水煤浆锅炉的能效分析

文章编号: 100428774( 2009) 06201205 第一作者: 俞建洪 ( 1941 - ), 教 授。 1965年毕业于西安 交大锅炉专业并留 校任教 , 1990年调入 厦门集美大学 , 2005 年退休前担任该校 能源与动力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研 究所所长。长期从 事热能工程教学科 研工作 ,曾应邀在德 国汉诺威工业大学 和亚亨工业大学从 事循环流化床和重 油燃烧实验研究工 作。 水煤浆锅炉的能效 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 收稿日期: 2009208227 俞建洪 1,席代国2 ( 1. 集美大学,厦门 361021; 2. 广州天鹿锅炉有限责任公司,广州 510931) 摘 要:通过定量和定性计算分析水煤浆水分、磨煤电耗、锅炉运行热效率以及锅炉运行 电耗对锅炉能效的影响, 并与链条炉排锅炉和煤粉锅炉比较, 指出水煤浆替代重油燃烧虽可取 得明显的经济效益, 但在能效方面却不及燃烧制浆原料煤的链条炉排锅炉或煤粉锅炉。 关键词:水煤浆;低位发热量 ;汽化潜热;能效 中图分类号: TK229 文献标识码: A Ana lysis of Energy E fficiency of CW S- fired Boiler YU Jian2hong1, XIDai2guo2 ( 1. Institute for Energy and PowerEngineering Jime iUniversity, X iamen 361021, Ch ina; 2. Guangzhou T ian lu Boiler Co. Ltd , Guangzhou 510931, China) A bstr ac t: The wa ter content of coa l- wate r slurry ( CWS), power consumption ofgrinding coa,l therma l effic iency and power consumption ofboiler operation influence efficiency of boiler by the quan2 titative ca lcu la ting and qua litative ana lys is, and comparisonsw ith the travelling grate boiler and pulver2 ized coal fired boiler, indicate that the substitution ofheavy oil of CWS can be obta ined the obvious e2 conom ic benefits, but it is lower in energy e fficiency than grate- fired boile r or pu lve rized- coa l- fired boiler tha t burn the same coa l used to make CW S. K ey word s: CW S; low hea tin g va lue; la ten t hea t of vapor iza tion; en ergy eff ic iency 0 前言 水煤浆作为替代重油的新型燃料,已经在锅炉 和工业炉窑上得到一定程度的推广应用。在电站锅 炉方面, 已从蒸发量 220 t /h锅炉成功运行发展到 670 t /h锅炉的试运行;在工业锅炉方面,全国有数 十家锅炉厂在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制造不同容量的水煤浆锅炉并成 功运行。水煤浆应用于钢铁、陶瓷、玻璃等行业的工 业炉窑也在推进之中,其中不乏成功的经验。 许多用户选择水煤浆替代重油作为锅炉或工业 炉窑燃料,其关键原因在于燃料费用能降低 50%以 上。尽管其他费用有所增加,但仍可取得明显的经 济效益。至于称水煤浆是洁净燃料, 这要具体分析。 只有用洗精煤或很低灰分和硫分的优质烟煤 (如大 同、神府烟煤 )研磨的水煤浆才算得上洁净燃料,但 这也应当归功于制浆的原料煤,因为洗精煤和上述 优质烟煤本身就属于洁净煤范畴。 水煤浆锅炉的能效如何,它是否是用户选择的依 据,这个问题在强调 /节能减排0的今天很有意义。本 文将就水煤浆锅炉与链条炉排锅炉及煤粉锅炉进行 能效比较,比较的前提是同一煤种。为了科学客观地 分析比较,这里指的能效涵盖了磨煤电耗、燃料中水 分带走的热损失、锅炉运行热效率和锅炉运行电耗。 而电耗对能效影响的计算方法是:先把磨煤电耗按 600MW机组供电标煤耗 ( 374 g/ kWh)折算到磨制 1 kg浆所需的标煤量,然后换算成对应的热量,该热量 占浆的低位发热量的百分比即为磨煤电耗对能效的 影响值。同理,运行电耗也折算到燃烧 1 kg浆所需 的标煤量,然后同法计算其对能效的影响。 1 水煤浆锅炉与链条炉排锅炉的能效比较 1. 1 燃料水分对水煤浆锅炉与链条炉排锅炉能效 的影响 为了能够定量地进行分析,并使燃料水分对这两种 不同锅炉的能效影响有可比性,选择了大同原煤和大同 原煤研制的水煤浆,其水分和部分煤质分析见表 1[ 3]。 1# 论坛专栏 # 水煤浆锅炉的能效分析 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 燃 料 水分M ar /% 低位发热量 Qne .t ar /(M J# kg - 1 ) 挥发分 Vdaf /% 灰分 A ar /% 大同原煤 9. 8 25. 56 29. 6 11. 37 大同水煤浆 35 18. 03 29. 8 5. 12 燃料中水分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,其带走的热量按文献 [ 1]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 水分带走热量占该燃料低位发热量 Qne t. a r的百分比 炉 型 所用燃料 燃料所含水分M ar /% 1 kg燃料中水分带走的热量 Q / ( kJ# kg- 1 ) 燃料低位发热量 Qne.t a r /(MJ# kg - 1 ) Q Qne .t ar /% 链条炉排锅炉 大同原煤 9. 8 Q = 2 500@9. 8% = 245 25. 56 0. 959 水煤浆锅炉 大同水煤浆 35 Q = 2 500@35% = 875 18. 03 4. 853 从表 2可知, 链条炉排锅炉燃烧含水分 9. 8% 大同原煤,水分带走的热量只占该大同原煤低位发 热量的 0. 959% ;而燃烧大同原煤研磨的水煤浆,其 35%的含水量带走的热量却占该水煤浆低位发热量 的 4. 853% (在锅炉各项热损失计算中,都是相对于 低位发热量而言 ), 两者相差 3. 894%。因此, 可以 认为燃烧大同水煤浆的锅炉比燃烧大同原煤的链条 炉排锅炉在能效上要低 3. 894%。 1. 2 磨煤电耗对两种锅炉能效的影响 水煤浆要达到输送和在炉膛中正常雾化燃烧, 则必须将原煤研磨至平均粒径 45~ 50 Lm。这与煤 粉锅炉燃用的煤粉相当。在采用煤粉锅炉的电厂 中,磨煤电耗约占厂用电的 1 /4;水煤浆的研磨大多 是采用球磨机进行湿磨, 磨煤电耗也很高。国内外 几家水煤浆生产厂家每磨制 1 t高浓度浆的耗电量 列举在表 3。 表 3 国内外几家水煤浆厂生产 1 t浆的电耗 ( 65%浓度 ) 厂 名 兖 日 八 一 日 本 大 同 一 大 同 二 吨浆电耗 /( kWh# t- 1 ) 63 35 40 50 46 从表 3可知,由于磨煤机有国产和引进等因素 的影响, 吨浆耗电量差异较大, 这里取其平均值 42175 kW# h / t来计算其对锅炉能效的影响, 计算 过程和结果见表 4。 表 4 磨煤电耗折算的热量 Q 1及其占燃料低位发热量 Q net. a r的百分比 磨煤电耗 / ( kW h# t- 1 ) 折算成 1 kg浆的供电标煤耗 G1 /( g# kg- 1 ) 标煤耗换算成对应的热量 Q1 /( kJ# kg- 1 ) Q1 Qne.t a r /% 42. 75 G1= 42. 75@374 /1 000= 15. 99 Q1 = 15. 99 /1 000 @7 000 @41 184 = 468. 3 2. 60 从表 4可知, 磨制 1 kg浆对应的标煤耗为 15199 g,该标煤耗对应的热量 Q1是 468. 3 kJ/kg,这 个热量占大同水煤浆低位发热量 Qn e.t ar的 2. 60% , 即因磨煤电耗,水煤浆锅炉能效比链条炉排锅炉要 低 2160%。 1. 3 水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行电耗比较 1. 3. 1 水煤浆锅炉新增用电设备 与链条炉排锅炉相比,水煤浆锅炉除了不需要 拖动炉排的电机以外, 比链条炉排锅炉增加了表 5 所列的各种用电设备 (以一台 6 t /h水煤浆锅炉为 例 ),这使得运行耗电大增。 表 5没有列出两种锅炉都必须配有的鼓、引风 机,给水泵及链式刮板除渣机等设备。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。 2 工 业 锅 炉 2009年第 6期 (总第 118期 ) 表 5 容量 6 t/h水煤浆锅炉新增用电设备及所配置的电机功率 新增设备名称 螺杆式空压机 供浆螺杆泵 输浆螺杆泵 带搅拌日用浆罐 输油齿轮泵 在线过滤器 电功率 /kW 22 3 7. 5 2. 2 1. 5 0. 75 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 水煤浆的燃烧是平均粒径 45~ 50 Lm的煤颗 粒在炉膛内的悬浮燃烧。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。由于在链条炉排锅炉中, 燃料中仅约 10%灰分经锅炉尾部排到炉外。因此, 水煤浆锅炉原始烟尘排放浓度大大超过链条炉排锅 炉。 表 6 以大同煤和大同浆的含灰量计算的两种锅炉飞灰量比较 炉 型 燃 料 燃料含灰量 /% 飞灰份额 /% 1 kg燃料飞灰量 /kg 水煤浆锅炉飞灰量 /链条炉 排锅炉飞灰量 水煤浆锅炉 大同水煤浆 5. 12 90 0. 046 1 链条炉排锅炉 大同原煤 11. 37 10 0. 011 4 4. 04 从表 6可知,大同水煤浆含灰量仅为 5. 12% , 符合国家水煤浆Ñ级浆 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。但其飞灰量却比使用 链条炉排锅炉燃烧含灰量 11. 37%的大同原煤还高 4. 04倍,即水煤浆锅炉比链条炉排锅炉原始烟尘排 放浓度也约增大 4. 04倍。为了稳定达到一类地区 低于环保新标准 100 mg/m3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 1 200~ 1 500 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功率从原 来 22 kW增加到 35 kW。 飞灰量的增加还引起对流受热面积灰严重,这 导致传热热阻增加,排烟温度提高,锅炉运行热效率 下降。因此,还必须配备吹灰装置。 对小型水煤浆锅炉,因炉膛矮小,煤粉粒子燃烧 停留时间短,导致更多来不及燃尽的碳也加入飞灰 行列,导致飞灰机械不完全燃烧损失和飞灰量同步 增加。至于燃烧含灰量更大的Ò、Ó级水煤浆 (国 标 )的小型水煤浆锅炉会更麻烦。 1. 3. 3 水煤浆锅炉运行新增电耗对能效的影响 对一台 6 t /h水煤浆锅炉, 与同容量链条炉排 锅炉相比,从上述分析可得到该锅炉运行新增设备 电功率为 47. 95 kW (扣除不需要拖动炉排的电机功 率 2 kW )。水煤浆锅炉运行 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, 取其 80% ,新增电耗降至 38. 36 kWh。这样, 以 一台 6 t /h水煤浆锅炉 1小时约燃烧 1. 050 t水煤浆 计算,燃烧 1 t浆新增电耗是 36. 53 kWh(此数据低 于文献 [ 5] )。按磨煤电耗换算办法, 由表 7可知, 因运行新增电耗水煤浆锅炉能效比链条炉低 2122%。 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. a r的百分比 炉 型 新增电耗 /( kW h# t- 1 ) 折算成燃烧 1 kg浆的供电标煤耗 G2 /g 该标煤耗对应的热量 Q2 /( kJ# kg- 1 ) Q2 Qne .t ar /% 水煤浆锅炉 36. 53 G2 = 36. 53@374 /1 000= 13. 66 Q2 = 13. 66 /1 000 @7 000 @4. 184= 400. 2 2. 22 1. 4 水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行热效率分析 比较 水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行热效率的比较 必须基于相同燃料。一些文献指出我国链条炉排锅 炉运行热效率大约在 70% ,这是相对于中低档Ò类 烟煤而言。我国工业锅炉设计煤种是Ò类烟煤,其 含灰量和发热量变化幅度很大 (见表 8)。工业锅炉 能得到的是中低档的Ò类烟煤, 它与大同原煤或目 前广泛使用的Ò级浆原料煤的煤质差别很大。燃烧 优质烟煤或Ó类烟煤与燃烧中低档Ò类烟煤的锅炉 运行热效率是不可比的。实际证明:国内许多锅炉 厂在进行链条炉排锅炉热效率测定时,如选择高档 Ò类烟煤,其运行热效率就能够达到 80%左右。 3# 论坛专栏 # 水煤浆锅炉的能效分析 表 8 Ò类烟煤和大同原煤的主要特性 燃 料 灰 分 Aa r /% 低位发热量Qne .t ar /(M J# kg- 1 ) 挥发分 Vdaf /% 水 分 M ar /% 大同原煤 11. 37 25. 56 29. 6 9. 8 Ò类烟煤 25~ 40 15. 50 ~ 19. 70 \ 20 7~ 15 为了简化定性比较,从反平衡角度进行分析:略 去化学不完全热损失 q3、散热损失 q5和灰渣热损失 q6的影响,导致链条炉排锅炉比水煤浆锅炉运行热 效率低的主要原因是机械不完全热损失 q4和排烟 热损失 q2。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排锅炉 q4和 q2超过水煤浆 锅炉的关键原因。 燃料灰分对 q4影响最重要,从表 8可算得: Ò 类烟煤的灰分是大同原煤的 2. 14 ~ 3. 42倍, 灰分 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Ò类烟煤挥发分也偏低,这也影响燃尽。 过量空气系数大是链条炉排锅炉排烟热损失偏 大的主要原因,通常链条炉排锅炉排烟处的过量空 气系数为 1. 5 ~ 1. 7,水煤浆锅炉可控制在 1. 25~ 1. 35。 目前,链条炉排锅炉采用分层给煤机和炉拱、炉 膛密封新技术等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 , 能一定程度地降低上述两大 热损失。但最关键的是煤种,即煤的灰分和挥发分。 如果把大同原煤或Ò级水煤浆的原料煤放到链条炉 排锅炉燃烧,链条炉排锅炉运行热效率仅比同一原 料煤的水煤浆锅炉低 2% ~ 3%。 综上所述, 水煤浆锅炉和链条炉排锅炉能效比 较中,水煤浆水分、磨煤电耗及运行电耗对水煤浆锅 炉能效产生影响为 - 8. 714% ,而运行热效率对水 煤浆锅炉能效影响为 + ( 2% ~ 3% )。因此, 水煤 浆锅炉能效比燃烧制浆原料煤的链条炉排锅炉低 5% ~ 7%。 2 水煤浆锅炉和煤粉锅炉的能效比较 水煤浆在锅炉内的燃烧过程:首先像重油一样 被雾化,紧接着是水分迅速蒸发和挥发分析出并燃 烧, 然后是焦炭粒子的燃烧与燃尽。因此,水煤浆在 炉膛内的燃烧类同于煤粉锅炉内的煤粉悬浮燃烧, 磨煤电耗和运行热效率可认为基本相同。所不同的 是水煤浆中 35%的水分要带走大量的热量和增加 水煤浆锅炉运行的电耗, 水分带走的热量可按链条 炉排锅炉 (如表 2)处理 (见表 9)。水煤浆的泵送和 雾化燃烧比煤粉的气力输送燃烧电耗大,但因煤粉 锅炉也必须同样增加引风机电耗来解决除尘问题。 这里取水煤浆锅炉比煤粉锅炉增加的电耗所换算的 Q2占燃料低位发热量 Qne.t ar的百分比为 1%, 这样, 以分别燃烧大同浆和大同原煤为例, 水煤浆锅炉能 效要比煤粉锅炉低 4. 894% (见表 9)。 表 9 水煤浆锅炉和煤粉锅炉能效比较 炉 型 磨煤电耗 水分带走热量 (同链条炉排锅炉, 按表 2) 锅炉运行热效率 运行增加电耗 能效综合 水煤浆锅炉 煤粉锅炉 基本相同 水煤浆锅炉比煤粉锅炉低 3. 894% 水煤浆锅炉略低于 煤粉锅炉, 这里按相 同处理 水煤浆锅炉比煤粉 锅炉低,这里取 1% 水煤浆锅炉比煤粉 锅炉低 4. 894% 3 结论与建议 ( 1)由于单位热量 (如 1MJ)水煤浆价格仅为重 油价格的二分之一,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。 ( 2)与燃烧制浆原料煤的链条炉排锅炉相比, 水煤浆锅炉运行热效率高于链条炉排锅炉 2~ 3个 百分点,但因水煤浆磨煤电耗和水分带走热量以及 运行增加的电耗等因素的影响, 其能效比燃烧制浆 原料煤的链条炉排锅炉要低 5% ~ 7% 。对于燃烧 含水、含灰相对多的Ò、Ó级水煤浆锅炉,其能效还 会更低。 ( 3)与煤粉锅炉相比,尽管两种炉型的磨煤电耗 和运行热效率基本相同, 但因水煤浆中 35%的水分 要带走大量的热量,且水煤浆锅炉运行的电耗与气力 4 工 业 锅 炉 2009年第 6期 (总第 118期 ) 输送燃烧的煤粉锅炉相比,电耗增加仍然较大。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锅炉低 41894%。 ( 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, 且所含的水分大多是本身固有的,干燥后利用 也需要热源,对这些可回收利用的水煤浆资源,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。此方法应在矿区大力提倡, 目前这方面国内外有很成功的经验。 ( 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%。但因燃料中灰分大约有 90% 以飞灰形式飞出锅炉,因此,水煤浆在工业锅炉上燃 烧,应属于多飞灰的燃料。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。 ( 6)我国浮选洗煤企业,应当借鉴欧美经验, 将 一部分 3 ~ 40 mm粗颗粒精煤供链条炉排锅炉燃 烧, 这样, 不仅该链条炉排锅炉可达到与水煤浆锅炉 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, 链条炉排锅炉的原始 烟尘排放浓度更低,使用常规除尘器便可达标。 参考文献 [ 1]陈学俊, 陈听宽. 锅炉原理 [M ]. 北京:机械工业出版 社, 1991. [ 2]GB /T 18855) 2002水煤浆的技术要求和测量方法 [S] . [ 3]贾传凯. 水煤浆水分对锅炉燃烧的影响 [ J] . 工业锅炉, 2008( 6): 5- 7. [ 4]成预林, 季云金, 徐永前. 水煤浆锅炉应用与系统设计 [ J]. 工业锅炉, 2008( 6) : 32- 36. [ 5]祝平. 不要走入水煤浆误区 [ J].中国能源, 2002( 4). [ 6]GB 13271) 2001锅炉大气污染物排放标准 [ S]. 5# 论坛专栏 # 水煤浆锅炉的能效分析