電廠鍋爐節(jié)能探討

陳 乾， 安東風

(中國空分工程有限公司，浙江 杭州 310051)

電廠鍋爐節(jié)能探討

陳 乾， 安東風

(中國空分工程有限公司，浙江 杭州 310051)

文章介紹我國電廠鍋爐的能耗現(xiàn)狀及鍋爐的節(jié)能方法。

電廠鍋爐；能耗；節(jié)能

隨著煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源的日益減少，全球能源供應(yīng)形勢日趨緊張，節(jié)能降耗越來越受到人們的重視。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展能源供需矛盾更加突出。據(jù)統(tǒng)計，2001～2008年間，我國能源生產(chǎn)總量年均增長率是11.6%，而能源消費總量年均增長率達到了14.7%。在能源消耗增長速度高于生產(chǎn)速度的背后，我國需大量進口能源資源，這對能源安全構(gòu)成威脅。節(jié)能降耗能提高能源的使用效率，減少能源消耗，同時提高經(jīng)濟收益。 近年來，我國新建大火電機組單機容量不斷增大，參數(shù)不斷提高，供電煤耗量占全社會煤耗的比重越來越高。與此同時，電力工業(yè)的能源利用效率水平相對落后。因此，我們展開對電廠鍋爐節(jié)能技術(shù)的研究探討，對能源利用有積極的意義[1-2]。

電站鍋爐容量巨大、蒸汽參數(shù)(壓力、溫度)高，要求性能好，是火力發(fā)電廠中的主要設(shè)備之一。電站鍋爐也是火力發(fā)電廠主要的耗煤設(shè)備之一。電站鍋爐節(jié)能潛力相應(yīng)比較大，節(jié)能效果也好[3-4]。

1 鍋爐系統(tǒng)的熱平衡

鍋爐系統(tǒng)的熱平衡主要由輸入鍋爐系統(tǒng)的總熱量、鍋爐系統(tǒng)有效利用的熱量、排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、鍋爐散熱損失及其他熱損失?？捎萌缦聰?shù)學(xué)表達式表達：

Qzr=QZ1+QZ2+QZ3+QZ4+QZ5+QZ6

1.1 鍋爐系統(tǒng)的熱效率

鍋爐系統(tǒng)的熱效率，分為毛效率和凈效率。鍋爐系統(tǒng)的毛效率反映的是鍋爐本體的熱效率；鍋爐系統(tǒng)的凈效率反映的是鍋爐機組的熱效率。對于鍋爐系統(tǒng)，熱效率的高低反應(yīng)了能源利用的效率。鍋爐運行，需要消耗一定的自用汽、水及電能。而因鍋爐種類和運行條件的不同，使得不同的鍋爐自用熱耗和電耗的量也不相同。為了能全面的反映鍋爐機組的經(jīng)濟性，需要用鍋爐系統(tǒng)的凈效率來作為鍋爐機組的熱效率指標。

此外，還涉及鍋爐的燃燒效率。在鍋爐系統(tǒng)的熱損失中，固體未完全燃燒熱損失和氣體未完全燃燒熱損失，都表示了向鍋爐系統(tǒng)輸入的總熱量中有一部分沒有轉(zhuǎn)變成熱。因此，實際生成的燃燒熱與向鍋爐系統(tǒng)輸入的總熱量的比值總是小于1。

1.2 鍋爐系統(tǒng)的主要熱損失

固體未完全燃燒熱損失是燃料固體顆粒在爐內(nèi)未燃燒或未燃盡，而排出鍋爐引起的熱損失。它是鍋爐的主要熱損失之一，通常僅次于排煙熱損失。影響這項損失的主要因素是爐內(nèi)灰渣量和灰渣含碳量(即灰渣中殘?zhí)嫉暮?。其中，爐內(nèi)灰渣量與燃料中灰分的百分含量有關(guān)，而灰渣中殘?zhí)嫉暮縿t與燃料性質(zhì)、燃燒方式、過量空氣系數(shù)、爐膛溫度、鍋爐運行工況一級司爐的操作調(diào)整水平等有關(guān)。不同結(jié)構(gòu)的鍋爐，固體未完全燃燒熱損失有所不同。對于層燃爐來說，爐渣占總灰量的很大部分份額，為70%～80%。飛灰占總灰量的小部分份額，約20%-30%。但是，爐渣的含碳量(5%～15%)比飛灰的含碳量(20%～30%)少很多。因此，要減少這部分熱損失，兩者要給與同等成都的重視。對于粉煤爐來說，飛灰占總灰量的絕大部分份額，約90%～95%。并且，飛灰的含碳量也比爐渣的含碳量高。因此，對于粉煤爐，主要要減少飛灰含碳量。對于流化床鍋爐來說，溢流灰占總灰量的50%～65%，飛灰占30%～50%。但是，飛灰的含碳量為10%～20%，溢流灰的含碳量為2%～3%。因此，降低飛灰含碳量是降低固體未完全燃燒熱損失的關(guān)鍵。循環(huán)流化床鍋爐與流化床鍋爐情況類似。

排煙熱損失是鍋爐排煙的溫度高于送入鍋爐的冷空氣溫度而造成的煙氣攜帶熱損失，是鍋爐各項熱損失中最主要的一項。

排煙溫度和煙氣的排量是決定排煙熱損失的主要影響因素。排煙溫度越高，煙氣的排量越大，則排煙熱損失越大。一般來說，排煙溫度增加15～20℃，或排煙的過量空氣系數(shù)增大0.15，則排煙熱損失約增加1個百分點。

氣體未完全燃燒熱損失是由于燃燒產(chǎn)物中存在未燃盡的可燃氣體CO、H2、CH4等，這部分應(yīng)該釋放的熱量未燃燒釋放而隨煙氣排入大氣而造成的熱量損失。也稱化學(xué)未完全燃燒損失。影響氣體未完全燃燒熱損失的主要因素是燃料的揮發(fā)分含量、爐內(nèi)過量空氣系數(shù)、爐膛溫度、爐膛結(jié)構(gòu)以及爐內(nèi)空氣動力工況等。燃料的揮發(fā)分含量高，爐內(nèi)空氣動力工況不良，爐膛容積過小、高度不夠、煙氣在爐內(nèi)流程過短等都會造成氣體未完全燃燒熱損失增大。

2 電廠燃煤鍋爐的節(jié)能

火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程就是，鍋爐利用燃料燃燒釋放的熱能加熱給水，獲得高溫高壓的水蒸氣驅(qū)動汽輪機，汽輪機再帶動發(fā)電機發(fā)電。實質(zhì)上就是將一次能源)(煤炭、燃料油和可燃氣體等)向二次能源(電力)進行轉(zhuǎn)換的過程。電廠鍋爐的常規(guī)燃料是煤粉，煤經(jīng)過磨煤機磨成煤粉后經(jīng)由燃燒器噴入爐膛進行懸浮燃燒，變成高溫的燃燒產(chǎn)物(煙氣)；然后高溫的煙氣通過各種受熱面?zhèn)鳠?，將熱能傳給水，水變成蒸汽，蒸汽進一步吸熱變?yōu)楦邷氐倪^熱蒸汽，因此，電廠鍋爐的工質(zhì)有水蒸氣、煤粉和空氣，其節(jié)能和這些工質(zhì)經(jīng)歷的過程都相關(guān)。鍋爐相當于由輻射式換熱器和各種對流式換熱器組成的大型換熱器，但與一般的換熱器不同的是其中有燃燒問題。電廠鍋爐具備以下三個特點：

(1)容量大，參數(shù)高。電廠鍋爐的壓力很高，一般不低于3.82MPa。單臺機組發(fā)電功率在300MW一下的電廠都應(yīng)采用熱點聯(lián)產(chǎn)，600MW以上的才是只供應(yīng)電力的發(fā)電廠，而發(fā)電功率等于300MW及以上的鍋爐都采用亞臨界和超臨界壓力的鍋爐，其蒸汽溫度可達600℃以上；(2)排污特征明顯。電廠鍋爐主要是火室燃燒，燃料以粉狀或霧狀可燃有機質(zhì)為主，燃燒過程產(chǎn)生大量的NOx和硫化物；(3)排灰量大。

2.1 電廠鍋爐本身的節(jié)能途徑

對于電廠鍋爐本身來說，其節(jié)能主要措施是提高燃燒效率、促進傳熱、優(yōu)化傳熱系統(tǒng)、降低系統(tǒng)設(shè)備能耗和排煙溫度以及資源的綜合利用等。

2.1.1 高效燃燒和強化傳熱

高效燃燒包括降低點火溫度、維持燃燒的穩(wěn)定、節(jié)油(無油)點火等。近年來還發(fā)展了富氧燃燒技術(shù)，該技術(shù)有效降低了燃料的點火溫度，強化煤粉局部燃燒，以及在停爐和低負荷運行過程中減少燃油投用。強化傳熱的最新技術(shù)是使用高輻射陶瓷涂料，促進輻射傳熱，降低排煙溫度和散熱損失。

2.1.2 降低自耗電率

火力發(fā)電廠的廠電率高，是節(jié)能的途徑之一。據(jù)統(tǒng)計，300MW國產(chǎn)機組最低廠用電率為3.47%，進口機組最低為3.19%；600MW國產(chǎn)機組最低廠用電率為4.20%，進口機組最低為3.31%；進口機組的熱效率相對高，系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化和輔助設(shè)備的選擇較好。廠用電主要消耗在各類風機、水泵和磨煤機上，因此，對這些設(shè)備優(yōu)化配置，采用變速調(diào)節(jié)技術(shù)，能達到節(jié)能目的；

2.1.3 降低排煙溫度

電廠鍋爐排煙溫度為135～150℃，排煙量大，帶走了大量的排煙熱損失。降低排煙溫度可有效提高系統(tǒng)效率、節(jié)約能源。傳了傳統(tǒng)的空氣預(yù)熱器之外，可選用新型低溫省煤器，該省煤器能長期工作在露點以下煙氣環(huán)境中，抗腐蝕，不堵灰?？蓪⑴艧煖囟葟?35～150℃降低到74～84℃，發(fā)電廠能源消耗量和污染排放量相對減少2.5%～3.0%。

2.1.4 資源綜合利用

對電廠鍋爐排放的廢熱、廢水和廢渣的有效利用有時雖然不能提高鍋爐系統(tǒng)的內(nèi)部效率，但是從整個社會層面節(jié)約了資源和來自它處的能源，并且減少了處置所需的能源、物資和場地，也是一種積極有效的節(jié)能。典型的技術(shù)有粉煤灰的利用、脫硫廢渣的利用、灰渣冷卻余熱的利用和疏水余熱的利用等。

2.2 電廠鍋爐煙氣余熱利用節(jié)能

電廠鍋爐煙氣量大、排煙溫度高，對應(yīng)著較高的排煙損失，且排煙溫度越高，損失越大?，F(xiàn)代電廠鍋爐都采用給水回熱來提高電廠的效率，給水溫度已經(jīng)很高。超高壓鍋爐給水溫度達240℃，亞臨界鍋爐達260℃，超臨界鍋爐更高，達280℃以上?？渴∶浩魇軣崦鎭斫档团艧煖囟群芾щy，如果要使煙溫度降低到100℃左右已經(jīng)不可能。而燃料燃燒的冷空氣只有20℃左右，利用煙氣的熱量來加熱燃料燃燒所需空氣可以把排煙溫度降得很低，實現(xiàn)這一熱交換的是空氣預(yù)熱器。由于空氣預(yù)熱器工作于煙氣溫度最低的區(qū)域，回收了煙氣的熱量，降低了排煙溫度，它能幫助鍋爐效率達到90%以上。同時也由于空氣被余熱，提高了燃料與空氣的初始溫度，強化了燃料的著火和燃燒過程，減少了燃料不完全燃燒損失，進一步提高了爐子的效率?？諝庥酂崞鞯姆N類很多，按傳熱方式可將空氣預(yù)熱器分為兩大類：間壁式和蓄熱式。對于電站鍋爐，現(xiàn)在所用的空氣預(yù)熱器只有四種型式：管式、回轉(zhuǎn)式、熱管式空氣預(yù)熱器和暖風器。

3 結(jié)論

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，我國"富煤、貧油、少氣"的能源結(jié)構(gòu)特點決定了我國電力生產(chǎn)以燃煤火力發(fā)電為主，而燃煤發(fā)電所造成SO2、NOx的排放是造成酸雨的主要原因。近年來頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣等環(huán)境污染也或多或少的與燃煤有關(guān)。因此，改善鍋爐燃燒技術(shù)，降低SO2、NOx的排放，提高能源利用效率的需求越來越迫切。隨之而來的，自上世紀90年代后，我國對循環(huán)流化床鍋爐進行研究，并取得了進展。目前，循環(huán)流化床技術(shù)已趨于成熟。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)已經(jīng)證明在劣質(zhì)煤和污染控制成本方面具有優(yōu)勢。今年來電站發(fā)電功率朝著600MW及以上發(fā)展，出現(xiàn)了超臨界鍋爐與循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的結(jié)合，結(jié)合后的技術(shù)綜合了循環(huán)流化床低成本污染控制及超臨界鍋爐高供電效率兩個優(yōu)勢，在燃料價格、材料成本、制造水平上具有巨大的商業(yè)潛力，是一個具有明顯優(yōu)勢的燃煤發(fā)電技術(shù)，且煙氣凈化(脫硫、脫硝)的初投資和運行成本比煙氣脫硫低50%，只一種適于大量推廣的高效潔凈煤發(fā)電技術(shù)，其商業(yè)前途十分光明。

[1] 林宗虎，魏敦崧，等.循環(huán)流化床鍋爐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 屈衛(wèi)東,楊建華,楊義波,等.循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備及運行[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3] 沈祥智，吳金星.工業(yè)及電廠鍋爐節(jié)能技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4] 馮俊凱，岳光溪，呂俊復(fù).循環(huán)流化床鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2003.

(本文文獻格式：陳 乾， 安東風.電廠鍋爐節(jié)能探討[J].山東化工，2017，46(10)：113-114.)

2017-03-07

陳 乾(1983—)，江蘇吳江人，工程師，主要從事化工設(shè)備設(shè)計。

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