燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

中國的能源結(jié)構(gòu)主要是煤炭。大型國有磚爐消耗大量煤炭，也是主要的煤炭通道污染。我國目前在用燃煤工業(yè)鍋爐約47萬余臺,每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4億噸,約占我國煤炭消耗總量的四分之一,燃煤工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率僅65%左右,比國際先進(jìn)水平低15%~20%,為此,國家“節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃”將燃煤工業(yè)鍋爐列入“十一五”十大節(jié)能重點(diǎn)工程之首。燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能一方面要從綜合治理角度考慮;另一方面要結(jié)合中國的國情,開發(fā)適合中國煤種、爐型和運(yùn)行條件的實(shí)用新型節(jié)能技術(shù),同時提供可選擇的多種優(yōu)化實(shí)施方案,才能因地制宜地推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。1在用工業(yè)鍋的現(xiàn)狀及分析中1.1燃料鍋爐1鍋爐容量及負(fù)荷變化長期以來,工業(yè)鍋爐運(yùn)行存在“大馬拉小車”現(xiàn)象,大多數(shù)鍋爐處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),一方面是由于設(shè)計(jì)院和用戶在選用鍋爐時,考慮到今后的發(fā)展需要等因素,所選鍋爐的容量及臺數(shù)往往超過實(shí)際需求量很多;另一方面,鍋爐實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷常隨用汽、用熱負(fù)荷變化在較大范圍內(nèi)波動,造成很多鍋爐長期在低負(fù)荷下運(yùn)行。我國工業(yè)鍋爐一般平均負(fù)荷率在50%~70%之間,實(shí)際運(yùn)行效率往往要比鑒定熱效率低10~15個百分點(diǎn),結(jié)果造成一次能源的浪費(fèi)。2燃用煤種對煤種的適應(yīng)性差我國工業(yè)鍋爐所使用的煤主要是煙煤、無煙煤、貧煤等,不同地區(qū)供應(yīng)的燃煤煤質(zhì)相差較大,有些地區(qū)工業(yè)鍋爐使用的煤種也經(jīng)常發(fā)生變化。我國的燃煤工業(yè)鍋爐以層燃鍋爐為主,而層燃鍋爐對煤種的適應(yīng)性較差,因?yàn)樵擃愬仩t在設(shè)計(jì)時其受熱面的布置型式、面積大小、爐拱爐排配風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)型式均按一定的設(shè)計(jì)煤種設(shè)計(jì),所以,當(dāng)燃用煤種發(fā)生變化時,它的燃燒情況必然會變化,一般是變得更差些。此外,供應(yīng)的煤種經(jīng)常變化,也使鍋爐運(yùn)行、管理人員無法掌握煤質(zhì)情況,摸不清運(yùn)行規(guī)律,無法采取有針對性的措施。這樣既降低了鍋爐運(yùn)行熱效率,也增加了鍋爐污染物排放。3設(shè)計(jì)不合理,造成灰渣含碳量增加在我國絕大多數(shù)鍋爐制造企業(yè)一般只注重鍋爐本體設(shè)計(jì),對燃燒設(shè)備并不多加研究,燃燒設(shè)備通常交給所謂的專業(yè)配套廠配套生產(chǎn),而專業(yè)配套廠通常只是來圖加工,缺少研發(fā)能力。所配用的燃燒設(shè)備有些設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不夠合理、先進(jìn)、有些制造質(zhì)量粗糙(如爐排片鑄造)、有些裝配間隙較大,實(shí)際運(yùn)行中容易跑偏,受熱后易變形、斷裂,造成爐排漏煤、火口、漏風(fēng)等,這樣必然造成灰渣含碳量增加;爐排風(fēng)室間不能密封,各風(fēng)室互相串風(fēng),風(fēng)量調(diào)節(jié)性能差,爐排與側(cè)墻間漏風(fēng)嚴(yán)重,鍋爐橫向風(fēng)壓分布不均衡,嚴(yán)重影響爐內(nèi)正常燃燒,影響鍋爐運(yùn)行效率。4鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)顯示缺乏顯示鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)的儀表目前燃煤工業(yè)鍋爐控制水平較低,且多為位式或PID控制,不能根據(jù)外界變化調(diào)節(jié)鍋爐運(yùn)行狀態(tài),缺少顯示鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)的儀表。運(yùn)行人員在調(diào)整時,往往由于缺少數(shù)據(jù),不能對鍋爐的運(yùn)行狀況隨時做出準(zhǔn)確判斷,無法在鍋爐的燃燒及運(yùn)行工況變化時,實(shí)行相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)整,使鍋爐處于最佳工況運(yùn)行。5鍋爐水處理設(shè)備現(xiàn)況按照GB1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,蒸汽鍋爐承壓熱水鍋爐的給水應(yīng)采用鍋外化學(xué)處理,也就是要安裝水處理設(shè)備對鍋爐給水進(jìn)行處理。目前,很大一部分工業(yè)鍋爐沒有使用水處理設(shè)備,就是已配置的水處理設(shè)備其實(shí)際利用率也不足70%,況且許多使用的水處理設(shè)備,并未起到應(yīng)有作用,尤其是地處邊遠(yuǎn)地區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的工業(yè)鍋爐,既未安裝水處理設(shè)備,也未采用鍋內(nèi)加藥處理方式。鍋爐水質(zhì)不達(dá)標(biāo),導(dǎo)致鍋爐結(jié)垢,既影響鍋爐受熱面?zhèn)鳠?增加熱阻,又危及鍋爐的安全運(yùn)行。6鍋爐負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)不合理許多鍋爐的鼓、引風(fēng)機(jī)和給水泵、循環(huán)水泵配套偏大。即使輔機(jī)是按鍋爐額定容量配置的,由于當(dāng)前鍋爐多數(shù)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),輔機(jī)不能在高效率區(qū)域運(yùn)行,設(shè)備處于高消耗、低輸出的運(yùn)行狀態(tài),使鍋爐的自身能耗(電)比例增加,造成較大的能源浪費(fèi)。1.2全國在用工業(yè)燃油氣鍋爐數(shù)量隨著環(huán)保要求的提高和能源供應(yīng)的逐漸多樣化,在用工業(yè)鍋爐中燃油(氣)鍋爐的比例逐年上升。根據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會工業(yè)鍋爐分會歷年生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備局對進(jìn)口油氣鍋爐統(tǒng)計(jì)以及對國內(nèi)合資、獨(dú)資企業(yè)歷年生產(chǎn)燃油(氣)鍋爐的推算,全國在用工業(yè)燃油(氣)鍋爐約5萬臺、7萬MW,分別占在用總量的10%和5.5%。燃油氣鍋爐目前存在的主要問題是排煙溫度過高,造成大量可利用熱能的浪費(fèi)。1.3缺乏對鍋爐全面系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)目前,我國的工業(yè)鍋爐司爐人員平均技術(shù)素質(zhì)普遍較低。大部分工業(yè)鍋爐運(yùn)行人員仍缺少對鍋爐全面系統(tǒng)的技術(shù)學(xué)習(xí)和培訓(xùn),尤其缺乏實(shí)際操作技能的培訓(xùn),對鍋爐基礎(chǔ)知識、操作運(yùn)行知識、維護(hù)保養(yǎng)知識缺乏全面的了解和掌握,使鍋爐難以在較佳經(jīng)濟(jì)參數(shù)下運(yùn)行,從而大大限制鍋爐設(shè)備性能水平的充分發(fā)揮。2行業(yè)常用的節(jié)能技術(shù)2.1燃燒過程機(jī)理分層燃燒實(shí)質(zhì)上就是通過一個固定形態(tài)的“篩子”將不同粒徑的原煤顆粒分開使燃燒得以良好組織的過程:顆粒大的分布在爐排的底部作為基層,小顆粒則分布在基層的上部。通過分層布料不僅使風(fēng)阻顯著減小、改善氣流分布、提高面積熱強(qiáng)度和爐膛溫度,同時可以使漏煤帶出(熱)損失明顯下降。2.2強(qiáng)化爐拱傳熱雙人字形寬煤種節(jié)能爐拱設(shè)計(jì)理論,其設(shè)計(jì)遵循“再輻射”傳熱原理即爐拱先吸收高溫火焰的輻射熱量,使本身具有很高的溫度,然后再以漫輻射的形式將熱量向四面八方輻射出去。所以,強(qiáng)化爐拱傳熱的根本途徑是提高拱區(qū)溫度。雙人字形節(jié)能爐拱由人字形前拱和人字形后拱組成。2.3汽利用供熱的能耗“冷凝水閉式回收裝置”,它的作用就是避免熱能的無謂流失。在普通工業(yè)鍋爐中,蒸汽經(jīng)過管道至用熱設(shè)備,真正被吸收的熱能只有75%,而剩余的25%熱能仍留在冷凝水中,如果不加以回收利用,就至少會損失20%左右的能源。冷凝水閉式回收裝置可以將用汽系統(tǒng)產(chǎn)生的大量高溫凝結(jié)水通過本裝置及管道系統(tǒng)直接送入鍋爐形成閉式循環(huán)系統(tǒng)。2.4鍋爐出力波動大,鍋爐出力一般在410蓄熱器是一種平衡用汽負(fù)荷波動的設(shè)備,有了蓄熱器以后,用汽負(fù)荷(用汽量)的波動主要由蓄熱器來承擔(dān),而鍋爐就可以以穩(wěn)定的出力(產(chǎn)氣量)運(yùn)行,一般在4~8小時之內(nèi)可以以不變的出力運(yùn)行。這樣,鍋爐運(yùn)行中的過量空氣系數(shù)就可以優(yōu)化,也不會發(fā)生跑紅火等現(xiàn)象,鍋爐的熱效率就可以顯著提高。2.5鍋水溶解固結(jié)在線控制鍋爐排污排放的是鍋爐運(yùn)行壓力下的飽和熱水,自動排污是通過儀器定時取樣控制鍋水溶解固形物濃度,當(dāng)鍋水溶解固形物濃度超過GB1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定濃度時,自動排放鍋水,實(shí)現(xiàn)鍋水溶解固形物濃度的在線控制。因?yàn)槿宇l度高,鍋水溶解固形物濃度波幅小,排污率比人工控制減少4%~5%。3節(jié)能技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的分近幾年,在廣大鍋爐科技人員和節(jié)能工作者的努力下,工業(yè)鍋爐在節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品方面取得了一些成果,但主要還是以產(chǎn)品改造為主,沒有針對整個鍋爐供熱系統(tǒng)的節(jié)能改造進(jìn)行系統(tǒng)集成和技術(shù)優(yōu)化,同時由于缺乏必要的政策支持,總體推廣力度不大。上海工業(yè)鍋爐研究所在總結(jié)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上,對工業(yè)鍋爐現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)(如燃煤爐拱、爐排、自控設(shè)備、蓄熱器、換熱器等)進(jìn)行分析,評估各項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)節(jié)能潛力,提出節(jié)能集成技術(shù)以及相應(yīng)的優(yōu)化系統(tǒng),同時結(jié)合有關(guān)研究應(yīng)用成果,在考慮鍋爐本身節(jié)能特別是燃燒節(jié)能的同時兼顧供熱系統(tǒng)節(jié)能改造,并以控制技術(shù)作為各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的平臺,形成適用的工業(yè)鍋爐及蒸汽系統(tǒng)節(jié)能實(shí)施方案,加以節(jié)能改造示范,并在實(shí)施后,對節(jié)能實(shí)施方案進(jìn)行科學(xué)評估并驗(yàn)證。對每一個工業(yè)鍋爐節(jié)能改造工程(無論示范與否),我們均按下列步驟開展工作:選點(diǎn)(或接受用戶委托)——測試——評價——方案制定——技術(shù)交底——方案實(shí)施——過程質(zhì)量檢驗(yàn)——總體驗(yàn)收——能效評定。3.1燃料工業(yè)設(shè)備的節(jié)能改造3.1.1技術(shù)方法鍋爐燃燒節(jié)能+蓄熱器+控制系統(tǒng)(包括專家咨詢和培訓(xùn)系統(tǒng))3.1.2技術(shù)方案1控制系統(tǒng)研究工業(yè)鍋爐燃燒是一個復(fù)雜的時變動態(tài)過程,具有很強(qiáng)的非線性、緊耦合、大滯后、強(qiáng)干擾,傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到理想的鍋爐運(yùn)行熱效率。燃煤鍋我們的燃燒控制技術(shù)是在深入研究現(xiàn)有鏈條鍋爐燃燒特點(diǎn)的基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬的方法,采用模糊控制和專家系統(tǒng)相結(jié)合的先進(jìn)控制技術(shù)(優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)框圖見圖2):(1)通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合,提出復(fù)合式新型節(jié)能爐拱、分層煤斗和爐排配風(fēng)方式合理組合的高效燃燒模式;(2)研究鼓引風(fēng)系統(tǒng)和蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)和裝置,通過優(yōu)化計(jì)算流量分配、燃煤工業(yè)鍋爐之間的負(fù)荷平衡,形成系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)和裝置優(yōu)化配置的設(shè)計(jì)方案;(3)利用計(jì)算機(jī)對鍋爐運(yùn)行過程進(jìn)行自動控制,可以對送風(fēng)量、引風(fēng)量、燃料量、水位等進(jìn)行自動調(diào)節(jié);并能對送風(fēng)量、爐膛負(fù)壓、鍋筒水位、蒸汽壓力、蒸汽流量、煙氣含氧量、給水溫度、給水量、排污量、爐膛溫度、空氣預(yù)熱器前后煙氣溫度、熱風(fēng)溫度、省煤器前后煙氣溫度等進(jìn)行自動檢測與分析處理,通過提高燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)燃燒指標(biāo),來對鍋爐燃燒過程進(jìn)行最有效的控制。具體包括下列控制軟件:①自動給煤控制軟件;②風(fēng)煤比再現(xiàn)優(yōu)化軟件;③多臺鍋爐負(fù)荷自動分配軟件。2蓄熱器內(nèi)熱量的影響工作原理見圖3。從圖3可以看出:(1)當(dāng)供汽量大于用汽量時,多余蒸汽進(jìn)入蓄熱器,水被加熱成為飽和水,儲存多余的熱量;(2)當(dāng)供汽量小于用汽量時,蓄熱器內(nèi)壓力下降,飽和水變成過熱水,發(fā)出蒸汽,流向供汽管網(wǎng)。當(dāng)然蓄熱器的工作壓力是變化的。發(fā)揮蓄熱器效果的關(guān)鍵在于充分、合理利用允許的變壓范圍。蓄熱器內(nèi)能量的儲存和釋放取決于蓄熱器的壓力。蓄熱器的壓力控制要與燃燒控制系統(tǒng)聯(lián)動,在負(fù)荷急劇變化時,保證鍋爐工況平緩變化,有利于節(jié)能減排。3.2燃料氣行業(yè)的節(jié)能改造3.2.1技術(shù)方法鍋爐燃燒節(jié)能+蓄熱器+控制系統(tǒng)+煙氣余熱回收3.2.2煙氣冷凝器節(jié)能器1)鍋爐燃燒節(jié)能主要是根據(jù)氣候變化對燃燒器進(jìn)行合理調(diào)整。2)蓄熱器使用原理基本與燃煤鍋爐相同。3)煙氣余熱回收:燃油燃?xì)忮仩t由于熱效率高、自動化程度高、污染物排放低,在大中城市得以越來越多地發(fā)展,但是燃油燃?xì)忮仩t的排煙溫度很高,浪費(fèi)了大量的熱能。為了充分利用燃料,我們通過大量的冷凝凝結(jié)試驗(yàn),掌握了煙氣冷凝與受熱面內(nèi)介質(zhì)溫度的關(guān)系,以及煙氣溫度、介質(zhì)溫度與冷凝量的關(guān)系,研制成了可以控制冷凝和非冷凝界限、具有自動調(diào)節(jié)功能的鍋爐尾部冷凝節(jié)能器,并申請了專利。這種節(jié)能器根據(jù)不同的煙氣溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié),最大限度地提高鍋爐的換熱效果,提高鍋爐的效率。3.3工業(yè)設(shè)備爐的質(zhì)量改進(jìn)1鍋爐水處理的藥劑和配方工業(yè)鍋爐給水的品質(zhì)直接影響鍋爐的性能,絕大多數(shù)的工業(yè)鍋爐在使用中只做簡單處理(鈉離子交換),鍋爐給水在加熱過程中會發(fā)生熱分解、熱濃縮以及損害鍋爐金屬的多種化學(xué)反應(yīng),有時甚至危害鍋爐的安全與壽命。我們采用先進(jìn)的配方,開發(fā)了一種具有阻垢、緩蝕類化學(xué)成分的新型鍋內(nèi)水處理藥劑產(chǎn)品,能顯著改善給水水質(zhì),調(diào)整鍋爐水的PH值,有效預(yù)防鍋爐腐蝕和結(jié)垢。該產(chǎn)品主要特點(diǎn):使用簡單、節(jié)能降耗、阻垢緩蝕效果好、安全無毒。2鍋水溶解固結(jié)在線控制在做好改善鍋爐水質(zhì)、開發(fā)新型鍋爐水處理產(chǎn)品的同時,我們積極做好鍋爐排污水的余熱利用,研發(fā)了自動排污熱能回收裝置,通過儀器定時取樣控制鍋水溶解固形物濃度,當(dāng)鍋水溶解固形物濃度超過GB1576《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定濃度時,自動排放鍋水,實(shí)現(xiàn)鍋水溶解固形物濃度的在線控制。因?yàn)槿宇l度高,儀器自動檢測控制同一安全濃度,鍋水溶解固形物濃度波幅小,排污率比人工控制減少4%~5%,排污水的熱能回收利用率為85%~90%,減少了燃料消耗。4綜合重建工程的案例4.1燃煤鍋爐及蒸汽系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造上海中遠(yuǎn)化工有限公司鍋爐房有4臺20t/h燃煤鍋爐,由于燃煤鍋爐漏風(fēng)狀況嚴(yán)重,燃燒狀態(tài)不佳、用汽負(fù)荷波動而導(dǎo)致鍋爐燃燒效率低下。我所與上海交通大學(xué)合作對其燃煤鍋爐及蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造。改造項(xiàng)目有:鍋爐配風(fēng)優(yōu)化、雙人字型爐拱、50m3蓄熱器供熱系統(tǒng)、鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)、鼓引風(fēng)機(jī)和給水泵變頻控制,改造后綜合節(jié)能率大于10個百分點(diǎn),使工廠的節(jié)能減排工作取得了明顯的成效。4.2燃煤鍋爐摻冷凝器換熱器改造方案上海中山醫(yī)院鍋爐房有2臺10t/h、1臺6t/h燃?xì)忮仩t,鍋爐排煙溫度190~210℃。我們經(jīng)過詳盡的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析后提出:在燃?xì)忮仩t尾部加裝冷凝換熱器的節(jié)能方案并實(shí)施了改造工程。目前,燃?xì)忮仩t及冷凝換熱器運(yùn)行狀況正常,鍋爐的排煙溫度降低到60~65℃,煙氣中回收的熱量非?？捎^,鍋爐效率提高了約8個百分點(diǎn)。一臺10t/h燃?xì)鉅t每年可節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)約50萬元。4.3酒店冷凝水回收利用原有網(wǎng)絡(luò)上海浦東假日酒店有1t/h蒸汽鍋爐一臺,主要供洗衣房用。根據(jù)該酒店平燙機(jī)的使用時間及酒店用熱時間分布情況,充分利用酒店原有設(shè)備和供熱系統(tǒng),加裝換熱設(shè)備,并對原有管路系統(tǒng)作了一定的改造,冷凝水回收的熱量加熱生活熱水。改造后每天可回收約3000kW熱量,一年365天則回收1095000kW熱量,按原使用的電熱鍋爐熱效率為97%,每kWh電0.62元計(jì)算,則該酒店每年節(jié)約電費(fèi)70萬元,當(dāng)年收回投資。4.4鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造我們通過對上海電機(jī)廠有限公司在用鍋爐的測試、蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)研以及相關(guān)能耗數(shù)據(jù)的研究分析后,提出了有針對性的電機(jī)廠第一階段節(jié)能改造方案:20t/h燃煤鏈條爐排鍋爐燃燒控制優(yōu)化改造。該鍋爐型號DLZ20-1.6-AⅢ,2005年投入使用。