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(zhèn)江 212400；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

近幾年因?yàn)榇髿猸h(huán)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(dāng)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(chǎn)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(yè)企業(yè)生產(chǎn)用蒸汽的需求[1]。

在清潔供熱領(lǐng)域，成熟技術(shù)較多，主要包括：熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、燃?xì)忮仩t供熱、生物質(zhì)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(shù)供熱、電熱膜技術(shù)供熱、發(fā)熱電纜供熱、碳晶技術(shù)供熱等等[2-4]。當(dāng)工業(yè)企業(yè)用能形式為蒸汽時，則大量清潔供熱技術(shù)無法使用，加上環(huán)保要求限制，目前主流的蒸汽供應(yīng)技術(shù)主要包括：電直熱蒸汽鍋爐、電蓄熱蒸汽鍋爐、燃?xì)庹羝仩t、燃油蒸汽鍋爐、生物質(zhì)蒸汽鍋爐等[5]。本文將針對電蓄熱蒸汽鍋爐技術(shù)及其應(yīng)用場景下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，并就其經(jīng)濟(jì)性和電直熱蒸汽鍋爐、燃?xì)庹羝仩t兩種技術(shù)進(jìn)行對比分析。

1 清潔供蒸汽的主要技術(shù)

目前應(yīng)用較為廣泛的用來替代燃煤蒸汽鍋爐的技術(shù)，主要包括電蓄熱蒸汽鍋爐、電直熱蒸汽鍋爐、燃?xì)庹羝仩t等，其中電蓄熱蒸汽鍋爐根據(jù)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(shù)的蒸汽鍋爐進(jìn)行分析。表1對這幾種蒸汽鍋爐技術(shù)進(jìn)行了對比，從表格中對比可以看出，各類技術(shù)均有優(yōu)缺點(diǎn)，具體需要根據(jù)使用地的資源條件、電價政策、燃?xì)鈨r格、項(xiàng)目規(guī)模、環(huán)保政策等具體分析后進(jìn)行選擇[6-7]。

表1 幾類蒸汽鍋爐的技術(shù)對比

2 電蓄熱蒸汽鍋爐技術(shù)

電蓄熱蒸汽鍋爐是一種蓄熱供蒸汽設(shè)備，其主要利用廉價的谷電制熱，在保證蒸汽供應(yīng)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(jìn)行連續(xù)供蒸汽，其原理示意圖如圖1所示[8]。

圖1 蓄熱式電鍋爐產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)圖

儲熱階段，開啟電加熱元件和循環(huán)風(fēng)機(jī)，蓄熱式電鍋爐利用低谷電將電加熱元件的電能轉(zhuǎn)換為熱能，經(jīng)過循環(huán)風(fēng)機(jī)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(fù)合相變儲熱模塊，另一部分熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水，從而產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過汽包內(nèi)的汽水分離器進(jìn)行汽水分離后外供；通過蒸汽發(fā)生器后的風(fēng)溫大幅度降低，再經(jīng)過循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行增壓后繼續(xù)循環(huán)；同時，軟化水通過水泵加壓打入汽包，保證汽包液位在設(shè)定范圍內(nèi)[9]。

放熱階段，關(guān)閉電加熱元件，循環(huán)風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)回來的空氣吸收復(fù)合相變儲熱模塊的熱量后，流經(jīng)蒸汽發(fā)生器，將熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水，產(chǎn)生蒸汽外供。

3 應(yīng)用案例及經(jīng)濟(jì)性分析

本文以江蘇省南京市某工業(yè)園區(qū)一家生產(chǎn)企業(yè)為例，蒸汽需求量為10t/h，24小時連續(xù)穩(wěn)定供汽，蒸汽要求為0.5MPa飽和蒸汽，供水溫度為5℃，年運(yùn)行350天。

經(jīng)過計算，所需配置電蓄熱蒸汽鍋爐系統(tǒng)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(tǒng)、控制系統(tǒng)、汽水輔助系統(tǒng)、鍋爐房建設(shè)等。

系統(tǒng)主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)見表2。

表2 南京某企業(yè)蓄熱供蒸汽項(xiàng)目技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

4 與其他技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對比

4.1 電直熱蒸汽鍋爐經(jīng)濟(jì)測算

電直熱蒸汽鍋爐由于沒有儲熱的功能，采用電加熱實(shí)時加熱產(chǎn)生蒸汽，其電費(fèi)計算執(zhí)行峰谷電價[15]，由于項(xiàng)目蒸汽需求穩(wěn)定，電費(fèi)計算采用24小時平均電價帶入計算[17]（因當(dāng)?shù)丶夥咫妰r執(zhí)行與氣溫有關(guān)，暫不帶入計算）。經(jīng)計算，采用電直熱蒸汽鍋爐，系統(tǒng)年綜合運(yùn)行成本約為4970萬元，折合單位蒸噸生產(chǎn)成本約為591.7元/t，電直熱蒸汽鍋爐全系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用約為1100萬元（不含電力增容費(fèi)用）。

4.2 燃?xì)庹羝仩t經(jīng)濟(jì)測算

燃?xì)忮仩t是目前工業(yè)鍋爐常用的一種鍋爐形式，其技術(shù)比較成熟，初期投資較低，10蒸噸燃?xì)忮仩t全套系統(tǒng)的總投資僅為約300萬（不含燃?xì)夤艿廊霊糍M(fèi)用）。該項(xiàng)目所在園區(qū)的燃?xì)鈨r格為3.6元/m3，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)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(tǒng)燃?xì)饽茉闯杀緸?937萬元，加上附屬設(shè)備用電及其他費(fèi)用，年綜合運(yùn)行費(fèi)用約為3100萬元，折合單位蒸噸生產(chǎn)成本約為369元/t[16]。

4.3 經(jīng)濟(jì)性能對比

假定系統(tǒng)投資運(yùn)行總費(fèi)用=初投資費(fèi)用＋年運(yùn)行成本×運(yùn)行年限，則電蓄熱蒸汽鍋爐和兩種技術(shù)的總費(fèi)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?xì)庹羝仩t。與電直熱蒸汽鍋爐相比其運(yùn)行成本明顯偏低，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約2570萬元，運(yùn)行1年即可收回投資差額，運(yùn)行十年即可節(jié)省23300萬元，其經(jīng)濟(jì)性極好。與燃?xì)庹羝仩t相比其運(yùn)行成本稍低，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約700萬元，運(yùn)行5年可收回投資差額，運(yùn)行十年可節(jié)省3800萬元，其經(jīng)濟(jì)性也有一定的優(yōu)勢。

表3 電蓄熱蒸汽鍋爐與兩種技術(shù)投資運(yùn)行總費(fèi)用對比表

5 結(jié)語

通過對電蓄熱蒸汽鍋爐的經(jīng)濟(jì)性分析可知，其初期投資明顯比電直熱蒸汽鍋爐和燃?xì)庹羝仩t要高，但是以南京地區(qū)企業(yè)為例，其總體經(jīng)濟(jì)性明顯比電直熱蒸汽鍋爐好得多，運(yùn)行僅1年左右即回收投資差額，優(yōu)勢明顯；與燃?xì)庹羝仩t對比時，有一定的優(yōu)勢，但是其優(yōu)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(yīng)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(biāo)帶來的清潔能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模越來越大，電能取代天然氣進(jìn)行工業(yè)蒸汽供應(yīng)將成為趨勢，本文通過三種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對比分析，給工業(yè)企業(yè)在技術(shù)路線選擇時提供了參考。