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北極星大氣網訊:摘要：
為應對霧霾天氣，改善空氣品質，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，降低了廢氣汙染物排放濃度，並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，中國約有50萬的工業鍋爐，全國每年煤炭消費量約佔全世界煤炭消費總量的1/3。燃煤工業鍋爐造成的環境汙染十分嚴重，為應對霧霾天氣，改善空氣品質，瀋陽市政府頒布了《瀋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《瀋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，並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，屬於國家鼓勵項目;在經濟上相對於其他供熱方式，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，在保證各項汙染物達標排放的基礎上，國家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，可以解決瀋陽市國家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，並通過運營成本、煙氣汙染物的排放情況，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
製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後產生的二氧化硫、粉塵、含氮量都遠低於煤炭、石油等，是一種環保清潔能源。同時，其作為可再生能源產品，有利於國家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，其中燃料成本約佔總成本的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) ，分別見表1、2。
表1 熱力成本分析對比
表2 成本分析對比
由表1可知，生物質鍋爐燃料成本與燃煤鍋爐基本相同，比燃氣鍋爐和電鍋爐節約50%～80%的燃料成本;由表2可知，生物質燃料鍋爐年總成本與燃煤鍋爐相當，較燃氣和電有十分明顯的成本優勢。
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
鑑於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。而針對鍋爐後拱的改造，則要減少爐拱長度，增加生物質燃料燃燒後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，以利於增大生物質燃料的燃耗及換熱空間，確保換熱強度，提高鍋爐改造後的熱效率。
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，由於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，並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，使生物質乾燥裂解產生的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) 及煙氣汙染物的產生。
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、燃燒溫度剛剛低於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，裡面安裝一個高溫控制器，通過調控三次風流量，把混合後煙氣溫度降低到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 (材質為耐高溫不鏽鋼) ，向內延伸400mm，將二次風分為兩路，一前一後噴入鍋爐內部，一路位於1/3處，一路位於2/3處。改造實施後，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。
某企業採用絞龍進料系統，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鬆易下落作用，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
由於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，並且造成環境汙染，因此改裝項目還加裝了布袋除塵器，這種除塵器適用於捕集細小、乾燥、非纖維性粉塵。當含塵煙氣進入除塵器後，顆粒大、比重大的粉塵由於重力的作用沉降至灰鬥，細小粉塵通過濾袋時被阻隔，使煙氣得到淨化。布袋除塵器除塵效率高，對於生物質鍋爐煙氣有顯著的淨化作用，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，採用旋風緩衝器+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衝收塵器，進行初步處理，使鍋爐木屑火花熄滅。經旋風緩衝器預處理後，煙氣進入高溫脈衝布袋收塵器進行二次淨化處理，布袋收塵器採用側部一端進氣。煙氣首先進入緩衝煙道，由緩衝煙道向下折流，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鬥;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，潔淨空氣從上部花板潔淨室排出，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。
4 改造後的效益分析
4.1 改造後環境效益
某企業燃煤鍋爐改造前，燃煤7 500 t/a，排放NOx20.25 t/a，煙塵23.44 t/a，SO212.6 t/a。生物質鍋爐改造實施後，排放NOx7.14 t/a，煙塵1.88 t/a，SO23.4 t/a，符合《鍋爐大氣汙染排放標準GB13271—2014》。改造前後汙染物排放對比情況，見表3。
表3 項目實施前後對比
項目新建燃料庫，由原露天裸露煤廠改為封閉式燃料庫，由工程分析可知，經實際檢測估算後，項目實施後可減排無組織排放粉塵4.6t/a;項目改造前，產生爐渣820t/a，項目改造後產生爐渣50 t/a，爐渣產生量大幅減少;項目改造前，產生脫硫渣62t/a，改造後不再產生脫硫渣;項目改造前，除塵器集塵314.06t/a，項目改造後，除塵器集塵374.12t/a，除塵器集塵有所增加。
此項目改造的2臺生物質鍋爐，在原有配置旋風除塵器和噴淋除塵器的基礎上，增加布袋除塵器，形成了三級除塵裝置，能將煙塵顆粒物排放控制在30mg/m3以內;生物質成型燃料幾乎不含硫，二氧化硫排放達標;生物質鍋爐採用降低燃燒床溫度的技術，氮氧化物可以控制在200mg/m3以內，可以達標。
4.2 改造後社會效益
某企業燃煤鍋爐改造項目，是對政府政策的積極響應，並將帶動當地其他燃煤鍋爐企業開展鍋爐改造工作，提高對鍋爐煙氣汙染物控制的重視度，為改善地方環境空氣品質做出貢獻。另外，該項目的建設，在瀋陽乃至全省燃煤鍋爐改造起到示範作用。
5 總結
目前我國在發展國民經濟中能源短缺，合理利用能源和節約能源是工業中的一件大事，某企業的燃煤鍋爐改造項目，應用了可再生的生物質能源，一方面有效地減少了農業生產廢棄物的排放，減少了對農業生態環境的破壞，另一方面降低了廢氣汙染物排放濃度，是全面符合國家最新環保要求、利國利民的可再生能源項目。
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