燃煤锅炉改造为生物质锅炉在企业中的应用实践
摘要：
为应对雾霾天气，改善空气质量，某企业通过对锅炉炉膛燃烧系统、二次风及三次风系统、锅炉进料系统及除尘系统进行升级改造，将原燃煤锅炉改造生物质燃料锅炉，降低了废气污染物排放浓度，并降低了锅炉运行成本，从节能环保角度实现经济效益和环境效益的双赢。
关键词：煤;生物质;锅炉;节能;环保;
目前，中国约有50万的工业锅炉，全国每年煤炭消费量约占全世界煤炭消费总量的1/3。燃煤工业锅炉造成的环境污染十分严重，为应对雾霾天气，改善空气质量，沈阳市政府颁布了《沈阳市蓝天行动实施方案 (2015-2017) 》，该方案要求工业提标改造，取缔20t (含20t) 以下燃煤锅炉，用清洁能源代替燃煤工业锅炉。为响应《沈阳市蓝天行动实施方案 (2015-2017) 》，某企业决策将对两台20t燃煤锅炉进行改造，通过对燃气锅炉、周边市政管网、电锅炉、生物质锅炉等综合对比，结合企业实际，决定改用生物质燃料方式，并对锅炉及附属设备设施进行升级改造，从2016年计划实施改造至今，设施稳定运行。
某企业燃煤锅炉改造生物质燃料锅炉项目，使用生物质成型燃料作为唯一燃烧物。在政策上生物质能源是可再生能源，属于国家鼓励项目;在经济上相对于其他供热方式，投资小，运行成本低，经济效益好，比燃气锅炉、电锅炉节约20%～50%的成本;在环保上，在保证各项污染物达标排放的基础上，国家是大力支持生物质专用锅炉项目的。同时该项目预计年消耗玉米秸秆及花生壳生物质成型燃料1×104t，可以解决沈阳市国家航空高技术产业开发区周边20km2的玉米秸秆处置问题。此项目经济上可行，环保上达标，是利国利民的可再生能源项目。文章以某企业具体燃煤锅炉改造成生物质锅炉为例，并通过运营成本、烟气污染物的排放情况，分析该改造方案的环境效益和社会效益，望给其他单位改造提供参考。
1 生物质成型燃料的种类及特点
制作生物质燃料的原料有很多，包括木屑、秸秆、稻壳、花生壳、树枝、刨花等，无需任何添加剂，均可固化成型为生物质成型燃料。
生物质成型燃料热值高、具有高挥发性、低硫、燃烧好、燃烧率高达95%以上，一般生物质成型燃料根据其原料不同，其发热量在13400～22000 kJ/kg，燃烧温度可达1000 ℃以上，完全可以替代煤炭。生物质成型燃料燃烧后产生的二氧化硫、粉尘、含氮量都远低于煤炭、石油等，是一种环保清洁能源。同时，其作为可再生能源产品，有利于国家能源结构调整和节能环保政策的落实。
锅炉的运行成本分为燃料、人工、电费、水费、维修成本、环保成本、管理成本等几个方面，其中燃料成本约占总成本的70%。因此对比分析了生物质燃料与其他几种燃料的热力成本及年总消耗成本 (按照每年消耗1万t燃煤计算) ，分别见表1、2。
表1 热力成本分析对比
表2 成本分析对比
由表1可知，生物质锅炉燃料成本与燃煤锅炉基本相同，比燃气锅炉和电锅炉节约50%～80%的燃料成本;由表2可知，生物质燃料锅炉年总成本与燃煤锅炉相当，较燃气和电有十分明显的成本优势。
2 改造项目及资金投入
以该企业为例，将现有2台20t/h燃煤锅炉改造成100%燃烧生物质成型燃料的生物质专用锅炉，其主要建设内容包括2台20t/h燃煤锅炉的炉体改造、锅炉辅机改造、上料系统改造、储料库改造、烟囱改造、增加布袋除尘系统、烟气在线监测系统等，累计投资594.36万元。
3 改造技术方案
与传统的燃煤锅炉相比，生物质锅炉全部燃烧生物质成型燃料，生物质成型燃料与煤相比，最大的区别就是高挥发份含量和低灰熔融温度。因此生物质锅炉与传统锅炉相比有着不同的燃烧特性，生物质锅炉改造项目需针对这些特性做相应的升级改造。
3.1 炉膛燃烧系统改造
鉴于生物质成型燃料的燃烧特性，增加锅炉前拱高度，增强锅炉辐射换热，使生物质燃料在炉膛中高温裂解燃烧，将析出的大量“挥发份”完全燃烧。而针对锅炉后拱的改造，则要减少炉拱长度，增加生物质燃料燃烧后产生热能与水冷壁的辐射换热面积，增加炉膛容积，增加燃烧空间及换热强度，以利于增大生物质燃料的燃耗及换热空间，确保换热强度，提高锅炉改造后的热效率。
为了降低炉膛温度，避免生物质燃料严重结焦，同时降低排烟温度 (因为生物质燃料烟气量大，排烟温度会有所增加) ，炉内前拱和炉膛中部位燃带均做减薄处理，炉排保证密封结构完整。炉排改为往复炉排，以避免生物质成型燃料在炉排上结焦，堵塞通风孔。另外，由于生物质炉膛堆积比比燃煤锅炉低3～4倍，同比进炉燃料的体积比要比燃煤锅炉高3～4倍，因此对炉排转速进行了调整，较燃煤锅炉提高25%～50%。
3.2 二次风及三次风系统改造
根据生物质燃烧阶段性特点，需加大锅炉鼓风量，及时、分段、合理、有效补入二次风量，并就除尘系统增加的设备加大引风机引风量，确保锅炉系统能正常运行。在保证最佳炉膛过剩空气量各燃烧区域温度的条件下，满足各阶段燃烧所需氧量，使生物质干燥裂解产生的70%“挥发份”完全燃烧，固定碳燃尽，减少和杜绝黑烟 (生物质烟气成分、未燃烧生物质挥发份、氧化物、未燃烧的燃料碎屑) 及烟气污染物的产生。
在生物质锅炉改造过程中，还设计了三次风进行低氮燃烧。为了氮氧化物达到环保的排放标准，锅炉进行脱氮的方式有两种，一是新建脱硝设备，氧化或者还原已经产生的氮氧化物;二是进行锅炉内部改造，通过改善燃烧，主动降低氮氧化物的产生，即燃烧温度超过1000 ℃的区域保持缺氧状态、燃烧温度在900～1000 ℃的区域保持长期工作、燃烧温度刚刚低于900 ℃的区域补充空气。为此开展了锅炉的内部改造:第一，把经过炉排的一次风降低到70%，在喉部以下形成缺氧高温环境。第二，把现有二次风管接入三次风，降低烟气温度，里面安装一个高温控制器，通过调控三次风流量，把混合后烟气温度降低到1000 ℃。第三，在前炉拱上方靠近喉部和炉顶中间的位置，重新加二次风管 (材质为耐高温不锈钢) ，向内延伸400mm，将二次风分为两路，一前一后喷入锅炉内部，一路位于1/3处，一路位于2/3处。改造实施后，可将氮氧化物的排放量降低至200mg/m3以内。
3.3 锅炉进料系统改造
锅炉进料系统是指将生物质燃料由料仓输送至炉膛的系统。因为生物质燃料的易燃特性，原有的料仓不可以直接使用，重新改造的进料系统必须考虑回火、蓄热带来的安全隐患，能够满足多级防火的需求。
某企业采用绞龙进料系统，该系统由料仓、排料阀或震料器、螺旋输送器等组成。设备运行时排料阀将料仓内的生物质燃料排入绞龙输送器，起到让料仓内燃料蓬松易下落作用，在不送料时还有隔断作用，防止料仓着火。
3.4 除尘系统升级改造
由于生物质锅炉的烟气含有大量灰份，极易导致锅炉排放不达标，并且造成环境污染，因此改装项目还加装了布袋除尘器，这种除尘器适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。当含尘烟气进入除尘器后，颗粒大、比重大的粉尘由于重力的作用沉降至灰斗，细小粉尘通过滤袋时被阻隔，使烟气得到净化。布袋除尘器除尘效率高，对于生物质锅炉烟气有显著的净化作用，而且目前技术成熟，结构简单，维护操作方便，已经得到了广泛的应用。
该企业根据自己的实际情况，采用旋风缓冲器+高温布袋除尘系统，对生物质烟气进行治理。生物质锅炉烟气经旋风缓冲收尘器，进行初步处理，使锅炉木屑火花熄灭。经旋风缓冲器预处理后，烟气进入高温脉冲布袋收尘器进行二次净化处理，布袋收尘器采用侧部一端进气。烟气首先进入缓冲烟道，由缓冲烟道向下折流，在折流离心力作用下，较大颗粒灰尘直接落入布袋收尘器底部料斗;烟气再向上运转，以1 m/min的速度通过布袋，微细灰尘被滤袋阻隔，洁净空气从上部花板洁净室排出，由引风机通过45m高的烟囱高空排放。经此，使烟气中的含尘浓度控制在30mg/m3以下，实现达标排放。
4 改造后的效益分析
4.1 改造后环境效益
某企业燃煤锅炉改造前，燃煤7 500 t/a，排放NOx20.25 t/a，烟尘23.44 t/a，SO212.6 t/a。生物质锅炉改造实施后，排放NOx7.14 t/a，烟尘1.88 t/a，SO23.4 t/a，符合《锅炉大气污染排放标准GB13271—2014》。改造前后污染物排放对比情况，见表3。
表3 项目实施前后对比
项目新建燃料库，由原露天裸露煤厂改为封闭式燃料库，由工程分析可知，经实际检测估算后，项目实施后可减排无组织排放粉尘4.6t/a;项目改造前，产生炉渣820t/a，项目改造后产生炉渣50 t/a，炉渣产生量大幅减少;项目改造前，产生脱硫渣62t/a，改造后不再产生脱硫渣;项目改造前，除尘器集尘314.06t/a，项目改造后，除尘器集尘374.12t/a，除尘器集尘有所增加。
此项目改造的2台生物质锅炉，在原有配置旋风除尘器和喷淋除尘器的基础上，增加布袋除尘器，形成了三级除尘装置，能将烟尘颗粒物排放控制在30mg/m3以内;生物质成型燃料几乎不含硫，二氧化硫排放达标;生物质锅炉采用降低燃烧床温度的技术，氮氧化物可以控制在200mg/m3以内，可以达标。
4.2 改造后社会效益
某企业燃煤锅炉改造项目，是对政府政策的积极响应，并将带动当地其他燃煤锅炉企业开展锅炉改造工作，提高对锅炉烟气污染物控制的重视度，为改善地方环境空气质量做出贡献。另外，该项目的建设，在沈阳乃至全省燃煤锅炉改造起到示范作用。
5 总结
目前我国在发展国民经济中能源短缺，合理利用能源和节约能源是工业中的一件大事，某企业的燃煤锅炉改造项目，应用了可再生的生物质能源，一方面有效地减少了农业生产废弃物的排放，减少了对农业生态环境的破坏，另一方面降低了废气污染物排放浓度，是全面符合国家最新环保要求、利国利民的可再生能源项目。
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