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燃煤锅炉改造为生物质锅炉在企业中的应用实践

来源:国际节能环保网 时间:2020-05-11 18:10:22

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13400~22000kJ/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1m/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7500t/a,排放NOx20.25t/a,烟尘23.44t/a,SO212.6t/a。生物质锅炉改造实施后,排放NOx7.14t/a,烟尘1.88t/a,SO23.4t/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50t/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。
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