燃煤鍋爐改造為生物質鍋爐在企業中在線監測系統的應用實踐

為應對霧霾天氣，改善空氣質量，某企業通過對鍋爐爐膛燃燒系統、二次風及三次風系統、鍋爐進料系統及除塵系統進行升級改造，將原燃煤鍋爐改造生物質燃料鍋爐，降低了廢氣污染物排放濃度，并降低了鍋爐運行成本，從節能環保角度實現經濟效益和環境效益的雙贏。

關鍵詞：煤;生物質;鍋爐;節能;環保;

目前，約有50萬的工業鍋爐，全國每年煤炭消費量約占全世界煤炭消費總量的1/3。燃煤工業鍋爐造成的環境污染十分嚴重，為應對霧霾天氣，改善空氣質量，沈陽市政府頒布了《沈陽市藍天行動實施方案 (2015-2017) 》，該方案要求工業提標改造，取締20t (含20t) 以下燃煤鍋爐，用清潔能源代替燃煤工業鍋爐。為響應《沈陽市藍天行動實施方案 (2015-2017) 》，某企業決策將對兩臺20t燃煤鍋爐進行改造，通過對燃氣鍋爐、周邊市政管網、電鍋爐、生物質鍋爐等綜合對比，結合企業實際，決定改用生物質燃料方式，并對鍋爐及附屬設備設施進行升級改造，從2016年計劃實施改造至今，設施穩定運行。

某企業燃煤鍋爐改造生物質燃料鍋爐項目，使用生物質成型燃料作為唯一燃燒物。在政策上生物質能源是可再生能源，屬于鼓勵項目;在經濟上相對于其他供熱方式，投資小，運行成本低，經濟效益好，比燃氣鍋爐、電鍋爐節約20%～50%的成本;在環保上，在保證各項污染物達標排放的基礎上，是大力支持生物質專用鍋爐項目的。同時該項目預計年消耗玉米秸稈及花生殼生物質成型燃料1×104t，可以解決沈陽市航空高技術產業開發區周邊20km2的玉米秸稈處置問題。此項目經濟上可行，環保上達標，是利國利民的可再生能源項目。文章以某企業具體燃煤鍋爐改造成生物質鍋爐為例，并通過運營成本、煙氣污染物的排放情況，分析該改造方案的環境效益和社會效益，望給其他單位改造提供參考。

1 生物質成型燃料的種類及特點

制作生物質燃料的原料有很多，包括木屑、秸稈、稻殼、花生殼、樹枝、刨花等，無需任何添加劑，均可固化成型為生物質成型燃料。

生物質成型燃料熱值高、具有高揮發性、低硫、燃燒好、燃燒率高達95%以上，一般生物質成型燃料根據其原料不同，其發熱量在13400～22000 kJ/kg，燃燒溫度可達1000 ℃以上，完全可以替代煤炭。生物質成型燃料燃燒后產生的二氧化硫、粉塵、含氮量都遠低于煤炭、石油等，是一種環保清潔能源。同時，其作為可再生能源產品，有利于能源結構調整和節能環保政策的落實。

鍋爐的運行成本分為燃料、人工、電費、水費、維修成本、環保成本、管理成本等幾個方面，其中燃料成本約占總成本的70%。因此對比分析了生物質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t燃煤計算)

2 改造項目及資金投入

以該企業為例，將現有2臺20t/h燃煤鍋爐改造成100%燃燒生物質成型燃料的生物質專用鍋爐，其主要建設內容包括2臺20t/h燃煤鍋爐的爐體改造、鍋爐輔機改造、上料系統改造、儲料庫改造、煙囪改造、增加布袋除塵系統、煙氣在線監測系統等，累計投資594.36萬元。

3 改造技術方案

與傳統的燃煤鍋爐相比，生物質鍋爐全部燃燒生物質成型燃料，生物質成型燃料與煤相比，最大的區別就是高揮發份含量和低灰熔融溫度。因此生物質鍋爐與傳統鍋爐相比有著不同的燃燒特性，生物質鍋爐改造項目需針對這些特性做相應的升級改造。

3.1 爐膛燃燒系統改造

鑒于生物質成型燃料的燃燒特性，增加鍋爐前拱高度，增強鍋爐輻射換熱，使生物質燃料在爐膛中高溫裂解燃燒，將析出的大量“揮發份”完全燃燒。而針對鍋爐后拱的改造，則要減少爐拱長度，增加生物質燃料燃燒后產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度，以利于增大生物質燃料的燃耗及換熱空間，確保換熱強度，提高鍋爐改造后的熱效率。

為了降低爐膛溫度，避免生物質燃料嚴重結焦，同時降低排煙溫度 (因為生物質燃料煙氣量大，排煙溫度會有所增加) ，爐內前拱和爐膛中部位燃帶均做減薄處理，爐排保證密封結構完整。爐排改為往復爐排，以避免生物質成型燃料在爐排上結焦，堵塞通風孔。另外，由于生物質爐膛堆積比比燃煤鍋爐低3～4倍，同比進爐燃料的體積比要比燃煤鍋爐高3～4倍，因此對爐排轉速進行了調整，較燃煤鍋爐提高25%～50%。

3.2 二次風及三次風系統改造

根據生物質燃燒階段性特點，需加大鍋爐鼓風量，及時、分段、合理、有效補入二次風量，并就除塵系統增加的設備加大引風機引風量，確保鍋爐系統能正常運行。在保證最佳爐膛過剩空氣量各燃燒區域溫度的條件下，滿足各階段燃燒所需氧量，使生物質干燥裂解產生的70%“揮發份”完全燃燒，固定碳燃盡，減少和杜絕黑煙 (生物質煙氣成分、未燃燒生物質揮發份、氧化物、未燃燒的燃料碎屑) 及煙氣污染物的產生。

在生物質鍋爐改造過程中，還設計了三次風進行低氮燃燒。為了氮氧化物達到環保的排放標準，鍋爐進行脫氮的方式有兩種，一是新建脫硝設備，氧化或者還原已經產生的氮氧化物;二是進行鍋爐內部改造，通過改善燃燒，主動降低氮氧化物的產生，即燃燒溫度超過1000 ℃的區域保持缺氧狀態、燃燒溫度在900～1000 ℃的區域保持長期工作、燃燒溫度剛剛低于900 ℃的區域補充空氣。為此開展了鍋爐的內部改造:第一，把經過爐排的一次風降低到70%，在喉部以下形成缺氧高溫環境。第二，把現有二次風管接入三次風，降低煙氣溫度，里面安裝一個高溫控制器，通過調控三次風流量，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，重新加二次風管 (材質為耐高溫不銹鋼) ，向內延伸400mm，將二次風分為兩路，一前一后噴入鍋爐內部，一路位于1/3處，一路位于2/3處。改造實施后，可將氮氧化物的排放量降低至200mg/m3以內。

3.3 鍋爐進料系統改造

鍋爐進料系統是指將生物質燃料由料倉輸送至爐膛的系統。因為生物質燃料的易燃特性，原有的料倉不可以直接使用，重新改造的進料系統必須考慮回火、蓄熱帶來的安全隱患，能夠滿足多級防火的需求。

某企業采用絞龍進料系統，該系統由料倉、排料閥或震料器、螺旋輸送器等組成。設備運行時排料閥將料倉內的生物質燃料排入絞龍輸送器，起到讓料倉內燃料蓬松易下落作用，在不送料時還有隔斷作用，防止料倉著火。

3.4 除塵系統升級改造

由于生物質鍋爐的煙氣含有大量灰份，極易導致鍋爐排放不達標，并且造成環境污染，因此改裝項目還加裝了布袋除塵器，這種除塵器適用于捕集細小、干燥、非纖維性粉塵。當含塵煙氣進入除塵器后，顆粒大、比重大的粉塵由于重力的作用沉降至灰斗，細小粉塵通過濾袋時被阻隔，使煙氣得到凈化。布袋除塵器除塵效率高，對于生物質鍋爐煙氣有顯著的凈化作用，而且目前技術成熟，結構簡單，維護操作方便，已經得到了廣泛的應用。

該企業根據自己的實際情況，采用旋風緩沖器+高溫布袋除塵系統，對生物質煙氣進行治理。生物質鍋爐煙氣經旋風緩沖收塵器，進行初步處理，使鍋爐木屑火花熄滅。經旋風緩沖器預處理后，煙氣進入高溫脈沖布袋收塵器進行二次凈化處理，布袋收塵器采用側部一端進氣。煙氣首先進入緩沖煙道，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;煙氣再向上運轉，以1 m/min的速度通過布袋，微細灰塵被濾袋阻隔，潔凈空氣從上部花板潔凈室排出，由引風機通過45m高的煙囪高空排放。經此，使煙氣中的含塵濃度控制在30mg/m3以下，實現達標排放。