燃煤锅炉改造为生物质锅炉在企业中的应用实践

目前，中国约有50万的工业锅炉，全国每年煤炭消费量约占全世界煤炭消费总量的1/3。燃煤工业锅炉造成的环境污染十分严重，为应对雾霾天气，改善空气质量，沈阳市政府颁布了《沈阳市蓝天行动实施方案 (2015-2017) 》，该方案要求工业提标改造，取缔20t (含20t) 以下燃煤锅炉，用清洁能源代替燃煤工业锅炉。为响应《沈阳市蓝天行动实施方案 (2015-2017) 》，某企业决策将对两台20t燃煤锅炉进行改造，通过对燃气锅炉、周边市政管网、电锅炉、生物质锅炉等综合对比，结合企业实际，决定改用生物质燃料方式，并对锅炉及附属设备设施进行升级改造，从2016年计划实施改造至今，设施稳定运行。某企业燃煤锅炉改造生物质燃料锅炉项目，使用生物质成型燃料作为唯一燃烧物。在政策上生物质能源是可再生能源，属于国家鼓励项目;在经济上相对于其他供热方式，投资小，运行成本低，经济效益好，比燃气锅炉、电锅炉节约20%～50%的成本;在环保上，在保证各项污染物达标排放的基础上，国家是大力支持生物质专用锅炉项目的。同时该项目预计年消耗玉米秸秆及花生壳生物质成型燃料1×104t，可以解决沈阳市国家航空高技术产业开发区周边20km2的玉米秸秆处置问题。此项目经济上可行，环保上达标，是利国利民的可再生能源项目。文章以某企业具体燃煤锅炉改造成生物质锅炉为例，并通过运营成本、烟气污染物的排放情况，分析该改造方案的环境效益和社会效益，望给其他单位改造提供参考。
1 生物质成型燃料的种类及特点
制作生物质燃料的原料有很多，包括木屑、秸秆、稻壳、花生壳、树枝、刨花等，无需任何添加剂，均可固化成型为生物质成型燃料。生物质成型燃料热值高、具有高挥发性、低硫、燃烧好、燃烧率高达95%以上，一般生物质成型燃料根据其原料不同，其发热量在13400～22000 kJ/kg，燃烧温度可达1000 ℃以上，完全可以替代煤炭。生物质成型燃料燃烧后产生的二氧化硫、粉尘、含氮量都远低于煤炭、石油等，是一种环保清洁能源。同时，其作为可再生能源产品，有利于国家能源结构调整和节能环保政策的落实。锅炉的运行成本分为燃料、人工、电费、水费、维修成本、环保成本、管理成本等几个方面，其中燃料成本约占总成本的70%。
生物质锅炉燃料成本与燃煤锅炉基本相同，比燃气锅炉和电锅炉节约50%～80%的燃料成本，生物质燃料锅炉年总成本与燃煤锅炉相当，较燃气和电有十分明显的成本优势。
2 改造项目及资金投入
以该企业为例，将现有2台20t/h燃煤锅炉改造成100%燃烧生物质成型燃料的生物质专用锅炉，其主要建设内容包括2台20t/h燃煤锅炉的炉体改造、锅炉辅机改造、上料系统改造、储料库改造、烟囱改造、增加布袋除尘系统、烟气在线监测系统等，累计投资594.36万元。
3 改造技术方案
与传统的燃煤锅炉相比，生物质锅炉全部燃烧生物质成型燃料，生物质成型燃料与煤相比，最大的区别就是高挥发份含量和低灰熔融温度。因此生物质锅炉与传统锅炉相比有着不同的燃烧特性，生物质锅炉改造项目需针对这些特性做相应的升级改造。
炉膛燃烧系统改造
鉴于生物质成型燃料的燃烧特性，增加锅炉前拱高度，增强锅炉辐射换热，使生物质燃料在炉膛中高温裂解燃烧，将析出的大量“挥发份”完全燃烧。而针对锅炉后拱的改造，则要减少炉拱长度，增加生物质燃料燃烧后产生热能与水冷壁的辐射换热面积，增加炉膛容积，增加燃烧空间及换热强度，以利于增大生物质燃料的燃耗及换热空间，确保换热强度，提高锅炉改造后的热效率。为了降低炉膛温度，避免生物质燃料严重结焦，同时降低排烟温度 (因为生物质燃料烟气量大，排烟温度会有所增加) ，炉内前拱和炉膛中部位燃带均做减薄处理，炉排保证密封结构完整。炉排改为往复炉排，以避免生物质成型燃料在炉排上结焦，堵塞通风孔。另外，由于生物质炉膛堆积比比燃煤锅炉低3～4倍，同比进炉燃料的体积比要比燃煤锅炉高3～4倍，因此对炉排转速进行了调整，较燃煤锅炉提高25%～50%。
二次风及三次风系统改造
根据生物质燃烧阶段性特点，需加大锅炉鼓风量，及时、分段、合理、有效补入二次风量，并就除尘系统增加的设备加大引风机引风量，确保锅炉系统能正常运行。在保证最佳炉膛过剩空气量各燃烧区域温度的条件下，满足各阶段燃烧所需氧量，使生物质干燥裂解产生的70%“挥发份”完全燃烧，固定碳燃尽，减少和杜绝黑烟 (生物质烟气成分、未燃烧生物质挥发份、氧化物、未燃烧的燃料碎屑) 及烟气污染物的产生。
在生物质锅炉改造过程中，还设计了三次风进行低氮燃烧。为了氮氧化物达到环保的排放标准，锅炉进行脱氮的方式有两种，一是新建脱硝设备，氧化或者还原已经产生的氮氧化物;二是进行锅炉内部改造，通过改善燃烧，主动降低氮氧化物的产生，即燃烧温度超过1000 ℃的区域保持缺氧状态、燃烧温度在900～1000 ℃的区域保持长期工作、燃烧温度刚刚低于900 ℃的区域补充空气。为此开展了锅炉的内部改造:第一，把经过炉排的一次风降低到70%，在喉部以下形成缺氧高温环境。第二，把现有二次风管接入三次风，降低烟气温度，里面安装一个高温控制器，通过调控三次风流量，把混合后烟气温度降低到1000 ℃。第三，在前炉拱上方靠近喉部和炉顶中间的位置，重新加二次风管 (材质为耐高温不锈钢) ，向内延伸400mm，将二次风分为两路，一前一后喷入锅炉内部，一路位于1/3处，一路位于2/3处。改造实施后，可将氮氧化物的排放量降低至200mg/m3以内。
锅炉进料系统改造
锅炉进料系统是指将生物质燃料由料仓输送至炉膛的系统。因为生物质燃料的易燃特性，原有的料仓不可以直接使用，重新改造的进料系统必须考虑回火、蓄热带来的安全隐患，能够满足多级防火的需求。某企业采用绞龙进料系统，该系统由料仓、排料阀或震料器、螺旋输送器等组成。设备运行时排料阀将料仓内的生物质燃料排入绞龙输送器，起到让料仓内燃料蓬松易下落作用，在不送料时还有隔断作用，防止料仓着火。
除尘系统升级改造
由于生物质锅炉的烟气含有大量灰份，极易导致锅炉排放不达标，并且造成环境污染，因此改装项目还加装了布袋除尘器，这种除尘器适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。当含尘烟气进入除尘器后，颗粒大、比重大的粉尘由于重力的作用沉降至灰斗，细小粉尘通过滤袋时被阻隔，使烟气得到净化。布袋除尘器除尘效率高，对于生物质锅炉烟气有显著的净化作用，而且目前技术成熟，结构简单，维护操作方便，已经得到了广泛的应用。
该企业根据自己的实际情况，采用旋风缓冲器+高温布袋除尘系统，对生物质烟气进行治理。生物质锅炉烟气经旋风缓冲收尘器，进行初步处理，使锅炉木屑火花熄灭。经旋风缓冲器预处理后，烟气进入高温脉冲布袋收尘器进行二次净化处理，布袋收尘器采用侧部一端进气。烟气首先进入缓冲烟道，由缓冲烟道向下折流，在折流离心力作用下，较大颗粒灰尘直接落入布袋收尘器底部料斗;烟气再向上运转，以1 m/min的速度通过布袋，微细灰尘被滤袋阻隔，洁净空气从上部花板洁净室排出，由引风机通过45m高的烟囱高空排放。经此，使烟气中的含尘浓度控制在30mg/m3以下，实现达标排放。
4 改造后的效益分析
改造后环境效益某企业燃煤锅炉改造前，燃煤7 500 t/a，排放NOx20.25 t/a，烟尘23.44 t/a，SO212.6 t/a。生物质锅炉改造实施后，排放NOx7.14 t/a，烟尘1.88 t/a，SO23.4 t/a，符合《锅炉大气污染排放标准GB13271—2014》。项目新建燃料库，由原露天裸露煤厂改为封闭式燃料库，由工程分析可知，经实际检测估算后，项目实施后可减排无组织排放粉尘4.6t/a;项目改造前，产生炉渣820t/a，项目改造后产生炉渣50 t/a，炉渣产生量大幅减少;项目改造前，产生脱硫渣62t/a，改造后不再产生脱硫渣;项目改造前，除尘器集尘314.06t/a，项目改造后，除尘器集尘374.12t/a，除尘器集尘有所增加。此项目改造的2台生物质锅炉，在原有配置旋风除尘器和喷淋除尘器的基础上，增加布袋除尘器，形成了三级除尘装置，能将烟尘颗粒物排放控制在30mg/m3以内;生物质成型燃料几乎不含硫，二氧化硫排放达标;生物质锅炉采用降低燃烧床温度的技术，氮氧化物可以控制在200mg/m3以内，可以达标。
改造后社会效益某企业燃煤锅炉改造项目，是对政府政策的积极响应，并将带动当地其他燃煤锅炉企业开展锅炉改造工作，提高对锅炉烟气污染物控制的重视度，为改善地方环境空气质量做出贡献。另外，该项目的建设，在沈阳乃至全省燃煤锅炉改造起到示范作用。