，采用旋風緩沖器+高溫布袋除塵系統，對生物質煙氣進行治理。生物質鍋爐煙氣經旋風緩沖收塵器，進行初步處理，使鍋爐木屑火花熄滅。經旋風緩沖器預處理后，煙氣進入高溫脈沖布袋收塵器進行二次凈化處理，布袋收塵器采用側部一端進氣。煙氣首先進入緩沖煙道，由緩沖煙道向下折流，在折流離心力作用下，較大顆粒灰塵直接落入布袋收塵器底部料斗;煙氣再向上運轉，以1 m/min的速度通過布袋，微細灰塵被濾袋阻隔，潔凈空氣從上部花板潔凈室排出，由引風機通過45m高的煙囪高空排放。經此，使煙氣中的含塵濃度控制在30mg/m3以下，實現達標排放。
4 改造后的效益分析
改造后環境效益某企業燃煤鍋爐改造前，燃煤7 500 t/a，排放NOx20.25 t/a，煙塵23.44 t/a，SO212.6 t/a。生物質鍋爐改造實施后，排放NOx7.14 t/a，煙塵1.88 t/a，SO23.4 t/a，符合《鍋爐大氣污染排放標準GB13271—2014》。項目新建燃料庫，由原露天裸露煤廠改為封閉式燃料庫，由工程分析可知，經實際檢測估算后，項目實施后可減排無組織排放粉塵4.6t/a;項目改造前，產生爐渣820t/a，項目改造后產生爐渣50 t/a，爐渣產生量大幅減少;項目改造前，產生脫硫渣62t/a，改造后不再產生脫硫渣;項目改造前，除塵器集塵314.06t/a，項目改造后，除塵器集塵374.12t/a，除塵器集塵有所增加。此項目改造的2臺生物質鍋爐，在原有配置旋風除塵器和噴淋除塵器的基礎上，增加布袋除塵器，形成了三級除塵裝置，能將煙塵顆粒物排放控制在30mg/m3以內;生物質成型燃料幾乎不含硫，二氧化硫排放達標;生物質鍋爐采用降低燃燒床溫度的技術，氮氧化物可以控制在200mg/m3以內，可以達標。
改造后社會效益某企業燃煤鍋爐改造項目，是對政府政策的積極響應，并將帶動當地其他燃煤鍋爐企業開展鍋爐改造工作，提高對鍋爐煙氣污染物控制的重視度，為改善地方環境空氣質量做出貢獻。另外，該項目的建設，在沈陽乃至全省燃煤鍋爐改造起到示范作用。
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