Transcript 水煤浆锅炉的能效分析
水煤浆锅炉的能效分析 Analysis of Energy Efficiency of CWS-fired Boiler 集 美 大 学 广州天鹿锅炉厂 2010. 俞建洪 席代国 0 前言 水煤浆在锅炉和工业炉窑应用现状 燃料低位发热量是计算锅炉热效率依据，因此 必须单独计算燃料水份对锅炉能效的影响。 水煤浆锅炉的能效包括磨煤电耗、燃料中水份 带走的热损失、锅炉运行热效率和锅炉运行电 耗等4个部分。 水煤浆炉与链条炉和煤粉炉进行能效 比较的前提 1）同一种燃料。即指燃烧某种水煤浆的锅炉 与燃烧该水煤浆原料煤的链条炉及煤粉炉进 行比较。如表1采用大同原煤及以该原煤研 磨的大同水煤浆 。 表 1 大同原煤及以该原煤研磨的大同水煤浆部分煤质分析 水份 M ar / % 低位发热量 大同 原煤 大同水煤浆 燃 料 Q net.ar / Mj kg-1 挥发份 V daf / % 灰份 A ar / % 9.8 25.56 29.6 11.37 35 18.03 29.8 5.12 资料来自国家水煤浆中心，见文献［3］. 2）电耗对能效影响的计算方法 ： 磨煤电耗和运行电耗均分别折算到 磨制1kg水煤浆的电耗和输送1kg水煤浆 进炉膛燃烧的电耗。这些电耗对应的热 量占水煤浆低位发热量对百分比即是对 能效影响值。 1 水煤浆炉与链条炉的能效比较 1.1燃料水份对水煤浆炉与链条炉能效的影响 燃料中水份在炉膛被加热至沸点，接着就 汽化并把汽化后的水蒸气过热到锅炉排烟温度 后排出炉外，这3个过程带走的总热量按文献 [1]进行计算（这里略去燃料中氢气燃烧后生成 水蒸气的影响），计算结果列入表2。 表 2 水份带走热量占该燃料低位发热量 Qnet.ar 的百分比 炉 型 所用 燃料 链 条 炉 水煤浆炉 燃料所含 1kg 燃料中水份带 燃料低位发热量 Q Q net.ar / Mj kg-1 Q net.ar 水份 走的热量 M ar / % Q /kj kg-1 9.8 Q=2500*9.8%=245 25.56 0.959 35 Q=2500* 35%=875 18.03 4.853 /% 大同 原煤 大同 水煤浆 结论：由于水分影响，燃烧大同水煤浆的锅炉比燃烧大同 原煤的链条炉在能效上要低 3.894%。 1.2 磨煤电耗对两种锅炉能效的影响 表 3 国内外几家水煤浆厂生产 1 吨浆的电耗（65%浓度） 厂 名 吨浆电耗/ kWh/t 兖 日 八 一 日 本 63 35 40 大 同 一 50 取平均值 42.75kWh/t 来计算（见表 4）。 大 同 二 46 表 4 磨煤电耗折算的热量 Q1 及其占 Qnet.ar 的百分比 炉 型 水煤浆 链条炉 磨煤 折算成 1kg 浆所需 标煤耗换算成对应的 Q1 电耗 的供电标煤耗 G1 热量 Q1 Q net.ar kWh/t g/kg kj/kg % 42.75 0 G1=42.75/1000*374 Q1=15.99/1000*7000*4.184 =15.99 0 =468.3 0 2.60 0 结论：由于磨煤电耗，水煤浆炉能效比链条炉要低 2.60%。 1.3水煤浆炉和链条炉运行电耗比较 1.3.1 水煤浆炉新增用电设备 表5 容量6t/h水煤浆炉新增用电设备及所配置电机功率 新增设 螺杆式 供浆螺 输浆螺 带搅拌 输油 备名称 空压机 杆泵 杆泵 日用浆罐 齿轮泵 电功率 / 22 3 7.5 2.2 1.5 kW 在线过 滤器 0.75 新增设备总电功率为 36.95 kW，这还没有计入引风机因改用多 管加布袋两级除尘而增加的电功率。 1.3.2水煤浆锅炉运行中产生的飞灰量对引 风机电耗和环境的影响 尽管水煤浆中含灰量很低，但燃料中大约 90%灰分经锅炉尾部排到炉外。按表1提供的 大同煤和大同浆的含灰量可估算出飞灰量，其 结果列在表6中。由于在链条炉中，燃料中仅 约10%灰分经锅炉尾部排到炉外。因此，水煤 浆炉原始烟尘排放浓度大大超过链条炉。 表6 炉 型 水煤浆 炉 链条炉 以大同煤和大同浆的含灰量计算的飞灰量 燃 料 燃料含灰量 飞灰份额 % % 5.12 90 1kg 燃料 与链条炉比较， 飞灰量 水煤浆炉飞灰 kg 量增大的倍数 大同 水煤浆 0.0461 4.04 大同 原煤 11.37 10 0.0114 为了稳定达到一类地区低于环保新标准100mg/Nm3 的要求，不得不采用多管加布袋两级除尘。由于布袋除 尘器的阻力在1200~1500 Pa，比通常采用多管加水膜两 级除尘增加阻力约600 Pa，这导致引风机运行电耗增加 15 kWh（6t/h炉）。 水煤浆炉1小时新增电耗36.95+15=51.95 kWh 对一台6t/h水煤浆炉，与同容量链条炉相比（扣除 不需要拖动炉排的电机功率2 kW），水煤浆炉运行1小 时增加电耗就是47.95 kWh。考虑部分新增设备属间断 运行等因素，新增电耗取38.36kWh。这样，以一台6t/h 水煤浆炉1小时约燃烧1.050 t水煤浆计算，燃烧1t浆新 增电耗是36.53 kWh 。 表 7 水煤浆炉运行新增电耗折算的热量 Q2 及其占燃料低位发热量 Q net.ar 的百分比 炉 型 新增电耗 kWh/t 水煤浆 炉 36.53 折算成燃烧 1kg 浆的 供电标煤耗 G2 g 该标煤耗对应的热量 Q2 kJ/kg G2 =36.53*374/1000 Q2=13.66/1000*7000*4.184 =13.66 =400.2 Q2 Qnet.ar % 2.22 结论：由于运行电耗增加，水煤浆炉能效比链条炉要低 2.22%。 1.4水煤浆炉和链条炉运行热效率分析比较 链条炉运行热效率比水煤浆炉低。 比较定性的。为了简化，从反平衡角度进行分析。即 略去化学不完全热损失、散热损失和灰渣热损失的影 响。导致链条炉比水煤浆炉运行热效率低的主要原因 是机械不完全热损失和排烟热损失。深入分析可知， 炉渣含碳量高、过量空气系数大分别是链条炉这两大 热损失超过水煤浆炉的关键原因。 炉渣含碳量高的原因分析 我国工业锅炉设计煤种是Ⅱ类烟煤，其灰分和挥发份 比大同原煤或Ⅱ级水煤浆的原料煤差很多（表8）这 是影响燃尽的主要因素。 燃料灰分对炉渣含碳量影响很大，从表8可算得：Ⅱ 类烟煤的灰份是大同原煤的2.14 ~ 3.42倍，灰份高容 易使煤在燃烧过程出现裹灰，碳被氧化的速度减慢， 来不及燃尽就落入渣斗，使炉渣含碳量增高。此外， 常用Ⅱ类烟煤挥发份也比大同原煤或Ⅱ级水煤浆的原 料煤偏低，这也影响燃尽。 表8 Ⅱ类烟煤和大同原煤的主要煤质特 性 燃 料 灰 份 A ar / % 低位发热量 Q net.ar / Mj kg-1 大 同 原 煤 11.37 Ⅱ 类 烟 煤 25 ~ 40 15.50 ~ 19.70 25.56 挥 发 份 水 V daf / % 29.6 ≥20 份 M ar / % 9.8 7 ~ 15 链条炉炉膛过量空气系数偏大的原因分析： 链条炉排上燃料是分阶段的层状燃烧，尽管采用相应 的分段送风等措施，但因燃料变化和炉排侧密封不可能严 密，为了防止局部缺氧，仍然必须选择比水煤浆炉偏大的 过量空气系数。其次炉门和渣斗的漏风。通常炉膛出口的 ≥1.4。 水煤浆炉与煤粉炉一样属悬浮燃烧，煤粉与空气混合 较好；此外，炉膛密封也相对好。通常炉膛出口≈1.25。 基于上述分析链条炉比同一原料煤的水煤浆炉 运行热效率大约低2-3%。 综上所述，在水煤浆炉和链条炉能效比较中， 因水煤浆水份、磨煤电耗及运行电耗对水煤浆炉能 效产生影响为 -8.714%；而运行热效率对水煤浆炉 能效影响为 +2 ~ 3%。因此，水煤浆炉能效比燃烧 制浆原料煤的链条炉大约低5~7%。 2水煤浆炉和煤粉炉的能效比较 2.1水煤浆炉和煤粉炉磨煤电耗和运行热效率可 认为基本相同。 2.2由于运行电耗增加，水煤浆锅炉能效比煤粉 炉低，这里仅取1%。 2.3水分对水煤浆锅炉能效的负面影响3.894%。 表9 水煤浆炉和煤粉炉能效比较 水份带走热量 炉 型 磨煤 (同链条炉， 锅炉运行 运行增加电耗 电耗 按表 2) 热效率 (低于链条炉) 比较结果 比较结果 水煤浆炉 基 本 水煤浆炉比煤粉 煤 粉 炉 相 同 炉低 3.894 % 水煤浆炉略低 水煤浆炉比煤 水煤浆炉比 于煤粉炉，这 粉炉低， 煤粉炉低 里按相同处理 这里取 1% 4.894 % 结论：水煤浆炉比煤粉炉低 4.894 % 3.结论与建议 3.1由于单位热量（如1MJ）的水煤浆价仅 为重油价的二分之一；因此不管哪种容 量的锅炉，只要用水煤浆替代原先的重 油燃烧，由于燃料费用显著下降，故都 能取得明显的经济效益。此外，水煤浆 在能源安全方面有其重要意义。 3.2 与燃烧制浆原料煤的链条炉相比， 水煤浆炉运行热效率高于链条炉2~3 %， 但因水煤浆磨煤电耗和水份带走热量以及 运行增加的电耗等因素的影响，其总能效 比燃烧制浆原料煤的链条炉要低5~7% 。 对于燃烧含水含灰相对多的Ⅱ、Ⅲ级水煤 浆锅炉，其能效还会更低。 3.3 与煤粉炉相比，尽管两种炉型的磨 煤电耗和运行热效率基本相同，但因水 煤浆35 %的水份要带走大量的热量，即 低3.894 %；且水煤浆炉运行电耗与采 用气力输送燃烧的煤粉炉相比，其电耗 仍然比较大，这里仅定性地取其对能效 影响值为 -1%。则水煤浆锅炉的能效要 比燃烧制浆原料煤的煤粉炉低4.894 %。 3.4 对洗煤场泥煤制成的水煤浆或飞灰 水煤浆（如用福建某坑口电厂除尘器下 飞灰脱碳工艺过程形成的水煤浆）。由 于不存在（或仅存在很低的）磨煤电耗， 且所含的水份大多是本身固有的，干燥 后利用也需要热源，对这些资源可回收 利用的水煤浆，单独燃烧有困难，可注 入流化床锅炉燃烧，其可燃质利用和能 效都能有效提高。应在矿区大力提倡。 这方面国内外有很成功的经验。 3.4 对洗煤场泥煤制成的水煤浆或飞灰水 煤浆（如用福建坑口电厂除尘器下飞灰 脱碳工艺过程形成的水煤浆）。由于不 存在（或仅存在很低的）磨煤电耗，且 所含的水份大多是本身固有的，干燥后 利用也需要热源，对这些资源可回收利 用的水煤浆，单独燃烧有困难，可注入 流化床锅炉燃烧，其可燃质利用和能效 都能有效提高。应在矿区大力提倡。这 方面国内外有很成功的经验。 3.5 水煤浆是低灰优质烟煤研磨而成， 按水煤浆技术条件和测定方法（GB/T 18855-2002），水煤浆被划分为三个等 级，其对应含灰量分别为＜6%、6~8%、 8~10%。但因燃料灰份大约有90 %以 飞灰形式飞出锅炉，因此，水煤浆在工 业锅炉上燃烧，该属于多飞灰的燃料。 锅炉原始烟尘排放浓度大，必须考虑有 效的除尘设备才能稳定达标。 3.6 我国浮选洗煤企业，应当借鉴欧美办法， 将一部分3~40mm粗颗粒精煤供链条炉燃 烧，这样，不仅该链条炉可达到与水煤浆 炉相近的运行热效率，而且其能效比燃烧 精煤水煤浆锅炉也要高 7~8%。此外，链 条炉的原始烟尘排放浓度也更低，使用通 常除尘器便可达标。 参考文献 [1] 陈学俊，陈听宽. 锅炉原理. 机械工业出版社. 1991. [2] 国标. 水煤浆的技术要求和测量方法. GB/T188552002. [3] 贾传凯.水煤浆水份对锅炉燃烧的影响. 工业锅炉， 2008（6）. [4] 成预林，季云金，徐永前. 水煤浆锅炉应用与系统设计. 工业锅炉，2008（6）. [5] 祝平. 不要走入水煤浆误区. 中国能源， 2002（4）. [6] 刘威林，赵光宇. 使用大同原煤生产水煤浆的意义及生 产中需要注意的几个问题. 水煤浆技术研究应用论文集， 2001年3月. [7] 王受路，张荣曾. 水煤浆专用磨机研究与设计. 水煤浆 技术研究应用论文集， 2001年3月. [8] 王受路等. 精细水煤浆的超细粉碎技术与设备. 水煤浆 技术研究应用论文集， 2001年3月. [9] 国标. 锅炉大气污染物排放标准 GB13271-2001. 谢 谢 大 家！