燃煤锅炉改烧生物质方案及技术经济对比分析

陈立波王建伟柴寿明杨前明

（1.青岛西海岸公用事业集团有限公司，青岛 266400；2.山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

燃煤锅炉改烧生物质方案及技术经济对比分析

陈立波1王建伟2柴寿明1杨前明2

（1.青岛西海岸公用事业集团有限公司，青岛 266400；2.山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

本文从运行成本、燃料供应、优缺点等方面对天然气锅炉、生物质链条锅炉、生物质燃烧机和甲醇锅炉进行对比分析。结果表明，生物质链条锅炉运行成本低、燃料供应来源广，是一种较为合适的燃煤替代设备。针对生物质燃料挥发份含量高、气相燃烧比例高的特点，进行炉拱和二次配风改造，并具有一定的燃烧抑氮效果；对于生物质燃料着火点提前的问题，采用专用的生物质上料装置；对于负荷率低的锅炉，进行风机变频改造；为实现更低的烟尘排放控制，采用更换水膜除尘器为布袋除尘器的技术措施。

生物质 锅炉改造 经济性分析

引言

全球变暖和环境污染使可再生能源在世界范围得到日益广泛的推广和应用。在我国，2013年出台的《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》[1]中提出，对蒸发量在35t/h及10t/h以下不同容量燃煤锅炉按不同期限进行改造或淘汰，初步估算涉及的小型工业锅炉数量达数十万台。2014年，先后出台了《重点地区煤炭消费减量替代管理暂行办法》[2]《国家能源局、环境保护部关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知》[3]等文件，逐步开始控制传统煤炭能源的使用，并加大力度实施可再生能源的替代工作。

在税收方面，随着碳排放税、环保税等税种在中国即将开始征收，清洁和可再生能源的运行成本与传统煤炭能源间的差距越来越小，其可行性越来越高，应用前景变得越发广阔。

1 设备性能对比

因小容量燃煤锅炉已被禁止使用，目前企业可选择的锅炉设备主要包括天然气锅炉、生物质层燃锅炉[4]、生物质燃烧机和甲醇燃料锅炉等。各种锅炉都已在不同程度上得到推广应用，不同锅炉设备间的性能对比情况见表1。

表1 不同小型供热设备（＜10t/h，蒸汽锅炉）间的性能指标对比[5-6]

从表1中可以看出，就运行成本而言，在综合考虑燃料价格、人工及水电费用、污染治理的前提下，生物质层燃锅炉的运行成本仅稍高于小型煤粉锅炉，远低于天然气，也低于生物质燃烧机和甲醇燃料锅炉，尤其是在使用低档次成型燃料或边角碎料时，生物质层燃锅炉的吨蒸汽成本更会出现大幅度的下降。

需要特别指出的是甲醇燃料锅炉。目前，甲醇产能严重过剩，1200元/吨的甲醇燃料售价已远低于国内煤制甲醇生产企业的生产成本，使得市售甲醇燃料掺水现象严重。估算表明，甲醇燃料每掺水10%，锅炉的吨蒸汽生产成本则会上升约30元。一方面是因为掺水减少了可燃烧的燃料量，另一方面，掺入水分蒸发时的气化潜热也需要由燃料燃烧提供，而这部分热量最终并未得到回收。

生物质燃料的特点是灰分低，挥发份和氧含量高，易燃尽，固体不完全燃烧损失大幅降低。因而，生物质层燃锅炉及燃烧机的热效率一般可比燃煤层燃锅炉高出10%甚至更多。但生物质燃烧机的结渣问题却是一个普遍存在的严重问题，使生物质燃烧机只能燃用灰分很低的优质木屑燃料（灰分含量＜3%）。相比而言，小型生物质层燃锅炉虽然也存在结渣问题，但结渣情况并不严重，调查表明，国内企业自备小型工业锅炉的额定容量普遍远高于实际所需容量，锅炉负荷率较低，从而使燃料的燃烧温度很少会超过其灰熔点。

天然气锅炉最大的不足在于运行成本过高，比生物质层燃锅炉高出近1倍，使用汽企业无法承受。即使地方政府实施燃气价格补贴政策，其生产成本也比其他锅炉高出很多。

小型煤粉锅炉具有热效率高、排放低、运行成本最低的优点，其应用远景较好。但目前该技术在我国尚不成熟，未实现小型化。在实际运行过程中，煤粉结焦现象严重，燃烧器易损坏，导致停炉频发。此外，煤粉燃料供应问题也尚未得到解决。

综上所述，生物质层燃锅炉是较为理想的选择。且这种锅炉可通过对现有燃煤锅炉改造获得，有利于降低企业投资。

2 燃煤锅炉改烧生物质技术方案

以DZL4-1.25-AII型锅炉为例，其技术改造方案如下。

（1）炉拱、二次配风及燃烧抑NOx改造。生物质的挥发分含量很高，一般在70%左右。生物质在炉排上受热至300℃以上后，挥发份就会快速析出并离开炉排，在炉排的上方进行气相燃烧，而煤炭主要在炉排上进行固相燃烧，两者的燃烧特点差异较大。因此，燃煤锅炉改烧生物质燃料，必须对燃烧过程进行改造。

①二次配风燃烧，主要针对锅炉前拱。需要将原燃煤锅炉的前拱全部砸掉后重砌，并在内部布置二次风管，外设二次风机。

②在炉拱内二次配风口下方预留木屑燃料喷入口。可以直接使用木屑燃料作为二次燃料，不仅能降低锅炉运行成本，还能进一步降低氮氧化物的排放值，以满足将来更为严苛的锅炉排放标准。

③对一次配风进行改造。在主燃烧区通过引入部分烟气再循环的方式，实现在燃烧过程中氮氧化物生成的抑制。

（2）上料系统改造。生物质燃料中因挥发份含量高，相比燃煤锅炉而言，在炉排上的着火点大大提前，这样导致的后果是燃料还未通过煤闸板即开始燃烧，不仅导致闸板烧坏、燃料浪费，而且有起火的风险。因此，要将原燃煤锅炉的煤斗上料系统，改为生物质带封闭装置的专用上料斗，可有效解决燃料回燃的问题。

（3）除尘改造。锅炉大气排放标准中对于烟尘的排放指标是30mg/Nm3，传统水膜式除尘器的除尘效率一般不高于95%，无法满足烟尘指标的排放要求，因而必须更换为布袋除尘器，其除尘效率可达99%以上。如将来国家对于工业锅炉也提出超低排放的要求，则除尘装置需要进一步替换为湿式电除尘，或改造为静电布袋除尘器，这两种除尘方式都能实现将烟尘指标降低至10mg/Nm3以下的要求。

国产布袋除尘器的价格一般可按2万元/蒸吨来计算，国外进口设备则多数在3.5万元/蒸吨以上。

（4）鼓引风机变频改造[7]。风机电耗与锅炉负荷率近似成3次方关系。即与不采用变频改造的锅炉相比，当锅炉负荷率只有50%时，采用变频改造风机的电耗仅为不采用变频改造的锅炉风机电耗的0.53=0.125=12.5%，节电高达87.5%。以4t/h的锅炉、负荷率50%，每度电0.8元计，一年至少可节省电费近9万元，风机变频改造的投资回收期约为4个月。

3 锅炉改造项目及费用情况

表2为锅炉改造各项目及其费用情况。可看出，锅炉改造投入中，布袋除尘器的费用最高，占比达50%～60%。特别需注意的是，对于鼓引风机变频改造项目，如企业锅炉负荷较低，则建议实施此项改造，节省电费的效果极为可观，潜力巨大。若企业锅炉负荷率常年保持在很高的程度，则无须实施此项改造。

表2 锅炉改造各项目及费用情况表（以4t/h燃煤锅炉为例）

4 结论与建议

（1）与其他各种清洁能源相比，生物质层燃锅炉具有运行成本低、燃料供应来源广的优点，是一种较为合适的燃煤替代设备。

（2）燃煤锅炉改为生物质锅炉，需要针对生物质燃料挥发份含量高，气相燃烧比例高的特点，在炉前拱部位增加二次配风，以保证挥发份的完全燃烧。

（3）锅炉负荷率不高时，对鼓引风机进行变频改造可以大幅度地降低电耗费用。

（4）需要增设布袋除尘器，以满足锅炉大气排放标准中烟尘含量低于30mg/Nm3的要求。

[1]环境保护部，国家发展和改革委员会，工业和信息化部，财政部，住房和城乡建设部，国家能源局.关于印发《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》的通知[EB/OL].（2013-09-17）[2016-10-16].http://www.zhb.gov.cn/gkml/ hbb/bwj/201309/t20130918_260414.htm

[2]国家发展改革委，工业和信息化部，财政部，环境保护部，统计局，能源局.关于印发《重点地区煤炭消费减量替代管理暂行办法》的通知[EB/OL].（2014-12-29）[2016-10-16]. http:// www.sdpc.gov.cn/gzdt/201501/t20150114_660128.html

[3]国家能源局，环境保护部.国家能源局.环境保护部关于开展生物质成型燃料锅炉供热示范项目建设的通知[EB/OL].（2014-06-18）[2016-10-16]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/ auto87/201407/t20140708_1818.htm

[4]张启昌，张英楠，王峰洁，等.吉林省几种常见生物质颗粒燃料的性能[J].东北林业大学学报，2009，37（11）：96-98.

[5]李海英.生物质锅炉的性能论述[J].节能，2008，27（8）：52-54.

[6]纪任山，王乃继，肖翠微，等.高效煤粉工业锅炉技术现状及应用[J].煤炭燃烧，2009，5（5）：52-56.

[7]王廷才，王本轶.风机设备的变频技术及应用[J].节能，2004，（4）：41-43.

Reconstruction Design on Converting Coal-fired Boiler to Biomass Boiler and Comparative Technical and Economic Analysis

CHEN Libo1, WANG Jianwei2, CHAI Shouming1, YANG Qianming2
(1.Qingdao West Coast Public utility Group Co., Ltd., Qingdao 266400; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590）

In this paper, comparative analysis is conducted on running cost, fuel supplement, main advantages and disadvantages of gas-fired boiler, chain grate biomass boiler, biomass burner, and methanol-fired boiler. It is concluded that chain grate biomass boiler has the advantages of low running cost and wide fuel source, which is a proper combustion equipment for coal substitute. Aiming at the characteristics of high volatile matter and high ratio of gas-phase combustion for biomass, a technical scheme of furnace arch reconstruction and adding secondary air is provided, which is also expected to have effect on inhibition of nitrogen oxides during combustion； as for the problem of lower ignition temperature for biomass fuel, a special biomass feeding device is adopted; frequency conversion retrofitting for fan-motor is also carried out for the boiler with low load; bag-type dust collector is used to replace water film dust collector to realize lower dust emission control.

biomass, boiler improvement, economic analysis