燃煤锅炉毕业论文.doc

燃煤工业锅炉分析 [摘要]论述了我国工业燃煤锅炉现状,分析了燃煤工业锅炉存在的问题,对于燃煤工业锅炉存在的问题进行合理的分析,给出提升燃煤工业锅炉能效的意见。 [关键词]燃煤工业锅炉能源现状节能减排 绪论 伴随全球化进程进一步加快,环境问题日益严峻,环境问题越来越受到各国的关注。我国是高速发展的工业国家,污染物排放、资源消耗占据全球的比例越来越大。节能减排已然成为缓解日益增长的能源消耗的必要而有效的途径。细颗粒物PM2.5、可吸入颗粒物PM10等污染物的大气环境问题日益突显。随着雾霾天气的日益频繁,严重危害人们的身体健康,影响人们的日常生活。雾霾的成因有很多,但由于燃煤工业锅炉燃烧效率低、净化烟气设施简陋,排放大量有害气体,已经成为了治理燃煤污染物的重中之重。“十二五”期间,为了有效改善空气质量,减少有害气体的排放,国家能源局发布了煤炭清洁高效利用行动计划20152020 年和关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见,国务院印发了大气污染行动计划等文件,提出要加快淘汰落后燃煤工业锅炉,在全国树立了保障燃煤工业锅炉安全经济运行、提高能效、减少污染物排放目标,到2017 年,要实现地级及以上城市建成区基本淘汰10 蒸t/h 及以下的燃煤锅炉。 1燃煤工业锅炉现状 锅炉是重要的能源转换设备,也是能源消费大户和重要的大气污染源。目前,我国电站锅炉、燃油燃气工业锅炉产品技术水平较高,设计效率和运行效率与国际先进水平相当;而燃煤工业锅炉量大面广,产品技术水平参差不齐,系统运行能效偏低,能效水平与国外相比有一定差距。截止2015年底,中国锅炉总数为57.92万台,在用燃煤工业锅炉约46.4万台,总容量177万蒸吨,年消耗原煤约7亿吨,占全国煤炭消耗总量的17左右,实测平均效率仅为70左右。如果平均效率从70提高到80以上,每年可节约1亿吨以上原煤,节能潜力巨大。 1.1燃煤工业锅炉系统使用现状 我国燃煤工业锅炉具有量大面广、小锅炉主导、烧原煤、南北地区经济差异、节能监管工作起步晚等诸多问题,虽有决策方案,但仍存在着许多问题和不足,燃煤工业锅炉系统运行能效仍然偏低。一是运行效率低于设计效率,运行工况与设计工况不符,对用户热负荷变化适应性低,机组配置不合理,风机、水泵等辅机设计裕量偏大,主、辅机匹配性差。二是燃料匹配性差,工业锅炉大部分以燃用未经洗选加工的原煤为主。三是运行管理水平不高,企业管理人员节能环保意识不够,内部管理制度不健全,运行人员技术技术水平不高,流动性较大。四是锅炉系统效率低于系统应有效率,现有的泵与风机多为通用产品,无负荷调节档次,与锅炉的匹配性较差,辅机电耗过高,造成较大的能源浪费。五是缺少必要的与经济运行有关的监测、计量仪表及装置,司炉工凭经验进行操作和调节。六是全系统热工控制水平较低,大部分燃煤工业锅炉系统没有配备自动控制装置,运行、调节过程完全靠人工操作,设备及系统能效受司炉工技术水平影响较大[1] 。 1.2 我国工业燃煤锅炉发展现状 1.2.1从燃料结构看,以煤为主,燃油次之 燃煤工业锅炉是我国工业锅炉的主导产品,尤其以10 t/h 以上的大中型燃煤锅炉为主。据统计,从燃料结构上看,在中小型锅炉中,燃煤锅炉约占80,油气锅炉占15 以上,电热锅炉占1 以上[2],少数锅炉则以黑液、甘蔗渣、生物质等为燃料。 1.2.2 从容量分布看,以中小型为主 全国燃煤工业锅炉呈现量大、面广、规模偏小的特点。据统计,10 蒸t/h 及以下锅炉比例最高,数量最大,均超过50,其中华东、中南、西北3 个地区超过70。 1.2.3 从结构看,中小锅炉数量逐年减少 随着中心城区禁煤政策的实施和区域集中供热、热电联产等节能减排政策的推行,中小型燃煤锅炉正向着大容量、高参数、高能效、低排放的方向发展,10 t/h 以下的小容量工业锅炉的数量逐年下降。 2存在的问题 2.1锅炉总体技术水平落后,单机容量小 燃煤工业锅炉数量多,虽然工业锅炉平均容量每年上升,但是工业锅炉单机容量仍旧偏小,单台平均容量仅为3.8t/h,其中2t/h以下台数占66.5。由于环保,高效率,低能耗的先进燃煤工业锅炉还没有得到大面积的推广应用,所以目前的燃煤工业锅炉热效率偏低,约62 左右,部分锅炉老化严重,很多超过折旧年限的锅炉,甚至上世纪七八十年代生产低效、高排放的锅炉仍在使用。大多数锅炉为链条炉,总体工艺水平较差,而高效锅炉价高、市场份额低、推广难度大。在燃煤工业锅炉中,层燃炉约占总容量的80,不同容量的链条炉约占45。容量≤10 t/h 的锅炉数量约占总锅炉数的80,而容量≤35 t/h 的锅炉数量约占总台数的96。 2.2用煤质量不稳定 我国锅炉燃料以未经加工的原煤为主,锅炉用煤品种多变、质量不稳定,热值不稳定。并且一直没有像欧美国家那样,采用链条锅炉专用煤。与链条锅炉专用煤相比,原煤不仅降低了锅炉效率,还加重了大气污染。目前我国使用天然气等清洁燃料比重很低。我国燃煤工业锅炉以层燃锅炉为主,煤炭灰分和硫分普遍较高,煤的发热量波动大,细末煤含量大,无法满足层燃锅炉设计要求要求粒度小于6 mm 的细末煤含量不大于30,既降低锅炉热效率,也增加了锅炉的污染物排放。 2.3除尘与脱硫技术低,燃煤锅炉污染物排放高 我国的工业锅炉以燃煤为主,每年煤炭燃烧量大约在6. 5亿t。多数燃煤工业锅炉的污染物排放控制技术水平低,所采用的除尘设施效率不到70,烟尘排放超标。由于脱硫设备的投资和运行成本较高,目前工业锅炉基本没有配套脱硫装置,特别是小型锅炉,我国10 蒸t/h 以下燃煤小锅炉的数量占工业燃煤锅炉总数的1/2,地域分散、量大面广,大多未安装脱硫、除尘设备,污染物属于无组织排放且接近地面,污染物稀释扩散程度低,短时间内浓度容易迅速积聚,极易造成严重的大气污染事故,甚至导致二次污染、耦合污染、复合污染,严重影响地表生态环境及人类身体健康。二氧化硫排放普遍超标。现有湿式除尘脱硫一体化装置实际脱硫效率一般为30 60,投资和脱硫成本都较高,用户不愿使用,环保部门很难监督。近几年,政府大力推行燃煤优质化工作,强调使用低硫煤,这方面有了一定的改善,但从整体上来讲,二氧化硫排放超标仍然是锅炉排放污染的一个重要问题。 2.4工业设计水平较低 锅炉制造企业新产品创新能力,研发能力较弱,技术开发、产品设计与制造工艺、生产脱节,产业集中度低,制造企业数量多、规模小,技术水平普遍弱。上千家工业锅炉制造企业,真正具有产品设计能力的不足百家,产、学、研相结合的创新模式还不普遍,大部分制造企业的新产品设计处于“简单重复”的水平,产品性能低下,产品性能方面缺陷得不到及时的完善。 2.5余热资源利用的扶持力度低 以煤矿为例,据研究,目前除矿井水、矿井回风、热电联供形式外,其他余热资源由于热能总量、稳定性等原因,暂不具备单独利用并完全取代煤矿全部燃煤小锅炉的能力,但可因地制宜根据热源热量与供热负荷需求相匹配的原则,满足局部供热替代燃煤小锅炉的要求。建议国家应对余热余压综合利用项目进一步加大支持力度。余热余压利用需要贷款的,各级商业银行应优先给予支持,实行国家财政贴息贷款、银行贷款优惠利率等金融扶持政策。 2.6政策法规不完善 锅炉设计、制造、运行、检测等在节能环保方面的技术规范和标准尚不完善,准入门槛较低。激励和约束机制不健全,创新驱动不足,市场缺乏节能减排的内生动力。为贯彻中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法,控制锅炉污染物排放,防治大气污染,国家已经制定了GB 132712001锅炉大气污染物排放标准,但是,目前缺乏相应的规程规范去驱使工业锅炉用户满足这些环保指标,这就造成工业锅炉用户关注锅炉价格甚于关注锅炉的环保性能,因此环保政策以及这些政策的执行力度远没有对工业锅炉的发展产生制约作用。另外环保部门颁布的行政法规往往试图代替标准的做法也大大减弱了标准在用户心目中的权威性。 3 整改措施 3.1以煤改电、煤改气为主 煤改电、煤改气是替代燃煤锅炉的主要方式,煤电联动、煤电联营是煤改的重点措施。随着各地煤改步伐的加快,2016年电力及天然气消费量均有增长。据预测,2016 年全国新增发电装机1亿kW 左右,2016 年底全国发电装机达到16. 1 亿kW,同比增长6. 5 左右[3]。据发改委运行快报统计,2016 上半年,天然气产量675 亿m3同比增长2. 9; 天然气进口量356亿m3,增加21.2;天然气消费量995亿m3增长9. 8。前瞻产业研究院预测 为推进煤改进程,各地政府出台了保障供电量及供气量、降低电采暖及气采暖价格、延长供电谷段时间、贴补取暖电器及燃气壁挂炉、以奖代补等一系列的补贴政策,燃煤锅炉整改进程明显加快,并取得了良好效果。 3.2加强锅炉水质监督工作,实现水处理节能 一般锅炉给水中含有大量的溶解气体和盐类,如果给水未经处理或处理不当,会造成锅炉受热面腐蚀和结垢现象。锅炉受热面结水垢时, 受热面热阻增大,传热性能变差,燃料燃烧所放出的热量不能迅速地传递到炉水中。在这种情况,为了保持锅炉的额定参数, 就必须更多地投加燃料,提高炉膛和烟气温度,因此造成能源的浪费。水垢的导热系数很小, 约为钢板导热系数的1/30 1/50。据测算,锅炉本体内部每结1mm水垢,燃料消耗要增加8 10,整体热效率下降3, 而且锅炉结垢后对锅炉安全运行也极为不利。因此应该采取有效的水处理技术和除垢技术,加强对锅炉的给水、锅水检验分析,实现锅炉无垢运行。 3.3坚持政府引导与市场配置资源相结合 明确政府和企业的事权,充分发挥市场配置资源的决定性作用,增强市场主体的内生动力。通过强化约束性法规标准,创新财税激励政策,推广市场化机制,引导和鼓励生产企业进一步提升所生产锅炉的效率。企业优先选用节能环保的工业锅炉,淘汰高耗能、高排放的落后工业锅炉。 从政策上应给予相应的支撑,如健全激励政策,对燃煤工业锅炉节能减排技术改造给以投融资扶持;加强对锅炉效率和污染物排放的监督和控制;提高排污费征收标准、加大超标排放处罚力度;制定和完善相关的工业锅炉标准;推广先进的工业锅炉技术等。 3.4优化调整锅炉的燃烧问题 燃煤工业锅炉的节能问题归根到底还是锅炉对燃料的利用效率的问题。所以进行燃料的 优化调整工作就显的尤为重要了。要注意对那些新投入使用的锅炉设备的控制系统进行全面的调整,及时解决设备的不足,提高锅炉设备工作的效率,降低能源的消耗,将节能工作落实好。 3.5取用余热资源 一些位于偏远地区的工矿企业,市政集中供热管网暂时不能覆盖,但有用热刚性需求,其自身的余热资源具有极高的利用价值。以煤矿为例,我国煤矿存在大量的余热资源,如矿井排水、矿井回风、瓦斯电厂烟气、低热值燃料电厂冷却水、洗浴废水等废热。据统计,截至2015 年底,全国煤矿矿井水每年理论上可提取的余热资源约940万t 标煤; 矿井回风总量理论上可回收热量约1 240万t 标煤,是煤矿最大的余热资源。利用地源热泵、水源热泵、风源热泵等技术提取矿区余热资源替代燃煤小锅炉在煤炭企业已有一定应用历史和应用范围,取得了较好的效果。目前余热替代项目主要以水源热泵和风源热泵为主。 4工业燃煤锅炉技术发展的未来分析 4.1工业锅炉燃煤技术的未来发展分析 根据中国能源发展战略分析和我国未来中长期国民经济发展规划和能源消费、环境保护政策,未来15 20年内,煤炭仍然是我国工业发展和人民生活的主要能源,煤炭燃烧仍然是煤炭的主要消费方式。但煤炭燃烧伴随有严重的粉尘、二氧化硫SO 2 、氮氧化物NO x 以及二氧化碳CO 2 排放, 会引起严重的环境污染。 1煤燃烧技术及燃煤工业锅炉评价 煤利用的方式有散煤燃烧、精煤燃烧、型煤燃烧、煤粉制品燃烧和煤转化产品燃烧等五种利用方式。 ①散煤燃烧 主要有层燃的链条机械炉排燃烧和将原煤经过初级破碎的循环流化床燃烧。 a. 层燃链条炉排燃烧层燃锅炉基建投资低,设备投资低,运行维护费用低;尽管层燃链条锅炉的运行费用低,但燃烧效率不高, 锅炉平均运行效率为65,能源浪费严重; b. 循环流化床燃烧燃烧过程中能同时脱除二氧化硫SO 2 和氮氧化物NO x ,具有较好的环保效益,合燃烧劣质煤,循环流化床燃烧锅炉平均热效率可以稳定地达到82 84,高于链条炉排锅炉。循环流化床锅炉锅炉房基建投资高, 设备投资大,运行维护费用比较高,所需要的燃料需要经过初级破碎。循环流化床锅炉制造需要较大的工厂设备投资和生产场地,将投资、环保、运行维护费用进行综合技术经济分析可知工业循环流化床锅炉进行热电联产, 容量须在35 t /h以上,才具有综合的节能效益,单纯集中供热的综合效益低于层燃链条炉排锅炉。 ②精煤燃烧 经过洗选和筛分的粒度相对均匀的煤, 可以称为精煤,属于洁净煤的一种。精煤燃烧的锅炉平均热效率可达85左右。工业锅炉一般难以大面积采用精煤燃烧,但是,可以大面积使用简单筛分而不洗选的煤。 ③型煤是将原煤、脱硫剂和助燃剂混和在一起制成一定形状和尺寸的煤制品,属于洁净煤的一种。型煤燃烧技术的最大优点是极大减少烟尘排放,也可以部分减少二氧化硫的排放,但对氮氧化物无能为力。采用低硫煤制成型煤,可在一定范围内推广使用。 ④煤粉制品燃烧 煤粉制品有干煤粉和湿煤粉之分,干煤粉主要用于大容量电站锅炉发电, 湿煤粉主要有水煤浆和油煤浆,油煤浆因用油较多,已经被实践证明没有应用前景;而水煤浆不用油, 改用水,具有一定的代替石油的前景,但水是重要的物质资源,水煤浆对于一个缺水的国家来讲, 每10吨水煤浆白白浪费3吨水,其发展必然受到国家的制约。因为水煤浆中水汽化 吸收热量的白白浪费, 水蒸气热损失占4 5,因此, 燃用水煤浆的锅炉热效率最高在86左右, 而燃用干煤粉的锅炉效率可以达到91 93, 因此, 燃用干煤粉综合效益高于燃用水煤浆,而其环保效益基本相当,因此,和水煤浆燃烧的锅炉相比,干煤粉锅炉具有决定性的高效优势。 ⑤煤炭转化品燃烧 是指将原煤转化成油品和气体即煤的气化和液化来进行燃烧, 这是目前国家积极推进的煤多联产技术。所谓煤多联产技术是将多种煤炭转化技术通过优化耦合集成, 同时获得多种洁净二次能源气、液、电、热、冷等为目的的生产技术。这一技术已经超出了工业锅炉企业的一般投资范畴。 表2示出了煤的五种制品的原材料消耗、热效率、污染排放、运行、维护等各方面的综合评价。 4.2工业燃煤锅炉节能技术的未来发展分析 4.2.1自动控制技术 随着计算机技术的发展,有计算机系统负责锅炉运行数据的采集、分析、记录包括参数超过一定数值时的自动报警,这些已更加的普遍。当前,国内外对锅炉智能控制的研究主要在电站锅炉,比如采用DCS控制和基于OPC 技术与PLC 的锅炉控制系统尤其是在燃气发电锅炉中,DCS 系统可根据负荷单独调节每个燃烧器的阀门、风阀,实现最佳经济运行的效率同时DCS 还能集成炉膛安全监控系统,对关键的安全参数实施不间断的控制,从而确保锅炉在安全和节能之间取得平衡。由于DCS系统价格较高,数量较多的中小型工业锅炉还是采用传统的PID 控制。PID 控制虽然具有一定的自动控制能力,但锅炉在实际运行过程中往往有非线性、随机性等特点,且参数设定较为复杂不能较好地适应目前节能减排的形势,为此,目前出现了一种以模糊PID 算法为基础的锅炉温控技术。与单纯的PID 控制相比,调节时间短,具有超调量小,振荡周期短的特点,实现更为精细的温度控制,以实现节能的目的。 节能技术 锅炉采用链条炉排的形式已有100 多年的历史。由于其工艺成熟,结构简单,应用普遍。但也存在煤种适用性窄、燃烧效率低等弊病。针对这一问题,国内外有许多新的方法。从经济和安全等方面综合入手,对不同类型的锅炉均有不同的做法,有些取得了一定的认可程度,并最终变成行业的共识,对提升整个行业的节能水平提供了新的思路,有的则作为传统方式的有效补充。比如有对上煤系统和煤斗进行改造,使得煤在炉排上分布均匀;有使用分层分行给煤装置,使得燃煤按照粗的在下,细的在上有序排列,提高煤层的空隙率,从而保证煤的充分燃烧;有单位将锅炉混煤器与分层分行给煤装置相结合,进一步减少煤层间的通风阻力,提高燃烧效率;有单位采用机械拨火,让煤层然方式动态化,使其充分燃烧;有通过对煤层厚度和炉排速度的动态优化,来提高锅炉低负荷状态下的燃烧效率。这些技术虽然能从一定程度上提升链条炉的燃烧效率,但并未从根本上改变链条炉的不足,收效不明显,并没有在各使用单位大范围的应用。相对于链条炉排,循环流化床燃烧技术的出现,能使固体颗粒与气体充分接触,同时实现燃料的循环燃烧,其高效率低污染,对煤种有更高的适用性使其得到迅速的发展。尤其是在热电领域有着广泛的应用。我国循环流化床发电锅炉的总发电量已高居世界第一,目前在循环流化床锅炉领域也有各种新的节能技术的应用。比如,通过在床下设置油枪并结合脉动投炉的方法,来提高锅炉点火初始阶段煤炭的利用效率;采用高低差速的循环硫化床技术,使得锅炉具有两个不同的燃烧腔来应对燃料中的不同组份;有采用高压变频技术来对风机实时控制,提高风压的稳定性,从而实现燃料的充分燃烧;有采用协调控制系统来解决锅炉燃烧控制的非线性问题,来提高锅炉效率也有从燃料角度着手通过煤炭与CO 2 反应得到CO,实现循环流化床锅炉燃料的煤气化,提高燃烧效率。但 同时由于其结构、制造成本的限制，相关技术在工业锅炉中使用还在少数。 锅炉运行效率与排烟温度有很大的关系，研究表明排烟温度每升高 10℃，锅炉的运 行效率就降低 1。降低排烟温度，从理论上来讲可以通过增大炉膛容积等手段来实现， 也可以增加屏式过热器的方法， 但这两种方法仅在对新锅炉节能设计方面具有参考价值， 在 对旧锅炉节能改造中实际的可操作性不高。我国的大唐耒阳发电厂 1、2锅炉、莱城兴 源热电公司 1 锅炉，这些公司的锅炉均通过改造省煤器和空气预热器提高热传导效率和 换热面积的综合方案使得这些公司的锅炉效率较改造前提高 3-4。传统的理论认为， 锅炉的排烟温度在 120-140℃之间为最佳， 但随着能源价格的不断走高和出于脱硫脱硝等 环保方面的考虑，进一步降低排烟温度势在必行，而再采用前面说的方法，已经不能满足要 求，为此德国和日本的热电厂采用烟气换热器（GGH）。我国在参考类似工艺，成功解决 了烟气低温腐蚀和传热管积灰等问题后，使电站锅炉的排烟温度从原来的 123℃降到了 87℃，取得了良好的效益。随着自动控制技术的发展，在掌握排烟温度、进气温度、锅炉 燃烧效率之间的关系后， 采用自动控制系统对排烟温度与进气温度实施控制， 确保锅炉燃效 率的稳定，这也新的研究方向。 为了延长炉内高温在锅炉内停留的时间， 并提高炉内煤炭燃烧的时间， 人们在锅炉内筑 起各种形状的炉拱。一般炉拱分前后拱，前拱主要用来引燃煤炭，后拱则主要用来强化煤炭 的燃烧。锅炉的燃烧效率与各拱的形状、尺寸、位置等有关。传统的炉拱涉及的是一个高而 短的前拱和短而上倾的后拱，但由于我国燃煤质多变，传统的炉拱对燃煤的适应程度较低。 上海交通大学经过多年调研认为， 提高锅炉的燃烧效率燃煤的引燃是关键， 前炉拱正是保证 燃煤被充分引燃的关键结构。通过压低锅炉前拱，并将其改造成人字型，提高前拱的升温能 力，更好地保证燃煤被充分引燃，此技术已在全国 700 余台锅炉上使用，收到较好的节能 效果。人形炉拱虽可以提高燃煤的利用效率，但我国煤炭质量不稳定，尤其是中小锅炉，对 煤炭进口把关不严的情况没有好转， 只要煤炭质量出现大的波动， 人形炉拱也不能更好地适 应不同煤炭的燃烧要求。所以，有企业设计了一种可调节炉拱高度、角度和长度的可调式锅 炉炉拱，改变了以往一类炉拱只能适应一类燃煤的限制。可调式锅炉炉拱，通过在后拱轴部 安装一个耐高温材料制成的转轴，可以实现“煤变、拱变”使得炉拱根据燃煤种类实现动态 的改变，从而提高燃煤的燃烧效率。该技术在辽宁、内蒙多台不同型号的锅炉上应用，包括 29MW 大型锅炉和 14MW 以下的小型锅炉，均取得较好效果，最高比改造前热效率提高 10。 5 结语 我国能源结构决定， 在以后相当长的一段时间内， 燃煤工业锅炉仍将是我国能源利用的 重要装备， 而随着能源供应结构的调整和节能环保要求的日益严格， 提升燃煤工业锅炉能效 对节约能源和减少大气污染物排放都具有重要意义。因此，我们必须要通过政府、锅炉制造 企业和使用单位以及相关技术服务机构和从业人员的共同努力才能取得更好的成效 参考文献 [1] 第七届中美能效论坛发言材料. 张清. 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