锅炉煤改气技术分析及环境影响评价研究

文_宋彬 太原燃气集团有限公司

1 锅炉煤改气情况概述

在雾霾的主要来源中，煤燃烧后产生的PM2.5占比较大。燃煤锅炉热效率一般在70%～75%之间，其燃烧过程中，不仅会排放较多的PM2.5粉尘，还会排放二氧化碳、二氧化硫等有害气体。根据国家和地方政府的政策要求，各地均出台了空气污染综合治理方案，在一定的时期内，通过使用清洁能源代替传统的高污染燃料。天然气是全世界范围内认可度较高的清洁能源，它的燃烧效率较为充分，并且燃烧后产生的粉灰含硫、含氧量均较低。另外天然气主要依靠管道传输，极大地节省了人力成本，锅炉煤改气是近十年来的趋势。

锅炉煤改气以后，拥有政策、技术和原料三大优势。2015年国家能源局曾印发《绿色能源示范县建设补助资金管理暂行办法》，2018年国家发展和改革委与国家能源局共同印发了《2018年-2020年国家清洁能源消纳计划》，这些都为锅炉煤改气提供了政策支持。从锅炉的技术结构上来说，燃气锅炉大多采用了机电一体化的结构，空间布局、占用更加合理，前期的投入更少，既能供应大量高效的热能，又能实现节能环保。在原料方面，西气东输工程为我国大多数地区提供了较为物美价廉的天然气资源，完全能满足锅炉煤改气的需求。

2 锅炉煤改气的技术要点分析

锅炉由燃煤改成燃气，不仅仅是改变了锅炉的燃烧方式，而是对锅炉的运行情况和锅炉房的管理带来了翻天覆地的变化。燃气锅炉的燃料除天然气之外，还有焦炉气和煤制气，这些均是有毒的易燃、易爆气体，如果改造技术不过关，容易造成炉膛爆炸，甚至引起局部的火灾。锅炉煤改气需在遵守并执行《蒸汽锅炉安全技术监察规程》等国家相关法律法规的基础上，编制相关方案上报监管部门。在锅炉煤改气的过程中，需要对锅炉的本体、燃烧系统、排烟系统、自动控制系统、自动保护系统、锅炉房进行全面的改造，方能符合国家的相关环保标准。

2.1 锅炉房的技术改造要点

锅炉房的技术改造要点主要集中在对锅炉房安全措施的加固，墙壁均采用耐火材料进行施工。一是由于燃气易燃易爆的特点，需要在锅炉房中加装相应的燃气浓度警报系统，并且实时监测锅炉房中的燃气浓度。二是需要对锅炉房的电气和机械设备机型防爆加固。三是根据燃气锅炉的运行工况，酌情增设燃气调压站。四是根据气源的可靠程度，建立备用气源的存储点，严格落实各项锅炉房安全措施。

2.2 锅炉本体的技术改造要点

燃煤锅炉多为层燃炉，而燃气锅炉多为室燃炉，二者使用的燃料及锅炉的燃烧方式均存在差异，也使得锅炉的特性以及热传导性存在较大的不同。与燃煤锅炉比较，燃气锅炉的温度更高、热强度更大，这会导致局部炉膛受热负荷更大。在进行锅炉改造方案设计时，需要对锅炉的热力计算进行校核，保证烟温低于6000℃，避免引起管板裂纹和锅炉的泄漏。在进行锅炉热力特性分析时，还需对水循环装置和烟气的阻力进行重新计算，避免由于锅炉煤改气造成的安全隐患。燃煤锅炉和燃气锅炉的炉膛、烟道使用的材料也不相同，需要针对性地完善炉膛的维护结构强度，增强锅炉的密封性，并按照相关规定在烟道和炉膛上增设防爆门。

2.3 燃烧系统的技术改造要点

锅炉燃烧系统的改造是煤改气工程的重中之重，该系统包含空气、燃气供给、点火、燃烧器、排烟五个子系统。空气子系统需要对管线的压力进行限制，并增设压力传感器和流量调节控制开关，方便根据锅炉的情况，随时调整空气和燃气的流量。燃气供给管线上也应该加装压力监测装置，并在主管线和锅炉之间安装切断阀，相较于燃煤锅炉，点火磁场阀、调压器、过滤器、电磁阀以及燃气泄露检验装置均为燃气锅炉的标配，在煤改气的过程中，需要注意此类设计。燃烧器是锅炉燃烧系统的核心，燃烧器的热功率、温度分布和火焰形状都需要与锅炉相匹配，需特别注意的是在整个燃烧过程中火焰不能冲刷锅炉壁的任意一个地方，燃烧器的整体布局也不能干扰火焰的扩展。

2.4 排烟系统的技术改造要点

锅炉排烟系统的技术改造程度直接决定了其环境影响效果，有条件的地方应对锅炉系统设置单独的烟道和烟囱，并最大程度保证烟气在炉膛和烟道内的正常流通，防止燃气废气的聚集。同时，通过对燃气锅炉烟气冷凝水和热能的回收，并使用热能加热热网水，帮助空气充分燃烧，让锅炉氮氧化物下降，从而降低氮的排放量，避免锅炉的快速腐蚀。

2.5 自动控制和自动保护系统技术改造要点

自动控制和自动保护系统是锅炉的大脑，燃煤锅炉与燃气锅炉运行时的热工参数检测方法大致相同，不需要额外的改造，但在报警、参数调节和控制程序方面存在着一定的差异。燃气与空气的压力监测是自动控制系统的核心，燃气和空气的比例决定着锅炉排放的废气是否符合环保要求。另外，烟气温度的检测，风门调节器的开关状态，水位、水温、炉温、开关断开和燃气泄漏的报警至关重要，配合联锁保护，可以实现锅炉的自动保护。自动控制程序实际是为了减少人为操作失误导致的生产安全事故，最重要的是实现人为的一键式控制。从启动开关被按下开始，首先是辅助设备开始启动，然后是炉膛烟道的预吹扫，进而进行点火和燃烧器点火等程序，最后是熄灭，反之顺序亦然。自动控制系统中同样包含了对锅炉环保系统的控制，最终实现锅炉的自动化运行。

3 环境影响评价分析

3.1 燃气锅炉的节能优势

相较于燃煤锅炉，燃气锅炉本体结构更加简单、辅助设备少，进而在运行过程中故障排查容易、保养维护量小、维护费用较低。相同热功率的燃气锅炉体积是燃煤锅炉体积的1/3～1/5，使得燃气锅炉的的占地面积较小，在相同的位置实行锅炉的煤改气可以得到更大热功率或者蒸发量的燃气锅炉。燃气锅炉的传热性能佳，受热面的腐蚀轻微，经过改良后的燃气锅炉热效率能达到92%～95%。通过对北京、河北、山西等几十个煤改气工程的数据进行统计，发现其表计显示节能率在55%～60%，实际节能率均超过15%，节能效果十分显著。燃气锅炉在使用过程中的电量消耗仅为燃油锅炉的1/4～1/6，即使考虑到为了提高热效率所增加的小型鼓风机等设备，耗电量仍具有明显优势，每年节能费用可观。

3.2 燃气锅炉的减排优势

燃煤锅炉的燃烧过程中会排放出大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物，虽然燃煤锅炉的脱硫装置已十分普及，但经过处理后的排放物与燃气锅炉的排放物仍然存在不小的差距。近年来人们对于温室气体的排放愈加重视，可以通过以下公式来计算煤改气前后锅炉温室气体的排放量。

式中T-温室气体排放量；Mn-第n种能源的年消费总量；EFn-第n种燃料的排放因子。

根据对五十余个锅炉煤改气的统计数据分析发现，二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物的排放浓度均下降了80%以上，排放总量则下降了80%～90%，而颗粒物PM2.5、PM10的排放浓度下降了40%以上，排放总量下降了94%左右，温室气体的总排放量下降了约75%，减排效果十分明显。

4 结语

综上所述，锅炉煤改气工程的实施过程中，需要对锅炉房、锅炉本体、燃烧系统、排烟系统以及自动保护和控制系统进行一系列的改造，只有掌握了改造的技术要点才能使燃气锅炉能够平稳、安全地运行。通过对锅炉的煤改气，节能和减排效果显著，对环境质量的改善也起到积极作用。