电蓄热蒸汽锅炉技术及其经济性分析

宋鹏飞，李科豪，徐桂芝，翁立奎，蔡林海

（1.江苏金合能源科技有限公司，江苏 镇江 212400；2.全球能源互联网研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

近几年因为大气环境问题引起了国家重视，国家和各地方政府纷纷出台了大量的政策文件，“煤改电”成为了当下的热门，电蓄热蒸汽锅炉正是“煤改电”政策孕育出来的新产品，主要用来替代被逐步淘汰的燃煤锅炉，满足燃煤锅炉被取缔之后工业企业生产用蒸汽的需求[1]。

在清洁供热领域，成熟技术较多，主要包括：热电联产供热、燃气锅炉供热、生物质锅炉供热、固体蓄热电锅炉供热、熔盐蓄热电锅炉供热、相变蓄热电锅炉供热、电极锅炉供热、电极锅炉+水蓄热供热、电阻锅炉供热、热泵技术供热、电热膜技术供热、发热电缆供热、碳晶技术供热等等[2-4]。当工业企业用能形式为蒸汽时，则大量清洁供热技术无法使用，加上环保要求限制，目前主流的蒸汽供应技术主要包括：电直热蒸汽锅炉、电蓄热蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉、燃油蒸汽锅炉、生物质蒸汽锅炉等[5]。本文将针对电蓄热蒸汽锅炉技术及其应用场景下的经济性进行分析，并就其经济性和电直热蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉两种技术进行对比分析。

1 清洁供蒸汽的主要技术

目前应用较为广泛的用来替代燃煤蒸汽锅炉的技术，主要包括电蓄热蒸汽锅炉、电直热蒸汽锅炉、燃气蒸汽锅炉等，其中电蓄热蒸汽锅炉根据蓄热方式不同，可以分为熔盐蓄热、固体蓄热、相变蓄热等几种路线，本文主要针对基于相变蓄热技术的蒸汽锅炉进行分析。表1对这几种蒸汽锅炉技术进行了对比，从表格中对比可以看出，各类技术均有优缺点，具体需要根据使用地的资源条件、电价政策、燃气价格、项目规模、环保政策等具体分析后进行选择[6-7]。

表1 几类蒸汽锅炉的技术对比

2 电蓄热蒸汽锅炉技术

电蓄热蒸汽锅炉是一种蓄热供蒸汽设备，其主要利用廉价的谷电制热，在保证蒸汽供应的同时将部分热量存储在储热材料中，并在非谷电期间利用所存储的热量进行连续供蒸汽，其原理示意图如图1所示[8]。

图1 蓄热式电锅炉产蒸汽系统图

储热阶段，开启电加热元件和循环风机，蓄热式电锅炉利用低谷电将电加热元件的电能转换为热能，经过循环风机增压的空气与电加热元件换热升温，其中一部分热量通过对流传热和辐射传热给复合相变储热模块，另一部分热量传递给蒸汽发生器内的水，从而产生蒸汽，经过汽包内的汽水分离器进行汽水分离后外供；通过蒸汽发生器后的风温大幅度降低，再经过循环风机进行增压后继续循环；同时，软化水通过水泵加压打入汽包，保证汽包液位在设定范围内[9]。

放热阶段，关闭电加热元件，循环风机持续运转，循环回来的空气吸收复合相变储热模块的热量后，流经蒸汽发生器，将热量传递给蒸汽发生器内的水，产生蒸汽外供。

3 应用案例及经济性分析

本文以江苏省南京市某工业园区一家生产企业为例，蒸汽需求量为10t/h，24小时连续稳定供汽，蒸汽要求为0.5MPa饱和蒸汽，供水温度为5℃，年运行350天。

经过计算，所需配置电蓄热蒸汽锅炉系统为25MW，投资需约3500万元，主要包括电蓄热蒸汽锅炉本体、高低压配电系统、控制系统、汽水辅助系统、锅炉房建设等。

系统主要技术及经济性数据见表2。

表2 南京某企业蓄热供蒸汽项目技术及经济性指标

4 与其他技术的经济性对比

4.1 电直热蒸汽锅炉经济测算

电直热蒸汽锅炉由于没有储热的功能，采用电加热实时加热产生蒸汽，其电费计算执行峰谷电价[15]，由于项目蒸汽需求稳定，电费计算采用24小时平均电价带入计算[17]（因当地尖峰电价执行与气温有关，暂不带入计算）。经计算，采用电直热蒸汽锅炉，系统年综合运行成本约为4970万元，折合单位蒸吨生产成本约为591.7元/t，电直热蒸汽锅炉全系统建设费用约为1100万元（不含电力增容费用）。

4.2 燃气蒸汽锅炉经济测算

燃气锅炉是目前工业锅炉常用的一种锅炉形式，其技术比较成熟，初期投资较低，10蒸吨燃气锅炉全套系统的总投资仅为约300万（不含燃气管道入户费用）。该项目所在园区的燃气价格为3.6元/m3，燃气锅炉系统热效率按照90%计算，则1立方米天然气有效热值为7.8kWh/m3（热值按照8400大卡/m3计算），计算得到系统燃气能源成本为2937万元，加上附属设备用电及其他费用，年综合运行费用约为3100万元，折合单位蒸吨生产成本约为369元/t[16]。

4.3 经济性能对比

假定系统投资运行总费用=初投资费用＋年运行成本×运行年限，则电蓄热蒸汽锅炉和两种技术的总费用对比见表3：

从表3可以看出，电蓄热蒸汽锅炉虽然初投资明显高于电直热蒸汽锅炉和燃气蒸汽锅炉。与电直热蒸汽锅炉相比其运行成本明显偏低，每年可节省运行费用约2570万元，运行1年即可收回投资差额，运行十年即可节省23300万元，其经济性极好。与燃气蒸汽锅炉相比其运行成本稍低，每年可节省运行费用约700万元，运行5年可收回投资差额，运行十年可节省3800万元，其经济性也有一定的优势。

表3 电蓄热蒸汽锅炉与两种技术投资运行总费用对比表

5 结语

通过对电蓄热蒸汽锅炉的经济性分析可知，其初期投资明显比电直热蒸汽锅炉和燃气蒸汽锅炉要高，但是以南京地区企业为例，其总体经济性明显比电直热蒸汽锅炉好得多，运行仅1年左右即回收投资差额，优势明显；与燃气蒸汽锅炉对比时，有一定的优势，但是其优势并没有相比电直热蒸汽锅炉大。

虽然目前蓄热式蒸汽锅炉在市场上的应用尚少，但随着天然气价格不断提高，限气问题日益突出，以及双碳目标带来的清洁能源发电装机规模越来越大，电能取代天然气进行工业蒸汽供应将成为趋势，本文通过三种技术的经济性对比分析，给工业企业在技术路线选择时提供了参考。