小城镇燃煤锅炉热源替代方案研究

牛永胜

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

近年来，我国大气污染呈逐年加重趋势，尤其2013年，部分区域开始出现大范围且长时间持续的强雾霾天气，损害了人民群众的身体健康、影响了社会和谐稳定和经济可持续发展。

《国务院关于大气污染治理行动计划》[1]指出：全面整治燃煤小锅炉。加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》[2]指出：全面淘汰燃煤小锅炉。到2015 年底，京津冀及周边地区地级及以上城市建成区，除必要保留的以外，全部淘汰每小时10 蒸吨及以下燃煤锅炉、茶浴炉。

《国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计划(2014-2020年)的通知》[3]指出着力优化能源结构，把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向。

随着城镇化建设速度的加快，像邯郸市邱县这样的小城镇原有供热热源已经难以满足城市发展的需求，在当前大气环境急需治理的今天，增加燃煤锅炉已受到制约，根据小城镇余热资源条件，采用热泵技术、余热锅炉等技术手段，积极寻找新的锅炉热源替代方案，解决当前小城镇供热热源紧张，节能减排、消除大气污染的新的方向[4]。

1 邱县小城镇污染现状

2013年上半年全国重点监测74个城市的空气质量中，有28个城市达标天数不足50%，而在这些城市中，河北省的邢台市、邯郸市被特别点出。

2014年第一季度74个城市达标天数比例范围平均为53.1%，第一季度空气质量相对较差的前十位城市分别是邢台、石家庄、保定、唐山、邯郸、衡水、济南、西安、廊坊和成都，河北省占七个，邯郸仍然是其中之一。

为了减少大气污染，河北省大力推进“电代煤”“气代煤”工程和燃煤小锅炉淘汰，鼓励发展热泵等清洁能源的使用。2017年2月9日，河北省住房和城乡建设厅印发《关于进一步加强城市供热专项规划修编工作的通知》，指出因地制宜、科学利用天然气、电能、地热、工业余热等能源，努力提高清洁供热水平和供热质量。经过不断努力,河北省治理大气污染取得了重要的阶段性成效。截止到2019年，河北全省PM2.5平均浓度为56 μg/m3，与2013年相比，降幅48%，比2018年下降14%。

邱县是一个典型的平原农业县份，现对于邯郸其他地区，污染相对较小，但受邯郸整个大环境影响，空气质量不容乐观。

从邯郸气体状态大气污染源调查发现，其主要来源可概括为三大方面：冬季采暖锅炉、工业生产过程、交通运输等。以上三方面产生的大气污染所占的比例分别为70%、20%和10%[5]。在邱县，煤是人们的首选燃料，同时该县城10吨以下小锅炉居多，而且分散，效率较低，这就增加了煤的燃烧量，使大气背上了沉重的包袱。

邯郸市建设局关于印发《2017年供热专项实施方案》的通知[6]指出邱县：2017年，重点开展淘汰燃煤锅炉供暖能力替代工作，到2020年实现县城集中供暖和清洁能源供暖率达到95%以上。

近年随着邱县城镇化建设速度的加快，进一步加剧了燃煤的污染，因此开发新型绿色能源，替代传统锅炉热源，解决邱县供热热源和城市大气污染是当前迫切解决的问题。

2 邱县县城可利用的热源分析

邱县县城余热资源丰富，龙港化工、邦秸秆发电厂生活污水处理厂污水等有大量余热资源，目前这些余热不但都白白排放到空气中，同时也是对城市的热污染。

根据对邱县县城余热资源的调研，可回收利用的余热资源主要有如下几种：

(1) 龙港化工氨生产与水煤气生产工艺产生的余热

龙港化工在氨与水煤气生产过程中产生大量的热量，在工艺中需要对氨与水煤气进行降温，热量通过冷却塔直接排放到了大气中，这部分余热资源温度高，便于回收利用，同时该厂检修一般安排在夏秋季节，可以作为稳定、可靠的冬季余热资源，根据现场调研，该厂余热资源如下：

1) 水煤气工艺所能产生的热量

该企业水煤气的生产量为20000～25000 m3/h，水煤气温度为140～150℃，同时采用三座400 m3的冷却塔为其降温，温差降15℃以上，按1200 m3/h水煤气冷却水量计算，可以从水煤气中提取的热量为：20934 kW，相当于30吨锅炉的供热量。

2) 制氨工艺产生的热量

该企业制氨时可产生120℃的混合高压气，通过现有喷淋冷却水方式可将混合气体降低到70～80℃，该工艺主要有设有四座200 m3的淋管式换热装置，总冷却水量为800 m3/h，温差降为10℃，则可从氨气中提取的热量为：9304 kW，相当于13吨锅炉的供热量。

(2) 威利邦秸秆电厂可回收的热能

威利邦秸秆电厂设计安装2×18 MW高温高压单抽凝汽式供热机组，配2×75吨/h高温高压秸秆炉排锅炉，设计年发电量1.85亿度，设计年供热量49.9 GJ，同时该发电厂循环冷却水中还有大量的余热资源，同时冬季是秸秆电厂主要发电的季节，余热资源稳定、可靠。

该电厂循环水量为1800 m3/h，循环水温度最高为45 ℃，在冬季循环水温度可达30℃左右；循环水温度降为10～15℃，本设计按10 ℃考虑，可回收的热量为20934 kW，相当于30吨锅炉的供热量。

(3) 生活污水处理厂的排水热能

邱县污水处理厂设计处理能力为3万吨/天，目前处理量为2万吨/天，清水排量2万吨/天，冬季水温为11～12℃左右。目前污水处理厂的排水量为833 m3/h，排水温度按11℃计算，则在生活污水中提取的热量为4843 kW，相当于7吨锅炉的供热量。

(4) 余热资源汇总

表1 余热资源汇总

从余热资源统计可以看出，邱县总余热资源折合锅炉供热相当于80吨锅炉的供热量，考虑到回收余热消耗的电能和蒸汽热能(按20%考虑),可以转换的供热能力约100吨锅炉的供热量，余热资源量大，合理利用可以大范围的替代燃煤锅炉。

从余热资源分布，可以看出，余热资源主要集中在邱县县城西部，因此有限考虑对邱县县城西部区域锅炉热源的替代。

3 邱县县城锅炉热源替换分析

目前邱县地区一区到八区和十六区主要是工业建筑，九区到十五区和十八区是住宅建筑，根据上面分析，邱县虽然有丰富的余热资源，但如果替换邱县全部锅炉热源也是不现实的，因此考虑首先替换与老百姓生活密切相关的住宅采暖热源上。

邱县住宅供热面积及供热形式统计见表2。

表2 邱县县城供热统计表

按照单位建筑面积热指标计算，针对邱县地理位置和建筑新旧情况综合考虑，建筑面积热指标取45 W/m2，则住宅建筑冬季总热负荷为67500 kW，折合96吨锅炉。

4 邱县余热回收方案

4.1 方案思路

(1) 根据邱县可回收余热情况和邱县县城要替换的热源情况，采用梯级回收方式回收，分别提供暖气片用高温热源和地板辐射采暖用低温热源。

(2) 根据余热资源位置，划分替换热源区域，龙港化工厂余热和威利邦秸秆电厂冷却水余热分别设立集中供热站，污水厂热源考虑污水厂附近新建小区供热热源。

(3) 龙港化工优先利用余热锅炉和换热器技术直接回收高温部分热能。

(4) 采用蒸汽驱动热泵技术，回收电厂及化工厂低温冷却水热能，提供90℃热水供热介质。

(5) 低温余热采用电驱动热泵机组提供50℃供热介质。

4.2 龙港化工厂余热回收方案

(1) 龙港化工厂高温煤气余热回收方案

龙港化工厂高温水煤气温度为140～150℃：煤气冷却余热约30吨，设计采用梯级热回收，高温部分设计两台10吨高温煤气余热回收热水锅炉提供90℃采暖用热水。剩余10吨余热采用该化工厂富裕的20吨蒸汽驱动一台蒸汽溴化锂热泵机组回收。

龙港化工高温煤气回收的总热能为30吨，加上20吨锅炉热能，可以提供50吨锅炉供热量，回收原理如图1所示。

(2) 制氨工艺冷却水余热回收

制氨时产生120℃的混合高压气，该企业有设有四座200 m3的淋管式换热装置，总冷却水量为800 m3/h，设计三台3600 kW的螺杆热泵机组直接回收冷却水热能，提供50℃热水，供地板辐射采暖，可以提供15锅炉供热量，回收原理如图2所示。

图1 梯级回收原理图

图2 高温氨气余热回收原理图

4.3 威利邦秸秆电厂余热回收方案

该电厂设计年供热量49.9 GJ，及71.3吨锅炉的供热量，采用该蒸汽驱动吸收式热泵可以回收该电厂冷却水中30吨锅炉余热[7]，但考虑到该电厂蒸汽主要为工业提供热源，而且供热用热交换站系统完善，因此考虑不影响电厂原供热系统，而采用电驱动螺杆热泵机组回收电厂冷却水余热。

本方案根据邱县电厂周边用热负荷，考虑设计五台供热量4200 kW的螺杆热泵机组，回收电厂冷却水热能，提供30吨锅炉的供热量，主要满足邱县十一、十二区地板采暖供热，回收原理如图3所示。

4.4 生活污水处理厂余热回收方案

邱县污水处理厂日处理量为2万吨/天，清水排量2万吨/天，考虑设计采用两台3600 kW的螺杆热泵机组，直接从处理后清水中回收热量，可以提供10吨锅炉供热量，回收原理见图4。

图3 高温氨气余热回收原理图

图4 污水厂余热回收原理图

4.5 总回收余热量

表3 邱县县城供热统计表

5 结论

(1) 针对邱县热源需求和余热资源情况，本文综合使用余热锅炉技术、热泵技术、梯级热能利用技术等多种余热回收技术，研究通过回收邱县化工厂、秸秆电厂、生活污水处理厂中丰富的余热资源，替代了传统燃煤锅炉供热。

(2) 既解决了当前小城镇快速发展供热热源紧张问题，又为我国小城镇传统热源置换、节能减排、大气污染治理提供了新的途径。

(3) 传统锅炉热源替代除了要考虑供热量外还涉及到对原有供热网的改造，用户供热末端的配套、改造费用等问题，因此传统锅炉热源的实际替换还需要根据实际情况进行深入研究。