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王建偉1，徐琳1，趙明海2，欒慎勇2
（1.山東科技大學機械電子工程學院，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鍋爐。不過，改造完成初期卻因堿金屬沉積的原因導致不少問題，例如煙道阻力、引風機電耗以及排煙溫度均出現了升高。為此，進一步采取了增設鋼珠清灰器和空氣預熱器，引入風機變頻改造等措施。迄今為止該生物質鍋爐已穩定運行一年，效果良好。另外，該生物質鍋爐系統還實現了廢水廢渣的循環利用。
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注。鑒于二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機化合物（VOCs）等有害氣體是導致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的燃生物質鍋爐，并以托管運營的方式將公司的蒸汽提供業務全權外包。改造工作于2011年8月啟動，具體改造措施主要包括燃燒設備更換和爐膛結構調整，如圖1所示。其中，燃燒設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。爐膛結構的調整則主要是針對生物質燃料揮發分含量較高的特點，加大了二次燃燒空間及二次風配風比例[3]，并增設了爐拱。特別是針對生物質易燃會導致進料擋板燒壞的問題，采用了水冷短前拱。改造后的生物質鍋爐基本上滿足了企業連續生產的要求。不過，鍋爐試運行期間也發現了一些問題，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鋼珠清灰器，在尾部煙道增設空氣預熱器、廢水渣循環利用、風機變頻改造等。改造工作于2011年9月完成，至今已穩定運行1年有余，并已經通過了青島市的清潔生產評估。
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NOx排放，如表2中所示。改為生物質鍋爐后，不但實現了CO2零排放，而且因為生物質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（標態），比燃煤鍋爐煙氣中的含硫量降低了數百倍，無需采用任何脫硫設施即可完全滿足最嚴苛的污染物排放標準。此外，生物質鍋爐中的兩段燃燒方式使得其燃燒溫度低，因而熱力型NOx的排放量基本上已經可以忽略不計[5]，從而也明顯降低了NOx的排放量。
2.2灰渣處理
盡管水煤漿通常都預先進行了除灰處理，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“變廢為寶”的廢物循環利用。
2.3廢水循環
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利用，取得了經濟和環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，當與換熱面接觸后會發生冷凝并最終附著在換熱管表面形成積灰[6]。而且，與硫氧化物發生反應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重。堿金屬沉積物的存在和不斷生成不但會嚴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，導致引風機能耗增加，此外，沉積物對換熱管也會造成腐蝕[7]。
3.1鋼珠清灰系統
為了解決堿金屬沉積問題，在爐膛出口換熱管束處增設了鋼珠清灰系統[8]。該系統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，年節省標準煤300t，有效地延長了過熱器的使用壽命。
3.2引風機變頻改造
鍋爐引風機中的高壓電動機往往存在“大馬拉小車”的現象，在某些場合即使裕度選得不是很大，但由于鍋爐的負荷波動較大，電動機不能及時跟隨調節[9]，造成了電機能耗增加。特別是堿金屬的嚴重沉積也會進一步增大管束流阻的上升，為此，在生物質鍋爐后期的改造過程中，在鍋爐引風機上設置了變頻器，使引風機的風量隨著鍋爐負荷的變化而變化。采用變頻調節后，由于通過調節電機轉速實現節能，年節約電能8萬多度。在負荷率較低時，電機、風機轉速也降低，主設備及相應輔助設備如軸承等磨損較前減輕，維護周期可加長，設備運行壽命延長。
4廢熱回收
4.1增加空氣預熱器
生物質鍋爐剛改造完時，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了熱管式空氣預熱器，將排煙溫度降低至150℃以下，鍋爐效率提高了6%。相當于減排二氧化硫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線，對原料進行預加熱烘干后，冷凝為60℃的高溫潔凈水。由于原系統未設置冷凝水回收裝置，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℃，相當于節能6.6×109kJ，折合標準煤220t。此外，每年還可以直接節省工業用自來水費20萬元左右。
5結論及展望
水煤漿鍋爐改造為生物質鍋爐過程中，先后進行了燃燒設備替換、爐膛結構改造等工作，并增設了鋼珠清灰器、空氣預熱器、高溫冷凝水回收等系統，引入了風機變頻技術。到目前為止，改造后的生物質鍋爐系統已成功運行一年多時間，實現了經濟效益和環境效益的雙贏。具體效果如下：
（1）為該公司連續提供蒸汽近6萬噸。
（2）生物質燃料代替煤炭明顯減少了底渣、飛灰、SO2及NOx的排放量，并實現了CO2的零排放，無須設置任何脫硫設施也可以滿足相關大氣污染物排放標準的要求。
（3）引進的制磚工藝使得污水和廢渣同時實現了循環利用。
（4）增設的鋼珠清灰系統和空氣預熱器明顯提高了鍋爐的熱效率。
（5）風機變頻技術起到了明顯的節電效果。（6）鍋爐托管運營的模式使得該公司生產線徹底擺脫了自身運營鍋爐帶來的一系列難題，值得推廣。
參考文獻
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