改造后经济效益分析

李士林

摘　要　本文以连云港市为例，简述了沿海酒精生产企业生物质能开发现状，介绍了“酒精行业沼气、废渣锅炉混烧及循环经济推广技术”木薯废渣能源化利用四个环节和链条锅炉的燃气改造技术关键点，分析改造后企业经济效益和社会效益，提出了构建沿海酒精生产产业群设想。

关键词　酒精行业　沼气、废渣混烧　循环经济技术　推广

江苏省位于我国沿海中部,长江下游,是我国的经济大省。近年来,江苏经济一直持续、快速、健康地发展,成为中国东部最具经济活力的地区之一。江苏省和长三角地区又是我国耗能最多的地区,也是能源资源紧缺的地区,迫切需要建立大型能源基地,解决能源匮缺制约经济发展的这一瓶颈问题。发展沿海新能源产业,不仅能缓解域内能源紧缺问题,而且能够形成新的经济增长极,促进区域经济发展,对江苏全面实现小康社会具有重要意义。

近年来，随着我国经济社会的快速发展，能源需求的巨大缺口已成为我国经济社会可持续发展的“瓶颈”，石油供给压力空前增大。因此，作为石油替代性产品的生物质能得到了较快的发展，其中燃料酒精是生物质能产业中发展最快、规模最大的生物能源。据统计，目前我国生物乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20％，成为继巴西和美国之后的第三大燃料乙醇生产国。根据我国发改委发布的《酒精行业清洁生产技术推行方案（征求意见稿）》，预计在2012年，全国酒精总产能694万吨。《可再生能源中长期发展规划》预测，到2020年生物燃料乙醇年利用量将达到1000万吨、非粮原料燃料年替代成品油约1000万吨。

从全球粮食安全方面来看，作为非粮生物质能原料，木薯是诸多非粮作物中最为理想的一种。首先，木薯对土质的要求低，耐旱、耐瘠薄，符合“不争粮，不争（食）油，不争糖，充分利用边际性土地（指基本不适合种植粮、棉、油等作物的土地）”的粮食发展战略。其次，从经济效益来看，木薯在同类非粮作物中生产成本最低而产能较高。据估计，以生产1吨酒精计，需要不同原料的单耗为： 甘蔗17吨、马铃薯9吨、红薯8.7吨、鲜木薯7吨（或木薯干片2.8吨左右）；在产能方面，木薯较甘蔗等的土地酒精产率更高、其净能比高达3.56，而甘蔗的净能比最高只达到1.7。因此，用木薯制成的燃料乙醇，不仅被称为可替代汽油的环保型“绿色汽油”，而且是最经济可行的生物质能，必将成为未来优先发展的能源作物之一。

以连云港市为例，该市凭借港口优势和拥有进口木薯便利的条件，近内来从泰国、越南等地进口木薯干作为酒精生产原料，酒精企业不断投产，企业规模不断壮大，目前共有酒精生产企业17家，锅炉31台，单台蒸发量15t/h以上。灌云万运酒精厂，赣榆食用酒精厂，东海顺泰酒精厂，东海山口左酒精厂，连云港东城酒业，连云港易达酒业，金山化工等均为酒精产能较大的企业。年可生产发酵酒精100万吨， 占全国酒精行业中1/7以上。2011年木薯进口占全国的1/3，港口独特的地理优势，促成了连云港地区酒精行业现阶段的产能规模和综合经济效益。

以连云港为例；五年多来，酒精产量从不足5万吨产能发展到今天的100万吨产能，在此期间各酒精企业始终围绕节能减排这个涉及企业生存发展的主线，总体上是分以下两个发展阶段。

第一阶段及建厂初期。各酒精企业在加强能源管理、调整工艺参数的同时，对酒精废醪的处理利用是先行进行固液分离，然后采用清液厌氧发酵技术在降低废液COD的同时附产生物质能（沼气）作为锅炉燃料，原煤与沼气的比值为8∶2。吨酒精消耗原煤平均550kg。

第二阶段各酒精企业的工作重点放在环保厌氧处理上，采用厌氧接触法（ACP）将原先固液分离后的清液厌氧改为全糟厌氧发酵，然后再进行固液分离，固液分离后的清液再进行二次厌氧发酵，由于酒精废醪固形物有效成分得到充分利用，使沼气的产量可提高3倍以上。就此锅炉的燃烧燃料原煤与沼气的比值可控制在2∶8。吨酒精原煤的消耗平均为150kg，取得了较好的节能减排效果，但固液分离后的废渣仍无利用价值。

江苏省特种设备安全监督检验研究院从2008年开始进行了以木薯为原料的酒精生产系统技术的跟踪研究，结合各酒精企业的特点（技术力量薄弱、非规范性扩建等），在锅炉系统、酒精工艺换热系统、沼气厌氧发生系统、沼气燃烧系统实施有效监检并给予企业技术上的支持。2010年江苏特检院和连云港易达酒业合作，启动了国家质检总局项目“酒精行业沼气、废渣锅炉混烧及循环经济推广技术”的研究工作，探索酒精行业现有锅炉改造并安全、高效利用沼气的方法和酒精行业木薯废渣在现有锅炉高效燃烧的方法，实现酒精生产锅炉用煤的零消耗节能目标。 2011年又在连云港东城酒业10万吨新建项目中对锅炉和木薯废渣进行改造，目前江苏特检院已全部完成了项目的研究任务，完全实现了预期目标，解决了酒精行业现有锅炉安全改造、高效利用沼气和废渣问题，已具备了对酒精锅炉提供系统技术支撑和指导的能力。近期，该技术被国家质检总局列入《关于公布2011年高耗能特种设备节能技术与产品推广目录的公告》。具体做法是：

（1） 废渣的能源化利用

木薯废渣预处理工艺共分以下四个环节： 分离；脱水；烘干；成型造粒。图1。

图1

1. 为了将酒精生产中所产生的固体废弃物充分合理利用， 课题组研发并已申报国家专利的“厌氧后木薯废渣分级分离机”。该分级分离机能够有效分离一次厌氧后废醪液中的粗纤维，滤去无机灰分等杂质与溶液的混合物。使得分离后的木薯废渣具有高灰熔点的特性，具备作为锅炉燃料的特质。

图2　木薯废渣分级分离机

通过对分级分离后木薯废渣进行理化实验，获取了如表1。

表1　生物质碱金属含量

从表1可知，相较于常见的生物质，预处理后的木薯废渣在K元素含量上，远低于稻草、秸秆，稻壳的K元素含量 ，可见木薯渣屑经长时间浸泡处理，对去除木薯本身的大部分K元素起到非常大的作用。

分级分离后木薯渣灰熔点采用GB/T219—2008实验方法经行测定，得到预处理后废渣的灰熔点各参数均大于1400℃，与其他生物质比较，其灰熔点各项指标更高，且高于大多煤种。

2. 分离后的木薯废渣虽然已经去除大量水分，但含水率仍达85% ，低位热值低，因而需将分离后的木薯废渣进行脱水、干燥处理，提高燃料品质。为了降低木薯废渣脱水、干燥环节能量消耗的同时尽量减少木薯废渣的出料含水率， 采用了机械挤压与高温烘干两种方式相配合。首先分级分离后高含水率废渣(含水率85%)进入机械脱水设备(木薯废渣螺旋压榨机）脱除其中的大量水分，然后再进入烘干流程，进一步降低废渣含水率。

木薯废渣螺旋压榨机能够适应粗纤维的物性，分离后的废渣 经木薯废渣螺旋压榨机处理后，含水率可控制在60%～65%。

图3　木薯废渣螺旋压榨机结构示意图

3. 压榨后的废渣呈散片状固体，无黏性、粒径小、比表面积大。需要采用高温气流干燥技术对废渣进行干燥。高温气流干燥系统由烘干炉、螺旋进料器、旋风气流干燥器、多管旋风除尘器、星型出料器、引风机及烟囱组成。

图4　木薯废渣干燥系统示意图

烘干炉燃料以煤或预处理完成后的木薯废渣为燃料，提供750～900℃的高温烟气，螺旋压榨后的湿渣被螺旋进料器送入高温气流干燥系统热风道，在高温气流作用下，进入旋风气流干燥器进行剧烈的干燥过程后，废渣在多管旋风除尘器中俘获，通过星型出料器排出系统。螺旋进料器可定量、均匀的将湿渣送入高温气流烟道；旋风气流干燥器可有效降低高温气流干燥系统的高度；（陶瓷）多管旋风除尘器具有除尘效率高、耐磨、耐腐的优点，使用两级除尘可更大限度的获取干燥后废渣，减少排入环境中的废渣量，避免扬尘；星型出料器可避免室外空气被吸入除尘器，影响除尘效率；引风机采用高压风机。

高温气流干燥装置的热效率高，技术可靠，适合木薯渣＜65%水分时无黏性、颗粒小、比表面积大地物理特性，烘干后木薯渣含水分30%左右。

4. 废渣成型

当散片状木薯废渣被送入链条炉炉排时，由于散片状的木薯废渣的沉降速度较慢，极易在炉底一次风作用下被吹离炉排，造成炉床燃料层出现火口，烧坏炉排现象。因此，需要对散片状木薯废渣进行成型造粒。废渣成型后，不仅可以避免木薯废渣随空、烟气飘散的现象，而且还起到减少废渣燃烧后飞灰量，进一步减少或避免废渣燃料灰渣影响锅炉运行的作用，同时成型造粒还方便了废渣燃料的输运和储存。

经反复试验，废渣成型技术在全国首次获得成功，并获得国家专利，目前颗粒燃料直径为20mm左右。

一次厌氧后废醪液经过废渣预处理工艺处理完成后，废渣颗粒燃料直径为20mm，含水率＜30%，废渣灰熔点＞1400℃,颗粒燃料低位热值约12600kJ/kg，具备了送入链条炉燃烧的条件。

1. 酒精生产工艺用蒸汽的特点

酒精生产线运行初期（约20天）环保系统无沼气、废渣生成，而工艺上需消耗蒸汽。这就要求酒精生产用蒸汽锅炉必须能使用煤作为系统启动期间的能量供应。

2. 锅炉改造目标

（1) 实现单台锅炉的燃烧多功能性。既能烧煤又能烧废渣、沼气的特征，减少常规布置情况下酒精企业的锅炉数量（常规使用三台锅炉，一台沼气锅炉、一台燃煤锅炉、一台废渣锅炉）；

（2) 单台锅炉为热电联产选型锅炉参数及系统效率的提高创造条件；

（3) 提高锅炉效率（改造后锅炉效率提高10个百分点以上）；

（4) 提高锅炉安全性（完善防爆门及沼气燃烧器控制系统）。

3. 沼气燃烧系统

锅炉的沼气燃烧器左右对称布置在炉膛前墙，位于前拱上方(图5)，距炉排面4米，减少沼气燃烧产生的高温火焰对炉床废渣颗粒燃料层的辐射传热，降低废渣燃料层燃烧温度，实现分区燃烧。在前拱并排布置两个燃烧器喷口，提高沼气燃烧火焰在炉膛的充满度，降低炉膛上部及炉膛出口处的平均温度。燃烧器风门为比例调节风门，可根据燃气量进行比例调节，保证了燃烧效率，采用多级配风，旋流风与直流风比例通过挡板调节，避免火焰冲刷受热面的现象发生。燃烧器采用高压点火气枪点燃主火焰，并配有紫外火检对火焰进行监控，并配置完善的点火保护、熄火程序等安全保护系统。

图5　改造后锅炉示意图

4. 改造后炉膛的数值模拟

使用fluent软件对炉膛进行二维模拟,主要入口边界条件如表2。

表2　入口边界条件

　　*直流燃烧器未模拟燃烧过程（实际锅炉改造中，选用旋流燃烧器）

表3　炉排面风速

图6　炉排面速度分布图

根据炉膛流速模拟结果(图7)可得出以下结论：

图7　流速分布

（1) 炉膛喉口以下尤其是燃料层附近区域烟气流速缓慢，避免了对废渣成型燃料燃烧灰壳的冲刷，减少了飞灰量。

（2) 二次风的添加使喉口处高温烟气向前拱推移，对预热烘干起到辅助作用。

（3) 二次风影响了喉口部位烟气流场，说明新风在喉口处充满度较高，消烟作用明显。

（4) 直流燃烧器气流刚度较大，但仍未直接冲刷后墙水冷壁。实际改造中采用旋流燃烧器，气流刚度小，更降低了对后墙水冷壁冲刷的可能。

根据炉膛湍流模拟结果(图8)可得出以下结论：

图8　湍流图

燃烧器布置位置合理，烟气在炉内有很好的充满度。实际改造中采用旋流燃烧器，充满度更好。燃气充满度的提高，可有效降低炉膛出口处烟气平均温度，减少积灰结焦。

通过模拟结果分析可知，燃烧器设定位置、锅炉一、二次风的设定能够满足锅炉改造预想要求。

以年产10万吨酒精生产企业为例，每年可产木薯废渣1.62万吨，折合原煤0.885万吨。锅炉热效率从75%提高至90%，相当于节约原煤0.99万吨；总计年可节约外购原煤1.875万吨，节约企业外购原煤成本近1700万元。

废渣预处理系统及锅炉本体改造等总投资约150万元。新增运行成本（电费、人员工资、设备维修、折旧废等）总计120万元/年。改造完成后，实际可节约企业运行成本1580万元。若配置3000kW背压式汽轮发电机组，节约电成本0.6元/kWh，年节约购电成本1260万元。总节约企业年运行成本达2840万元。

国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部、国土资源部、住房和城乡建设部、商务部为进一步推动资源综合利用，提高资源利用效率，发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，组织编写了2010年第14号 《中国资源综合利用技术政策大纲》，其中第（八）项食品发酵工业“三废”综合利用技术中（12）研发马铃薯、木薯淀粉生产废渣综合利用技术。该项目的推广，将引导和推动酒精企业开展资源综合利用，使全社会从认识资源综合利用的重要意义变成实际行动将起到积极的推动作用。在本省充分利用沿海港口优势，使酒精行业沼气、废渣锅炉混烧—发电循环经济推广技术开发成为江苏沿海节能减排可持续发展新的契机，为实现生态江苏发展做出贡献。同时对全国生物质能源综合开发提供有益的示范。

对技术的推广有以下建议：

（一） 针对江苏酒精行业，完善企业使用生物能替代煤的奖励措施。

（二） 省、市地方政府对酒精行业应用新技术进行改造的单位实施财政补助。

（三） 对拥有关键技术的研究院所在政策上给以支持。

政府决策部门要从节能减排的宏观角度进行思考，牵头推广“酒精行业沼气、废渣锅炉混烧，循环经济推广技术”,首先对连云港地区的酒精行业生物能的综合开发的产业链进行整合，通过整合资源，加强协作,使之对江苏沿海生物质能源综合开发提供有益的示范。在2—3年内建立起沿海酒精生产产业群，在江苏沿海地区形成酒精能源产业集聚的新兴工业带，使“酒精行业沼气、废渣锅炉混烧，循环经济推广技术”与新能源产业带的构建成为江苏沿海可持续发展新的经济增长极。

（作者单位： 江苏九三学社质监支社）

参考文献：

［1］ 国家质检总局.关于公布2011年高耗能特种设备节能技术与产品推广目录的公告

［2］ 江苏特种设备安全监督检验研究院连云港分院.酒精行业沼气、废渣锅炉混烧及循环技术研究工作总结,2011