燃煤工业锅炉节能技术的应用

燃煤工业锅炉节能技术的应用

中国的能源结构主要是煤炭。大型国有砖炉消耗大量煤炭，也是主要的煤炭通道污染。我国目前在用燃煤工业锅炉约47万余台,每年消耗标准煤约4亿吨,约占我国煤炭消耗总量的四分之一,燃煤工业锅炉平均运行效率仅65%左右,比国际先进水平低15%~20%,为此,国家“节能中长期专项规划”将燃煤工业锅炉列入“十一五”十大节能重点工程之首。燃煤工业锅炉节能一方面要从综合治理角度考虑;另一方面要结合中国的国情,开发适合中国煤种、炉型和运行条件的实用新型节能技术,同时提供可选择的多种优化实施方案,才能因地制宜地推广应用节能技术。1在用工业锅的现状及分析中1.1燃料锅炉1锅炉容量及负荷变化长期以来,工业锅炉运行存在“大马拉小车”现象,大多数锅炉处于低负荷运行状态,一方面是由于设计院和用户在选用锅炉时,考虑到今后的发展需要等因素,所选锅炉的容量及台数往往超过实际需求量很多;另一方面,锅炉实际运行中负荷常随用汽、用热负荷变化在较大范围内波动,造成很多锅炉长期在低负荷下运行。我国工业锅炉一般平均负荷率在50%~70%之间,实际运行效率往往要比鉴定热效率低10~15个百分点,结果造成一次能源的浪费。2燃用煤种对煤种的适应性差我国工业锅炉所使用的煤主要是烟煤、无烟煤、贫煤等,不同地区供应的燃煤煤质相差较大,有些地区工业锅炉使用的煤种也经常发生变化。我国的燃煤工业锅炉以层燃锅炉为主,而层燃锅炉对煤种的适应性较差,因为该类锅炉在设计时其受热面的布置型式、面积大小、炉拱炉排配风装置的结构型式均按一定的设计煤种设计,所以,当燃用煤种发生变化时,它的燃烧情况必然会变化,一般是变得更差些。此外,供应的煤种经常变化,也使锅炉运行、管理人员无法掌握煤质情况,摸不清运行规律,无法采取有针对性的措施。这样既降低了锅炉运行热效率,也增加了锅炉污染物排放。3设计不合理,造成灰渣含碳量增加在我国绝大多数锅炉制造企业一般只注重锅炉本体设计,对燃烧设备并不多加研究,燃烧设备通常交给所谓的专业配套厂配套生产,而专业配套厂通常只是来图加工,缺少研发能力。所配用的燃烧设备有些设计的结构不够合理、先进、有些制造质量粗糙(如炉排片铸造)、有些装配间隙较大,实际运行中容易跑偏,受热后易变形、断裂,造成炉排漏煤、火口、漏风等,这样必然造成灰渣含碳量增加;炉排风室间不能密封,各风室互相串风,风量调节性能差,炉排与侧墙间漏风严重,锅炉横向风压分布不均衡,严重影响炉内正常燃烧,影响锅炉运行效率。4锅炉经济运行参数显示缺乏显示锅炉经济运行参数的仪表目前燃煤工业锅炉控制水平较低,且多为位式或PID控制,不能根据外界变化调节锅炉运行状态,缺少显示锅炉经济运行参数的仪表。运行人员在调整时,往往由于缺少数据,不能对锅炉的运行状况随时做出准确判断,无法在锅炉的燃烧及运行工况变化时,实行相应的运行调整,使锅炉处于最佳工况运行。5锅炉水处理设备现况按照GB1576《工业锅炉水质》标准规定,蒸汽锅炉承压热水锅炉的给水应采用锅外化学处理,也就是要安装水处理设备对锅炉给水进行处理。目前,很大一部分工业锅炉没有使用水处理设备,就是已配置的水处理设备其实际利用率也不足70%,况且许多使用的水处理设备,并未起到应有作用,尤其是地处边远地区和乡镇地区的工业锅炉,既未安装水处理设备,也未采用锅内加药处理方式。锅炉水质不达标,导致锅炉结垢,既影响锅炉受热面传热,增加热阻,又危及锅炉的安全运行。6锅炉负荷运行状态不合理许多锅炉的鼓、引风机和给水泵、循环水泵配套偏大。即使辅机是按锅炉额定容量配置的,由于当前锅炉多数处于低负荷运行状态,辅机不能在高效率区域运行,设备处于高消耗、低输出的运行状态,使锅炉的自身能耗(电)比例增加,造成较大的能源浪费。1.2全国在用工业燃油气锅炉数量随着环保要求的提高和能源供应的逐渐多样化,在用工业锅炉中燃油(气)锅炉的比例逐年上升。根据中国电器工业协会工业锅炉分会历年生产统计、国家质检总局特种设备局对进口油气锅炉统计以及对国内合资、独资企业历年生产燃油(气)锅炉的推算,全国在用工业燃油(气)锅炉约5万台、7万MW,分别占在用总量的10%和5.5%。燃油气锅炉目前存在的主要问题是排烟温度过高,造成大量可利用热能的浪费。1.3缺乏对锅炉全面系统的技术培训目前,我国的工业锅炉司炉人员平均技术素质普遍较低。大部分工业锅炉运行人员仍缺少对锅炉全面系统的技术学习和培训,尤其缺乏实际操作技能的培训,对锅炉基础知识、操作运行知识、维护保养知识缺乏全面的了解和掌握,使锅炉难以在较佳经济参数下运行,从而大大限制锅炉设备性能水平的充分发挥。2行业常用的节能技术2.1燃烧过程机理分层燃烧实质上就是通过一个固定形态的“筛子”将不同粒径的原煤颗粒分开使燃烧得以良好组织的过程:颗粒大的分布在炉排的底部作为基层,小颗粒则分布在基层的上部。通过分层布料不仅使风阻显著减小、改善气流分布、提高面积热强度和炉膛温度,同时可以使漏煤带出(热)损失明显下降。2.2强化炉拱传热双人字形宽煤种节能炉拱设计理论,其设计遵循“再辐射”传热原理即炉拱先吸收高温火焰的辐射热量,使本身具有很高的温度,然后再以漫辐射的形式将热量向四面八方辐射出去。所以,强化炉拱传热的根本途径是提高拱区温度。双人字形节能炉拱由人字形前拱和人字形后拱组成。2.3汽利用供热的能耗“冷凝水闭式回收装置”,它的作用就是避免热能的无谓流失。在普通工业锅炉中,蒸汽经过管道至用热设备,真正被吸收的热能只有75%,而剩余的25%热能仍留在冷凝水中,如果不加以回收利用,就至少会损失20%左右的能源。冷凝水闭式回收装置可以将用汽系统产生的大量高温凝结水通过本装置及管道系统直接送入锅炉形成闭式循环系统。2.4锅炉出力波动大,锅炉出力一般在410蓄热器是一种平衡用汽负荷波动的设备,有了蓄热器以后,用汽负荷(用汽量)的波动主要由蓄热器来承担,而锅炉就可以以稳定的出力(产气量)运行,一般在4~8小时之内可以以不变的出力运行。这样,锅炉运行中的过量空气系数就可以优化,也不会发生跑红火等现象,锅炉的热效率就可以显著提高。2.5锅水溶解固结在线控制锅炉排污排放的是锅炉运行压力下的饱和热水,自动排污是通过仪器定时取样控制锅水溶解固形物浓度,当锅水溶解固形物浓度超过GB1576《工业锅炉水质》标准中规定浓度时,自动排放锅水,实现锅水溶解固形物浓度的在线控制。因为取样频度高,锅水溶解固形物浓度波幅小,排污率比人工控制减少4%~5%。3节能技术与标准的分近几年,在广大锅炉科技人员和节能工作者的努力下,工业锅炉在节能新技术、新产品方面取得了一些成果,但主要还是以产品改造为主,没有针对整个锅炉供热系统的节能改造进行系统集成和技术优化,同时由于缺乏必要的政策支持,总体推广力度不大。上海工业锅炉研究所在总结现有节能技术的基础上,对工业锅炉现有设备和技术(如燃煤炉拱、炉排、自控设备、蓄热器、换热器等)进行分析,评估各项技术的实用性与经济性以及系统节能潜力,提出节能集成技术以及相应的优化系统,同时结合有关研究应用成果,在考虑锅炉本身节能特别是燃烧节能的同时兼顾供热系统节能改造,并以控制技术作为各项节能技术应用的平台,形成适用的工业锅炉及蒸汽系统节能实施方案,加以节能改造示范,并在实施后,对节能实施方案进行科学评估并验证。对每一个工业锅炉节能改造工程(无论示范与否),我们均按下列步骤开展工作:选点(或接受用户委托)——测试——评价——方案制定——技术交底——方案实施——过程质量检验——总体验收——能效评定。3.1燃料工业设备的节能改造3.1.1技术方法锅炉燃烧节能+蓄热器+控制系统(包括专家咨询和培训系统)3.1.2技术方案1控制系统研究工业锅炉燃烧是一个复杂的时变动态过程,具有很强的非线性、紧耦合、大滞后、强干扰,传统的控制方法很难达到理想的锅炉运行热效率。燃煤锅我们的燃烧控制技术是在深入研究现有链条锅炉燃烧特点的基础上利用数值模拟的方法,采用模糊控制和专家系统相结合的先进控制技术(优化燃烧控制系统框图见图2):(1)通过试验和数值模拟相结合,提出复合式新型节能炉拱、分层煤斗和炉排配风方式合理组合的高效燃烧模式;(2)研究鼓引风系统和蒸汽管网系统的系统节能技术和装置,通过优化计算流量分配、燃煤工业锅炉之间的负荷平衡,形成系统节能技术和装置优化配置的设计方案;(3)利用计算机对锅炉运行过程进行自动控制,可以对送风量、引风量、燃料量、水位等进行自动调节;并能对送风量、炉膛负压、锅筒水位、蒸汽压力、蒸汽流量、烟气含氧量、给水温度、给水量、排污量、炉膛温度、空气预热器前后烟气温度、热风温度、省煤器前后烟气温度等进行自动检测与分析处理,通过提高燃烧系统的经济燃烧指标,来对锅炉燃烧过程进行最有效的控制。具体包括下列控制软件:①自动给煤控制软件;②风煤比再现优化软件;③多台锅炉负荷自动分配软件。2蓄热器内热量的影响工作原理见图3。从图3可以看出:(1)当供汽量大于用汽量时,多余蒸汽进入蓄热器,水被加热成为饱和水,储存多余的热量;(2)当供汽量小于用汽量时,蓄热器内压力下降,饱和水变成过热水,发出蒸汽,流向供汽管网。当然蓄热器的工作压力是变化的。发挥蓄热器效果的关键在于充分、合理利用允许的变压范围。蓄热器内能量的储存和释放取决于蓄热器的压力。蓄热器的压力控制要与燃烧控制系统联动,在负荷急剧变化时,保证锅炉工况平缓变化,有利于节能减排。3.2燃料气行业的节能改造3.2.1技术方法锅炉燃烧节能+蓄热器+控制系统+烟气余热回收3.2.2烟气冷凝器节能器1)锅炉燃烧节能主要是根据气候变化对燃烧器进行合理调整。2)蓄热器使用原理基本与燃煤锅炉相同。3)烟气余热回收:燃油燃气锅炉由于热效率高、自动化程度高、污染物排放低,在大中城市得以越来越多地发展,但是燃油燃气锅炉的排烟温度很高,浪费了大量的热能。为了充分利用燃料,我们通过大量的冷凝凝结试验,掌握了烟气冷凝与受热面内介质温度的关系,以及烟气温度、介质温度与冷凝量的关系,研制成了可以控制冷凝和非冷凝界限、具有自动调节功能的锅炉尾部冷凝节能器,并申请了专利。这种节能器根据不同的烟气温度进行自动调节,最大限度地提高锅炉的换热效果,提高锅炉的效率。3.3工业设备炉的质量改进1锅炉水处理的药剂和配方工业锅炉给水的品质直接影响锅炉的性能,绝大多数的工业锅炉在使用中只做简单处理(钠离子交换),锅炉给水在加热过程中会发生热分解、热浓缩以及损害锅炉金属的多种化学反应,有时甚至危害锅炉的安全与寿命。我们采用先进的配方,开发了一种具有阻垢、缓蚀类化学成分的新型锅内水处理药剂产品,能显著改善给水水质,调整锅炉水的PH值,有效预防锅炉腐蚀和结垢。该产品主要特点:使用简单、节能降耗、阻垢缓蚀效果好、安全无毒。2锅水溶解固结在线控制在做好改善锅炉水质、开发新型锅炉水处理产品的同时,我们积极做好锅炉排污水的余热利用,研发了自动排污热能回收装置,通过仪器定时取样控制锅水溶解固形物浓度,当锅水溶解固形物浓度超过GB1576《工业锅炉水质》标准中规定浓度时,自动排放锅水,实现锅水溶解固形物浓度的在线控制。因为取样频度高,仪器自动检测控制同一安全浓度,锅水溶解固形物浓度波幅小,排污率比人工控制减少4%~5%,排污水的热能回收利用率为85%~90%,减少了燃料消耗。4综合重建工程的案例4.1燃煤锅炉及蒸汽系统节能技术改造上海中远化工有限公司锅炉房有4台20t/h燃煤锅炉,由于燃煤锅炉漏风状况严重,燃烧状态不佳、用汽负荷波动而导致锅炉燃烧效率低下。我所与上海交通大学合作对其燃煤锅炉及蒸汽系统进行了节能技术改造。改造项目有:锅炉配风优化、双人字型炉拱、50m3蓄热器供热系统、锅炉燃烧优化控制系统、鼓引风机和给水泵变频控制,改造后综合节能率大于10个百分点,使工厂的节能减排工作取得了明显的成效。4.2燃煤锅炉掺冷凝器换热器改造方案上海中山医院锅炉房有2台10t/h、1台6t/h燃气锅炉,锅炉排烟温度190~210℃。我们经过详尽的技术、经济分析后提出:在燃气锅炉尾部加装冷凝换热器的节能方案并实施了改造工程。目前,燃气锅炉及冷凝换热器运行状况正常,锅炉的排烟温度降低到60~65℃,烟气中回收的热量非常可观,锅炉效率提高了约8个百分点。一台10t/h燃气炉每年可节约燃气费约50万元。4.3酒店冷凝水回收利用原有网络上海浦东假日酒店有1t/h蒸汽锅炉一台,主要供洗衣房用。根据该酒店平烫机的使用时间及酒店用热时间分布情况,充分利用酒店原有设备和供热系统,加装换热设备,并对原有管路系统作了一定的改造,冷凝水回收的热量加热生活热水。改造后每天可回收约3000kW热量,一年365天则回收1095000kW热量,按原使用的电热锅炉热效率为97%,每kWh电0.62元计算,则该酒店每年节约电费70万元,当年收回投资。4.4锅炉燃烧控制系统的优化改造我们通过对上海电机厂有限公司在用锅炉的测试、蒸汽系统现场调研以及相关能耗数据的研究分析后,提出了有针对性的电机厂第一阶段节能改造方案:20t/h燃煤链条炉排锅炉燃烧控制优化改造。该锅炉型号DLZ20-1.6-AⅢ,2005年投入使用。