電蓄熱蒸汽鍋爐技術及其經濟性分析

宋鵬飛，李科豪，徐桂芝，翁立奎，蔡林海

（1.江蘇金合能源科技有限公司，江蘇 鎮江 212400；2.全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

近幾年因為大氣環境問題引起了國家重視，國家和各地方政府紛紛出臺了大量的政策文件，“煤改電”成為了當下的熱門，電蓄熱蒸汽鍋爐正是“煤改電”政策孕育出來的新產品，主要用來替代被逐步淘汰的燃煤鍋爐，滿足燃煤鍋爐被取締之后工業企業生產用蒸汽的需求[1]。

在清潔供熱領域，成熟技術較多，主要包括：熱電聯產供熱、燃氣鍋爐供熱、生物質鍋爐供熱、固體蓄熱電鍋爐供熱、熔鹽蓄熱電鍋爐供熱、相變蓄熱電鍋爐供熱、電極鍋爐供熱、電極鍋爐+水蓄熱供熱、電阻鍋爐供熱、熱泵技術供熱、電熱膜技術供熱、發熱電纜供熱、碳晶技術供熱等等[2-4]。當工業企業用能形式為蒸汽時，則大量清潔供熱技術無法使用，加上環保要求限制，目前主流的蒸汽供應技術主要包括：電直熱蒸汽鍋爐、電蓄熱蒸汽鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐、燃油蒸汽鍋爐、生物質蒸汽鍋爐等[5]。本文將針對電蓄熱蒸汽鍋爐技術及其應用場景下的經濟性進行分析，并就其經濟性和電直熱蒸汽鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐兩種技術進行對比分析。

1 清潔供蒸汽的主要技術

目前應用較為廣泛的用來替代燃煤蒸汽鍋爐的技術，主要包括電蓄熱蒸汽鍋爐、電直熱蒸汽鍋爐、燃氣蒸汽鍋爐等，其中電蓄熱蒸汽鍋爐根據蓄熱方式不同，可以分為熔鹽蓄熱、固體蓄熱、相變蓄熱等幾種路線，本文主要針對基于相變蓄熱技術的蒸汽鍋爐進行分析。表1對這幾種蒸汽鍋爐技術進行了對比，從表格中對比可以看出，各類技術均有優缺點，具體需要根據使用地的資源條件、電價政策、燃氣價格、項目規模、環保政策等具體分析后進行選擇[6-7]。

表1 幾類蒸汽鍋爐的技術對比

2 電蓄熱蒸汽鍋爐技術

電蓄熱蒸汽鍋爐是一種蓄熱供蒸汽設備，其主要利用廉價的谷電制熱，在保證蒸汽供應的同時將部分熱量存儲在儲熱材料中，并在非谷電期間利用所存儲的熱量進行連續供蒸汽，其原理示意圖如圖1所示[8]。

圖1 蓄熱式電鍋爐產蒸汽系統圖

儲熱階段，開啟電加熱元件和循環風機，蓄熱式電鍋爐利用低谷電將電加熱元件的電能轉換為熱能，經過循環風機增壓的空氣與電加熱元件換熱升溫，其中一部分熱量通過對流傳熱和輻射傳熱給復合相變儲熱模塊，另一部分熱量傳遞給蒸汽發生器內的水，從而產生蒸汽，經過汽包內的汽水分離器進行汽水分離后外供；通過蒸汽發生器后的風溫大幅度降低，再經過循環風機進行增壓后繼續循環；同時，軟化水通過水泵加壓打入汽包，保證汽包液位在設定范圍內[9]。

放熱階段，關閉電加熱元件，循環風機持續運轉，循環回來的空氣吸收復合相變儲熱模塊的熱量后，流經蒸汽發生器，將熱量傳遞給蒸汽發生器內的水，產生蒸汽外供。

3 應用案例及經濟性分析

本文以江蘇省南京市某工業園區一家生產企業為例，蒸汽需求量為10t/h，24小時連續穩定供汽，蒸汽要求為0.5MPa飽和蒸汽，供水溫度為5℃，年運行350天。

經過計算，所需配置電蓄熱蒸汽鍋爐系統為25MW，投資需約3500萬元，主要包括電蓄熱蒸汽鍋爐本體、高低壓配電系統、控制系統、汽水輔助系統、鍋爐房建設等。

系統主要技術及經濟性數據見表2。

表2 南京某企業蓄熱供蒸汽項目技術及經濟性指標

4 與其他技術的經濟性對比

4.1 電直熱蒸汽鍋爐經濟測算

電直熱蒸汽鍋爐由于沒有儲熱的功能，采用電加熱實時加熱產生蒸汽，其電費計算執行峰谷電價[15]，由于項目蒸汽需求穩定，電費計算采用24小時平均電價帶入計算[17]（因當地尖峰電價執行與氣溫有關，暫不帶入計算）。經計算，采用電直熱蒸汽鍋爐，系統年綜合運行成本約為4970萬元，折合單位蒸噸生產成本約為591.7元/t，電直熱蒸汽鍋爐全系統建設費用約為1100萬元（不含電力增容費用）。

4.2 燃氣蒸汽鍋爐經濟測算

燃氣鍋爐是目前工業鍋爐常用的一種鍋爐形式，其技術比較成熟，初期投資較低，10蒸噸燃氣鍋爐全套系統的總投資僅為約300萬（不含燃氣管道入戶費用）。該項目所在園區的燃氣價格為3.6元/m3，燃氣鍋爐系統熱效率按照90%計算，則1立方米天然氣有效熱值為7.8kWh/m3（熱值按照8400大卡/m3計算），計算得到系統燃氣能源成本為2937萬元，加上附屬設備用電及其他費用，年綜合運行費用約為3100萬元，折合單位蒸噸生產成本約為369元/t[16]。

4.3 經濟性能對比

假定系統投資運行總費用=初投資費用＋年運行成本×運行年限，則電蓄熱蒸汽鍋爐和兩種技術的總費用對比見表3：

從表3可以看出，電蓄熱蒸汽鍋爐雖然初投資明顯高于電直熱蒸汽鍋爐和燃氣蒸汽鍋爐。與電直熱蒸汽鍋爐相比其運行成本明顯偏低，每年可節省運行費用約2570萬元，運行1年即可收回投資差額，運行十年即可節省23300萬元，其經濟性極好。與燃氣蒸汽鍋爐相比其運行成本稍低，每年可節省運行費用約700萬元，運行5年可收回投資差額，運行十年可節省3800萬元，其經濟性也有一定的優勢。

表3 電蓄熱蒸汽鍋爐與兩種技術投資運行總費用對比表

5 結語

通過對電蓄熱蒸汽鍋爐的經濟性分析可知，其初期投資明顯比電直熱蒸汽鍋爐和燃氣蒸汽鍋爐要高，但是以南京地區企業為例，其總體經濟性明顯比電直熱蒸汽鍋爐好得多，運行僅1年左右即回收投資差額，優勢明顯；與燃氣蒸汽鍋爐對比時，有一定的優勢，但是其優勢并沒有相比電直熱蒸汽鍋爐大。

雖然目前蓄熱式蒸汽鍋爐在市場上的應用尚少，但隨著天然氣價格不斷提高，限氣問題日益突出，以及雙碳目標帶來的清潔能源發電裝機規模越來越大，電能取代天然氣進行工業蒸汽供應將成為趨勢，本文通過三種技術的經濟性對比分析，給工業企業在技術路線選擇時提供了參考。