基于鍋爐熱效率反平衡法分析飛灰碳含量對燃煤鍋爐熱效率的影響

王 炯

(中材節能股份有限公司,天津 300499)

0 引言

鍋爐作為燃煤電站的三大主機之一,其性能指標對燃煤機組至關重要,尤其是鍋爐的熱效率已成為評價鍋爐設備完善程度及運行管理水平的重要參數,是一項重要的熱經濟性指標,直接影響電廠的熱經濟性[1]。近年來,由于煤炭資源緊缺,煤炭價格上漲,大部分燃煤電站采取鍋爐在燃用設計煤種時摻燒一定比例的經濟煤種,以減少高價格的設計煤種消耗,這導致鍋爐飛灰含碳量比燃用設計煤種時升高,因此降低鍋爐飛灰含碳量為主要研究方向,提高鍋爐熱效率已成為眾多學者研究的熱點。李士祥[2]研究了300 MW煤粉爐摻燒一定比例的高硫低揮發分煤的飛灰含碳量,得出摻燒高硫低揮發分煤后飛灰含碳量明顯升高。劉為展等[3]分析了210 MW煤粉爐摻燒低揮發分煤的飛灰含碳量,得出可通過調整增減風量和煤粉順序有效降低飛灰含碳量。王孝先等[4]對300 MW“W”型火焰鍋爐摻燒一定比例的越南煤和澳洲煤的灰渣含碳量進行分析,結果表明,可通過優化摻燒方式、配煤及鍋爐配風等方式達到降低灰渣含碳量的目的。劉彥鵬等[5]研究了300 MW循環流化床鍋爐摻燒煤泥的灰渣含碳量,得出摻燒煤泥量的多少對飛灰含碳量沒有明顯影響,而大幅增加入爐煤泥量時灰渣含碳量會顯著增加。李沙等[6]對600 MW煤粉爐配備摻燒澳洲煤的飛灰含碳量進行分析,得出摻燒澳煤后,由于澳煤著火與燃盡性偏差,使得飛灰含碳量明顯增加。上述文獻研究均得出,摻燒一定比例的經濟煤種會使飛灰含碳量顯著增加,但未給出飛灰含碳量與鍋爐熱效率的數學表達式。

在工程計算中,鍋爐熱效率的求解可采用正平衡法、反平衡法兩種。在進行鍋爐設計及電站方案設計時,基本上是不可能通過正平衡法計算出鍋爐的熱效率的。需要通過反平衡法來求鍋爐的熱效率,大多通過取經驗值來確定鍋爐的熱效率進行設計,采用反平衡法得出的鍋爐熱效率與經驗數據和采用估算方法存在較大差異。為了能更準確地指導設計,避免求解的差異過大,有必要研究鍋爐熱效率的計算表達式。本研究以反平衡法為基礎,通過合理的簡化假設,分析鍋爐各項熱損失,通過推導求得鍋爐熱效率與飛灰含碳量的數學表達式。

1 理論分析

在電站鍋爐中,主要的熱損失有排煙熱損失q2、氣體不完全燃燒熱損失q3、固體不完全燃燒熱損失q4、鍋爐散熱損失q5、灰渣物理熱損失q6[7]。研究表明,影響排煙熱損失q2的主要因素有排煙量、排煙溫度及過量空氣系數[8];對于燃煤鍋爐,氣體不完全燃燒熱損失q3可以忽略不計[9];固體不完全燃燒熱損失q4主要是由于未燃盡碳粒引起的[7];鍋爐散熱損失q5與鍋爐的散熱面積、鍋爐表面溫度及環境溫差有關[7],文獻[9]給出鍋爐散熱損失q5與蒸發量的關系;對于燃煤鍋爐固體排渣,只有當煤粉灰含量達到一定量時,才需考慮灰渣物理熱損失q6。因此通過合理的簡化假設,研究飛灰中未完全燃燒碳的質量分數與鍋爐的熱效率是可行的。

排煙熱損失q2是由于鍋爐排煙溫度高于環境溫度,其焓值也高于周圍環境的空氣焓值,形成了排煙熱損失[7]。此項熱損失是鍋爐最大的、最重要的一項熱損失。排煙溫度和排煙量是影響排煙熱損失q2的兩個最主要因素。排煙熱損失q2隨排煙溫度的升高和排煙量的增大而增大,一般排煙溫度提高10 ℃～15 ℃,q2約增加1%[7]。減少鍋爐排煙熱損失則可降低排煙溫度、減少煙氣量,但過低的排煙溫度會引起鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕,需增加尾部受熱面面積,使金屬耗量和煙氣流動阻力增加。合理降低排煙溫度受低溫酸露點的限制,研究表明,燃用高硫分煤的小型鍋爐,其排煙溫度較高,一般為180 ℃～229 ℃,而大、中型鍋爐的排煙溫度通常為110 ℃～180 ℃[9]。排煙量受燃料組成成分和性質、鍋爐形式、燃燒方式等影響,減少排煙量會引起燃料不完全燃燒,熱損失增大。研究表明,排煙熱損失q2與燃料中的水分和爐膛出口過量空氣系數、煙道各處的漏風系數有關,其計算公式為[10]:

(1)

式中,αpy為排煙過量空氣系數;tpy、tk為排煙溫度、環境溫度,℃;q4為固體不完全燃燒熱損失,%。

褐煤、煙煤及無煙煤的m和n值[9],如表1。

表1 m和n值

氣體不完全燃燒損失q3是指由于一部分CO、H2、CH4等可燃氣體未完全燃燒隨煙氣離開鍋爐產生的損失[7]。q3受燃料的揮發分、爐膛過量空氣系數α、爐膛溫度水平和爐內氣流的混合情況等的影響。研究表明,氣體不完全燃燒熱損失q3與過量空氣系數α、煙氣中CO含量呈線性關系[9],q3計算公式為:

q3=3.2α×CO%

(2)

通常在實際工程中,氣體不完全燃燒熱損失q3很小。根據研究結果可采取推薦數值:煤粉爐q3=0,氣體或液體燃料爐q3=0.5%、層燃爐q3=0.5%～1.0%[7]。本研究是煤粉爐,則q3取0。

固體不完全燃燒熱損失q4是指入爐燃料中有一部分碳粒等固體燃料沒完全燃燒或未燃盡就被排出爐外而引起的熱量損失[7]。通常由以下幾部分組成:爐渣中含有未燃盡的碳造成的爐渣損失;層燃爐中部分燃料經由爐灰斗排走,室燃爐無此項;飛灰中含有未燃盡的碳粒隨煙氣排出爐膛造成的飛灰損失[9],其計算公式為:

(3)

式中,mlz、mfh、mlm分別為單位時間內爐渣、飛灰和漏煤量,kg/s;clz、cfh、clm分別為爐渣、飛灰和漏煤量中碳的質量分數,%;Qr為每kg燃料帶入鍋爐的熱量,kJ/kg。

一般褐煤的cfh為0.5%～2.5%,煙煤的cfh為4%～9%,貧煤的cfh為10%～20%,無煙煤的cfh可達20%以上[7]。

爐渣、飛灰和漏煤量計算公式:

(4)

式中,alz、afh、alm分別為煤灰在爐渣、飛灰和漏煤中分布的質量分數,alz+afh+alm=1。

手燒爐和鏈條爐的afh為0.15～0.25,拋煤機爐的afh為0.25～0.40,振動爐的afh為0.15～0.30,流化床爐的afh為0.6～0.70,煤粉爐的afh為0.9～0.95[7]。由此可見,對于煤粉爐的固體不完全燃燒熱損失q4,有相當大一部分是由于飛灰中含未燃盡的碳損失造成的。

鍋爐散熱損失q5是由于鍋爐的爐墻、鍋筒、集箱、管道等部件的溫度高于周圍環境溫度而產生的[7]。實際中,由于某些參數測量較繁雜且不準確,鍋爐散熱損失q5很難通過計算得到精確值,目前常采用按照鍋爐的額定容量選取經驗值的方法。一般額定蒸發量小的鍋爐,q5較大;反之q5較小[7]。

通過以上鍋爐熱損失的理論分析可知,煤粉爐的鍋爐效率與過量空氣系數、飛灰中碳的質量含量關系密切。

2 模型建立

模型假設:①燃煤鍋爐在額定負荷下穩定運行,無異常特殊工況發生。②對于煤粉爐,氣體不完全燃燒熱損失q3為0。③對于煤粉爐,由于大部分采用的是室燃爐,alm=0,可取afh=1,即用飛灰損失代替鍋爐固體不完全燃燒熱損失q4。④鍋爐的散熱損失q5根據鍋爐額定容量進行選取。

(5)

3 實例計算及模型驗證

已知某燃煤鍋爐汽輪發電機組燃煤參數如表2。

表2 機組燃煤參數

由于煤的發熱量不易測量,通常根據門捷列夫經驗公式進行估算[9]。

Qar=339Car+1031Har-109(Oar-Sar)-25.1Mar

(6)

通過計算煤的低位發熱量為:Qar=24 035.33 kJ/kg。

鍋爐散熱損失q5與鍋爐額定容量的選取值如表3[9]。

表3 鍋爐散熱損失q5

已知機組設計蒸發量D=850 t/h,則q5取0.2%。

由于燃料的含碳量大于50%,灰分含量介于6%～25%,可判定燃煤煤質為無煙煤,則m=0.2,n=3.65。排煙溫度tpy取130 ℃,環境溫度tk取20 ℃。鍋爐的熱效率為:

(7)

本模型計算鍋爐的熱效率與鍋爐實際熱效率如表4。

表4 鍋爐實際熱效率與本模型計算鍋爐熱效率

由表4可知,本模型計算的鍋爐熱效率與鍋爐的實際熱效率相對誤差小于5%,基本驗證了本模型的正確性。

圖1為鍋爐熱效率與飛灰中碳的質量分數關系。當鍋爐鍋爐空氣系數α一定時,鍋爐熱效率隨著飛灰中碳質量分數的增大而減小。原因是飛灰中碳質量分數增加,不完全燃燒熱損失增大,引起鍋爐熱效率降低。當飛灰中碳質量分數cfh一定時,鍋爐的熱效率隨著過量空氣系數的增大而減小。這是由于隨著過量空氣系數的增大,排煙量增大,排煙熱損失增加,引起鍋爐熱效率降低。

圖1 鍋爐熱效率η與飛灰中碳的含量cfh關系Fig.1 Relationship between boiler thermal efficiency η and carbon content of flying ash cfh

4 結論

基于反平衡法對鍋爐各項熱損失進行分析及合理簡化假設,獲得了飛灰中碳的質量分數與鍋爐熱效率的表達式,通過實例計算與鍋爐實際熱效率進行比較,相對誤差在5%以內,驗證了表達式的正確性。通過分析飛灰中碳含量對鍋爐熱效率的影響得出下列結論:當鍋爐過量空氣系數一定時,鍋爐熱效率隨著飛灰中碳的質量分數增大而減小,此時應通過強化燃燒措施減少鍋爐不完全燃燒熱損失。當飛灰中碳的質量分數一定時,鍋爐熱效率隨過量空氣系數的增大而減小,因此在保證燃煤完全燃燒的情況下盡量降低過量空氣系數,減小鍋爐的漏風量,提高鍋爐的熱效率。