重慶市主城區(qū)煤改氣工程的思考

重慶市主城區(qū)煤改氣工程的思考

重慶市有不同程度的污染，尤其是在主要城市地區(qū)。遍地開花的中小鍋爐及餐飲爐灶燃煤污染是造成主城區(qū)空氣嚴(yán)重污染的主要污染源之一。從設(shè)備來看,茶水爐和商業(yè)大灶等設(shè)施是重慶市主城區(qū)的SO2和煙塵的主要來源。因此,對(duì)主城區(qū)10t/h以下(含10t/h)燃煤鍋爐和茶水爐限期實(shí)施煤改氣工程,切實(shí)改善了重慶市主城區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量,保護(hù)了人民群眾的身體健康,提高了市民生活質(zhì)量,為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)持續(xù)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。1煤炭改造和天然氣目標(biāo)1.1燃?xì)忮仩t和煤調(diào)濕風(fēng)壓重慶市主城區(qū)10t/h以下(含10t/h)工程鍋爐和窯爐每年耗煤380萬t,排SO220多萬t,占總排放量的82%;茶水爐每年耗煤19.7萬t,排SO2約1.3萬t,占總排放量的4.8%。如此多的污染物的排放,使重慶市大氣環(huán)境迅速惡化,因而必須對(duì)這些產(chǎn)污大戶進(jìn)行限期改造。把這些燃煤鍋爐改為燃天然氣,是因?yàn)樘烊粴馐且环N比較清潔的燃料,它的灰份、含硫量和含氮量比煤和油燃料要低得多,與其它燃料相比,燃燒形成的NOx少,并且對(duì)于高溫生成的NOx量的抑制,也比其它燃料容易實(shí)現(xiàn)。氣體燃料灰份極少,煙氣中只存在空氣中帶入的極微量的灰塵或由于空氣配置不當(dāng)而產(chǎn)生的部分碳黑,沒有飛灰磨損的限制,因此可以適當(dāng)提高煙氣流速,以增大傳熱系數(shù)而又不增加太大的煙氣流動(dòng)阻力。受熱面的積灰和污染也比燃煤和燃油時(shí)輕微得多。燃?xì)鈺r(shí)對(duì)流受熱面的熱有效利用系數(shù)比燃油時(shí)增加10%,比燃煤時(shí)增加20%。燃?xì)忮仩t的爐膛熱強(qiáng)度也比燃煤燃油鍋爐高。不需配置吹灰器、出渣設(shè)備、除塵器,不需要渣場或灰池,占用場地小,廠房小。因此燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)緊湊,金屬、耐火保溫材料和建設(shè)投資大大降低,而且運(yùn)行調(diào)節(jié)自動(dòng)化程度高。由于氣體燃料脫硫技術(shù)的進(jìn)步,通常在燃?xì)馑屯郧?都經(jīng)過脫硫、除塵、脫水等處理措施,在燃燒時(shí)SOx的生成大為減少。天然氣C/H約3~4,油C/H約5~7,煤C/H約12~18,因此,燃燒時(shí)在產(chǎn)生同樣熱量條件下天然氣產(chǎn)生的CO2量要小得多。另外,燃燒天然氣時(shí)可以適應(yīng)低剩氧燃燒,其過?？諝庀禂?shù)可以比燃煤時(shí)小很多,α只要稍大于1,只要燃燒機(jī)和噴嘴選擇合適,能夠迅速適應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)的特性。1.2排放濃度煤改氣鍋爐排放的大氣污染物執(zhí)行《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2001)Ⅱ時(shí)段標(biāo)準(zhǔn),即煙塵排放濃度為200mg/m3,SO2排放濃度為900mg/m3。2鍋爐改造情況,結(jié)合工程鍋爐、油茶爐煤改氣實(shí)施的范圍包括重慶市渝中區(qū)、沙坪壩區(qū)、江北區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、大渡口區(qū);北碚區(qū)朝陽、天生街道及童家溪鎮(zhèn);渝北區(qū)兩路鎮(zhèn)、龍溪鎮(zhèn)、人和鎮(zhèn);巴南區(qū)人民政府魚洞鎮(zhèn)、南泉鎮(zhèn)、李家沱街道、北部新區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。該項(xiàng)目的規(guī)模為:主城區(qū)范圍內(nèi)的1153臺(tái)10t/h以下(含10t/h)燃煤鍋爐、1500臺(tái)燃煤茶水爐。要求這些燃煤鍋爐和茶水爐用天然氣、電、油等清潔能源替代,或關(guān)停燃煤鍋爐。須改造的鍋爐的具體分布情況為:2.1工程鍋爐重慶市主城區(qū)有工程鍋爐和窯爐1400多臺(tái),是10t/h以下(含10t/h)工業(yè)鍋爐改造的重點(diǎn)。有關(guān)工程鍋爐的具體情況見表1。由表1知,工程鍋爐主要集中在沙坪壩、渝中區(qū)、南岸區(qū)、江北區(qū),并且超標(biāo)嚴(yán)重(87.6%)。九龍坡超標(biāo)率竟達(dá)100%,最低的市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)也達(dá)43.5%。以上各區(qū)工程鍋爐多,超標(biāo)率高,是鍋爐改造的重點(diǎn)。另外,就所在單位類型而言,工程鍋爐主要分布在企業(yè)(615臺(tái))、學(xué)校(103臺(tái))、商業(yè)(87臺(tái))、醫(yī)院(68臺(tái))。但是,我市企業(yè)效益普遍較差,因此,企業(yè)鍋爐改造難度較大,是鍋爐改造的難點(diǎn)。學(xué)校的鍋爐容量一般較小,并且學(xué)校的效益較好,且學(xué)校文化層次較高,因此推行鍋爐改造的阻力較小。2.2茶水爐目前重慶市主城區(qū)有茶水爐1500多臺(tái)。茶水爐較分散,由于容量較小,實(shí)施煤改氣的難度較小。茶水爐改造前情況見表2。由表2知,茶水爐超標(biāo)率(93.5%)比工程鍋爐(87.6%)還嚴(yán)重。渝中區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、巴南區(qū)均高達(dá)100%,市高新區(qū)、北碚區(qū)情況較好。燃?xì)獠杷疇t共18臺(tái),占總數(shù)(619臺(tái))的3%。如果以所在單位類型而言,茶水爐在企業(yè)、學(xué)校、商業(yè)中較多。茶水爐由于容量較小,進(jìn)行鍋爐煤改氣改造節(jié)省的費(fèi)用較少,一般采用購置新燃?xì)?、燃油爐或電爐替換舊爐的方式。3煤炭技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析3.1種燃燒設(shè)備的特性煤和天然氣2種燃料,由于物理形態(tài)和燃燒特性有很大差別,所以鍋爐所用的燃燒設(shè)備差別很大。由燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t,必須將層燃設(shè)備改為空間燃燒設(shè)備。這2種燃燒設(shè)備差別很大,因而造成了爐膛形狀迥然不同。其次,這兩種燃料和燃燒產(chǎn)物——高溫?zé)煔鈱?duì)爐管的傳熱特性也有明顯差別,因此某些結(jié)構(gòu)的鍋爐,受熱面也要作較多的增減或調(diào)整。其三,氣體燃料在一定條件下有爆炸的可能,即可能引起爐內(nèi)爆炸。所以對(duì)鍋爐的控制方式和結(jié)構(gòu)布置有特殊的防爆要求。由于以上3方面的原因,現(xiàn)存的燃煤鍋爐改燒天然氣,必須對(duì)爐膛形狀、燃燒設(shè)備、受熱面布置、防爆措施,控制系統(tǒng)作一系列的改造。1加強(qiáng)爐墻道建設(shè)以及對(duì)爐墻的整理對(duì)鍋爐進(jìn)行較核性熱力計(jì)算,對(duì)鍋爐的水循環(huán)和煙風(fēng)阻力進(jìn)行較核,并采取必要的防腐措施;加強(qiáng)爐墻煙道,特別是爐膛部位,加強(qiáng)后的爐墻應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和密封性,以適合于天然氣燃燒的要求;設(shè)置重力式防爆門,防爆的面積不得小于0.2m2。2點(diǎn)火及鍋爐燃燒系統(tǒng)包括燃?xì)?、供?yīng)空氣、供應(yīng)主燃燒器、點(diǎn)火及鍋爐和排煙系統(tǒng)。改造過程中主要拆除其加煤系統(tǒng)和排灰設(shè)施,選擇合適的燃燒器改造爐膛安裝燃燒器,配置燃?xì)夂涂諝庀到y(tǒng)。3設(shè)置燃料氣貯備和壓實(shí)系統(tǒng)改造鍋爐房,達(dá)到燃?xì)忮仩t房的防火防爆等級(jí)要求。根據(jù)供氣網(wǎng)情況決定是否設(shè)置燃料氣貯備和調(diào)壓系統(tǒng),燃?xì)夤艿肋M(jìn)鍋爐房前經(jīng)調(diào)壓站將管道內(nèi)燃?xì)鈮毫档?kg/cm以下,然后由調(diào)壓器將燃燒器進(jìn)氣壓力調(diào)到150mmH2O以下,改善前鍋爐房的通風(fēng)換氣條件。4表及燃燒控制系統(tǒng)不考慮天然氣調(diào)壓站參數(shù)的測量,保留原有鍋爐的一部分檢測控制儀表及燃燒器配套檢測控制系統(tǒng),改造后的鍋爐檢測、報(bào)警、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)有足夠的靈敏度和快速反應(yīng)能力,以保證燃燒器從點(diǎn)火到正常燃燒這一熱功率急劇變化階段當(dāng)中爐膛負(fù)壓能夠維持在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。5應(yīng)該改變鍋爐的其他部分主要包括拆除除塵器并改造煙道,引風(fēng)機(jī)加裝電動(dòng)執(zhí)行器,鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)不做改動(dòng)等。6燃?xì)忮仩t自動(dòng)點(diǎn)火和火焰保護(hù)的控制技術(shù)燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t的關(guān)鍵難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)燃?xì)忮仩t的安全控制,送引風(fēng)控制、蒸汽壓力控制、水位控制的原理和技術(shù)都比較成熟,重要的是解決自動(dòng)點(diǎn)火、熄火保護(hù)控制問題。3.2建立高效運(yùn)行效率現(xiàn)在市場上的進(jìn)口或國產(chǎn)10t/h以下新燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)均為煙氣管三回程結(jié)構(gòu),不帶省煤器。從產(chǎn)品樣本提供的數(shù)據(jù)來看,正常工況下排煙溫度均在200~250℃,效率為85%~87%。原爐進(jìn)行燃?xì)飧脑?由于原爐一般都有省煤器,鍋爐爐體和受熱面相對(duì)較大,因此排煙溫度一般均能保證在200℃以下,采用微正壓燃燒技術(shù)后,改造鍋爐效率均可達(dá)到88%~91%,即比更新燃?xì)忮仩t提高2個(gè)百分點(diǎn),因而可降低用戶的運(yùn)行成本。據(jù)對(duì)6t/h改造鍋爐的測算,鍋爐熱效率由70%提高到85%,比鍋爐行業(yè)推薦指標(biāo)效率82%還高3%,每小時(shí)可節(jié)氣15.6m3,年運(yùn)行按3000h計(jì),每年節(jié)氣46800m3,若取氣價(jià)0.76元/m3,則每年節(jié)省人民幣3.6萬元;若取氣價(jià)為1.25元/m3,則每年節(jié)省人民幣約5.85萬元;若取氣價(jià)為1.55元/m3,則每年節(jié)省人民幣約7.25萬元。從這點(diǎn)來看,運(yùn)行效率非?？捎^。鍋爐改造前后比較見表3(以6t/h鍋爐為例)。4煤氣表環(huán)境效應(yīng)分析4.1燃煤鍋爐減少通過實(shí)施煤改氣工程(2001年6月30日前完成),使主城區(qū)1153臺(tái)10t/h及以下燃煤鍋爐和1500臺(tái)燃煤茶水爐已經(jīng)全部停止燃煤,每年減少使用燃煤136萬t,由此每年可減少SO2排放7.6萬t,減少煙塵排放3.5萬t,分別比1999年減少27.8%和18.5%,同時(shí)每年還減少煤渣34萬t。4.2煤氣表前后的氣質(zhì)量變化4.2.1tsp五年nox年重慶能源以高硫高灰煤為主,燃煤產(chǎn)生的SO2是主城區(qū)的主要污染物。煤改氣前,主城區(qū)7個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)首要污染物比例統(tǒng)計(jì),SO2占85.71%。煤改氣前,主城區(qū)SO2年日均濃度為0.192mg/m3,日均值超標(biāo)率為55.9%,日均值范圍在0.001~1.711mg/m3,最大日均值出現(xiàn)在1996年(超標(biāo)10.41倍)。NOx年日均濃度為0.061mg/m3,日均值超標(biāo)率為14.4%,日均值范圍在0.003~0.368mg/m3,最大日均值出現(xiàn)在2000年(超標(biāo)2.68倍)。TSP五年平均濃度為0.218mg/m3,日均值超標(biāo)率為21.8%,日均值范圍在0.030~0.891mg/m3,最大日均值出現(xiàn)在1997年(超標(biāo)1.97倍)。煤改氣前主城區(qū)具體空氣環(huán)境質(zhì)量見表4。SO2、NOx和TSP的年平均變化分別見圖1、圖2和圖3?？諝饩C合污染指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括SO2、NOx、TSP和降塵。由圖4可以看出,主城區(qū)空氣綜合污染指數(shù)明顯下降,從1995年到2000年,該指數(shù)下降了39.7%,說明主城區(qū)的空氣環(huán)境質(zhì)量在這6年間迅速惡化。由于SO2、NOx等污染物質(zhì)的排放,使得主城區(qū)降水的pH年均值一直維持在較低數(shù)值內(nèi),而酸雨也比較頻繁。由圖5可知,煤改氣前的6年間,主城區(qū)的降水的PH年均值在4.5到5.0之間波動(dòng),酸雨頻率在前5年雖有下降的趨勢,但是,到2000年,又有了增長的趨勢。4.2.2環(huán)境把握能力,so2季打增了環(huán)境把握煤改氣主要從源頭消除SO2的來源。2000年,降低了SO2、NOx、煙塵等污染物排放。2001年二季度主城區(qū)空氣中SO2季平均值為0.099mg/m3,而2000年同期則為0.144mg/m3,同比下降了29.3%;第三季度SO2季平均值2001年為0.051mg/m3,2000年為0.109mg/m3,1999年為0.137mg/m3,2001年比1999年同比下降了62.8%,比2000年同比下降了53.2%,環(huán)境空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。2001年重慶市SO2和NOx的年均濃度與2000年相比分別下降了14%和13.6%。4.2.3年之前的轉(zhuǎn)染措施“十五”期間,重慶市將實(shí)施以降低SO2為主的清潔能源行動(dòng)工程和“五管齊下”凈空措施,大幅度降低原煤消費(fèi)量,關(guān)閉主城區(qū)范圍內(nèi)全部采(碎)石場567家和窯徑3m及以下的立窯水泥廠9家(15條生產(chǎn)線),11家大氣污染擾民重點(diǎn)企業(yè)在2005年以前逐步關(guān)停和改造,綠化地面和行道182萬m2。這些工程和措施實(shí)施后,將大大改善主城區(qū)空氣質(zhì)量,使大氣中SO2由2000年的0.156mg/m3降到2005年的0.06mg/m3,逐步穩(wěn)定在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。其變化趨勢見圖6。雖然煤改