王建偉¹，徐琳¹，趙明海²，欒慎勇²

（1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590；2.大連三洋制冷有限公司，遼寧大連116600）

　　摘要：青島某公司原有的一臺水煤漿鍋爐因熱效率偏低以及未完全解決粉塵、SO2和NOx排放污染問題被改造成燃生物質(zhì)鍋爐。不過，改造完成初期卻因堿金屬沉積的原因?qū)е虏簧賳栴}，例如煙道阻力、引風(fēng)機電耗以及排煙溫度均出現(xiàn)了升高。為此，進一步采取了增設(shè)鋼珠清灰器和空氣預(yù)熱器，引入風(fēng)機變頻改造等措施。迄今為止該生物質(zhì)鍋爐已穩(wěn)定運行一年，效果良好。另外，該生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)還實現(xiàn)了廢水廢渣的循環(huán)利用。

　　0引言

　　目前，中國的大氣污染狀況堪憂，特別是PM2.5污染的問題引起了越來越多的社會關(guān)注。鑒于二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機化合物（VOCs）等有害氣體是導(dǎo)致PM2.5污染的主要源頭，因此，作為控制硫氮氧化物的措施之一，中國各大城市均先后推出了在城區(qū)禁止使用燃煤鍋爐的系列政策。青島某公司原使用某型水煤漿鍋爐來為烘干作業(yè)過程提供蒸汽，但是，由于水煤漿鍋爐并未徹底解決硫氮污染物的控制問題^[1]，其排放的煙塵濃度也遠(yuǎn)高于鏈條爐^[2]，再加上水煤漿鍋爐運行成本較高等因素，最后決定將其改造成一臺8t/h的燃生物質(zhì)鍋爐，并以托管運營的方式將公司的蒸汽提供業(yè)務(wù)全權(quán)外包。改造工作于2011年8月啟動，具體改造措施主要包括燃燒設(shè)備更換和爐膛結(jié)構(gòu)調(diào)整，如圖1所示。其中，燃燒設(shè)備的改造主要是將原水煤漿鍋爐的燃燒器替換為鏈條爐排。爐膛結(jié)構(gòu)的調(diào)整則主要是針對生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量較高的特點，加大了二次燃燒空間及二次風(fēng)配風(fēng)比例^[3]，并增設(shè)了爐拱。特別是針對生物質(zhì)易燃會導(dǎo)致進料擋板燒壞的問題，采用了水冷短前拱。改造后的生物質(zhì)鍋爐基本上滿足了企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求。不過，鍋爐試運行期間也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如積灰、排煙溫度偏高等，如表1所示。為此，對該鍋爐進行了進一步的改造，包括在爐膛出口增設(shè)鋼珠清灰器，在尾部煙道增設(shè)空氣預(yù)熱器、廢水渣循環(huán)利用、風(fēng)機變頻改造等。改造工作于2011年9月完成，至今已穩(wěn)定運行1年有余，并已經(jīng)通過了青島市的清潔生產(chǎn)評估。

　　2污染物排放控制

　　2.1碳硫氮氧化物排放

　　原水煤漿鍋爐仍以煤為燃料，實際熱效率僅為66%左右，CO₂排放量很高。此外，水煤漿鍋爐的燃燒溫度僅僅比燃煤鏈條鍋爐低100～200℃^[2]，仍存在較高的SO₂及NO_x排放，如表2中所示。改為生物質(zhì)鍋爐后，不但實現(xiàn)了CO₂零排放，而且因為生物質(zhì)燃料含硫量極低以及燃料中的高堿金屬含量還能進一步降低煙氣中的硫含量^[4]，因而其排放煙氣中的SO₂含量極低，僅為2.86mg/m³（標(biāo)態(tài)），比燃煤鍋爐煙氣中的含硫量降低了數(shù)百倍，無需采用任何脫硫設(shè)施即可完全滿足最嚴(yán)苛的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，生物質(zhì)鍋爐中的兩段燃燒方式使得其燃燒溫度低，因而熱力型NO_x的排放量基本上已經(jīng)可以忽略不計^[5]，從而也明顯降低了NO_x的排放量。

　　2.2灰渣處理

　　盡管水煤漿通常都預(yù)先進行了除灰處理，但是水煤漿鍋爐的排渣量仍然較高。對于生物質(zhì)鍋爐而言，雖然理論上灰很少，但是因為收集的原料中沙土較多，導(dǎo)致灰渣排放量仍然增大，直接用作鉀肥效果不理想。因此，在鍋爐改造之前，所有的灰渣都是委托外運處理，費用較高且浪費了資源。改造之后，引進了一套制磚設(shè)備，把灰渣、廢水和石灰、水泥按一定比例制成了空心磚，不但解決了灰渣、廢水的處理難題，而且增加了效益，實現(xiàn)“變廢為寶”的廢物循環(huán)利用。

　　2.3廢水循環(huán)

　　廢水主要由三部分組成。一部分來自鍋爐給水的軟化處理過程產(chǎn)生的污水，第二部分來自鍋爐排污水，第三部分來自于紙箱生產(chǎn)車間的高溫冷凝水，之前均未考慮進行回收利用。其中，除了第三部分高溫冷凝水非常潔凈外，前兩部分產(chǎn)生的污水均為弱堿性水，以鈣鎂離子鹽類為主，改造前僅僅回收至中和池處理后排放。改造后，引入的制磚工藝將前兩部分污水進行了循環(huán)利用，取得了經(jīng)濟和環(huán)境效益兼得的理想效果。表2為改造前后廢氣及廢渣排放情況。

　　3堿金屬沉積控制

　　生物質(zhì)燃料的主要特點之一是堿金屬的含量很高，而堿金屬在燃料燃燒的過程中會以氯化物鹽等形式進入氣相，當(dāng)與換熱面接觸后會發(fā)生冷凝并最終附著在換熱管表面形成積灰^[6]。而且，與硫氧化物發(fā)生反應(yīng)后還會形成難以清除的硫酸鹽類硬沉積物，特別是在爐膛出口的過熱器部位尤其嚴(yán)重。堿金屬沉積物的存在和不斷生成不但會嚴(yán)重地影響換熱器的換熱效率，而且還會加大煙道流通阻力甚至阻塞管束，導(dǎo)致引風(fēng)機能耗增加，此外，沉積物對換熱管也會造成腐蝕^[7]。

　　3.1鋼珠清灰系統(tǒng)

　　為了解決堿金屬沉積問題，在爐膛出口換熱管束處增設(shè)了鋼珠清灰系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)利用文丘里管喉部形成的真空將鋼珠由尾部煙道下部抽到上部再由上部落下以達到清潔尾部受熱面的目的，并設(shè)置為一天三次自動進行除灰，很好地提高了鍋爐的熱效率，年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤300t，有效地延長了過熱器的使用壽命。

　　3.2引風(fēng)機變頻改造

　　鍋爐引風(fēng)機中的高壓電動機往往存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，在某些場合即使裕度選得不是很大，但由于鍋爐的負(fù)荷波動較大，電動機不能及時跟隨調(diào)節(jié)[9]，造成了電機能耗增加。特別是堿金屬的嚴(yán)重沉積也會進一步增大管束流阻的上升，為此，在生物質(zhì)鍋爐后期的改造過程中，在鍋爐引風(fēng)機上設(shè)置了變頻器，使引風(fēng)機的風(fēng)量隨著鍋爐負(fù)荷的變化而變化。采用變頻調(diào)節(jié)后，由于通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)節(jié)能，年節(jié)約電能8萬多度。在負(fù)荷率較低時，電機、風(fēng)機轉(zhuǎn)速也降低，主設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，設(shè)備運行壽命延長。

　　4廢熱回收

　　4.1增加空氣預(yù)熱器

　　生物質(zhì)鍋爐剛改造完時，由于原水煤漿鍋爐換熱面積不足，排煙溫度仍高達240℃，因此在鍋爐尾部煙道增設(shè)了熱管式空氣預(yù)熱器，將排煙溫度降低至150℃以下，鍋爐效率提高了6%。相當(dāng)于減排二氧化硫20t，煙塵12t，二氧化碳2200t。

　　4.2高溫冷凝水回收

　　水蒸氣從鍋爐出來進入車間生產(chǎn)線，對原料進行預(yù)加熱烘干后，冷凝為60℃的高溫潔凈水。由于原系統(tǒng)未設(shè)置冷凝水回收裝置，造成了熱能和水資源的浪費。2011年改造后，對該部分冷凝水進行了回收，明顯降低了生產(chǎn)成本^[10]。由于回收的冷凝水非常潔凈，可作為給水直接進入鍋爐中使用。系統(tǒng)運行1年可回收3.5萬噸高溫冷凝水。以冷凝水溫60℃計，比直接給水高出約45℃，相當(dāng)于節(jié)能6.6×10⁹kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤220t。此外，每年還可以直接節(jié)省工業(yè)用自來水費20萬元左右。

　　5結(jié)論及展望

　　水煤漿鍋爐改造為生物質(zhì)鍋爐過程中，先后進行了燃燒設(shè)備替換、爐膛結(jié)構(gòu)改造等工作，并增設(shè)了鋼珠清灰器、空氣預(yù)熱器、高溫冷凝水回收等系統(tǒng)，引入了風(fēng)機變頻技術(shù)。到目前為止，改造后的生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)已成功運行一年多時間，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。具體效果如下：

　　（1）為該公司連續(xù)提供蒸汽近6萬噸。

　　（2）生物質(zhì)燃料代替煤炭明顯減少了底渣、飛灰、SO₂及NO_x的排放量，并實現(xiàn)了CO₂的零排放，無須設(shè)置任何脫硫設(shè)施也可以滿足相關(guān)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　（3）引進的制磚工藝使得污水和廢渣同時實現(xiàn)了循環(huán)利用。

　　（4）增設(shè)的鋼珠清灰系統(tǒng)和空氣預(yù)熱器明顯提高了鍋爐的熱效率。

　　（5）風(fēng)機變頻技術(shù)起到了明顯的節(jié)電效果。（6）鍋爐托管運營的模式使得該公司生產(chǎn)線徹底擺脫了自身運營鍋爐帶來的一系列難題，值得推廣。

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