為應(yīng)對(duì)霧霾天氣，改善空氣質(zhì)量，某企業(yè)通過(guò)對(duì)鍋爐爐膛燃燒系統(tǒng)、二次風(fēng)及三次風(fēng)系統(tǒng)、鍋爐進(jìn)料系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將原燃煤鍋爐改造生物質(zhì)燃料鍋爐，降低了廢氣污染物排放濃度，并降低了鍋爐運(yùn)行成本，從節(jié)能環(huán)保角度實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏。
目前，中國(guó)約有50萬(wàn)的工業(yè)鍋爐，全國(guó)每年煤炭消費(fèi)量約占全世界煤炭消費(fèi)總量的1/3。燃煤工業(yè)鍋爐造成的環(huán)境污染十分嚴(yán)重，為應(yīng)對(duì)霧霾天氣，改善空氣質(zhì)量，沈陽(yáng)市政府頒布了《沈陽(yáng)市藍(lán)天行動(dòng)實(shí)施方案 (2015-2017) 》，該方案要求工業(yè)提標(biāo)改造，取締20t (含20t) 以下燃煤鍋爐，用清潔能源代替燃煤工業(yè)鍋爐。為響應(yīng)《沈陽(yáng)市藍(lán)天行動(dòng)實(shí)施方案 (2015-2017) 》，某企業(yè)決策將對(duì)兩臺(tái)20t燃煤鍋爐進(jìn)行改造，通過(guò)對(duì)燃?xì)忮仩t、周邊市政管網(wǎng)、電鍋爐、生物質(zhì)鍋爐等綜合對(duì)比，結(jié)合企業(yè)實(shí)際，決定改用生物質(zhì)燃料方式，并對(duì)鍋爐及附屬設(shè)備設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造，從2016年計(jì)劃實(shí)施改造至今，設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行。
某企業(yè)燃煤鍋爐改造生物質(zhì)燃料鍋爐項(xiàng)目，使用生物質(zhì)成型燃料作為唯一燃燒物。在政策上生物質(zhì)能源是可再生能源，屬于國(guó)家鼓勵(lì)項(xiàng)目;在經(jīng)濟(jì)上相對(duì)于其他供熱方式，投資小，運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，比燃?xì)忮仩t、電鍋爐節(jié)約20%～50%的成本;在環(huán)保上，在保證各項(xiàng)污染物達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，國(guó)家是大力支持生物質(zhì)專用鍋爐項(xiàng)目的。同時(shí)該項(xiàng)目預(yù)計(jì)年消耗玉米秸稈及花生殼生物質(zhì)成型燃料1×104t，可以解決沈陽(yáng)市國(guó)家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)周邊20km2的玉米秸稈處置問(wèn)題。此項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)上可行，環(huán)保上達(dá)標(biāo)，是利國(guó)利民的可再生能源項(xiàng)目。文章以某企業(yè)具體燃煤鍋爐改造成生物質(zhì)鍋爐為例，并通過(guò)運(yùn)營(yíng)成本、煙氣污染物的排放情況，分析該改造方案的環(huán)境效益和社會(huì)效益，望給其他單位改造提供參考。
1 生物質(zhì)成型燃料的種類及特點(diǎn)
制作生物質(zhì)燃料的原料有很多，包括木屑、秸稈、稻殼、花生殼、樹枝、刨花等，無(wú)需任何添加劑，均可固化成型為生物質(zhì)成型燃料。
生物質(zhì)成型燃料熱值高、具有高揮發(fā)性、低硫、燃燒好、燃燒率高達(dá)95%以上，一般生物質(zhì)成型燃料根據(jù)其原料不同，其發(fā)熱量在13400～22000 kJ/kg，燃燒溫度可達(dá)1000 ℃以上，完全可以替代煤炭。生物質(zhì)成型燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫、粉塵、含氮量都遠(yuǎn)低于煤炭、石油等，是一種環(huán)保清潔能源。同時(shí)，其作為可再生能源產(chǎn)品，有利于國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策的落實(shí)。
鍋爐的運(yùn)行成本分為燃料、人工、電費(fèi)、水費(fèi)、維修成本、環(huán)保成本、管理成本等幾個(gè)方面，其中燃料成本約占總成本的70%。因此對(duì)比分析了生物質(zhì)燃料與其他幾種燃料的熱力成本及年總消耗成本 (按照每年消耗1萬(wàn)t燃煤計(jì)算) ，分別見表1、2。
2 改造項(xiàng)目及資金投入
以該企業(yè)為例，將現(xiàn)有2臺(tái)20t/h燃煤鍋爐改造成100%燃燒生物質(zhì)成型燃料的生物質(zhì)專用鍋爐，其主要建設(shè)內(nèi)容包括2臺(tái)20t/h燃煤鍋爐的爐體改造、鍋爐輔機(jī)改造、上料系統(tǒng)改造、儲(chǔ)料庫(kù)改造、煙囪改造、增加布袋除塵系統(tǒng)、煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，累計(jì)投資594.36萬(wàn)元。
3 改造技術(shù)方案
與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐相比，生物質(zhì)鍋爐全部燃燒生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料與煤相比，最大的區(qū)別就是高揮發(fā)份含量和低灰熔融溫度。因此生物質(zhì)鍋爐與傳統(tǒng)鍋爐相比有著不同的燃燒特性，生物質(zhì)鍋爐改造項(xiàng)目需針對(duì)這些特性做相應(yīng)的升級(jí)改造。
3.1 爐膛燃燒系統(tǒng)改造
鑒于生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性，增加鍋爐前拱高度，增強(qiáng)鍋爐輻射換熱，使生物質(zhì)燃料在爐膛中高溫裂解燃燒，將析出的大量“揮發(fā)份”完全燃燒。而針對(duì)鍋爐后拱的改造，則要減少爐拱長(zhǎng)度，增加生物質(zhì)燃料燃燒后產(chǎn)生熱能與水冷壁的輻射換熱面積，增加爐膛容積，增加燃燒空間及換熱強(qiáng)度，以利于增大生物質(zhì)燃料的燃耗及換熱空間，確保換熱強(qiáng)度，提高鍋爐改造后的熱效率。
為了降低爐膛溫度，避免生物質(zhì)燃料嚴(yán)重結(jié)焦，同時(shí)降低排煙溫度 (因?yàn)樯镔|(zhì)燃料煙氣量大，排煙溫度會(huì)有所增加) ，爐內(nèi)前拱和爐膛中部位燃帶均做減薄處理，爐排保證密封結(jié)構(gòu)完整。爐排改為往復(fù)爐排，以避免生物質(zhì)成型燃料在爐排上結(jié)焦，堵塞通風(fēng)孔。另外，由于生物質(zhì)爐膛堆積比比燃煤鍋爐低3～4倍，同比進(jìn)爐燃料的體積比要比燃煤鍋爐高3～4倍，因此對(duì)爐排轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)整，較燃煤鍋爐提高25%～50%。
3.2 二次風(fēng)及三次風(fēng)系統(tǒng)改造
根據(jù)生物質(zhì)燃燒階段性特點(diǎn)，需加大鍋爐鼓風(fēng)量，及時(shí)、分段、合理、有效補(bǔ)入二次風(fēng)量，并就除塵系統(tǒng)增加的設(shè)備加大引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量，確保鍋爐系統(tǒng)能正常運(yùn)行。在保證最佳爐膛過(guò)剩空氣量各燃燒區(qū)域溫度的條件下，滿足各階段燃燒所需氧量，使生物質(zhì)干燥裂解產(chǎn)生的70%“揮發(fā)份”完全燃燒，固定碳燃盡，減少和杜絕黑煙 (生物質(zhì)煙氣成分、未燃燒生物質(zhì)揮發(fā)份、氧化物、未燃燒的燃料碎屑) 及煙氣污染物的產(chǎn)生。
在生物質(zhì)鍋爐改造過(guò)程中，還設(shè)計(jì)了三次風(fēng)進(jìn)行低氮燃燒。為了氮氧化物達(dá)到環(huán)保的排放標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐進(jìn)行脫氮的方式有兩種，一是新建脫硝設(shè)備，氧化或者還原已經(jīng)產(chǎn)生的氮氧化物;二是進(jìn)行鍋爐內(nèi)部改造，通過(guò)改善燃燒，主動(dòng)降低氮氧化物的產(chǎn)生，即燃燒溫度超過(guò)1000 ℃的區(qū)域保持缺氧狀態(tài)、燃燒溫度在900～1000 ℃的區(qū)域保持長(zhǎng)期工作、燃燒溫度剛剛低于900 ℃的區(qū)域補(bǔ)充空氣。為此開展了鍋爐的內(nèi)部改造:第一，把經(jīng)過(guò)爐排的一次風(fēng)降低到70%，在喉部以下形成缺氧高溫環(huán)境。第二，把現(xiàn)有二次風(fēng)管接入三次風(fēng)，降低煙氣溫度，里面安裝一個(gè)高溫控制器，通過(guò)調(diào)控三次風(fēng)流量，把混合后煙氣溫度降低到1000 ℃。第三，在前爐拱上方靠近喉部和爐頂中間的位置，重新加二次風(fēng)管 (材質(zhì)為耐高溫不銹鋼) ，向內(nèi)延伸400mm，將二次風(fēng)分為兩路，一前一后噴入鍋爐內(nèi)部，一路位于1/3處，一路位于2/3處。改造實(shí)施后，可將氮氧化物的排放量降低至200mg/m3以內(nèi)。
3.3 鍋爐進(jìn)料系統(tǒng)改造
鍋爐進(jìn)料系統(tǒng)是指將生物質(zhì)燃料由料倉(cāng)輸送至爐膛的系統(tǒng)。因?yàn)樯镔|(zhì)燃料的易燃特性，原有的料倉(cāng)不可以直接使用，重新改造的進(jìn)料系統(tǒng)必須考慮回火、蓄熱帶來(lái)的安全隱患，能夠滿足多級(jí)防火的需求。
某企業(yè)采用絞龍進(jìn)料系統(tǒng)，該系統(tǒng)由料倉(cāng)、排料閥或震料器、螺旋輸送器等組成。設(shè)備運(yùn)行時(shí)排料閥將料倉(cāng)內(nèi)的生物質(zhì)燃料排入絞龍輸送器，起到讓料倉(cāng)內(nèi)燃料蓬松易下落作用，在不送料時(shí)還有隔斷作用，防止料倉(cāng)著火。
3.4 除塵系統(tǒng)升級(jí)改造
由于生物質(zhì)鍋爐的煙氣含有大量灰份，極易導(dǎo)致鍋爐排放不達(dá)標(biāo)，并且造成環(huán)境污染，因此改裝項(xiàng)目還加裝了布袋除塵器，這種除塵器適用于捕集細(xì)小、干燥、非纖維性粉塵。當(dāng)含塵煙氣進(jìn)入除塵器后，顆粒大、比重大的粉塵由于重力的作用沉降至灰斗，細(xì)小粉塵通過(guò)濾袋時(shí)被阻隔，使煙氣得到凈化。布袋除塵器除塵效率高，對(duì)于生物質(zhì)鍋爐煙氣有顯著的凈化作用，而且目前技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)操作方便，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
該企業(yè)根據(jù)自己的實(shí)際情況，采用旋風(fēng)緩沖器+高溫布袋除塵系統(tǒng)，對(duì)生物質(zhì)煙氣進(jìn)行治理。生物質(zhì)鍋爐煙氣經(jīng)旋風(fēng)緩沖收塵器，進(jìn)行初步處理，使鍋爐木屑火花熄滅。經(jīng)旋風(fēng)緩沖器預(yù)處理后，煙氣進(jìn)入高溫脈沖布袋收塵器進(jìn)行二次凈化處理，布袋收塵器采用側(cè)部一端進(jìn)氣。煙氣首先進(jìn)入緩沖煙道，由緩沖煙道向下折流，在折流離心力作用下，較大顆粒灰塵直接落入布袋收塵器底部料斗;煙氣再向上運(yùn)轉(zhuǎn)，以1 m/min的速度通過(guò)布袋，微細(xì)灰塵被濾袋阻隔，潔凈空氣從上部花板潔凈室排出，由引風(fēng)機(jī)通過(guò)45m高的煙囪高空排放。經(jīng)此，使煙氣中的含塵濃度控制在30mg/m3以下，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。
4 改造后的效益分析
4.1 改造后環(huán)境效益
某企業(yè)燃煤鍋爐改造前，燃煤7 500 t/a，排放NOx20.25 t/a，煙塵23.44 t/a，SO212.6 t/a。生物質(zhì)鍋爐改造實(shí)施后，排放NOx7.14 t/a，煙塵1.88 t/a，SO23.4 t/a，符合《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)GB13271—2014》。改造前后污染物排放對(duì)比情況，見表3。
項(xiàng)目新建燃料庫(kù)，由原露天裸露煤廠改為封閉式燃料庫(kù)，由工程分析可知，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)估算后，項(xiàng)目實(shí)施后可減排無(wú)組織排放粉塵4.6t/a;項(xiàng)目改造前，產(chǎn)生爐渣820t/a，項(xiàng)目改造后產(chǎn)生爐渣50 t/a，爐渣產(chǎn)生量大幅減少;項(xiàng)目改造前，產(chǎn)生脫硫渣62t/a，改造后不再產(chǎn)生脫硫渣;項(xiàng)目改造前，除塵器集塵314.06t/a，項(xiàng)目改造后，除塵器集塵374.12t/a，除塵器集塵有所增加。
此項(xiàng)目改造的2臺(tái)生物質(zhì)鍋爐，在原有配置旋風(fēng)除塵器和噴淋除塵器的基礎(chǔ)上，增加布袋除塵器，形成了三級(jí)除塵裝置，能將煙塵顆粒物排放控制在30mg/m3以內(nèi);生物質(zhì)成型燃料幾乎不含硫，二氧化硫排放達(dá)標(biāo);生物質(zhì)鍋爐采用降低燃燒床溫度的技術(shù)，氮氧化物可以控制在200mg/m3以內(nèi)，可以達(dá)標(biāo)。
4.2 改造后社會(huì)效益
某企業(yè)燃煤鍋爐改造項(xiàng)目，是對(duì)政府政策的積極響應(yīng)，并將帶動(dòng)當(dāng)?shù)仄渌济哄仩t企業(yè)開展鍋爐改造工作，提高對(duì)鍋爐煙氣污染物控制的重視度，為改善地方環(huán)境空氣質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。另外，該項(xiàng)目的建設(shè)，在沈陽(yáng)乃至全省燃煤鍋爐改造起到示范作用。
5 總結(jié)
目前我國(guó)在發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)中能源短缺，合理利用能源和節(jié)約能源是工業(yè)中的一件大事，某企業(yè)的燃煤鍋爐改造項(xiàng)目，應(yīng)用了可再生的生物質(zhì)能源，一方面有效地減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物的排放，減少了對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞，另一方面降低了廢氣污染物排放濃度，是全面符合國(guó)家最新環(huán)保要求、利國(guó)利民的可再生能源項(xiàng)目。
