锅炉煤改气工程节能与减排的若干问题研究
0 前言
我国经济快速增长，各项建设在取得巨大成就的同时，也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。在新形势下，进一步加强节能减排与环境保护工作，不仅是应对全球气候变化的迫切需要,也是我们应该承担起的新的责任。实施节能减排与环境保护，是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是提高人民生活质量，实现全面建设小康社会的奋斗目标的必然要求。现就武钢后方厂燃煤蒸汽锅炉改造成燃气热水锅炉的锅炉房改造工程中，有关节能与减排地问题进行研究，找到这些问题并解决之。
1 工程概述
该工程位于武汉市，锅炉房设有2t/h和4t/h的燃煤蒸汽锅炉各一台。锅炉的排烟除尘系统由两台多管旋风除尘器承担。
原有的蒸汽锅炉供热系统包括：
⑴ 院内行政办公供热系统，通过壳管式汽水换热器，供应55℃/50℃的热水；
⑵ 实验室烘房供热，直接采用蒸汽通过散热器供热；
⑶ 食堂300人蒸饭用蒸汽；
⑷ 浴室50人洗浴，用热水及冬季采暖；
⑸ 洗衣机房蒸汽烘干；
⑹ 花房冬季采暖。
改造后的用能及用能方式为：
⑴ 院内行政办公供热系统的供热采用燃气锅炉产生的90/70oC热水,通过板式换热器换成55/50oC的热水供应上述建筑中的风机盘管供暖系统；
⑵ 实验室烘房供热，直接采用燃气锅炉产生的90/70℃热水进行供暖；
⑶ 食堂300人蒸饭，原采用蒸汽，现改为燃气蒸饭柜3台，每台蒸锅蒸饭能力为120人，共计360人的容量，留有富裕；
⑷ 浴室50人洗浴，原采用蒸汽管直接接入热水箱，产生90℃热水，再配置自来水水管，调节供水温度，以供洗浴热水；现采用燃气锅炉产生的90/70℃热水,通过板式换热器换成45℃的热水存储于热水箱，以供使用；
⑸ 冬季更衣室和洗衣机烘房直接采用燃气锅炉产生的90/70℃热水采暖及供热；
⑹ 花房冬季直接采用燃气锅炉产生的90/70℃热水采暖。
2 节能的几个问题
2.1原有用能的负荷问题
2.1.1厂区用热总量校核计算
① 按建筑物总建筑面积估算
根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》的民用建筑采暖设计负荷计算的单位面积热指标法，该厂区的总建筑面积为15760m2，即使是按负荷指标采用100大卡/m2.h进行估算，计算总热量也只有1828kw。
② 按原有冷冻机冷量的冷量估算
已知原三台冷冻机的冷量分别为24万大卡，60万大卡，75万大卡，换算成供热量分别为：
Q1=24万大卡=279.1KW
Q2=60万大卡=696KW
Q3=75万大卡=872.3KW
则：Q = Q1+ Q2+ Q3=1847.4kw
计算结果说明总热量小于1847.4kw。
2.1.2 实验室烘房供暖负荷计算
根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》的民用建筑采暖设计负荷计算的单位面积热指标法，本建筑采用200大卡/m2.h的指标进行估算，该烘房的总建筑面积为910m2，其中采暖面积为563 m2，经计算总热量为112.5kw。
2.1.3 浴室用热量的计算
根据《建筑给排水设计手册》：浴池按50人洗澡，每人200L考虑，总共需要10m3水，全天供热热水为一小时，需热量为Q=10*1000*4.2*(50-10)/3600=466.67KW
浴室采暖热量的计算：根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》的民用建筑采暖设计负荷计算的单位面积热指标法，本建筑采用50大卡/m2.h的指标进行估算，该浴室的总采暖面积为77.6m2，经计算总热量为3.8kw。
2.1.4 洗衣机烘房用热量的计算
洗衣机烘房采暖热量的计算：根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》的民用建筑采暖设计负荷计算的单位面积热指标法，本建筑采用200大卡/m2.h的指标进行估算，该洗衣机房的总采暖面积为36m2，经计算总热量为8.28kw。
2.1.5 花房采暖热量的计算
根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》的民用建筑采暖设计负荷计算的单位面积热指标法，本建筑采用100大卡/m2.h的指标进行估算，该花房的总采暖面积为90m2，经计算总热量为9kw。
2.1.6 系统总热用量
Q=1828+112.5+466.67+3.8+8.28+9=2428.28kw
从计算的结果来看，总负荷小于2428.28kw。而原设计选用2t/h和4t/h的燃煤蒸汽锅炉各一台，总负荷配置在4200kw以上，显然是不合理的，是不节能的。
2.2 能量浪费的几个问题
2.2.1 凝结水问题
原有的系统并没有对凝结水进行回收，这是造成能量浪费的主要原因之一。凝结水是蒸汽凝结而成，水质应是极纯的，但难免出现设备，管道的腐蚀而溶入金属腐蚀物或设备不严密处有生水或其它溶液进入凝结水，有些企业因为缺乏完善的凝结水质分析与处理设备，对被污染的或有可能被污染的凝结水一般不进行回收，造成热损失和热媒损失。
目前国内蒸汽热力系统的能源利用效率很低，仅为国际先进水平的一半左右，由此浪费掉的燃料资源相当于全年蒸汽供热系统总能耗的1/4。此外，蒸汽供热系统中有半数以上的凝结水没有经过完全回收和充分利用。作为优质的软化水和含高热量的热水，凝结水具有极高的经济价值和广泛的应用价值，加之高压凝结水压降后产生的二次蒸汽使其被利用的潜能更大。目前凝结水的利用方式主要有：锅炉蒸汽凝结水是含高热的纯净软化水，如将纯净凝结水直接输送到锅炉，不仅节约了补给水量和水处理的费用，而且减少了加热补给水所需的燃料费用。这种方式利用凝结水是最有效的途径之一。但实际工作中常常由于各种原因很难保证凝结水的品质，此时回收利用过程中必须根据需要作必要的处理能够产生显著的经济效益和环保效益，具体表现在：首先，减少了凝结水的闪蒸损失，将凝结水和闪蒸汽所含的热量完全回收，节约锅炉燃料l2％～28％；其次，水的循环利用率高达90％以上，有效地节约了水资源；同时凝结水与空气的隔离状态使得这部分锅炉给水能够保持优良的品质，相应地降低了对锅炉给水进行软化及除氧的处理费用；另外，避免了腐蚀性气体重新溶入锅炉给水，极大地缓解了对热设备及管网的腐蚀，延长了设备和管网的使用寿命；而且，大幅减少了锅炉的排污率，在一定程度上增加了锅炉单位时间的产汽量，提高了锅炉出力。凝结水的回收利用，还减少了由于跑、冒、滴、漏而产生的热污染和噪声，烟尘飞灰、SO 、CO 、NO等有害气体排放总量以及炉渣排放量可减少l5％～30％，改善了工人的工作环境，减小对环境造成的污染和破坏。[1]
以每小时回收凝结水1T为例进行技术经济分析：[2]
① 节约燃料费(以燃煤为例发热量5000kcal/kg，每kg煤价为0.66元，燃煤锅炉效率为76％)。设定水进入温度10℃，回收凝结水温度80℃，其温差为70℃，则lT凝结水可节约热能为70℃×lO00kg×1kcal/kg= 7000kcal。则耗煤量7000kcal(5000kcal／kg×76％)=18.42kg，每吨标准煤价格0.66元，每回收凝结水lT可节约燃料(煤)费l8.42kg×0.66元／kg=12.16元。
② 节约水费：节约水量为1×1.03=1.03T／h，其中1.03为制取lT软化水尚须消耗0.03T(3％)反冲洗等消耗的水量。水费为2.6元/T(武汉市)，每回收凝结水lT可节约2.6×1.03=2.68元。
③ 节约水软化处理时消耗药物费：设定水硬度2mmol/L，盐耗为lOOg/mol，则lT水的盐耗为200g，而每千克盐价为0.52元，则每1T软化水耗盐费为0.2×0.52元=0.104元。对树脂损耗、耗电、维修及操作人员费用等均未计入。在不考虑环境污染费及其它未见费用，则回收凝结水lT可节约经济费用约为12.16元+2.58元+0.104元=14.844元。
为方便估算凝结水回收的经济效益可按下式计算：
P=G×η×T×S(元/年) （2-1）
式中：P-年回收凝结水可节约的资金；
G-每小时蒸汽耗量(T/h)；
η-凝结水回收率(％)；
T-蒸汽锅炉每年运行时间(h/a)；
S-每回收lT凝结水的经济价值(元/T)。
对于本工程的原有系统，冬季每小时用蒸汽6T，设定凝结水回收率70％，一天运转9小时，非采暖季节每小时用蒸汽2T，一天运转9小时。则全年可节约经济费用约为6×0.7×9×120×14.844+2×0.7×9×240×14.844=93532元。
可见，凝结水回收不但节能、环保，且对节约水资源等都有很大的经济效益，原有系统没有对凝结水进行回收，造成了较大的能源浪费。
2.2.2 换热器问题
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。单板传热面积从0.04～1.3m2，板式换热器的波纹形式为水平平直波纹、人字形波纹、球形波纹、斜波纹、竖直波纹形式。产品的规格较多，板式换热器与管壳式换热器相比较，具有如下的特点：
1)在完成同一换热任务时，板式换热器的换热面积仅为管壳式换热器换热面积的1/3～1/4。这是因为：
① 板式换热器有较高的传热系数，一般认为是管壳式换热器的3～5倍；
② 水在板式换热器内的流动，总体上是并流或逆流的流动方式，其对数平均温差大。
2)在完成同一换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1/5～1/10。其原因是，板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式换热器的2～5倍；
3)在完成同一换热任务时，板式换热器的重量轻，一般来说仅为管壳式换热器的1/5左右。其原因是：
① 在完成同一换热任务时，板式换热器听需的换热面积比管壳式换热器要小。
② 板片厚度仅为0.6～0.8mm，管壳式强热器的换热管厚度为2.0～2.5mm。
③ 管壳式换热器的壳体比板式换热器的柜架重很多；
4) 板式换热器的拆卸清洗方便，不需要像管壳式换热器那样要预留抽出管的检修场地；
5) 板式换热器的板间通道很窄，一般为3～5mm，因此不宜于进行易堵塞通道的介质的换热，或应考虑在入口装设过滤器；
6) 由于板式换热器的密封周边长，故泄露的可能性加大。
而原有系统的“蒸汽-水”换热都采用的是壳管式换热器，它不论在换热系数、换热对数平均温差、换热面积等方面都劣于板式换热器，因此采用板式换热器比壳管式换热器要节能一些。
2.2.3 锅炉效率
原有燃煤蒸汽锅炉消耗的煤量可以参照样本得到相同蒸发量的锅炉所需要消耗的煤量。表1和表2分别是样本中燃煤蒸汽锅炉和燃气热水锅炉的部分参数。
一般而言，燃煤蒸汽锅炉的热效率是比燃气热水锅炉低的。燃煤锅炉的低热效率造成了较大的能源浪费。主要表现在,锅炉的换热效率、排烟温度、燃烧热值等方面。
表1 燃煤蒸汽锅炉的部分参数
|
额定蒸发量
|
额定压力
（MPa）
|
饱和蒸汽温度
（℃）
|
热效率(%)
|
适用
煤种
|
耗煤量（kg/h）
|
燃料低热值kcal/kg
|
排烟温度（℃）
|
|
2t/h
|
1/1.3
|
184/193
|
76
|
AⅡ
|
318
|
5000
|
170
|
|
4t/h
|
1.3
|
193
|
75
|
AⅡ
|
730
|
5000
|
170
|
表2 燃气热水锅炉的部分参数
|
热功率MW
|
工作压力
（MPa）
|
供回水温度
（℃）
|
热效率(%)
|
采用
燃料
|
耗气量（Nm3/h）
|
燃料低热值kcal/Nm3
|
耗功率
KW
|
|
0.7
|
常压
|
90/65
|
91
|
天然气
|
77.6
|
8500
|
1.1
|
|
2.1
|
常压
|
90/65
|
92
|
天然气
|
230.2
|
8500
|
4
|
2.2.3 输送热损
在同样保温材料与保温层厚度的情形下，蒸汽管输送热损要比热水管输送的热损要大。
3 减排问题
3.1 两种锅炉排污量比较
每吨标准煤的散发的有害气体：二氧化硫1.4kg，粉尘11kg，氮氧化物9kg，烷烃类0.5kg，二氧化碳2.4吨。表3列出对于燃煤时有害气体的散发量。
表3 燃煤锅炉有害物的散发量
|
二氧化硫（kg/h）
|
粉尘（kg/h）
|
氮氧化物（kg/h）
|
烷烃类（kg/h）
|
二氧化碳（kg/h）
|
|
|
2t/h
|
0.4452
|
3.498
|
2.862
|
0.159
|
763.2
|
|
4t/h
|
1.022
|
8.03
|
6.57
|
0.365
|
1752
|
|
合计
|
1.4672
|
11.528
|
9.432
|
0.524
|
2515.2
|
而城市天然气的主要成分是甲烷，其燃烧的产生物主要为二氧化碳和水蒸气，其完全燃烧的化学反应方程式为：CH4+2O2→CO2+2H2O。所以两台燃气锅炉的二氧化碳散发量为307.8Nm3/h，按照22.4L/mol换算，二氧化碳的单位时间质量散发量为604.61kg/h。两种燃料相比较可以明显知道，天然气燃烧产物中有害物的量大大的少于燃煤时候的产物，这对城市的环保工作是起到很积极的作用的。
在燃煤烟气中，不同形态的汞将排放到大气中，对人类健康造成直接或潜在的危害。全球汞的质量平衡模型结果显示，大气中的汞含量中有34％来源于煤的燃烧[3]，是最大的人为大气汞释放源。
3.2 排放浓度的计算
原有的系统采用两台多管旋风除尘器分别对两台燃煤锅炉的尾气进行处理。多管旋风除尘器的除尘效率按照η=91%计算，那么通过计算可以得到排放到空气中的粉尘的量可详见表4。年减少粉尘的排放量约为3吨左右。
表4 尾气的排放浓度
|
除尘前粉尘的量（kg/h）
|
除尘后粉尘的量（kg/h）
|
|
|
2t/h
|
3.498
|
0.315
|
|
4t/h
|
8.03
|
0.723
|
|
合计
|
11.528
|
1.038
|
3.3 关于煤场与灰场
燃煤锅炉要设置煤场和灰场，大量的固体煤和灰，这些都要堆放、运输和做其他用，也会产生二次尘扬，污染环境。而改成燃气后就不存在这些问题了。
4 噪声问题
噪声对人体健康的损害最主要是对听觉系统的影响，即听力损伤[5]，为特异性损害。一般认为85dB以下噪声对听力不会造成损害。
燃煤蒸汽锅炉系统主要组成部分为：锅炉本体、省煤器、多管旋风除尘器、鼓风机、蒸汽泵、管网等组成。其中噪音源主要有锅炉本体、除尘器、风机和水泵。燃气热水锅炉系统主要由整装锅炉、水泵、管网组成。噪音主要由锅炉的燃烧器、水泵产生。在此仅对水泵、排烟除尘系统及风机的噪声进行比较。
3.2.1 离心风机的噪声[4]
一般是由厂家提供，当缺少实际数据时候可以按照下式进行估算：
Lw=Lwc+10lgL+20lgH-20 (3-1)
式中：Lwc—比声功率级，dB;L—风机的风量，m3/h；H—风机的全压，Pa。
当未知Lwc时可按照下式估算，与实测误差在±4dB内。
Lw=5+10lgL+201gH (3-2)
当已知风机的功率和风压时，
Lw=67+10lgN+101gH (3-3)
3.2.2 水泵的噪声[4]
取决于所配电机的噪声。
一般小型电机（100kw以下）
Lwa=19+20lgN+13.31gn （3-4）
大中型的电机（100kw以上）
Lwa=14+20lgN+13.31gn （3-5）
式中：N—电机的功率，kw；n—电机的转速，rpm。
表5 部分主要设备噪声比较
|
原燃煤锅炉
|
新燃气锅炉
|
|
|
锅炉软水泵（dB）
|
69.59
|
—
|
|
2T/h锅炉引风机（dB）
|
97.40
|
—
|
|
4T/h锅炉引风机（dB）
|
99.80
|
|
|
2T/h锅炉鼓风机（dB）
|
90.00
|
—
|
|
4T/h锅炉鼓风机（dB）
|
94.00
|
—
|
|
0.7MW锅炉热水泵（dB）
|
—
|
79.86
|
|
2.1MW锅炉热水泵（dB）
|
—
|
86.30
|
|
0.7MW锅炉排烟（dB）
|
—
|
80.21
|
|
2.1MW锅炉排烟（dB）
|
—
|
83.04
|
按照公式估算后的设备噪声级列于表5中。由表5可见，按照噪声的叠加原理，改造后的系统在一定程度上降低了噪声的分贝数。
5 结语
通过锅炉“煤改气”工程，针对有关节能与减排地问题研究发现，“煤改气”工程可以提高热效率，不需要很高热质的蒸汽及产生很高的排气烟温；没有凝结水的回收和浪费问题；减少粉尘和其他有害物的排放；也没有煤场、灰场的二次尘扬与二次搬运污染问题；系统改造后的噪音也降低了很多。
在设计时，不要把负荷搞得太大，使得设备选型过大，造成一次性投资和运行费用都大。其次是要选先进的效率高的设备，如真空燃气热水锅炉、板式换热器、高效节能水泵等。同时配置自动控制，让系统在全年负荷变化时能很好地调节，达到节能运行的目的。
参考文献
[1]李晶，周艳.蒸汽凝结水的回收与利用节能技术【J】.2007,9(29)
[2]陈曦丽，解清超.凝结水回收的节能效益应用【J】.能源技术.2007,1
[3] Schroeder W H，Munthe J，Lindqvist O．Cycling of mercury between water，air and soil compartments of the environment【J】.Water Air SOil Pollut,1989 (3/4)．
[4] 全国民用建筑工程设计技术措施—暖通与动力【M】.北京：中国计划出版社.2004
[5] 梁贵生．噪声与健康【J】．护理研究,2004,18(9)：1510—1511
[6] 奚士光等.锅炉及锅炉房设备（第三版）【M】.北京：中国建筑工业出版社.