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燃煤锅炉改造为燃气锅炉的节能分析

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燃煤锅炉改造为燃气锅炉的节能分析

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发布时间:
2018/04/19 15:03

燃煤锅炉改造为燃气锅炉的节能分析

    我国能源供应以煤炭为主,燃煤锅炉占锅炉总数的83%,其中燃煤工业锅炉更是我国主要的动力设备。然而燃煤工业锅炉作为我国能源大户,能源浪费相当严重,同时燃煤工业锅炉还排放大量的烟尘、SO2和NOx等污染物,也是我国大气主要污染源之一。因此,在国家倡导节能减排的政策下,许多地方政府要求企业将原有燃煤锅炉更换为燃气锅炉,而此时企业出于经济考虑,“煤改气”成为企业节省资金、工期短、见效快、切实可行首要选择。

 

    据1998年工业普查统计,全国工业燃煤锅炉保有量为52万台、120万蒸吨,其中70%是蒸汽锅炉,其余是热水锅炉,年耗煤炭约4亿吨标准煤。工业燃煤锅炉型式各异,主要是正传链条炉排锅炉,占总数的70%以上,它们的热效率普遍较低,平均只有 67%,比发达国家低15~20个百分点。其主要原因是排烟热损失和不完全燃烧热损失过大。发达国家燃煤工业锅炉的过量空气系数大多控制在1.3~1.5 之间,中国实际运行值平均高达2.0~3.0,过分过量空气加大排烟热损失;英国燃煤工业锅炉煤渣含碳量设计要求在3%~5%之间,实际运行控制在 1.4%~2.5%之间,而中国燃煤工业锅炉煤渣含碳量设计推荐8%~12%,实际运行却达到10%~27%。排烟热损失和不完全燃烧热损失浪费惊人,节能潜力巨大。

 

、燃气改造技术分析

    在燃煤锅炉改造为燃气锅炉的工作中,应以不变动锅炉本体受压元件部分,减少对原有锅炉改动为原则。改造过程应着重从燃气燃烧器的选择、燃烧器数量的确定、燃烧器布置、炉膛布置的匹配性设计、选择防爆措施等方面考虑,循序渐进,既要考虑经济效益,又要从实用性出发。

    1、 燃气燃烧器的选择

    在燃煤锅炉改造过程中,首先要选择或设计合适的燃气燃烧器。常见的燃气燃烧器按照空气供给方式可以分为引射式燃烧器、鼓风式燃烧器和自燃引风式燃烧器三类。引射式燃烧所需的空气由燃气射流吸入,鼓风式燃烧器需鼓风设备将空气送入燃烧系统,自然引风式燃烧器则依靠炉膛中的负压将燃烧所需的空气吸入燃烧系统。对于燃烧器的选择应对比三种燃烧器的特性结合锅炉原有炉膛的特点进行考虑。

    1) 燃气燃烧器的安全程度,也就是要求降低气体不完全燃烧热损坏。燃烧的完全度主要与燃气和空气混合均匀程度及空气是否充足有关。一般在空气量充足、混合良好的情况下,使气体不完全燃烧损失为零并不困难。当燃用高热值燃气时,气体不完全燃烧损坏不应超过0.5%;燃用低热值气体时,气体不完全燃烧损坏不应超过1.5%。在采用预混燃烧器时,容易使不完全燃烧损坏控制得比扩散燃烧时低一些。

    2) 降低烟气中的过剩空气系数是降低排烟损坏有效措施。排烟中的过剩空气量与烟气通道漏入的空气量之和。对微正压运行的锅炉,烟气通道漏入的空气为零,此时主要过剩空气量取决于燃烧时的过剩空气量,实际上在任何情况下,降低燃烧时的过剩空气量,对提高锅炉的热效率是有好处的。燃烧器能否保证在尽量低的过剩空气系数下运行,是燃烧器燃烧性能的重要指标之一。

    3) 燃烧器的火焰特性与炉内换热和锅炉的其他特性密切相关。比如,扩散燃烧时,其半发光火焰比无焰燃烧时的火焰辐射能力强,对炉内传播有利。燃烧器喷口的气流应有较高的速度和较大射程,以使炉内火焰充满度较好。在利用耐火材料加强炉内传热时,需要与辐射面相适应的火焰形状和火焰速度。

    4) 充分考虑燃烧速度。因为高速燃烧是现代中小型锅炉发展的的趋势,它可以减少燃烧器和炉膛的尺寸,是锅炉小型化的重要措施,也是燃烧器的重要特性指标。

但是,实际生产中,由于中小型锅炉常在负荷多变的情况下使用,因此,要求燃烧器有很宽的负荷调节范围。改造后的燃气锅炉在运行时,应使炉膛火焰充满度比较好,不形成气流死角,避免相邻燃烧器的火焰相互干扰,同时未燃尽的燃气、空气混合物不应接触换热面,以免形成气体不完全燃烧。但高温火焰要避免高速冲刷换热面,以免换热面热强度过高使管壁过热。因此,在选择燃烧器时,还要根据不同的燃气和负荷,近似估算燃烧火焰的长度。

    2、燃气燃烧器数量的确定

    燃煤锅炉改造中燃气燃烧器的数量可由下式确定,

    n=Qgl/Qrq,式中,n为燃气燃烧器的数量;Qgl为锅炉热负荷容量,KW;Qrq为单个燃烧器热负荷,KW。实际改造中,为防止多个燃烧器同时运行时某一个燃烧器因事故熄火引起爆炸或爆炸,燃气燃烧器个数一般不超过4个。为解决锅炉在低负荷时燃气流量不足出现的熄火、回火问题,可通过在燃烧器内部加装油枪来适应锅炉低负荷时的变化,同时炉膛中应配合安装熄火防爆装置。

    3、燃烧器的布置

    1)应使火焰处于炉膛几何中心区域,使火焰尽可能充满炉膛,燃烧稳定。

    2)火焰居于炉膛的几何中心区域,可使炉膛内热量得以均匀分配,不会形成局部受热引起应力增大,防止受热不均,避免锅炉出现受热局部过热现象。

    3)卧式锅炉的炉膛进深较大,燃烧器布置在炉膛的前墙上,保证前烟箱不会过热。目前,国内中小型燃煤锅炉按燃烧方式分为层燃烧与室燃烧两种。层燃炉多数为链条炉,其特征是燃料在固定或缓慢运动着的炉膛实现燃烧。当改造的锅炉为链条炉时,其前后墙及炉拱的特殊形状为安装燃烧器带来不便,故应将燃气燃烧器安装于链条炉的南侧。为使改造后炉内的热交换状况与改造前相似,以减少链条炉内换热设备的变动,应将燃气燃烧器安装于炉膛侧墙中心下方。对于煤粉炉,为保持与改造前炉膛空气动力场特性相似且减少改造工程量,可利用基原有煤粉燃烧器喷口位置安装新的燃烧器。

    4、炉膛布置的匹配性

    当燃烧器的类型及位置选定时,应进行炉膛的匹配计算,主要由四部分组成。

    1)排烟量要与引风机相匹配。燃煤锅炉引风机的排烟量是按照燃煤产生的烟气配置的。改烧燃气后,烟气的密度及流量发生变化,应重新校验引风是否匹配,否则会出现点火困难、尾气温度高度等温题。

    2)炉膛漏风系统要与燃烧器空气量相匹配。在煤改气过程中,应将漏风系数在0.1以下。燃煤锅炉的漏风主要集中在前煤斗、排碴口、鼓风机入口处。采用气体燃料后,应当封闭,以减少排烟热损失和电耗,否则容易造成漏风。

    3)炉膛尺寸要与燃烧器的布置匹配。炉膛布置要考虑单个燃烧器。根椐单个燃烧器的火焰长度和直径,确定燃烧器之间的距离,以保证火焰不冲刷炉墙、不相互干扰,并有利于受热面匹配。

    5、燃气锅炉防爆措施选择

    燃煤锅炉改燃气锅炉最危险的就是发生炉膛爆炸事故。国内外燃气锅炉的炉膛、烟道爆炸事故屡有发生,引起爆炸的原因有以下3种情况。

    1) 锅炉点火前,因燃气漏入炉膛(如阀门不严,误操作,一次点火不着等),而又未对炉膛、烟道进行吹扫时间不够、风量不足,在点火时会发生爆炸。

    2) 锅炉运行中由于熄火引起爆炸事故。这类事故发生的燃烧器前燃气压力或风压波动太大引起或回火情况下。

    3) 当锅炉燃烧不良时,可燃气体进入锅炉后部烟道,与后部烟道漏入的空气混合形成爆炸性气体(负压运行的锅炉),在高温作用下,可能引起二次燃烧或爆炸。

 

    结合上述爆炸原因,在燃煤锅炉改造为燃气锅炉后应从以下几方面防止炉膛爆炸事故的发生。

    1、必须配有可靠的安全保护控制措施,如自动点火装置、快速切断阀、火焰监视系统(FSSS)各项连锁保护。

    2、对于水管锅炉在炉膛出烟口位置(或正对炉膛中心位置)及烟道上设置防爆门。防爆门的动作是当炉膛或烟道内的混合气体发生爆炸时能自动打开,泄放一定的炉内压力,以保护炉墙不受严重破坏。

    3、必须严格制订和执行安全操作规程,特别是在每次点火启动时一定要做吹扫工作,掌握好吹扫时间。必须保证在风门打开后,根据通风机的流量计算的吹扫风量容积应大于或等于3倍炉膛和烟道的容积量,所需的时间再延迟30S以上。在锅炉运行中注意风气比例调节,防止出现脱火、回火现象,保证气体完全燃烧。

    4、燃气锅炉燃烧系统应实现自动化,包括点火、熄火保护、燃烧自动调节、必要的联锁保护以及用程序自动启动。

    5、当几台锅炉共用一个烟道时,每台锅炉都应设有烟道门,而且每台烟道门应设置限位开关。与此同时,还必须保证在锅炉启动前打开烟道门后,锅炉才能投入使用,以防因烟道门未打开,误操作造成通风不畅事故

 

、燃煤锅炉与燃气锅炉不同之处

    1、燃烧方式

    循环流化床燃煤锅炉是将煤通过破碎设备,经皮带进煤仓,通过给煤机利用播煤风,撒入炉膛;通过循环灰加热,流态化燃烧过程。而煤改气后将焦炉煤气和驰放气混合合由四个燃烧器喷入直接燃烧。

    2、燃烧产物

    煤主要是由C、H、O、N、S等元素和灰分及水分组成,煤燃烧放出热量后,生成SO2、SO3、NOx灰分和水分,而SO2、SO3、NOx由烟气排入大气,污染环境,对人类造成危害。

而焦炉气和驰放气的主要成分是CO和H2,经过燃烧后,主要生成CO2和H2O,相对燃煤锅炉燃气锅炉的排放SO2、SO3、NOx要少得多。

    3、通风方式

    燃煤锅炉一般采用负压燃烧,基燃烧过程是由鼓风机和引风机的配合配合的配合来共同完成,煤在燃烧过程中,需要大量的空气,而由于炉墙烟道的漏风,过量空气系数可达2.1-2.5之间。

燃气锅炉采用微正压或微负压燃烧,需要的风量小,在燃烧器内空气能较好的与天然气预混。微正压燃烧没有炉墙和烟道的漏风因素,运行中烟道出口空气系数可为1.05-1.2。

    4、燃料易爆性

    燃煤锅炉燃烧安全,炉膛不易发生爆炸危险。而燃气锅炉在爆炸浓度界限内,遇到明火就会发生爆炸。危险性较大。

    5、锅炉自动控制

    燃煤锅炉由于受到煤种、料层厚度、鼓风量、引风量、风煤配比等原因,要做到根据负荷来自动调节锅炉运行参数的难度大。

    而燃气锅炉所受影响因素较少,可根据负荷调节燃烧器阀门大小,容易实现自动控制。

 

三、燃气供热节能技术

    1、气候补偿系统

    建筑物的耗热量因受室外气温、太阳辐射、空气湿度、风向和风速等因素的影响时刻都在变化。要保证在上述因素变化的条件下,维持室内温度恒定 (18℃±2℃)或满足用户要求,供热系统的供回水温度就应在整个供暖期间根据室外气象条件的变化进行调节,以使锅炉供热量、散热设备的放热量和建筑物的需热量相一致,防止用户室内发生室温过低或过高的现象。通过及时而有效的运行调节可以做到在保证供暖质量的前提下,达到最大限度的节能。室外温度的变化决定了建筑物需热量的大小也就决定了能耗的高低,运行参数必须随室外温度的变化每时每刻进行调整,始终保证锅炉房的供热量与建筑物的需热量相一致,只有这样才能实现最大限度的节能。每个锅炉房都应该按自己的运行曲线去运行,这条曲线才是该锅炉房的最佳运行曲线。气候补偿系统即是给锅炉房提供最佳运行曲线的系统。

    2、烟气冷凝热能回收系统

    中小型燃气(油)蒸汽锅炉(包括进口锅炉)大部分都不带省煤器和空气预热器,因而造成锅炉排烟温度偏高,一般在160℃以上,有的甚至达到200℃,锅炉的排烟损失较大。由于燃气锅炉没有机械未完全燃烧损失和灰渣的物理热损失,所以燃气锅炉排烟热损失占锅炉总热损失80%以上,合理控制排烟温度对提高锅炉热效率,节约能源将起很重要作用。

通过对各种燃料的烟气成分进行分析,发现了如下特点:水蒸气容积在各种燃料的烟气成分中所占的比例分布是:天然气20%、油12%、煤4%。为什么天然气的烟气成分中水蒸气容积的比例最大呢?因为天然气的主要成分是甲烷(CH4),由于其有大量的氢元素,燃烧时与氧结合,产生了大量的水蒸气。

    1公斤水蒸气所携带的热量是2400KJ,0.7MW的锅炉每小时产生水蒸气30~40公斤大致相当于25~33小时带走0.7MW的热量。因此热损失是很大的,必须将这部分热量回收回来,提高锅炉热效率,降低燃气耗量。

    国外早已认识到这个问题的严重性,目前排烟温度已经普遍降到70℃,最低可到40℃。烟气的露点温度大约是58℃左右,其只要接触到低于露点温度的介质,就会冷凝成水,释放出大量的热量。其热量是由两部分组成:(一)物理显热:通过降低烟温来实现,排烟温度可控制在70~80℃。经过测试,降低烟温20~50℃,可提高锅炉热效率1~3%;(二)汽化潜热:通过水蒸气冷凝成水的相变来实现,经过测试可提高锅炉热效率3~5%。两者综合可提高锅炉热效率3~8%。

燃气锅炉本身的热效率已经达到90%,如再通过改造锅炉本体来提高热效率将得不偿失,事倍功半。通过采用烟气冷凝热能回收系统,在不影响锅炉本身热效率的前提下,再提高锅炉热效率3~8%,将是一种投入最低、收益最大的节能方式。

    3、供暖系统水力平衡

    供热系统能耗的高低,不仅取决于热源,而且与整个管网系统有关。在供暖系统中,普遍存在着水力失调的问题,水力失调造成系统冷热不均,距离热源较近的用户,室内温度较高,距离远的用户室内温度偏低。为保证远端用户室内温度,不得不提高管网供水温度和加大循环水量,不但很难保证供暖质量,而且造成巨大浪费。

    通过实际测试,往往近端用户单位流量是远端用户单位流量的数倍,为使远端用户达到16℃,近端用户室温已经超过20℃,甚至开窗户造成能源浪费。因此通过实践,经过水力平衡调试可以节约能源10%左右。

    4、燃气锅炉房供热集中控制系统:

    燃油(气)锅炉的热效率比燃煤锅炉要高得多,一般可达到92%以上(大气式燃烧的模块锅炉除外),但锅炉厂家所提供的锅炉热效率是在额定负荷下的热效率,当锅炉运行工况偏离设计点时,锅炉的热效率是变化的。目前,进口锅炉一般可以提供出锅炉热效率随负荷变化曲线或数据,但国产锅炉很难提供出锅炉热效率随负荷变化曲线或数据。在实际运行中,外界所需热负荷始终是变化的,运行的锅炉不可能恒定在最佳工况点定负荷运行。

    在锅炉房设计中不仅要选择热效率高的锅炉,同时也要采取措施提高锅炉房的总热效率。多台并联运行的锅炉通过群控来提高锅炉房总热效率是必要的。所谓群控就是根据外界所需热负荷的变化合理确定锅炉运行的台数,科学分配各运行锅炉的运行热负荷,尽量使每台锅炉都在最佳工况点运行,从而提高锅炉房总热效率。

    对于不进行群控的多台并联运行的锅炉,当外界所需负荷变化时,运行锅炉则同时降负荷,同时升负荷,使每台锅炉都不在最佳工况点运行,势必造成锅炉房总热效率不高,甚至比不上安装模块锅炉的锅炉房。

    5、分时分区控制:

    通过对住宅、办公区域采取分时、分区控制其室内温度,达到按需供热的目的,能够很好的节约能源。对于区域供热范围,有办公和学校建筑的应当按照需要进行供热,减少浪费。

    6、一水多用,节约资源

    在锅炉房设计中采取措施,使各系统的排水根据其特性充分重复利用,主要节水措施有:

    除向蒸汽用户供应蒸汽外,其他热水用户的热交换器系统均设置在锅炉房,一方面便于集中管理,减少运行人员,更重要的是全部回收凝结水,减少水量和热量的损失;

    对于锅炉房外蒸汽用户要求其采取闭式凝结水回收装置回收蒸汽凝结水,以保证凝结水的量与质;

    蒸汽锅炉的连续排污水进入连续排污扩容器,其二次汽进入热力除氧器,高温热水排入采暖系统补水箱作为采暖系统的补充水。

 

四、锅炉“煤改气”内容和方法

    1、技改方案选择

    在燃煤锅炉改造为燃气锅炉的工作中,要根据不同的炉型确定不同的改造方案。

    2、燃煤锅炉改造的关键环节:

    1) 拆除原燃煤锅炉的出渣机、上煤斗、上煤机、链条炉排、变速箱等设备。

    2) 通过对炉膛的传热计算,确定炉膛的几何尺寸,炉膛火焰中心位置。重新浇注炉膛,炉膛浇注材料采用耐火混凝土,配比为:大骨料∶中骨料∶小骨料∶砂∶耐火水泥=4∶2∶1∶1∶2。为使锅炉后拱管避开火焰中心位置,对原后拱管在原有坡度的基础上抬高。

    3) 装设防爆门。

    4) 对锅炉本体进行1.5倍工作压力的水压试验。

    对于我热力厂SHL型双锅筒横置式锅炉及其它各种水管、水火管锅炉的改造方案,一般情况下应尽量不变动锅炉本体受压元件部分,只对炉拱、炉墙作局部的改造即可。

    3、在改造施工中不论哪一种炉型都应注意以下问题:

    1)应保障烟气流动通畅,有良好的充满度且应避免出现死角和死区。

    2)燃烧器应设置在炉膛中心高度位置,且有足够的燃烧空间和长度。火焰不应冲刷到受热面管壁上,以免造成气体不完全燃烧和管壁局部过热损坏。

    3)由于天然气在炉膛中燃烧反应强烈、热强度高,对于裸露在炉膛内的锅筒底部应进行绝热处理,另外对于火管锅炉的管板入口处烟温应控制在≤6000C,以防止发生管板裂纹。

    4)各种水管、水火管锅炉的炉墙基本用耐火砖砌筑,外加保温材料和护板。在“煤改气”时应注意炉墙的严密性,尽量减少原有的炉门、检查门等,可用耐火材料砌堵,防止喷出火焰伤人或向炉内漏入过多的冷空气,影响锅炉效率,对于必须保留的看火孔也应采用封闭式看火孔,通过耐热玻璃观察炉火。

    5)燃煤锅炉的炉膛和燃气锅炉比,一般都比较大,有足够的燃烧空间,改造后可增加燃气量,不影响燃烧工况。如果用户要求明显提高锅炉出力,可以适当增加炉膛辐射受热面,同时清除原受热面内外侧的水垢和烟垢,这样在不增大锅炉体积的情况下提高锅炉出力是不成问题的。但必须在做好锅炉的热力计算、烟风阻力计算的同时还要做好强度计算。