燃煤锅炉改造为燃气锅炉技术经济分析

上海煤气第二管线工程有限公司 万捷文

燃煤锅炉改造为燃气锅炉技术经济分析

上海煤气第二管线工程有限公司 万捷文

伴随能源供需和环境污染的矛盾日益突出，在用燃煤锅炉进行天然气替代改造问题，引起管理部门和专家学者的关注，并进行了有益的研究。通过对燃煤锅炉的燃气替代中不同方案的技术经济分析，并结合工程实践，论证了燃煤锅炉天然气替代的经济性和可行性。结论表明，通过合理选择替代方案和工程实施，天然气锅炉能符合企业经济利益和社会环保政策、能源政策的发展趋势，是目前锅炉建设及改造的主要方向。

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根据《上海市燃气发展“十二五”规划》天然气能源替代配套项目规划要求，“十二五”期间上海市约有1 300台燃煤(重油)锅炉、窑炉需完成燃气替代。燃煤锅炉的燃气替代正式进入实施阶段，如何将市区内已有的燃煤锅炉替代成燃气锅炉是个重要的问题。

1 燃气替代方案选择

燃煤锅炉燃气替代的方法主要有两个途径，重新购置燃气锅炉和在原有燃煤锅炉的基础上进行改造。

1.1 重新购置燃气锅炉

全部拆除原燃煤锅炉，改造锅炉房，选用、安装新的燃气锅炉。采用该方式，原燃煤锅炉房的面积、结构均能满足燃气锅炉的安装需要，且需对原锅炉房进行整修即可。同时原锅炉房的水处理系统、循环系统及热力系统无需作较大的变更。

重新购置燃气锅炉系统，替换原有燃煤锅炉系统。此方式相对简单易行，改造彻底，设备间协调性较好，可充分发挥锅炉能力，亦便于管理。锅炉房可按燃气锅炉房装修，锅炉房可以达到整齐，美观和明亮的要求。原有土建设施全部拆除后重新建设可节约出原有用地1/3的用地空间，可用于其他建设用途。选择燃气锅炉应注意自动控制程度、安全性、外观和整体布置、安装简便与否。

目前燃气锅炉已经做到无人操作、全自动运行。购置燃气锅炉的主要问题是费用较高。1台10 t燃气锅炉的主要设备及安装预算费用见表1。

表1 1台10 t燃气锅炉的主要设备及安装预算费用

1.2 原有燃煤锅炉改造

在原燃煤锅炉上进行改造，将燃煤锅炉改为燃气锅炉，该方法利用现有燃煤锅炉进行改造。燃煤锅炉炉膛的传热过程主要是通过燃烧的煤层与炉管之间的辐射传热。燃气锅炉的炉内传热则主要是靠三原子气体与炉管间的辐射传热。采用该方式，锅炉本体需要部分改造；原来的进煤设备，锅炉燃烧设备，除灰除渣设备需要拆除等；在燃气改造时，尚需作一系列校核设计计算；选用合适的燃烧器以及自控系统的安装和增装等。燃煤锅炉的燃气改造，燃烧器的选型和布置对以后燃气锅炉的安全、经济运行有着重要的影响。改造后的锅炉应使炉膛内火焰的充满度好，同时避免火焰直接冲刷换热面，使管壁过热。

它最大的优点是可以利用燃煤锅炉炉膛容积较大的特点，稍作改动，即可提高锅炉的出力。如层燃燃煤锅炉改为燃气后，出力可以提高30%~50%。原有炉膛、部分土建、水处理等设施可继续利用，减少投资内容，单位投资相对较低，见效较快。锅炉改造方案必须简单易行，欲被改造的燃煤锅炉其受压元件必须基本完好，有继续使用的价值，锅炉的给水系统和送、引风系统也必须基本完好。改造后的燃气锅炉，运行管理、经济、安全运行，一般不如新购置设备。1台10 t燃气锅炉改造的预算费用见表2。

表2 1台10 t燃气锅炉改造的预算费用

由于燃气锅炉的售价远远高于燃煤锅炉改烧燃气的费用，因此许多燃煤锅炉用户选择了燃煤锅炉改烧燃气的途径。一些用户在改造工程中，未对锅炉改造的可行性进行分析，只是将燃煤设备拆除，简单加装燃气燃烧器。未对锅炉受热面进行改造，也未加装必要的安全控制装置，不符合劳动部颁发的《热水锅炉安全技术监察规程》或《蒸汽锅炉安全技术监察规程》中的有关规定，造成热效率低，浪费燃气，运行成本过高，使用寿命短，存在许多安全隐患。

2 燃煤锅炉改造的可行性分析

并非所有的燃煤锅炉都具有改烧燃气的价值，那些热效率低和已接近报废期的锅炉就没有改造价值。判断一台锅炉是否具有改造价值，首先对燃煤锅炉的热效率进行检测和剩余使用寿命进行评估，然后对锅炉的改造费用和改造后的热效率及使用寿命进行分析，根据改造后的年计算费用与新上燃气锅炉对比，判断是否具有改造价值。

设计改造燃煤锅炉的现有价值为k1，新上燃气锅炉投资为k2。使用燃气燃烧及控制设备改造费用为b。T1、T2为运行年限。f1、f2为维护(包括维修)管理费占投资的百分数，f1取8%~10%，f2取5%。q为锅炉效率100%时每年消耗燃气和电的费用。η1、η2为设备实际运行效率。r为锅炉工的年工资和福利等。现制定两种方案：方案1为改造之后的年运行费用S1，方案2为新上燃气锅炉的年运行费用S2。计算如下：

若S1小于S2，改造的年运行费用低，可以改造。否则不宜改造，而适合新上燃气锅炉。

3 上海味之素食品有限公司锅炉替代案例分析

以上海味之素食品有限公司锅炉替代为例，对燃煤锅炉与燃天然气锅炉的改造及进行分析。公司现有10 t/h燃煤蒸汽锅炉1台，该锅炉为上海工业锅炉有限公司2010年生产，型号DZL10-1.25-AⅡ，2010年投入使用，设计使用寿命20年。锅炉炉体受压元件基本完好，有继续使用价值；锅炉的给水系统和送、引风系统基本完好。

根据表1、表2的新建和改造预算费用，按照(1)式、(2)式对改造方案进行年运行费用计算比较，由于待改造设备使用年限较短，其改造成本低于购买新锅炉的改造方案，优选考虑改造方案。

该锅炉非常适宜改造为燃气锅炉。

3.1 燃煤锅炉技术参数

额定蒸发量：10 t/h

工作压力：1.25 MPa

蒸汽温度：194 ℃

热效率：60%

燃料：AⅡ烟煤

3.2 改造要求

将现有的该台10 t/h燃煤蒸汽锅炉改造为天然气锅炉，改造要求如下：

(1)改造方案简单易行，较少或不改变原锅炉本体受压元件及系统结构；

(2)改造后应保持原锅炉的额定参数(如汽温、汽压、给水温度等不变)，保持或提高原锅炉的出力和效率；

(3)通过改造达到消除烟尘满足环保指标要求。

3.3 方案选择

3.3.1 燃烧器选择

燃煤锅炉的改造，要选择和设计合适的燃气燃烧器，燃烧器应符合以下条件：

(1)改造后的燃气锅炉运行时，根据不同的燃气和负荷，近似估算燃烧火焰长度，应使炉膛火焰充满度较好，不形成气流死角。

(2)燃烧完全，过剩空气系数小，燃烧温度高，燃烧噪音小，炉膛火焰充满度好，火焰辐射能力强，但火焰要避免高速冲刷换热面，以免换热面强度过高使管壁过热。

(3)由于中小型锅炉在负荷多变的情况下使用，要求燃烧器有很宽的负荷调节范围。

(4)由于燃煤锅炉炉膛容积大，要根据炉膛的大小和形状选择合适的燃烧器，保证燃烧器的热负荷满足锅炉需求。

(5)便于安装，操作简单，维修方便，使用寿命长，造价低。

3.3.2 辅助设施选择

由于燃气易燃、易爆，燃气锅炉的危险性比较大，在燃气锅炉的开停炉过程，如操作不当，很容易造成锅炉爆炸等事故。为保证锅炉安全运行，需要对燃气锅炉采用安全控制系统。

(1)增设燃气高、低压报警和连锁装置，防止火焰脱火、回火，当火焰熄火、脱火时报警，并自动关闭电磁阀。

(2)增设高、低水位报警和连锁装置，超低水位时报警，并关闭电磁阀，切断燃气气源，鼓风机30S后停机，引风机仍运行。

(3)由于燃煤锅炉烟气系统阻力比燃气锅炉大，鼓风机、引风机采用变频调速技术，以达到优化燃烧的目的。

3.4 技术方案总体构思

(1)炉膛设计中考虑到天然气燃烧的火焰直径(D1 500 mm)和火焰长度(4 500 mm)，为使炉膛空间与火焰的充满度达到最佳。炉膛容积热负荷设计为≤4.184 MJ/m3h；

(2)考虑到天然气主要成份为CH4，其燃烧后产生的H2O蒸汽份额较大，故其辐射能力较强，炉膛受热可适当增加，以充分利用其辐射传热，提高热效率，降低钢材消耗，确保锅炉出力，并可能提高锅炉出力；

(3)锅炉炉膛内采用微正压燃烧。要求锅炉的炉墙，密封性能要加强；

(4)由于燃气锅炉的空气过剩系数较小，只有1.05~1.2之间，燃烧所需风量较少一些，加上拆除除尘器后，以及烟道系统烟尘较小，所以烟道阻力较小，引风机风量有较多的富余采用档板风门调节，功率损耗较大，建议可考虑采用变频调速方式对引风机进行调控；

(5)在炉膛和后烟室看火门处，增加一个至两个防爆门，提高锅炉的抗爆性能；

(6)新增加燃烧器控制系统与原有的锅炉控制有机结合在一起，具有燃烧程控功能，能预吹扫自动点火，火焰检测器自检，负荷自动调节，火焰监测故障报警联锁停炉。燃气阀阻检漏，压力高低报警，水位调节水位高低报警，极低水位停炉。蒸汽压力超高炉膛温度超高报警，引风机与燃烧机顺控联锁功能。

3.5 锅炉改造技术方案阐述

(1)配置进口燃气燃烧器：“奥林”GP—700M，DN100一体化全自动燃烧器及自控系统，包括：组合电磁阀调压阀、过滤器、检漏装置，高压气压开关，气压表及连杆等组成阀组一套。

(2)拆除煤斗、拆除炉排。

(3)制作全炉墙及燃烧器的连接面板，改造新前炉墙。

(4)用原左侧和后部的看火门，改成防爆门。

(5)拆除原有鼓风机、除尘器以及空气预热器，将原有鼓风机及送风道全部拆除(预热器可根据情况考虑)，原除尘器拆除后，钢制烟道将原除尘器卷入口和出口之间空间进行连接，形成完整烟道。

(6)清除炉内水冷壁管对流管束等受热面上的烟垢，同时将锅炉内水侧的水垢进行清洗，提高锅炉受热面的传热能力。

(7)对所有的炉墙及炉门进行密封，保证燃气锅炉在微正压状态下安全运行。

(8)按要求依次装上燃气阀组及附件，最后装上燃烧器主体部分，使用耐火材料将燃烧筒与炉墙进行密封。

(9)根据燃烧器要求配置锅炉自动控制系统，实现水气、燃气、电气的监测控制以及报警保护功能。

3.6 锅炉改造工程费用预算

锅炉改造项目见表2，改造费用50.25万元。

3.7 燃气系统工程改造

燃烧器对天然气参数要求：

天然气供气压力(动压)：150~200 kPa

流量：720 m3/h

燃料热值：≥33.472 MJ/m3

气源接自市政道路天然气管道，为中压A，为达到锅炉燃烧器前的压力要求，同时又可以防止燃气压力的上下波动，需要在厂区设置一台落地式燃气调压计量柜，该调压柜可完成过滤、调压、稳压、计量、安全切断等功能。为保证向锅炉24小时不间断供气，可采用2+1型式，及双回路加旁通。

燃气工程费用预算费用为16.7万元。

4 燃煤锅炉、燃气锅炉使用成本比较

燃煤锅炉如使用煤炭，其热值23.012 MJ/kg(按标准煤计算)左右，其市场价980元/t；天然气的热值为33.472 MJ/m3，天然气价格为3.8元/m3；以全年生产2 000 h计算，两者费用比较详见表3：

表3 燃煤锅炉与燃气锅炉费用比较

5 结语

从以上比较可以看出，通过技术经济分析，可合理选择替代方案。通过改造后燃气锅炉的运行费用略高于燃煤锅炉，但燃气锅炉可以大大改善工作环境，降低劳动强度，提高企业品位。随着国家及地方环境保护政策、能源政策的发展趋势,燃气锅炉的运行费用较燃煤锅炉有非常大的下降空间，是目前锅炉建设及改造的主要方向。

燃煤锅炉改造为燃气锅炉过程必须严格遵守国家有关规程、规范，在经济合理、锅炉额定参数不变的前提下，达到节能减耗、保护环境的要求。

Technical and Economic Analysis of Transforming Coal-Fired Boiler to Gas-Fired Boiler

Shanghai Gas No.2 Pipeline Engineering Co., Ltd. Wan Jiewen

To solve the contradiction of energy supply/demand and environmental pollution, the technology of transforming coal-fired boiler to gas-fired boiler has been discussed recently, and demonstrated by the technical and economic analysis combining with the engineering case. It points out that by choosing the alternative reasonably, the gas-fired Boiler is the main method of transforming coal-fired boiler, and it can meet the profits, environmental protection policy and energy policy as well.

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