水煤浆锅炉的能效分析

论坛专栏水煤浆锅炉的能效分析文章编号:1004874(2009)060105水煤浆锅炉的能效分析俞建洪',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第一作者:俞建洪1941-),教授。1965年毕业于西安Analysis of Energy Efficiency of CwS- fired boiler交大锅炉专业并留YU Jian-hong, XI Dai-guo校任教,1990年调入(1. Institute for Energy and Power Engineering Jimei University, Xiamen361021, Chin:厦门集美大学,2005年退休前担任该校2. Guangzhou Tianlu Boiler Co. Ltd, Guangzhou 510931, China)能源与动力工程研Abstract: The water content of coal- water slurry(CWs), power consumption of grinding coal,究所所长。长期从thermal efficiency and power consumption of boiler operation influence efficiency of boiler by the quan-事热能工程教学科titative calculating and qualitative analysis, and comparisons with the travelling grate boiler and pulver研工作,曾应邀在德ized coal fired boiler, indicate that the substitution of heavy oil of Cws can be obtained the obvious国汉诺威工业大学conomic benefits, but it is lower in energy efficiency than grate- fired boiler or pulverized-coal- fired和亚亨工业大学从boiler that burn the same coal used to make cws事循环流化床和重Key words: CwS; low heating value; latent heat of vaporization; energy efficiency油燃烧实验研究工0前言水煤浆锅炉的能效如何,它是否是用户选择的依水煤浆作为替代重油的新型燃料,已经在锅炉据这个问题在强调节能减排”的今天很有意义。本和工业炉窑上得到一定程度的推广应用。在电站锅文将就水煤浆锅炉与链条炉排锅炉及煤粉锅炉进行炉方面,已从蒸发量20th锅炉成功运行发展到能效比较,比较的前提是同一煤种。为了科学客观地670h锅炉的试运行:在工业锅炉方面,全国有数分析比较,这里指的能效涵盖了磨煤电耗燃料中水十家锅炉厂在设计制造不同容量的水煤浆锅炉并成分带走的热损失、锅炉运行热效率和锅炉运行电耗。功运行。水煤浆应用于钢铁、陶瓷玻璃等行业的工而电耗对能效影响的计算方法是:先把磨煤电耗按业炉窑也在推进之中,其中不乏成功的经验。600MW机组供电标煤耗(374g/kWh)折算到磨制许多用户选掸水煤浆替代重油作为锅炉或工业kg浆所需的标煤量然后换算成对应的热量该热量炉窑燃料,其关键原因在于燃料费用能降低50%以占浆的低位发热量的百分比即为磨煤电耗对能效的上。尽管其他费用有所增加,但仍可取得明显的经影响值。同理,运行电耗也折算到燃烧1kg浆所需济效益。至于称水煤浆是洁净燃料,这要具体分析。的标煤量,然后同法计算其对能效的影响。只有用洗精煤或很低灰分和硫分的优质烟煤(如大Ⅰ水煤浆锅炉与链条炉排锅炉的能效比较同神府烟煤()研磨的水煤浆才算得上洁净燃料但11中国煤化工涟条炉排锅炉能效这也应当归功于制浆的原料煤,因为洗精煤和上述的影CNMHG优质烟煤本身就属于洁净煤范畴。J能E哪定最吧近订刀,升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收稿日期:20090827原煤研制的水煤浆,其水分和部分煤质分析见表13。工业锅炉2009年第6期(总第18期)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低位发热量燃料水分挥发分Q.(MJ. kg "A/%大同原煤9.825.5629.611.37大同水煤浆18.03燃料中水分在炉膛被加热至沸点,接着就汽化氢气燃烧后生成水蒸气的影响),计算结果列入表并把汽化后的水蒸气过热到锅炉排烟温度后排出炉2。外,其带走的热量按文献[1]计算(这里略去燃料中表2水分带走热量占该燃料低位发热量Qm的百分比所用燃料燃料所含水分1kg燃料中水分带走的热量燃料低位发热量Q/%Q/(kJ·kg)Qm/(MJ·kg)链条炉排锅炉大同原煤9.8Q=2500×9.8%=24525.56水煤浆锅炉大同水煤浆35Q=2500×35%=87518.034.853从表2可知,链条炉排锅炉燃烧含水分9.8%12磨煤电耗对两种锅炉能效的影响大同原煤,水分带走的热量只占该大同原煤低位发水煤浆要达到输送和在炉膛中正常雾化燃烧,热量的0.959%;而燃烧大同原煤研磨的水煤浆,其则必须将原煤研磨至平均粒径45~50μm。这与煤35%的含水量带走的热量却占该水煤浆低位发热量粉锅炉燃用的煤粉相当。在采用煤粉锅炉的电厂的4.853%(在锅炉各项热损失计算中,都是相对于中,磨煤电耗约占厂用电的1/4;水煤浆的研磨大多低位发热量而言),两者相差3.894%。因此,可以是采用球磨机进行湿磨,磨煤电耗也很高。国内外认为燃烧大同水煤浆的锅炉比燃烧大同原煤的链条几家水煤浆生产厂家每磨制1t高浓度浆的耗电量炉排锅炉在能效上要低3.894%。列举在表3。表3国内外几家水煤浆厂生产1t浆的电耗(65%浓度厂名兖大同大同二吨浆电耗/(kWh·t)从表3可知,由于磨煤机有国产和引进等因素42.75kW·h/t来计算其对锅炉能效的影响,计算的影响,吨浆耗电量差异较大,这里取其平均值过程和结果见表4表4磨煤电耗折算的热量￠及其占燃料低位发热量Qn的百分比磨煤电耗折算成1kg浆的供电标煤耗G1标煤耗换算成对应的热量Q1/(kWh·t)(kJ·kg-)42.75G;=4275×3741000-15.9991=15.99100×700×4.184=468.3从表4可知,磨制1kg浆对应的标煤耗为拖动炉排的电机以外,比链条炉排锅炉增加了表515.99g,该标煤耗对应的热量Q1是468.3kJ/kg,这所列的各种用电设备(以一台6Uh水煤浆锅炉为个热量占大同水煤浆低位发热量Qm的2.60%,例),这使得运行耗电大增。即因磨煤电耗,水煤浆锅炉能效比链条炉排锅炉要出两种锅炉都必须配有的鼓、引风低2.60%。中国煤化工设备。新增设备总1.3水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行电耗比较电功CNMHG入引风机因改用多1.3.1水煤浆锅炉新增用电设备管加布袋两级除尘而增加的电功率。与链条炉排锅炉相比,水煤浆锅炉除了不需要论坛专栏·水煤浆锅炉的能效分析表5容量6t/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蜾杆泵输浆螺杆泵。带搅拌日用浆罐输油齿轮泵在线过滤器电功率/kW7.50.751.32水煤浆锅炉运行中产生的飞灰量对引风机按表1提供的大同煤和大同浆的含灰量可估算出飞电耗和环境的影响灰量,其结果列在表6中。由于在链条炉排锅炉中水煤浆的燃烧是平均粒径45~50μm的煤颗燃料中仅约10%灰分经锅炉尾部排到炉外。因此粒在炉膛内的悬浮燃烧。尽管水煤浆中含灰量很水煤浆锅炉原始烟尘排放浓度大大超过链条炉排锅低,但燃料中大约90%灰分经锅炉尾部排到炉外。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燃料燃料含灰量/%飞灰份额/%1kg燃料飞灰水煤浆锅炉飞灰量/链条炉量/kg排锅炉飞灰量水煤浆锅炉大同水煤浆5.120.04614.04链条炉排锅炉同原煤0.0l14从表6可知,大同水煤浆含灰量仅为5.12%,行列,导致飞灰机械不完全燃烧损失和飞灰量同步符合国家水煤浆Ⅰ级浆标准。但其飞灰量却比使用增加。至于燃烧含灰量更大的Ⅱ、Ⅲ级水煤浆(国链条炉排锅炉燃烧含灰量11.37%的大同原煤还高标)的小型水煤浆锅炉会更麻烦。4.α4倍,即水煤浆锅炉比链条炉排锅炉原始烟尘排1.3.3水煤浆锅炉运行新增电耗对能效的影响放浓度也约增大4.04倍。为了稳定达到一类地区对一台6th水煤浆锅炉,与同容量链条炉排低于环保新标准100mg/m3的要求,不得不采用多锅炉相比,从上述分析可得到该锅炉运行新增设备管加布袋两级除尘。由于布袋除尘器的阻力在电功率为4795kW(扣除不需要拖动炉排的电机功1200~1500Pa,比通常采用多管加水膜两级除尘率2kW)。水煤浆锅炉运行1小时增加电耗就是增加阻力约600Pa,这导致引风机运行电功率从原47.95kWh。考虑部分新增设备属间断运行等因来22kW增加到35kW。素,取其80%,新增电耗降至38.36kWh。这样,以飞灰量的增加还引起对流受热面积灰严重,这一台6th水煤浆锅炉1小时约燃烧1.050t水煤浆导致传热热阻增加,排焖温度提髙,锅炉运行热效率计算,燃烧1t浆新增电耗是36.53kWh(此数据低下降。因此,还必须配备吹灰装置于文献[5])。按磨煤电耗换算办法,由表7可知对小型水煤浆锅炉,因炉膛矮小,煤粉粒子燃烧因运行新增电耗水煤浆锅炉能效比链条炉低停留时间短,导致更多来不及燃尽的碳也加入飞灰2.22%。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-sn的百分比炉型新增电耗折算成燃烧1kg浆的供电标煤耗G2该标煤耗对应的热量Q2%/(kWh·t")/(k·kg)水煤浆锅炉G2=36.53×374/1000=13.66Q2=13.66/1000×70002.224.184=400.214水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行热效率分析能得到的是中低档的Ⅱ类烟煤,它与大同原煤或目比较前广泛使用的Ⅱ级浆原料煤的煤质差别很大。燃烧水煤浆锅炉和链条炉排锅炉运行热效率的比较优质烟煤或Ⅲ类烟煤与燃烧中低档Ⅱ类烟煤的锅炉必须基于相同燃料。一些文献指出我国链条炉排锅运行中国煤化工明:国内许多锅炉炉运行热效率大约在70%,这是相对于中低档Ⅱ类厂在CNMHG定时,如选择高档烟煤而言。我冈工业锅炉设计煤种是Ⅱ类煤,其Ⅱ类烟煤,其运行热效率就能够达到80%左冇。含灰量和发热量变化幅度很大(见表8)。T业锅炉工业锅炉2009年第6期(总第118期)表8Ⅱ类烟煤和大同原煤的主要特性灰分A/%低位发热量挥发分水分Q-/(M·kg)大同原煤11.3725.56Ⅱ类烟煤为了简化定性比较,从反平衡角度进行分析:略综上所述,水煤浆锅炉和链条炉排锅炉能效比去化学不完全热损失g3、散热损失φ和灰渣热损失较中,水煤浆水分、磨煤电耗及运行电耗对水煤浆锅q6的影响,导致链条炉排锅炉比水煤浆锅炉运行热炉能效产生影响为-8.714%,而运行热效率对水效率低的主要原因是机械不完全热损失q4和排烟煤浆锅炉能效影响为+(2%~3%)。因此,水煤热损失φ2。深人分析可知,炉渣含碳量高、过量空浆锅炉能效比燃烧制浆原料煤的链条炉排锅炉低气系数大分别是链条炉排锅炉q4和q2超过水煤浆5%~7%。锅炉的关键原因。2水煤浆锅炉和煤粉锅炉的能效比较燃料灰分对q4影响最重要,从表8可算得:Ⅱ水煤浆在锅炉内的燃烧过程:首先像重油一样类烟媒的灰分是大同原媒的2.14-342倍灰分被雾化,紧接着是水分迅速蒸发和挥发分析出并燃高容易使煤在燃烧过程出现裹灰,碳被氧化的速度烧,然后是焦炭粒子的燃烧与燃尽。因此,水煤浆在减慢,来不及燃尽就落入渣斗,使炉渣含碳量增高°炉膛内的燃烧类同于煤粉锅炉内的煤粉悬浮燃烧,此外,常用Ⅱ类烟煤挥发分也偏低,这也影响燃尽。磨煤电耗和运行热效率可认为基本相同。所不同的过量空气系数大是链条炉排锅炉排烟热损失偏是水煤浆中35%的水分要带走大量的热量和增加大的主要原因,通常链条炉排锅炉排烟处的过量空水煤浆锅炉运行的电耗,水分带走的热量可按链条气系数为1.5~1.7,水煤浆锅炉可控制在1.25炉排锅炉(如表2)处理(见表9)。水煤浆的泵送和35雾化燃烧比煤粉的气力输送燃烧电耗大,但因煤粉目前,链条炉排锅炉采用分层给煤机和炉拱、炉锅炉也必须同样增加引风机电耗来解决除尘问题。膛密封新技术等措施,能一定程度地降低上述两大这里取水煤浆锅炉比煤粉锅炉增加的电耗所换算的热损失。但最关键的是煤种,即煤的灰分和挥发分°Q2占燃料低位发热量Qm的百分比为1%,这样如果把大同原煤或Ⅱ级水煤浆的原料煤放到链条炉以分别燃烧大同浆和大同原煤为例,水煤浆锅炉能排锅炉燃烧,链条炉排锅炉运行热效率仅比同一原效要比煤粉锅炉低4.894%(见表9)。料煤的水煤浆锅炉低2%~3%。表9水煤浆锅炉和煤粉锅炉能效比较水分带走热量炉型磨煤电耗(同链条炉排锅炉,锅炉运行热效率运行增加电耗能效综合按表2)水煤浆锅炉基本相同水媒浆锅炉比煤粉煤粉锅炉,这里按相水槿浆锅炉比煤粉水煤米锅炉比继媒粉煤粉锅炉同处理3结论与建议百分点,但因水煤浆磨煤电耗和水分带走热量以及1)由于单位热量(如1MJ)水煤浆价格仅为重运行增加的电耗等因素的影响其能效比燃烧制浆油价格的二分之一,因此不管哪种容量的锅炉,只要原料煤的链条炉排锅炉要低5%-7%。对于燃烧用水煤浆替代原先的重油燃烧由于燃料费用显著含水对多的ⅡⅢ级水棋浆锅炉,其能效还下降,故都能取得明显的经济效益。此外,水煤浆在会更中国煤化工能源安全方面有其重要意义。CNMHG种炉型的磨煤电耗(2)与燃烧制浆原料煤的链条炉排锅炉相比,和运行热效率基本相同,但因水煤浆中35%的水分水煤浆锅炉运行热效率高于链条炉排锅炉2-3个要带走大量的热量且水煤浆锅炉运行的电耗与气力论坛专栏·水煤浆锅炉的能效分析输送燃烧的煤粉锅炉相比,电耗增加仍然较大。这里大,必须考虑有效的除尘设备才能稳定达标。仅定性地取其对能效影响值为-1%,则水煤浆锅炉6)我国浮选洗煤企业,应当借鉴欧美经验,将的能效要比燃烧制浆原料煤的煤粉锅炉低4.84%。一部分3~40mm粗颗粒精煤供链条炉排锅炉燃(4)对洗煤场泥煤制成的水煤浆或飞灰水煤浆烧,这样,不仅该链条炉排锅炉可达到与水煤浆锅炉(如用福建坑口电厂除尘器下飞灰脱碳工艺过程形相近的运行热效率,而且其能效比燃烧精煤水煤浆成的水煤浆),由于不存在(或仅存在很低的)磨煤锅炉也要高7%~8%。此外,链条炉排锅炉的原始电耗,且所含的水分大多是本身固有的,干燥后利用烟尘排放浓度更低,使用常规除尘器便可达标。题也需要热源,对这些可回收利用的水煤浆资源,单独参考文献燃烧有困难,可注入流化床锅炉燃烧,其可燃质利用1]陈学俊陈听宽.锅炉原理[M].北京:机械工业出版和能效都能有效提高。此方法应在矿区大力提倡,社,199目前这方面国内外有很成功的经验。[2]GB/T18855-200水煤浆的技术要求和测量方法[S](5)水煤浆是低灰优质烟煤研磨而成,按水煤3]贾传凯水媒浆水分对锅炉燃烧的影响[J,工业锅炉,浆技术条件和测定方法(GB/T18855-2002),水煤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浆被划分为三个等级,其对应含灰量分别为<6%[刀].工业锅炉,2008(6):32-36%-8%、8%-10%。但因燃料中灰分大约有9%5]祝平.不要走入水煤浆误区[门]中国能源,202(4)以飞灰形式飞出锅炉,因此,水煤浆在工业锅炉上燃[6]GB13271-201锅炉大气污染物排放标准[s烧,应属于多飞灰的燃料。锅炉原始烟尘排放浓度》》》》》》》》》》》】》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》方》》2方》》》》》》》》非》》》》》急》广告索引德国E科燃烧器上海代表处前插19上海四方锅炉厂折页斯派莎克工程(中国)有限公司前插20杭州伯勒计算机技术有限公司封二北京西山圣通风机有限公司前插21上海工业锅炉研究所长沙市中工锅炉配件有限公司前插22大连新东方锅炉制造有限公司德国麦克斯威索有限公司前插23山东泰安山锅集团前插1青岛海众环保锅炉股份有限公司前插24四川太湖锅炉有限公司前插2、3湖南万英科技有限公司前插25意大利利雅路股份有限公司北京代表处前插4意大利百得有限公司上海代表处前插26江苏双良锅炉有限公司前插5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