各類燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代方案的特點及應用分析

上海市節能協會 藍毓俊

為應對氣候變化挑戰和保障能源供應安全，節能低碳發展已是當前及未來相當長時間世界各國的主流發展方向。“十二五”期間，上海推進節能減排和低碳發展既面臨著巨大的壓力和挑戰，也蘊含著重要機遇，因而必須進一步加大節能低碳的工作力度，實現更大的突破創新，以完成國家下達的節能降碳目標。

根據2012年5月26日市政府辦公廳“關于轉發市發展改革委等六部門制定的《上海市燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代工作方案和專項資金扶持辦法》的通知（滬府辦發【2012】36號）及2013年11月25日轉發的《關于進一步加大力度推進燃煤（重油）鍋爐和窯爐清潔能源替代工作的實施意見》的通知（滬府辦發【2013】66號）等文件精神要求，上海市節能協會受市發展改革委能源處的委托，對本市燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代工作、替代設備的技術、經濟路線和節能減排效果進行評估，評估的主要內容包括燃氣鍋爐、電鍋爐以及其他清潔能源供熱設備的特點、適用范圍、運行維護、能效與節能減排、設備投入與運行成本，已實施替代的典型項目運行情況等。

1 燃煤（重油）鍋爐現狀

1.1 本市燃煤（重油）鍋爐的基本情況

1）在用鍋爐數量概況

經項目組多次核對，初步認定2013年初，本市的燃煤（重油）鍋爐及窯爐為2898臺，其中分散的燃煤（重油）鍋爐為2544臺，總容量約為9515蒸噸。

2）按鍋爐數量及容量（蒸噸）的分類分析

本市2544臺燃煤（重油）鍋爐按臺數、（容量）蒸噸分類情況如表1所示，按臺數及容量（蒸噸）的比重分類情況如表2所示。

數據反映本市現役燃煤（重油）鍋爐，其中2蒸噸以下的鍋爐臺數較多而蒸噸總容量較低（1078臺，占總蒸噸的6.02%）；6蒸噸及以上的鍋爐臺數較少而蒸噸總容量較高（374臺，占總蒸噸的62.13%）的基本特征。

表1 上海燃煤（重油）鍋爐按臺數及容量（蒸噸）分類

表2 上海燃煤（重油）鍋爐總體按臺數及容量（蒸噸）比重分類

1.2 燃煤（重油）鍋爐的節能減排空間

通過對燃煤（重油）鍋爐使用清潔能源替代的節能減排效果分析測算，如全市完成2898臺燃煤（重油）鍋爐和窯爐清潔能源替代工作，預計到2015年底全市可減少分散燃煤285萬噸、重油10萬噸、木材30萬噸、焦炭6萬噸，并取得良好的減排效果。

2 燃氣鍋爐的特點及替代工作情況的評估

2.1 燃氣鍋爐概況

燃氣鍋爐就是以燃氣作為燃料的鍋爐，是由“鍋”（即鍋爐本體水壓部分）、“爐”（即燃燒設備部分）、附件儀表及附屬設備構成的一個完整體。其中燃燒器是燃氣鍋爐的關鍵部件。

為改善本市能源結構，控制燃煤污染，燃氣集團自2008年開始根據上海市技監局的鍋爐清單對鍋爐逐一排摸，不斷動態更新數據，【2012】36號文出臺后，積極配合相關區縣政府實施清潔能源替代工作，表3為最近三年燃氣鍋爐的發展情況。

表3 新增和替代鍋爐通氣項目

2.2 燃氣鍋爐設備特點

燃氣鍋爐具有良好的燃燒性，其特點為起火迅速、鍋爐升溫快、調節靈活、燃燒效率高、環境污染小。其主要優點是：

1）鍋爐熱效率較高

燃氣鍋爐的爐膛容積熱強度較高，由于煙氣污染小，對流管束承受的腐蝕小，傳熱效果好，排煙溫度低，熱效率明顯提高。燃氣鍋爐熱效率能達到90-95%，冷凝式燃氣鍋爐由于排煙溫度較低，熱效率更高。同時，燃氣鍋爐啟動快、升溫速度高，能減少預熱過程的損耗；采用自動化的燃燒控制系統，燃料燃燒充分，更加節能。

2）環保性能好

燃氣是一種清潔燃料，不含灰分，燃燒后產生的煙氣中無煙塵、二氧化硫極低、其含氮量比煤和油燃料低很多，可大大減少對環境的污染，環保性能好。

3）占地面積小

燃氣鍋爐不需要上煤機、除渣機、除塵器、爐排、燃料儲存等附屬設備，使系統大為簡化，占地面積縮小，減少鍋爐房面積，又能節約投資。并可減小勞動強度，改善勞動條件，降低運行成本，節約運輸費用、場地和勞動力。

4）安全可靠性高

燃氣鍋爐的燃燒器控制系統與鍋爐控制系統有機結合在一起，具有燃燒程控自動控制功能，可根據水溫調控，操作簡便，自動化程度高。燃氣內雜質較少，鍋爐不易發生高低溫受熱面腐蝕，安全方便、運行穩定可靠。

5）改造方便

由于燃氣鍋爐有“鍋”有“爐”，使用燃氣鍋爐替代燃煤（重油）鍋爐時，可結合設備具體情況充分利用原有的鍋爐設備及設施，僅對爐膛部分進行改造，即可實現改造目的，又可節省投資費用。

2.3 燃氣鍋爐適用范圍

燃氣鍋爐包括燃氣開水鍋爐、燃氣熱水鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐等，可作為提供熱水、蒸汽的生產設備。其中燃氣熱水鍋爐包括燃氣采暖鍋爐和燃氣洗浴鍋爐，廣泛適用于工廠、醫院、學校、賓館、酒店、娛樂場所、居民住宅等需要蒸汽、采暖、生活熱水、洗浴等場所。某些生產企業也需要燃氣鍋爐產生的蒸汽進行產品加工、產品消毒、半成品烘干、中間品退火等。

2.4 燃氣鍋爐運行、能效與節能減排

1）鍋爐運行

燃氣鍋爐系統簡單，附屬設備少，自動化程度較高，維護成本也較低。一般鍋爐的維護保養成本大約5-6元/千瓦·年。

2）鍋爐熱效率（見表4）

3）排放限值

煤從運輸、儲存到燃燒后煙氣排放對大氣造成一定程度的污染，燃煤鍋爐燃燒后產生的煙氣需要脫硫除塵后才能排放。使用燃氣鍋爐可免除煤等燃料運輸過程中對環境造成的污染，又可大大減輕燃料燃燒排放煙氣對環境的污染，環保性能好。

工業鍋爐（含生活鍋爐）煙塵、二氧化硫、氮氧化物最高允許限值，如表5所示：

3 電鍋爐的特點及替代工作情況的評估

3.1 電鍋爐的簡介

1）概述

電鍋爐是以電力為能源，利用電阻發熱或電磁感應發熱，通過鍋爐的換熱部位把熱媒水或有機熱載體（導熱油）加熱到一定參數(溫度、壓力)時，向外輸出具有額定功率的一種熱能機械設備。

2）電鍋爐分類

● 按結構形式：可分為臥式和立式

● 按輸出介質：熱水、飽和蒸汽、過熱蒸汽、導熱油等

● 按工作壓力：承壓鍋爐、常壓熱水爐、真空機組

● 按系統：單機設備，集成機組

● 按加熱型式：直接加熱，間接加熱

表4 鍋爐熱效率、運行管理等方面的比較

● 按供熱方式：蓄熱供熱方式、直供熱水方式、直供蒸汽方式

表5 排放濃度和煙氣黑度限值

3.2 電鍋爐的特點

1）清潔環保

電鍋爐在運行時，能真正實現零排放、無污染、無廢氣、無廢液、無廢渣、低噪聲、無明火，能滿足消防要求等。

雖然電鍋爐在運行時，能真正實現零排放、無廢氣、無廢液、無廢渣，但由于電鍋爐使用時要用電，而上海發電要用煤，大量使用電鍋爐是否會造成電廠污染增加，經調研和分析認為：

（1）上海電網中清潔能源的比例逐年增高

表6 某工廠燃煤鍋爐與電鍋爐的排放量對比表

目前上海市外來電的比例逐年增高，所占比例已達35%以上，其中主要是長江流域的水電及部分核電等清潔能源；

（2）上海的各大發電企業的發電機組已實施了“上大壓下”的結構調整，不僅能效高，并都已集中采取了脫硫、除塵、脫硝等嚴格的環保達標處理措施，與分散的小型燃煤（重油）鍋爐在排放上有本質的不同，據某些課題研究報告上海發電燃煤機組對空氣污染的貢獻率不高；

（3）為今后開展風能、太陽能等可再生能源的利用做好準備，打好基礎。

2）經濟性較高

（1）電鍋爐將電加熱爐體與電氣控制集成一體，現場安裝工作量少，接入方便。電鍋爐使用壽命長，可達25年左右；

（2）根據用戶的需求，電鍋爐如果能夠采用蓄熱系統，即指對企業、單位白天所需熱量的全部或部分，在夜間（電力低谷時段）儲備供白天使用，由于目前蓄熱系統的技術有很大程度的改進，白天的熱損失只有百分之幾，即可充分利用夜間谷電蓄熱，從而大大降低運行成本，以夜間低谷電的電價購買到白天同樣的電量，能節約開支；

（3）從系統節能的角度看，對電網的移峰填谷非常有利。可減輕電力高峰負荷壓力，提高輸變電設備處于高能效時段負荷率運行的比例，降低設備容量，減少基建投資，能達到降低電網線損、節約用電的目的；

（4）有利于電廠節能。同樣一度電，用戶在高峰時段使用與低谷時段使用，電廠發電的供電煤耗，和電網輸送時的線損是不一樣的，如30萬k W的發電機在低谷時段降低負荷情況下運行，會造成供電煤耗增加約15%，因此移峰填谷有利于電廠總體經濟效益提高及節能減排的進一步優化；

（5）上海電網建設較成熟，能把電力送到全市各個角落，用戶增容改造施工比較便捷。

3）節約空間

電鍋爐設備占地面積小，布置緊湊合理，原有鍋爐房可改為其它生產用途。

4）運行簡單

運行操作全自動，無需專人值守，并可根據用戶實際使用要求設定多個自動運行時段，控制靈活，管理簡便。

3.3 適用范圍廣

目前，電力供應已覆蓋到全市各個區縣，電力已成為全市企事業單位和社區居民使用最方便、最可靠、最清潔的能源之一，且電鍋爐產品規格多、品種多，可滿足各種用途、各種環境和各種條件下的供熱需要，用戶可根據實際用熱量選擇直接供熱，或蓄熱供熱。適用于賓館、別墅、廠房、辦公樓、政府機關、高等院校、醫院、部隊等各種場所。

3.4 電鍋爐運行經濟性分析

上海市電力公司分別對電鍋爐蓄熱供熱方案、電鍋爐直供熱水方案、電鍋爐直供蒸汽方案、燃氣鍋爐供熱水方案、燃氣鍋爐供蒸汽方案經濟性分析比較。分析中采用全壽命周期成本凈年值NPALCC分析法、電價盈虧平衡分析法、電價敏感性分析法、成本預測分析法，谷電價取0.35元/kWh，日間平均電價按8:00-17:00時間段加權平均取0.865元/kWh，天然氣價取3.8元/立方，通過分析，結論如下：

（1）電鍋爐蓄熱供熱方案運行成本很低，因使用全谷電價，運行費用較低，有較強優勢。

（2）電鍋爐直供熱方案、電蒸汽鍋爐直供蒸汽方案成本較高，較燃氣鍋爐供熱水方案高60%，較燃氣鍋爐供蒸汽方案高55%，因前者使用日間電價，運行費用較高。

（3）根據有關統計數據，占設備總容量近80%的用戶為8:00-17:00時間段用電，該時段平均電價為0.865元/kwh，相對較高，因此電力用戶要采取有效措施，盡可能錯峰用電，充分利用谷電，降低企業能耗成本。

4 其他清潔能源的特點及替代工作情況的評估

4.1 分布式供能

為應對能源與環境、資源以及氣候變化的挑戰，我國政府提出了多元化、清潔化和高效化的能源發展戰略，發展低碳經濟和轉變經濟增長方式已成為我國實現科學發展的必然要求。國務院印發的《“十二五”節能減排綜合性工作方案》，把發展分布式能源列為節能減排的一項重要措施。

1）分布式供能與傳統供能模式的比較

（1）節能減排——節能20%以上，減排溫室氣體40%以上；

（2）一般隨用戶上下班起停，對電網具有調峰作用，能減小電網峰谷差；

（3）可布置在建筑物的地下室和屋頂，有利于節約城市土地資源；

（4）提高用戶的供電可靠性；

（5）夏季能夠協調天然氣和電力的平衡供應，優化能源系統的運行。

2）分布式供能系統的基本特點

分布式供能系統是一種新型的供能方式，其基本特點是：

（1）系統構建的基本原則是“以熱定電、熱電聯供、溫度對口、梯級利用”；

（2）一次能源是天然氣或者其他氣體燃料（煤層氣、沼氣等），并包括可再生能源如風能、太陽能、生物質能等；

（3）產品是復合能源（電能和熱能，包括冷能），實施熱電冷三聯供，使各類能源得到充分利用達到節能減排效果；

（4）核心部分是燃氣原動機及其余熱的一次利用設備（余熱鍋爐、溴化鋰吸收式制冷機組等）；

（5）分布式供能系統必須建設在用戶側，與低壓配電網連接，其生產的電能和熱能（包括冷能）就地消費，不占用高壓電網資源和基本不發生電能輸送損失，大大降低電網的線損，所以其系統能源利用效率達到高于70%以上；

（6）分布式供能系統在有效運行方式下，只能提供用戶基本能量需求，必須得到公用電網提供支持和補給，以及配備輔助調峰鍋爐，才能滿足用戶的全部能量需求。

3）上海發展分布式供能的前景

“十二五”期間，上海天然氣的來源趨于豐富，西氣一線、二線、川氣、東氣和洋山進口LNG等五種氣源供應格局已經形成，天然氣供應有可靠保證。同時，天然氣的高效利用問題更顯突出。因此，對上海而言，對接國家新興能源產業發展戰略和“十二五”節能減排規劃，充分利用低碳能源，發展燃氣分布式供能意義重大，勢在必行。

上海分布式供能發展起步較早，研究較為系統，總體水平在國內處于領先水平。特別是“十一五”以來，市政府高度重視，將發展分布式供能系統作為推進節能減排工作的重要抓手，市發展改革委會同市有關部門建立機構、擬訂政策、制訂規范、推進項目、組織宣傳，制定了專項扶持辦法，為上海市分布式供能的發展提供了重要支持。

2013年上海市人民政府辦公廳關于轉發市發展改革委等五部門制訂的《上海市天然氣分布式供能系統和燃氣空調發展專項扶持辦法》的通知（滬府辦發〔2013〕14號），給予分布式供能系統的發展制定新一輪的優惠扶持政策，有力地促進上海市分布式供能系統的發展。

綜上，當前無論是從低碳經濟發展戰略、低碳能源安全高效利用及對節能環保的支撐，還是從政策法規、技術支持的進步，都比以往推進分布式供能系統環境更優，時機更好。

4）適用范圍

（1）單位有穩定的熱（冷）負荷需求，系統熱效率高于70%以上，分布式供能的用戶必須具有熱負荷比較集中和穩定需求的特點，而且必須和傳統的采暖制冷系統優化匹配才能夠取得最大效益。

（2）年利用小時在2000小時以上，一般適用于二班制三班制單位。

4.2 熱泵

1）熱泵節能技術概述

熱泵產品和技術應用是一項近代節能的新產品和新技術，自1930年起日本等國家就開始了熱泵的研發工作。50年代投入實際應用后，熱泵技術經歷了二次跨越，1971年已生產8.2萬臺，1976年生產了30萬臺，目前西歐，美國、日本、蘇聯、法國、意大利等國均有較大的發展。

我國熱泵節能技術研究發展也很快，特別是近幾年受到了各方面的重視，結合當前的工業基礎和技術力量已研發出較成熟的電動壓縮式等各類熱泵且在節能改造方面得到較為廣泛的應用。

我國低品位的廢熱資源十分豐富，回收目的在于使廢棄的熱量重新得到有效的利用。當排熱側的溫度大于用熱側的溫度時，可用各種熱交換器回收余熱；而當排熱側的溫度小于用熱側的溫度時，可借于熱泵裝置進行回收。

為確保供能的穩定性，通常在采用熱泵節能同時，還配有電鍋爐等備用設備及太陽能（風能）可再生能源的利用，不僅能滿足用戶全年的各種用能負荷變動時的需求，且可進一步提升節能減排的效益。

2）熱泵工作原理

熱泵是一種從低溫熱泵吸取熱能轉換成可以利用的較高品位熱量的裝置。熱泵也可簡單的看成一種逆向熱機。通常制冷機是從高溫熱源中獲取熱量Q L，然后作功W，這時熱量Q L向低溫側排出。而熱泵則不同，它通過輸入功W，從低溫側吸取熱量Q L，然后將熱量Q H排向高溫側。由此可見，熱泵的工作過程恰好是常規制冷機的逆向工作狀態。

圖3 水泵和熱泵工作示意圖

圖4 壓縮式熱泵原理圖

3）熱泵的工作機制

以電動壓縮式熱泵為例，可以認為熱泵的工作機制類似于水泵即可提升低溫水的水溫，如圖3所示。

電動壓縮式熱泵是由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和制冷工質所組成，如圖4所示。其中壓縮機作為驅動部件，裝有馬達或內燃機（氣體透平、燃氣機等）、外燃機等。熱泵以蒸發、冷凝形式進行熱量交換，并依靠一種低沸點的碳氟化合物為熱泵的工質。

4）熱泵的分類

（1）按工作原理分：可分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵和化學熱泵三類；

（2）按熱源分：可分為空氣源、水源、地熱源熱泵三類。

5）熱泵的技術特性

熱泵的技術性能通常用熱泵性能系數COP來評價。

上述公式表明，熱泵的供熱量大于壓縮機所消耗的功。

6）適用范圍

（1）各類空調熱泵；

（2）加工業上主要用于木料干燥、制革、造紙、染織、食品等行業；

（3）化工過程中的濃縮、蒸餾；

（4）賓館、醫院、學校等公共浴室、各類建筑、設備的低溫余熱回收等。

5 清潔能源替代工作技術、經濟路線分析及評價

燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代工作的經濟路線和技術路線如下：

5.1 近幾年來，本市通過對燃煤（重油）鍋爐清潔能源的替代工作，已完成了數百臺的替代工程，包括對燃煤鍋爐替代、燃重油鍋爐替代以及各種容量大小的鍋爐替代，技術上是成熟的，并積累了一定的實踐經驗，也取得了良好的節能減排效果。

5.2 燃氣鍋爐具有良好的燃燒性，其特點為起火迅速，鍋爐升溫快、調節靈活，其主要優點是：鍋爐熱效率較高、環保性能較好、占地面積小、安全可靠性高、操作運行便捷、改造方便等，在燃氣管網能夠到達的地區，在已完成的替代工程中，取得了良好的業績。

5.3 改造項目中如在原有鍋爐輔助設備能夠繼續使用的情況下，只須投入鍋爐本體，而運行成本主要考慮天然氣費用、補水費用、設備耗電費用等。一般鍋爐的維護保養成本大約5-6元/千瓦·年，燃氣熱水鍋爐單位K W產出需要的運行成本費用約為0.455元/h，根據案例分析，按照“上海市燃油（重油）鍋爐清潔能源替代工作方案和專項資金扶持辦法的通知”（滬府辦發【2012】36號）文件所實施的財政資金補貼政策是適當的，基本可滿足替代工程業主單位的基建投資需求；在燃氣管道建設方面，給予按照《上海市公用管線工程預算定額（2000）》標準的50%收取排管工程費的優惠。

5.4 從某些案例看，已經使用超過10年以上的燃重油鍋爐，僅進行燃油部分改造成燃氣的鍋爐，在節能效果上并不明顯，進行整臺鍋爐改造效益更好。

5.5 電鍋爐在運行時，能真正實現零排放，無污染、無廢氣、無廢液、無廢渣、低噪聲、無明火，能滿足消防要求以及上海電網已經布滿全市各個區縣，提供電源十分方便等。

然而對于上海發電企業在用電量增加時，是否會增加污染的疑問進行了分析認為：目前上海用電其中外來水電等清潔能源的比例逐年增加，所占比例已達35%以上；同時上海的發電機組已實施了脫硫、脫銷、除塵等嚴格的環保達標處理措施，據某些資料分析，上海發電燃煤機組對空氣污染的貢獻率不高，對環境的影響不是主要因素。

5.6 根據用戶的需求，當電鍋爐能夠采用蓄熱系統時，可充分利用夜間谷電蓄熱，并對電網的移峰填谷非常有利，在全壽命周期成本凈年值NPALCC計算分析中，因使用全谷電價，運行費用很低，使電鍋爐蓄熱供熱方案成本很低，有較強優勢，因此在各種替代方式中具有較好的經濟效益。當采用電鍋爐直供熱方案時，直供式電鍋爐的經濟效益將受到較大影響。

5.7 市電力公司最近提出三項優惠政策：

（1）0.4KV用戶實施電鍋爐替代，涉及的上級網改造由電力公司承擔；

（2）10kv用戶實施電鍋爐替代，供電配套工程費按標準減半收取；

（3）電鍋爐用戶分季節執行平、谷時段電價。這三項政策將更有利于促進電鍋爐替代工程的實施。

5.8 按照2013年上海市人民政府辦公廳關于轉發市發展改革委等五部門制訂的《上海市天然氣分布式供能系統和燃氣空調發展專項扶持辦法》的通知（滬府辦發〔2013〕14號）要求，對于滿足采用天然氣分布式供能系統的業主單位，應大力提倡實施天然氣分布式供能系統，不僅能取得系統能源利用效率高于70%以上的節能減排效果，且能取得良好的經濟效益。建議在有條件的企業、醫院、賓館等采用分布式供能方案。

5.9 推廣應用熱泵供能技術，可取得很好的節能減排效益，但應考慮滿足用戶全年的各種用能負荷變動時的需求，可適當配備電鍋爐為備用設備以及太陽能（風能）等可再生能源，以取得更佳節能效果。

5.10 在今后的燃煤（重油）鍋爐清潔能源的替代工作中，建議用戶單位應根據具體情況，遵循市場規律和需求，對于可替代的各類方案進行綜合比較研究，尋找瓶頸和解決方案，進行正確選擇。