工業燃煤鍋爐節能減排關鍵技術研究

摘 要：為實現工業燃煤鍋爐節能減排、控制鍋爐污染物排放量和降低能耗，本文進行了工業燃煤鍋爐節能減排關鍵技術研究。該節能減排關鍵技術引入三輥式分層給煤裝置，可進行分層燃燒。根據熱量平衡的原理，提出降低工業燃燒鍋爐內部阻力的策略。明確工業燃煤鍋爐濕法除塵廢水水質條件，實現濕法除塵廢水循環回用。實例應用證明，應用關鍵技術后，鍋爐污染物排放量得到有效控制，能源和電量消耗顯著降低，能夠達到鍋爐節能減排預期目標。

關鍵詞：節能；減排；燃煤鍋爐

中圖分類號：TK 16" " " " " 文獻標志碼：A

在目前的能源結構和工業發展背景下，工業燃煤鍋爐的節能減排技術研究尤為重要。現有的工業燃煤鍋爐節能減排技術主要圍繞提高燃燒效率、減少污染物排放和余熱回收利用等方面展開。其中，燃燒優化技術采用調整燃燒器結構、燃料配比和燃燒方式等手段提高燃燒效率，減少未燃盡損失；余熱回收技術利用鍋爐排放的廢熱進行發電、供暖和制冷等，以實現能源的綜合利用。

現有技術在實際應用中存在諸多不足。李久成[1]提出的基于低氮燃燒器+廢氣再循環技術的節能減排改造方法雖然能提高燃燒效率，但是受限于燃料品質和燃燒設備本身的性能，難以取得良好的節能減排效果。向同瓊等[2]提出的生物質成型燃料鍋爐節能減排技術雖然能有效去除煙氣中的污染物，但是處理過程復雜、能耗高且投資大，還易產生二次污染。

因此，針對現有技術的不足，進行工業燃煤鍋爐節能減排關鍵技術研究具有重要的理論意義和實踐價值。本文旨在探索新的節能減排技術，提高工業燃煤鍋爐的能源利用效率，降低污染物排放，為工業綠色發展提供有力支撐。

1 節能減排關鍵技術

1.1 分層燃燒

本文為實現工業燃煤鍋爐節能減排，引入三輥式分層給煤裝置，以實現分層燃燒。分層燃燒結構如圖1所示。

該裝置的核心部分包括濕煤攪拌機構、煤流轉移輥、煤層調整輥以及靈活配置的篩分結構。燃煤由煤斗倒入濕煤攪拌機構上方。在重力和攪拌機構的作用下，燃煤被均勻攪動并傳送至煤流轉移輥。篩分系統根據燃煤的顆粒大小進行精細化分層，顆粒較大的燃煤被分配至底部，適中的顆粒位于中層，細小顆粒的則位于上層[3]。最終，經過精心篩分的燃煤在爐排上形成有序的分層結構，以滿足燃燒需求。在該過程中，鍋爐熱效率得到了顯著提高，鍋爐熱效率為排煙熱損失量、氣體未完全燃燒產生的損失量、固體未完全燃燒產生的損失量、散熱損失量以及灰渣物理損失量之和與100%的差值。由此可知，鍋爐熱效率的核心影響因素是各項熱損失的程度[4]。在眾多熱損失中，排煙熱損失和機械不完全燃燒熱損失具有顯著影響。

當燃煤通過分層燃燒裝置后，其燃燒過程得到了顯著優化。這種分層燃燒技術不僅能使燃燒更充分，還能有效降低爐渣中的含碳量，減少了漏煤的損失[5]。此外，由于分層燃燒的設計降低了通風阻力，鼓引風量相應減少，因此排煙量減少，排煙熱損失也因此得到降低。

綜上所述，通過減少各項熱損失，特別是排煙熱損失和機械不完全燃燒熱損失，分層燃燒技術可顯著提升鍋爐熱效率。

1.2 降低工業燃燒鍋爐內部阻力

在鍋爐的正常運行過程中，當實際循環水流量接近其額定值時，鍋爐內部的阻力通常維持在0.05MPa～0.1MPa。然而，在實際操作中，如果操作失當或缺乏細致檢查，鍋爐的實際運行阻力就會顯著超出該范圍。導致這種阻力異常增加的主要原因是鍋爐的實際循環水量顯著超過其額定流量[6]。為了準確計算鍋爐所需循環水量，可以根據熱量平衡的原理，即鍋爐釋放的熱量應等于水吸收的熱量，精確地確定鍋爐在特定工況下所需的循環水量為工業燃燒鍋爐額定發熱量與工業燃燒鍋爐額定發熱量、鍋爐額定回水溫度的差值，并與860相乘。在實際供暖操作中，多數鍋爐房傾向于大流量、小溫差的供暖策略。該方法可增加循環水泵的流量，保證外網最遠端或供熱條件最不利的用戶也能獲得充足的流量，從而顯著提升整體供暖效果[7]。泵在不同工況下的軸功率為水泵揚程乘以水泵流量與水泵效率乘以367的比值。在供暖的實際運行中，鍋爐內部阻力過大會導致循環泵揚程增加。為了保證供暖末端用戶的室內溫度達標，需要提升循環泵的電機功率。然而電機功率增加將直接導致系統耗電量大幅攀升[8]。針對上述問題，本文提出降低鍋爐內部阻力的方法。首先，在鍋爐運行過程中，需要根據實時燃燒狀況靈活調整運行參數[9]。尤其需要持續監控鍋爐的循環流量變化，并微調鍋爐進出口的閥門，使實際循環流量與額定循環流量保持相近水平。其次，應適時更換阻力系數較大的閥門，以減少流體流經這些閥門時產生的額外阻力。最后，定期清理循環泵出口的除污器，避免其堵塞影響流體流通，降低內部阻力。

采用以上3項措施，可有效降低鍋爐的內部阻力，循環水泵的揚程和電機功率也會隨之下降，從而減少耗電量，降低整體生產運行成本。

1.3 濕法除塵廢水循環回用

煤炭包括多種元素，例如碳（C）、氮（N）、硫（S）以及灰分。鍋爐中的煤炭燃燒后產生的煙氣包括二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）等有害氣體和煙塵。當這些煙氣經管除塵脫硫裝置時，其中的SO2、CO2等酸性氣體會與除塵器內的水發生化學反應，生成亞硫酸氫鹽（HSO3-）、硫酸氫鹽（HSO4-）和碳酸氫鹽（HCO3-），導致除塵廢水的pH值降低。同時，煙塵中的顆粒物會增加廢水中的懸浮物含量。濕法除塵廢水中所含的酸性物質和懸浮物的具體含量會受鍋爐所用煤種的影響而產生變化[10]。不同煤種下濕法除塵廢水的水質情況見表1。

表1 工業燃煤鍋爐濕法除塵廢水水質

指標 數據

pH值 2～4

Mg2+/（mg?L-1） 45～65

CODcr/（mg?L-1） 55～305

SS/（mg?L-1） 205～1050

HCO3-/（mg?L-1） 305～705

HSO4-/（mg?L-1） 405～805

Ca2+/（mg?L-1） 105～205

F-/（mg?L-1） 10～20

可采用中和處理技術對濕法除塵廢水進行處理。在處理酸性廢水過程中，常用方法是添加堿性物質來進行中和酸性廢水。常用的中和劑之一是石灰，主要原因是石灰成本較低并具備混凝功能。然而石灰的使用也存在顯著缺陷。在中和反應過程中，石灰生成的硫酸鈣（CaSO4）溶解度有限，易形成覆蓋層，會阻礙進一步反應，影響中和速度和效果。而使用氫氧化鈉（NaOH）和碳酸鈉（Na2CO3）進行中和反應的效果通常優于石灰，但是成本較高。燃煤鍋爐產生的爐渣中含有堿性物質。如果將爐渣用于過濾除塵廢水，不僅能觸發中和反應，還能利用其疏松多孔的特性有效過濾懸浮物。這種以廢治廢的策略在實際應用中具有高度的實用性，是廢水處理領域的一項有效技術。

在鍋爐的煤炭供應過程中，煤場會按照特定比例向煤中添加石灰石。當這些煤在爐膛中燃燒時，石灰石會分解并生成生石灰。這種生石灰與煙氣中的二氧化硫（SO2）發生反應，從而部分固定了硫。經過處理的煙氣會進入濕式除塵脫硫裝置進行進一步處理，最終由引風機引導經煙囪排放至外界。除塵過程中產生的廢水與堿性沖渣水會一同流入沉淀池，進行沉淀和凈化。整個摻燒固硫和濕式脫硫除塵的工藝流程如圖2所示。該工藝流程簡單，運行可靠，日常維修、維護方便，適用于工業燃煤鍋爐。

2 煙塵減排改造技術分析

本文參考M市現有燃煤鍋爐煙塵治理措施原理、優缺點和處理效率等情況，總結出滿足M市大多數現有燃煤鍋爐進行煙塵超低排放的技術路線。同時也為達到更嚴格的排放標準做準備。

2.1 電-電除塵工藝

電-電除塵工藝是指工藝前端使用低低溫電除塵，工藝后端安置濕式電除塵。該工藝流程如圖3所示。

由圖3可知，該技術需要安裝煙氣余熱回收裝置，以將煙溫降至85℃～95℃，使SO3在低溫條件下發生結露，被煙塵表面吸附并發生反應后，降低煙塵比電阻，達到脫硫的目的。除塵器出口煙塵濃度可降至20mg/m3以下，后經引風機輸送到濕式電除塵單元。黏性大和高比電阻的粉塵均被收集，粉塵濃度低于5mg/m3，可避免二次揚塵。

2.2 電-袋除塵技術

電-袋除塵工藝包括一體式和分體式。一體式是指在一個箱體內的前端使用靜電除塵技術，在后端使用袋式除塵技術。該工藝流程如圖4所示。

由圖4可知，鍋爐煙氣進入多電場區，在靜電作用下顆粒物荷電，荷電的顆粒物向極板移動并附著在極板表面。該過程可以捕捉80%左右的粉塵，煙塵濃度降低顯著。剩余煙塵雖然沒有在該單元被去除，但是卻被荷電，進入袋區后，在PPS+PTFE混紡濾料濾袋表面形成規則有序、結構疏松的塵層，同時顆粒粒徑增大，濾袋可有效阻流。粉塵層的厚度和密度持續增加。袋區清灰的流程是對系統設定阻力閾值，超過閾值后脈沖閥打開，濾袋膨脹變形，驟然停止所產生的反向加速度會促使濾袋表面煙塵脫落，可滿足顆粒物濃度＜10mg/m3超低排放標準限值要求。

分體式是指工藝前端采用低低溫電除塵，工藝后端安置布袋除塵器，二者屬于2個單獨個體，前、后端可根據需求安裝其他處理設施。該工藝流程如圖5所示。

由圖5可知，與電-電前端工作原理相同，工藝后端將低低溫電除塵處理后的煙氣由引風機送入安裝PPS+PTFE混紡濾料布袋的除塵器，出口煙氣濃度＜5mg/m3。

3 實例應用分析

上文明確了工業燃煤鍋爐節能減排中的關鍵技術，將上述技術應用到某工業燃煤鍋爐中，對鍋爐燃煤進行改造，并檢驗其效果。已知該燃煤鍋爐的工作電壓為380V，容水量為29L，啟燃溫度為80℃，最高溫度為170℃，處理風量為3000m3/h～90000m3/h。比較應用關鍵技術前、后污染物的排放情況，如果應用后污染物排放濃度下降，說明本文關鍵技術具備實際應用的可行性。應用結果記錄見表2。

表2 關鍵技術應用前、后鍋爐污染物排放情況對比

污染物 應用前排放

濃度/（mg·m-3） 應用后排放

濃度/（mg·m-3）

SO2 325.62 86.58

TSP（總懸浮顆粒物） 1325.36 653.52

分析表2中的數據可知，應用本文關鍵技術后，TSP和SO2這2種主要污染物的排放濃度均呈顯著下降趨勢，不僅反映了本文技術的有效性，更證明了這些關鍵技術在實際工業應用中能夠取得出色的減排效果。本文技術利用精細化控制和處理，成功地減少了有害物質對環境的負面影響，為實現綠色、可持續的工業發展提供了有力的技術支持。在此基礎上，對應用關鍵技術前、后鍋爐采暖期耗煤量和耗電量進行比較，結果見表3。

表3 關鍵技術應用前、后鍋爐能耗情況對比

指標 應用前 應用后

采暖期耗煤量/t 34600 22600

采暖期耗電量/萬kW·h 295 232

分析表3可知，應用本文的關鍵技術后，采暖期的耗煤量還是耗電量均得到明顯控制，不僅直觀展示了技術實施后的實際效果，更驗證了上述關鍵技術在實際應用中能夠取得預期的節能效果。具體而言，采暖期是能源消耗的高峰期，其耗煤量和耗電量在全年能源消耗中占比較大。本文提出的關鍵技術優化了能源使用效率，減少了不必要的能源浪費，降低了企業運營成本，提高了經濟效益，對推動節能減排、實現可持續發展具有積極意義，也為相關行業提供一定經驗和借鑒。期待這些關鍵技術能夠應用于更廣泛的領域，為構建綠色、低碳而高效的能源體系貢獻力量。

為了驗證工業燃煤鍋爐節能減排效果，本文分析了不同方法下的鍋爐熱效率，結果見表4。

表4 鍋爐熱效率

試驗次數/次 鍋爐熱效率/%

文獻[1]方法 文獻[2]方法 本文方法

1000 75.2 79.3 99.6

2000 78.3 80.5 98.5

分析表4可知，當試驗次數為1000次時，文獻[1]方法的鍋爐熱效率為75.2%，文獻[2]方法的鍋爐熱效率為79.3%，本文方法的鍋爐熱效率為99.6%。本文方法的鍋爐熱效率較高，表明本文方法能夠有效提升工業燃煤鍋爐節能減排效果。

4 結語

本文深入研究了工業燃煤鍋爐節能減排關鍵技術，取得了一系列新的成果。研究成果不僅豐富了工業燃煤鍋爐節能減排技術的理論體系，也為工業燃煤鍋爐的節能減排實踐提供了技術支撐。未來將繼續深化工業燃煤鍋爐節能減排技術研究，探索更高效、環保且經濟的節能減排方案，為工業領域的可持續發展做出更大貢獻。同時，也期待與更多研究機構和企業合作，共同推動工業燃煤鍋爐節能減排技術的進步和發展。

參考文獻

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