 Sustainable Energy 可持续能源, 2013, 3, 116-120 http://dx.doi.org/10.12677/se.2013.36019 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/se.html) The Tobacco-Stem Fired Horizontal Circulating Fluidized Bed Steam Boiler Constructed by Commercial Mode of BOT Guosheng Zhou1, Jianjun Cui1, Hongbiao Liu1, Jianbin Kang2*, Qinghai Li3, Yanguo Zhang3 1Hunan Tobacco Redrying Co., Ltd., Chenzhou 2Beijing Nowva Energy Technology Co., Ltd., Beijing 3Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing Email: *kang071@263.net Received: Oct. 17th, 2013; revised: Oct. 29th, 2013; accepted: Nov. 4th, 2013 Copyright © 2013 Guosheng Zhou et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Guosheng Zhou et al. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: The heat required by drying process of tobacco leaf can be supplied by the combustion of the tobacco-stem. The commercial mode, build-operate-transfer (BOT), is a best choice for tobacco companies to build steam boiler with horizontal circulating fluidized bed for heat supply, and thus to save money, reduce operational cost and the risk of taking new technology to the tobacco company. The BOT example herein is a reference for engineering companies and tobacco processing factories. Keywords: Tobacco-Stem; Horizontal Circulating Fluidized Bed; Combustion Test; Boiler Design 燃烟梗卧式循环流化床蒸汽锅炉 BOT 运作模式 周国生 1，崔建军 1，刘洪标 1，康建斌 2*，李清海 3，张衍国 3 1湖南烟叶复烤有限公司，郴州 2北京热华能源科技有限公司，北京 3清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 Email: *kang071@263.net 收稿日期：2013 年10 月17日；修回日期：2013 年10月29日；录用日期：2013 年11 月4日 摘 要：烟草烘烤工艺需要热量，燃烧烟梗可以提供这部分热量。通过 BOT的商业操作模式，建设燃烟梗卧式 循环流化床锅炉及系统为企业提供热源，可为企业节约资金、降低生产成本和采用新技术的风险。本文的 BOT 模式可供工程公司、烟草公司等参考。 关键词：烟梗；卧式循环床；燃烧实验；锅炉设计 1. 引言 烟草是我国重要的经济作物，2010 年我国烟叶产 量为 220万吨，其中云南省烟叶产量最大，为 90万 吨。如果烟叶与烟梗的比例按 5:2 粗略估算，我国 2010 年就大约产生 70 万吨的烟梗，这些废弃的烟梗不仅 浪费了可供利用的资源，而且处置不当容易造成环境 污染。烟梗可以作为燃料产生热能供生产、生活使用。 将烟梗作为可再生能源利用，可采用气化、热解和直 接燃烧等方法。崔志军介绍了采用烟梗气化技术产生 燃气，然后燃烧进行烘烤烟叶[1]。据了解，烟梗在低 温气化过程中会产生焦油，在输运过程中堵塞管道。 *通讯作者。 Open Access 116  燃烟梗卧式循环流化床蒸汽锅炉 BOT 运作模式 为解决管道堵塞问题，有人提出气化后燃气不降温直 接进入锅炉燃烧的方案，但高温管道以及阀门的投资 较大，以一个 4 t/h 锅炉为例，燃烧系统的投资约100 万元，大大限制了商业化途经。李黎[2]尝试对烟梗进 行热解，试图通过提高烟梗热解残留物能量密度来探 索其合理利用，热解后固体产物的热值约 23 MJ/kg， 热值约提高一倍，但目前仍没有成熟的工业化“热解 制固体燃料”的方法。与气化和热解相比，对于生物 质直接生产蒸汽来说，直燃是最简单有效的方法，无 论是实验还是工程设计均表明采用循环床技术直燃 生物质是可行的[3-6]。但在设计纯燃生物质锅炉时也会 遇到燃料灰熔点过低的问题，因而锅炉设计必须进行 特殊的考虑，降低炉膛运行温度[7]。卧式循环流化床 是一项新的技术[8-11]，其炉膛容积相对较大，可维持 炉膛的低温燃烧，目前已有纯燃稻壳、中药渣、玉米 芯、麦糠等生物质锅炉运行，但尚无燃烟梗的卧式循 环流化床锅炉设计。虽然理论和实验分析均表明，烟 梗完全可以作为燃料供锅炉应用，但由于目前没有应 用案例，如果企业盲目投入资金进行建设，必然导致 一定的风险。BOT的操作方式化解了这种风险，技术 提供方在提供技术的同时并寻求投资工资支持，由投 资公司投资进行锅炉建设，然后生产蒸汽销售给烟草 企业，这样可行成互利共赢的局面。本文介绍了卧式 循环流化床锅炉烟梗锅炉的技术特点及 BOT模式在 烟草企业中应用，并进行相应讨论。 2. BOT模式介绍 自1984 年土耳其总理 Targut Ozal (奥热扎尔)首 次提出了建造–运营–移交(build-operate-transfer, BOT) 方式，该方式在全世界许多国家和地区发展迅 速，建立在诚信基础上的BOT 方式是一种很有前途 的甲方、乙方合作模式，目前国内已用人提出在城市 热网建设中采纳这种方式[12]。 BOT有时也称为“特许经营权”方式，它是指某 一财团或若干投资人作为项目的发起人，从一个国家 的中央或地方政府获得某项基础设施的特许建造经 营权，然后由此类发起人联合其他各方组建股份制的 项目公司，负责整个项目的融资、设计、建造和运营。 在整个特许期内，项目公司通过项目的运营获得利 润，有时地方政府考虑到运营收费不能太高，可能给 项目公司一些优惠条件，以使项目公司降低其运营收 费标准。项目公司以运营和经营所得利润偿还债务以 及向股东分红。在特许期届满时，整个项目由项目公 司无偿或以极低的名义价格移交给地方政府。BOT 方 式中的各参与方还包括地方政府、各类金融机构、运 营公司、保险公司等，他们都为项目的成功实施承担 各自的职责。BOT方式的典型结构框架如图1所示。 目前在世界上许多国家都在研究和采用 BOT方 式，我国的建设项目投资渠道也愈加多元化，利用 BOT建设的项目也逐渐增多。特许经营权授权方已不 仅仅限制为政府，已扩展到各种类型的企业，项目发 起人既有外资企业、民营企业，也有国有企业，甚至 地方政府，BOT 方式日益显现出其融资及项目管理的 优越性。BOT 方式能够减少政府或企业直接投资的财 务负担，减免了政府或企业的债务风险；使急需建设 而政府或企业又无力投资的项目提前建成发挥作用， 有利于满足社会和公众的需要，加速生产力的发展。 但采用 BOT 承建的项目规模大，投资额高，建设和 经营期限长，涉及各方的风险因素繁多复杂，在建造 和经营的全过程中，各方均应做好风险防范和管理； 项目收益的不确定性较大，在立项前需要做好充分的 前期可行性研究及准备工作。 图1是BOT 的一个典型框架，事实上，在烟草 企业、燃烟梗锅炉技术提供方、投资方之间的关系要 比图 1中简单，但也要处理好烟草企业、投资方以及 锅炉技术提供方之间的利益关系，同时做好技术设 计，将各方的风险降低到最小。下面具体介绍锅炉及 系统的技术设计以及实际的BOT 运作模式。 3. 用户需求 湖南烟叶复烤有限公司针对烟草能源利用的要 求和烟梗灰综合开发的市场需求，为了确保烟草废弃 物环保处理能源利用，提出了烟草废弃物循环经济开 发及应用项目，内容包括烟梗灰焚烧过程锅炉结焦处 理技术和烟梗灰的综合利用，图2是循环经济流程框 图。从图2可以看出，烟梗的环保处理并生产蒸汽是 这一项目构思的重要环节。从当前的调研看，生物质 燃烧特别是高碱金属含量的生物质的燃烧存在一些 技术难题和风险，例如：烟梗灰焚烧过程中会结焦； 结焦会导致锅炉设备无法正常运行，需通过添加助燃 剂或催化剂等化学元素解决锅炉结焦的问题。在现有 条件下，为了规避项目风险，必须寻找信誉可靠、技 Open Access 11 7  燃烟梗卧式循环流化床蒸汽锅炉 BOT 运作模式 Figure 1. Typical BOT framework 图1. 典型的 BOT框架[13] Figure 2. Diagram of circular economy process 图2. 循环经济流程框图 术实力雄厚的供货商。同时，如果能采取 BOT 的模 式，不但可以降低技术风向，而且可以降低资金投入 风险，做到一举两得。鉴于此，湖南烟叶复烤有限公 司与北京热华能源科技有限公司进行了技术和商务 的合作。 4. 锅炉以及燃烧系统的设计 锅炉及燃烧系统是燃烟梗锅炉的关键，也是 BOT 实施的主要范围。 4.1. 技术基本原理及技术特点 作为生物质燃料的烟梗，成分比较特殊，虽易燃 烧，但燃烧过程中存在易结焦、积灰、飞灰内碱金属 化合物凝结等难题，能够有效解决烟梗燃烧中的结焦、 积灰和焦油的处理是设计中需要重点 考虑的问题。 为了解决烟梗废弃物处理难题，使其变废为宝， 北京热华能源科技有限公司与清华大学联合开发出 烟梗废弃物资源综合利用技术。该技术创造性开发出 燃烟梗的卧式循环流化床燃烧技术，该技术将传统意 义上的立式循环流化床锅炉的单级炉膛改为三级炉 膛，将一级循环改为两级循环，从而加大了锅炉炉膛 的有效燃烧高度，增加燃料燃烧时间，保证燃料中的 挥发分燃烧充分，使得烟碱、焦油等有害物质充分分 解燃尽。通过两级灰循环，进一步保证燃料燃烧完全。 同时，采用中温分离技术，有效避免了因灰中碱金属 含量高所造成的尾部积灰问题。 根据烟梗的成分及燃烧特性，本锅炉进行了针对 性设计，具有如下特点： (1) 有效分解烟梗中的焦油，锅炉热效率高 烟梗在燃烧过程中，有大量的焦油析出，尽管焦 油最终成为挥发分的一部分，但由于其高链结构，需 要较高的温度和较长的燃烧时间才能燃烧充分。另外 烟梗的挥发分高，而挥发分在炉膛内的停留时间较 短，层燃炉和常规的流化床锅炉由于炉膛高度不够， 挥发分的燃尽率不高。 本锅炉在炉膛增大绝热燃烧部分，采取三级炉膛 结构，与立式循环流化床锅炉相比，增加了 60%的炉 膛高度，增加了焦油及其它挥发分的燃烧时间，使其 燃烧完全。同时，本锅炉采取两级回灰结构，进一步 降低飞灰含碳量，飞灰可quezhi燃物低于 3%。 本产品除了燃料燃尽率高外，锅炉还采用全膜式 壁密封结构，保温性好，散热损失小，散热量仅为 1%。 (2) 对尾部积灰进行了有效处理，锅炉能够连续 稳定运行 烟梗的灰中碱金属含量高，K2O的含量达到了 38.72%，灰的粘度比较大，很容易造成锅炉尾部受热 面积灰。本锅炉在设计中采取如下技术措施： 采取中温分离技术，锅炉省煤器入口烟温约为 500℃，低于碱金属的粘结沉积温度，能有效防 止省煤器在流管束上积灰； 在设计中对流受热面比例小，也有效的减少了碱 金属造成的粘结沉积； 采取目前吹灰效果最好的燃气脉冲吹灰器吹灰。 (3) 采取严格的环保工艺，排放物优于国家标准 本锅炉采取布袋除尘器进行除尘，烟尘的排放量 小于 50 mg/m3，远低于国家环保标准的200 mg/m3， 而且没有废水产生。由于采用循环流化床燃烧技术， NOx 的排放比较小。 (4) 燃烧产生灰可以制肥 Open Access 118  燃烟梗卧式循环流化床蒸汽锅炉 BOT 运作模式 Open Access 11 9 烟梗的灰中碱金属含量高，K2O的含量达到了 38.72%，可以利用烟梗灰制造钾肥，真正做到循环利用。 锅炉本体、给水系统、烟风系统、烟气净化系统、自 动控制系统等。图3是燃烧系统图，从前到后依次为 给料系统、锅炉本体、除尘器和烟囱等。图3中的所 有关键设备均为技术方提供，降低了系统技术整合的 风险。 4.2. 锅炉设计特点和参数 北京热华能源科技有限公司作为BOT的实施方， 采用清华大学的发明专利-卧式循环流化床锅炉与湖 南烟叶复烤有限公司进行合作，建设一套 15 t/h燃烟 梗的卧式循环流化床锅炉系统。 5. 商业模式实施 由北京热华能源科技有限公司出资，采取能源托 管方式(BOT)投资、建设和运营烟梗处理项目，一方 面为湖南烟叶复烤有限公司免费无害化处理烟梗，另 一方面为企业提供蒸汽，从运营中获益。 锅炉的主要技术参数如下： 锅炉型式：卧式循环流化床锅炉 锅炉出力：15 t/h 蒸汽压力：1.25 MPa 5.1. 烟叶复烤企业实施 BOT 的益处 蒸汽温度：193.3℃(饱和) (1) 烟叶复烤企业不承担技术风险和资金风险。 烟梗处理一直是烟叶复烤企业的难题，有不少企业尝 试过各种处理方式，但均没有取得成功。卧式循环流 化床烟梗锅炉是一项全新的技术，采取 BOT模式， 烟叶复烤企业不承担任何技术风险和投资风险，也不 会对现有的生产造成不利的影响。 热效率：≥85% 设计燃料：烟梗处理量：每年10,000 吨 烟梗热值：2351 kcal/kg 炉膛结构：膜式壁 NOx 治理：低温分级燃烧 除尘方式：布袋除尘器 (2) 符合专业化分工方式，由于保持锅炉运行的 稳定。热华公司是专业的锅炉技术开发和锅炉运行公 司，在锅炉运行上具有成熟的经验，有专业维修保养 队伍，锅炉故障的处理速度快。采取BOT 模式，会 降低锅炉运行的故障率，缩短锅炉故障处理的时间， 排放指标：达到国家 GB13271-2001《锅炉大气 污染物排放标准》 4.3. 燃烧系统 BOT范围内的整套工艺系统包括燃料给入系统、 Figure 3. Diagram of combustion system 图3. 燃烧系统图  燃烟梗卧式循环流化床蒸汽锅炉 BOT 运作模式 有利于保证企业的正常生产。 (3) 有利于项目的快速实施，烟草行业的投资有 着严格的要求和审批程序，项目的审批周期比较长。 在BOT模式下，由于不需要烟叶复烤企业不出资， 项目的审批流程简单，项目可以快速实施。 (4) 有利于降低企业的生产成本。在 BOT 模式下， 由于专业化经营和严格的管理，其运行成本要低于企 业自行运行的成本，同时，锅炉环保排放责任和年检 均有投资方承担。 5.2. 实施方式 资金来源：全部由北京热华投资投入。 项目建设内容：主要包括锅炉、进料系统、环保 系统、控制系统等设备购置、安装、调试等。 项目建设地点：在湖南烟叶复烤有限公司厂区 内，烟梗不出厂，保证烟梗处理的全过程都在业主的 监督范围内。项目建设用地由湖南烟叶复烤有限公司 免费提供。 运行及维护：全部由投资商负责。 蒸汽价格：保证锅炉的连续稳定运行，为业主的 生产提供可靠的蒸汽，蒸汽的价格为现有锅炉生产蒸 汽成本的 90%。 环保排放：采用先进的燃烧技术和布袋除尘器， 保证所有的排放指标优于国家标准。 运营期限：10年，运营期限满后，将无偿将所有 设备移交给业主，并保证设备完好、运行状态良好。 在建设期和运行期业主须承担如下责任： 1) 免费提供项目建设用地； 2) 保证烟梗等废弃物的供应； 3) 每年保证最低用汽量。 针对不同的烟厂，烟梗产量和需要的蒸汽量会略 有不同，表1给出了锅炉容量与锅炉热效率、烟梗消 耗量的关系。在具体实施时，可以以需要蒸汽量定锅 炉容量或者以烟梗产量确定锅炉容量。例如，1) 以蒸 汽定锅炉容量，如果需要30 t/h蒸汽，那么可以安装 2台15 t/h的锅炉，运行时如果烟梗量不够则可以以 煤或其他生物质补充燃料，如果烟梗盈余，则需要以 其他方式处理烟梗。2) 以烟梗产量定锅炉容量，如果 平均日产烟梗130 t/d，这时可安装1台20 t/h或者2 10 t/h 锅炉(优先推荐2台10 t/h 锅炉，便于检修)。 台 Table 1. Project construction scale 表1. 项目建设规模 锅炉出力 t/h 4 8 10 15 20 锅炉热效率% 85 86 87 89 89 烟梗耗量 t/h 1.16 2.29 2.83 4.15 5.54 烟梗耗量 t/d 27.8455.03 68.00 99.71 132.95 此时，如果需要蒸汽量大于20 t/h，则需要额外的燃 煤锅炉补充或者扩大燃烟梗锅炉的容量，如果需要蒸 汽量小于 20 t/h，则要寻找蒸汽的其他用途。 6. 结论 湖南烟叶复烤有限公司采用清华大学、北京热华 能源有限公司的燃烟梗卧式循环流化床锅炉，以 BOT 和能源托管模式委托北京热华能源公司建设该锅炉 系统。通过 BOT 模式有效降低了采用新技术的风险。 本文的商业模式，可供相关企业和工程公司参考。 参考文献 (References) [1] 崔志军, 孟庆洪, 刘敏, 等 (2010) 烟草秸梗气化替代煤炭烘 烤烟叶研究初报. 中国烟草科学 , 3, 70-72. [2] 李黎, 李清海, 蒙爱红, 等 (2011) 烟杆热解固体产物性质及 其影响因素研究. 可再生能源 , 6, 106-108. [3] Zhang, Y.-G., Li, Q.-H., et al. (2006) Experiment and design on agricultural waste fired CFBB. Journal of Solid Waste Techno- logy and Management, International Conference. [4] 蒙爱红, 李清海, 张衍国, 等 (2008) 塑料和生物质在循环床 内燃烧特性的实验研究. 清华大学学报 , 5, 828-831. [5] 李清海, 张衍国, 等 (2006) 燃用玉米芯的循环流化床锅炉 热风系统研究与设计. 锅炉技术 , 4, 35-39. [6] 张衍国, 李清海, 等 (2005) 燃用生物质的循环流化床热风 系统结构与运行. 节能技术 , 4, 291-294. [7] Li, Q.H. Zhang, Y.G., Meng, A.H., et al. 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