小型燃煤锅炉改造技术路线研究

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0 引言

受经济规模和环保理念的限制，个体私营企业较多采用小型燃煤锅炉制备蒸汽，这与现行的国家政策不相符合。燃煤锅炉煤耗高、污染大，在能源与环保问题受到高度重视的今天，燃煤锅炉必须进行革命性的改造［1］。目前，全国各地都在进行小型燃煤锅炉的改造工作，采用的技术路线各不相同。本文将详细分析改造过程中需要考虑的种种因素，以期为小型燃煤锅炉的改造工作提供可行的思路。

1 改造技术路线

按照热源的建设位置，小型燃煤锅炉改造可分为就地改造和集中改造。

1.1 就地改造方式

（1）燃煤锅炉烟气净化改造。不拆除原有的小型燃煤锅炉，对烟气处理系统进行升级改造，包括升级原有脱硫系统、增设高效除尘设备、增设脱硝系统等，比如采用布袋除尘器进行除尘，湿法脱硫或者使用低硫煤，采用SCR 脱硝系统［2］。这种改造方式工程量小、费用低，但是因为没有改造原有锅炉，往往不能使用清洁燃煤，烟气排放指标不是很理想，不能达到重点地区的环保要求。

（2）燃气锅炉改造。燃气锅炉是使用天然气作为燃料制造高温热水或蒸汽的设备。燃气锅炉燃烧效率高，可达85%以上，高于传统的小型燃煤锅炉，不需加装额外的烟气处理设施就可以实现极低的SO2和粉尘的排放。但氮氧化物排放量较高，需要采用低氮燃烧技术进行改造［3］。燃气锅炉具有启动速度快的优点，可以根据用户需求快速进行负荷调整和启停操作。但这种改造方式不仅要加装低氮燃烧器和脱硝设备，还需要更换整个锅炉及附属设备，投资高、工程量大、易受气源短缺问题影响。燃气价格较高会增加用户的生产成本，而且燃气锅炉的安全问题也需要高度重视，造成运行维护费用进一步升高。综上所述，用户主动进行燃气锅炉改造的意愿不太强烈，需要政府推动。

（3）电锅炉改造。电锅炉是使用电能作为驱动能源制备所需品质蒸汽或热水的设备。工作原理是通过电热元件或电磁感应元件将电能转化成热能，再通过换热介质将热能送出。按照电热原理分类，电热锅炉可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电极式、感应式等5 大类［4］。与传统的燃煤锅炉相比，电热锅炉具有启动速度快、调节灵活、占地小、噪音低、清洁环保、运行稳定、热效率高等优点，不需要设置燃料供应和存储系统，不需要设置烟气净化系统。但是，电锅炉运行费用较高，需要改造变压器等配电设施，建设初期投资费用高；大容量的电锅炉在使用过程中可能对电网产生冲击；电能作为优质能源，用来制热属于能源高质低用的浪费行为，只适合用在电量过剩的地区；受当地企业用电总量政策的限制，难以被大规模推广。

（4）生物质锅炉改造。生物质锅炉是使用农业林业废弃物为原料直接燃烧制备高品质热能的设备，类型有流化床式和层燃式。原有小型燃煤锅炉可以花费较小代价改建为层燃式生物质锅炉，具有结构简单、操作方便、改造费用和运行维护费用低等优点，但对锅炉配风要求较高，容易结渣，腐蚀情况较严重。SO2排放量虽有所降低，但是容易产生气溶胶，影响催化剂作用［5］。在我国广大的农业和林业地区，采用生物质锅炉具有一定的可行性，但是需根据当地的环保政策，妥善解决好烟气中HCl 和气溶胶排放的问题。

就地改造是在原有锅炉房位置进行改造，大部分用户因为锅炉容量较小，未聘请专业人员进行操作和维护，存在实际使用的入炉煤与设计煤种不一致导致燃烧效率较低的问题，排烟温度较高导致热能浪费的问题，锅炉维护保养不到位、给水水质不达标、操作不规范导致锅炉寿命大大降低的问题，燃料燃烧产生的大量高品质热能低质利用的问题；燃料品质低、燃烧不充分、烟气未有效处理等原因导致的污染物超标排放的问题。对于当地的环保监督单位来说，存在难以有效监测和管控数量庞大的分散小锅炉的问题。这些小容量锅炉即使进行就地式改造，也难以将上述问题彻底解决。

1.2 集中改造方式

（1）燃煤热电联产。燃煤热电联产机组是指以煤为原料生产电能和热能的机组。我国北方采暖地区建有大量的燃煤热电联产机组，机组通过抽汽向外提供蒸汽。燃煤热电联产机组具有燃烧效率高、运行维护水平高、自动化程度高、能量利用率高、单位投资低等优点，在进行清洁燃烧改造后，烟气排放指标也能够达到环保要求。如果用户周边有燃煤电厂或规划建设燃煤电厂，则适合采用此种改造方式。

（2）燃气蒸汽联合循环。燃气蒸汽联合循环机组是指使用燃气驱动燃气轮机工作，燃气轮机再驱动发电机发电，排出的烟气进入余热锅炉制备蒸汽，蒸汽再驱动汽轮机的机组，整个机组发电容量在100 MW 到650 MW 之间。相对于燃气锅炉，燃气蒸汽联合循环具有综合热效率高、烟气易于集中处理、自动化程度高、安全性好等优点［6］。由于我国火力发电能力已经处于富余状态，因此难以新建此类机组，在用户周边地区存在燃气蒸汽联合循环机组时可优先考虑使用此种方式。

（3）分布式能源。分布式能源机组是指使用燃气轮机、微燃机、内燃机等原动机生产电能和热能的机组。区别于燃气蒸汽联合循环机组，分布式能源机组单机容量一般在50 MW 以下。它不仅具备燃气蒸汽联合循环机组的优点，还具有初投资小、占地面积少、输配过程能源损失小的特点，而且国家可再生能源法、关于发展天然气分布式能源的指导意见、“十三五”能源规划等政策文件都鼓励发展分布式能源机组，机组建设不存在政策性问题［7］。

（4）区域锅炉房。区域锅炉房是指建设大型燃煤锅炉进行集中供热的场所，锅炉容量一般在每小时数十吨左右。用区域锅炉房代替传统的小型燃煤锅炉，燃烧效率较高可节约燃料，单位初投资低而节省了造价，烟气处理设施效率更高可确保烟气达标排放，燃煤消耗量较大使其在市场上易于获得所需煤种，优点较多，适合在燃煤锅炉控制不太严格的区域进行建设。

集中改造方式所介绍的几种技术路线，均是拆除原有小锅炉，利用附近原有机组或是集中建设新的供汽机组，通过管道向用户供应蒸汽。这种类型的方式比就地改造方式而言，具有燃烧效率高、单位投资低、单位占地面积小、单位运行费用低、自动化程度高、烟气处理效果好等等优点，宜优先推广。

2 影响因素分析

小型燃煤锅炉改造时，除了考虑选择合适的设备外，还需要综合考虑燃料、场地、安全、环保、费用等因素的影响。下文就这些影响因素进行简要分析。

2.1 燃料因素

我国煤炭资源丰富，燃煤采购不易受到世界市场波动的影响。由于煤炭清洁燃烧技术的发展，煤炭在非禁煤区仍然是物美价廉的优选燃料。

我国天然气资源相对贫乏，近年来通过西气东输、LNG 港口建设、天然气田开发等手段提高了国内天然气的可获得量，但是仍未从根本上解决天然气依赖进口的问题。尤其在冬季供暖季节，用户往往面临“断气”的威胁，使得生产可能无法顺利进行。因此现阶段天然气只适合用于对环保要求较高且气源充足的地区。

生物质能源主要指农林废弃物，如秸秆、锯末、玉米芯、甘蔗渣以及各类谷壳。我国生物质燃料数量巨大，完全可以作为化石能源的补充，而且生物质燃料是可再生的，生物质燃料燃烧废物灰分、碳、氮、硫等含量均较低，烟气简单处理即可达标排放。生物质燃料相对热值较低，导致其锅炉体积偏大，而且生物质燃料容易结渣，影响锅炉使用寿命。生物质燃料还具有收购困难、储存成本高、需要进行预处理等缺点［8］。因此在诸如农业主产区等生物质原料供应丰富的区域才适宜采用。

电能是高品质能源，清洁高效、易于控制和转换，广泛应用于国民经济各领域。但是若将电能用来制备蒸汽或热水，则是能源高质低用的浪费行为，不值得提倡。不过在部分区域，由于新能源发电的不可控性，给使用电能制备热能的行为带来了财务可行性，同时如果当地环保要求高且其它清洁燃料难以获得时，也可以采用电能作为替代，因此电能制备热能只适合于电能富余或者清洁燃料短缺的地区。

2.2 场地因素

如今社会经济开始发展，城镇用地寸土寸金，如果企业能够合理规划厂房用地，使用集中供汽系统提供的蒸汽，将节约的土地用于生产车间扩建，带来的经济回报是相当可观的。因此在地价较高的地区，用户应考虑改造后带来的地价收益，推动建设集中供汽系统。如果当地产业园区地价不高，且从长期规划来看厂房扩建所需土地供应充足，则可以不考虑场地因素的影响。

2.3 安全因素

燃煤锅炉、生物质锅炉、电锅炉安全性均较高，不容易燃烧和爆炸。而燃气锅炉具有易燃易爆的特点，因此设备投运前必须要通过当地消防部门验收。燃气锅炉房位置、内部防火墙设置、门窗开口朝向、泄压面积等均有严格要求，对于安全性要求较高的场所不建议使用燃气锅炉。

2.4 环保因素

煤燃烧后产生的烟气中灰分、二氧化硫、氮氧化物含量均较高，因此必须对煤进行预处理，并对燃烧后的烟气进行除尘、脱硫、脱硝等一系列操作，才能有效降低烟气中的污染物指标，做到达标排放。生物质燃料燃烧后的烟气中烟尘、二氧化硫含量均较低，但是氮氧化物和气溶胶含量较高，气溶胶会影响催化剂作用，因此需处理好烟气脱硝的问题。天然气燃烧后基本无粉尘和二氧化硫排放，但是氮氧化物排放量较高，需要对锅炉燃烧器进行改造并加装脱硝设备才可以达标排放。电能是清洁能源，直接使用电能不会对大气环境产生不良影响。综上分析可知，煤燃烧带来的污染最大，需要采取的环保措施最复杂，生物质和天然气主要处理好脱硝问题，这几种能源在采取合理措施后一般均能达标排放。

2.5 费用因素

对原有小型锅炉进行改造，主要涉及到初投资费、燃料费用、运行维护费用等几大项。为便于比较，本文简化了供汽热源的型号，小型热源统一设定为5t/h 的容量，区域内总供汽能力设计为150 t/h，具体分析见表1。

通过上文的分析可知，燃煤热源的折算年成本最低，燃气热源的折算年成本约为燃煤热源的3 倍左右，电锅炉的折算年成本约为燃煤热源的8 倍左右。可见，影响总成本的主要是燃料费用，同样燃料的情况下集中供汽的改造方式比分散式改造要略微便宜一些。但是如果区域内已经建成集中热源，则可以省去热源建成成本，那么集中供汽的改造方式优势进一步增加。

表1 小型燃煤锅炉改造方案费用分析

3 结论

本文对小型燃煤锅炉改造技术路线进行了分析，列举了就地改造方式与集中改造方式所采用的各类技术路线的原理与优缺点，并综合考虑燃料、产地、安全、环保、费用等5 个影响决策的因素。分析后可知，在非禁煤区，在进行清洁燃烧改造后，燃煤热源具有非常大的优势，其中以集中式的燃煤热源改造为最优；如果当地属于禁煤区，则燃气热源的综合优势较大，集中式的改造方式比就地分散式的稍优；只有在当地没有充足可靠的燃煤、燃气、生物质燃料或者当地电能经常性富余的情况下，才可以考虑使用电锅炉；特别要说明的是，如果当地已经有建成的集中式热源，则毫无疑问应该选择使用集中式热源代替小型燃煤锅炉。