燃煤 锅炉改造资料.doc

中国科学院大连化学物理研究所膜技术国家工程研究中心Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of SciencesMEMBRANE TECHNOLOGY NATIONAL CENTRE OF ENGINEERING RESEARCH燃煤锅炉富氧燃烧节能综合技术改造建议国家工程研究中心佛山地址： 佛山市季华五路 邮 编：528000佛山办事处电话手机究所网址： 项目部网址：e_mail: 联系人：杨 坤 明一、 前言最近，国家发改委、科技部共同下发的中国节能技术政策大纲中，分别数次在冶金、化工、轻工等行业节能技术措施中，将富氧燃烧技术、膜法气体分离技术列入其中，特别还将玻璃窑炉,陶瓷窑炉,锅炉,应用富氧燃烧技术作为行业节能措施之一列入。现在愈来愈多的企业开始关注这一新的技术，并逐步落实。最近，国家发改委、科技部共同下发的中国节能技术政策大纲中，分别数次在冶金、化工、轻工等行业节能技术措施中，将富氧燃烧技术、膜法气体分离技术列入其中，特别还将玻璃窑炉,陶瓷窑炉,锅炉,应用富氧燃烧技术作为行业节能措施之一列入。现在愈来愈多的企业开始关注这一新的技术，并逐步落实。在实际应用中有着提高产品质量、节约能源、改善环境的效果。其节能率一般在10-16创造性地开发出“局部增氧”和 “梯度燃烧”、 “对称燃烧”、“？型燃烧”、“S型燃烧”、“四角燃烧”、“推迟燃烧”和“分级燃烧”等与炉窑、燃料及产品等优化、匹配的高新集成技术：使用富氧量仅为所需空气量的115，而原来鼓风量和引风量均要显著下降，经过十多年多的不断完善，有关技术和系统等均已十分成熟，并获国家多项发明专利。正如华北制药集团玻璃分厂首次应用负压法膜法富氧局部增氧助燃技术3年后总结的那样：“我公司1992年就开始对富氧燃烧进行调研工作, 但当时富氧膜成本高,使用周期短, 工艺设备不成熟, 故障率高, 一些厂家的使用效果不理想。以后几年我们一直在关注该技术的发展。随着时间的推移, 技术的成熟, 我公司于1996年上马富氧燃烧项目”、“由于采用富氧燃烧, 燃烧相对完全, 火焰长度相对缩短, 火焰上部温度降低, 减轻了碹顶、小炉和蓄热室的热负荷, 即减轻了对其的侵蚀, 窑炉寿命相应延长”。节能、增产和合格率增加均超过10%。 目前已推广应用了数十家，包括燃油、燃煤和燃气窑炉、锅炉、加热炉、造气炉和焚烧炉等，社会效益和经济效益均十分显著：平均节约燃料11.9%,增产10.2, 产品质量亦有提高，窑炉寿命也相应延长，由于燃料充分燃烧，显著改善环境状况，不少单位用富氧前曾因冒黑烟受到过环保部门的黄牌警告或罚款，用富氧后烟气排放全部低于国家环保标准，一般几个月就能收回全部投资！如1998年六月在江苏阜宁化肥厂20吨燃煤锅炉上使用，上富氧后吨煤产蒸汽从7.38吨上升到8.29吨。1999年1月经江苏盐成市节约能源监测站检测:炉膛温度提高90,热效率提高11%，而且经江苏阜宁环保监测站检测，林格曼黑度小于一级。不到六个月就收回全部投资。锅炉制品生产企业的重点设备，同时也是企业耗能最大的设备，通常占全厂耗能的70%80%，能耗所占的生产成本比重也很大。为了降低生产成本，开创节能新局面，一种技术先进、投资少、见效快，行之可靠的高效节能新技术富氧燃烧技术，已经成为锅炉生产企业管理者们的选择。我所经过几年的研究、开发、引进、成功的研制出系列中空膜组制氧设备，目前两种技术设备及相关产品已经批量投产，富氧燃烧技术在工业应用上也获得了成功。众所周知，燃烧是由于燃料和氧气分子之间发生的高能碰撞引起的。普通空气成份中氧只占20.9%，而氮气占78.9%。因此在燃烧过程中，近80%不助燃的氮气从两方面阻碍着燃烧反应的进行，一方面它从反应中传出的热量，另一方面它也减少了氧分子与燃料分子之间的碰撞机会，阻碍了燃烧速度。燃烧过程离不开氧，氧气的供给情况决定了燃烧过程完成的是否充分。助燃空气中氧含量的增加，能直接提高火焰温度的上升、燃烧速度加速、燃点温度下降，富氧燃烧节能新技术就是通过将膜法富氧组件制备含氧浓度大于21% 30% 左右（甚至更高的浓度）的富氧空气，送入锅炉内，参与燃料燃烧过程，并通过各项热工参数的调整，改变火焰的特性，实现改变燃烧质量，提高燃烧效率，节约燃料的目的。在锅炉上采用富氧燃烧是可以改进目前锅炉的燃烧系统的状况，锅炉各种因素的要求，从而开辟节能的新途径。锅炉使用富氧燃烧技术，会从如下几个方面体现优势：1、提高火焰强度：由于燃烧时氧气浓度加大，如前文所述，可使燃烧速度加快导致火焰强度增加，由于火焰增强，充分地利用燃料。2、提高火焰温度：因火焰强度增加（即在较小的体积内释放出相同的热量）又由于助燃气体中减少了氮气含量，空气量及烟气量的显著减少使火焰温度提高，增强了火焰靠辐射和对流向周围的热传导。大量的实践证明使用富氧空气强化燃烧，不仅能获得节能效果，还可以获得高温， 3、提高热效率：火焰下方用富氧空气助燃可使燃烧更完全，上部火焰温度增加，增强热传导，因而提高热效率。4、加快燃烧速度、促进燃烧完全：富氧助燃对提高燃料热量的利用率有所帮助，如用普通空气助燃，当加热温度为1300时，其可利用的热量为42%，而用26%的富氧空气助燃时，可利用热量为56%，且氧浓度越高，加热温度越高，所增加的比例越大，因此节能效果就越好。5、降低燃料的燃点温度，获得较宽的燃料选择范围：燃料的燃点温度不是常数,如CO在空气中的燃点为609,而在纯氧中的燃点仅为388,所以用富氧助燃能提高火焰强度和增加释放热量,更重要的是富氧环境燃烧显著降低了燃料燃点温度，使得燃料的选择范围变的更宽。6、减少燃烧后的排气量，降低空气过剩系数：用普通空气助燃，占体积4/5的N2不仅不参加助燃，而且带走大量热能，用富氧助燃，燃烧后的排气量减少，从而提高燃烧效率。富氧助燃可有效降低空气的过剩系数，燃料消耗相应减少，从而节约能源。7、延长锅炉使用寿命： 加入富氧空气可减少燃料消耗，因而降低了散热损失,并能延长熔炉的寿命。二、锅炉节能技术改造富氧助燃用于工业锅炉和电厂锅炉节能和环保据不完全统计，目前国内有各种大小锅炉50-60万台，其中工业锅炉40万台左右，大多每小时产蒸汽量在4-35吨或产热在3-25MW之间，热效率普遍偏低，一般在60-80%之间，大部分锅炉的燃料燃烧不完全。存在冒黑烟现象。既浪费能源，又严重污染环境等。由于锅炉类型众多，如链条炉、往复炉、抛煤机锅炉、煤粉炉、循环流化床锅炉、沸腾炉、加热炉、热媒炉、燃油炉、燃气炉、快装炉等，同时每种炉又有许多型号如链条炉又分五种，即WNL卧式内燃链条炉、KZL卧式快装水火管链条炉、DZL单锅筒纵置式链条炉、SZL双锅筒纵置式链条炉和SHL双锅筒横置式链条炉等，而且应用面非常广，几乎涉及所有工业门类。虽然目前出现不少节能和环保新技术如分层燃烧、重油乳化等，但它们仅适用于某一类型锅炉，如分层燃烧仅适用于链条炉等。中国科学院大连化学物理研究所膜中心，即目前的天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司的有关科研人员根据所有燃料燃烧均需要氧气这一共同特点，并结合各种锅自身炉燃烧的不同特性，经过十多年的不断探索和创新，终于开发成功一系列适用于各种锅炉和燃料的局部增氧助燃综合集成技术。锅炉和玻璃窑炉的差别非常大。对于锅炉是利用局部增氧助燃技术来强化原有锅炉的火焰特性，既要使燃料在炉膛的停留时间更长，又要使燃料在尽可能少的助燃风下更充分、更完全地燃烧。根据作者十多年的研究和推广获得的经验，目前局部增氧助燃技术只能在180吨以下的锅炉上推广应用，对于180吨以上的锅炉，一是锅炉的运行管理均十分严格，热效率都在90%以上；二是富氧助燃投资相对比较大，投资回收期比较长。三 下面分别介绍局部增氧助燃技术用于典型锅炉的特点及典型应用实例。富氧助燃用于燃油或燃煤锅炉膜法局部富氧助燃设备技术使用富氧量仅为所需空气量的0.510%，而原来鼓风量和引风量均要显著下降（约减少550%）。在燃油、燃煤和燃气等炉窑进行了初步试验，社会效益和经济效益均十分显著：平均节约燃料10.9%，增产9.2%，产品质量亦有提高，窑炉寿命也相应延长，由于燃料充分燃烧，显著改善环境状况，烟气排放全部低于国家环保标准（用富氧前曾冒黑烟），投资回收期一般小于一年。下面列举几个典型应用实例：实例一：大连某油脂化学厂30吨燃油锅炉1996年 1月末，局部增氧对称燃烧技术首次在国内甚至在国际上使用，中国科学院大连化学物理研究所膜中心所配的富氧量约为 300-3503/，因当时没装重油流量计，仅做了初步试验：通富氧后烟囱黑烟立即消失，风机风门关闭了大约三分之一，蒸汽流量从2 8/增加到3 1/，而油压从2.1下降到 1.9，本想春节后安装好重油流量计进行全面测试和验收，后因大连市政府要求该厂动迁而搁浅。虽然这次试验没有得到有关数据，但从结果看还是十分令人满意的，达到了预期的效果。实例二：江苏油田4吨燃油锅炉1997年10月江苏油田在4t燃油锅炉上应用中国科学院大连化学物理研究所膜中心的膜法富氧局部增氧助燃节能技术，所配富氧空气量仅为 40 标方/时，经该油田节能监测站检测：通富氧后炉膛温度提高了大约50， 全炉热效率提高了 8.3 个百分点， 平均吨蒸汽节油为 16.64，烟气排放温度下降了9，而且烟气的林格曼黑度从2-3级降至1级以下，并经过他们自己一年的统计，平均每年节油330多吨而且装置运行平稳可靠，操作管理、维修方便。有关数据参见表6-7-1。 表6-7-1 注数据来源于：苏德胜，储明来，丁建林，沈光林. 国内膜法富氧技术应用研究新进展. 膜科学与技术. 1999，(1):12实例三：天津大港油田2500KW 燃油加热炉1999年12月，膜法富氧局部增氧在天津大港油田2500KW 燃油加热炉上使用，经天津市节能监测一站测试，空气过剩系数下降0.88个百分点，排烟温度降低了7，节能率达10.85%，排烟达标等。实例四：辽河油田2300KW 燃油加热炉1997年9月，膜法富氧局部增氧在辽河油田油气集输公司曙光输油泵站的1# 2300KW 燃油加热炉上使用，经辽河石油勘探局节能监测站测试，加热炉正平衡热效率从82.22%提高到89.68%，提高了9.1%，排烟达标等。需要说明的是对于燃油或燃气锅炉，沈光林曾对吉化集团乙烯厂110吨燃油发电锅炉和北京燕山石油化工（集团）有限公司动力厂二电站二号燃油/天然气发电锅炉进行过技术认证和可行性研究，前者由于资金问题而搁浅，后者则由于体制和管理等原因而放弃：大概经过如下：北京燕山石油化工（集团）有限公司对膜法富氧助燃技术非常感兴趣，1999年专门由一名副总工程师亲自负责，通过和中国科学院大连化学物理研究所有关科研人员的交流、沟通、技术论证和用户现场考察后，北京燕山石油化工（集团）有限公司初步选定在动力厂二电站二号发电锅炉（120吨）上实施。二号发电锅炉是1973年四川东方锅炉厂生产的，蒸汽压力为3.6-3.9 MPa，为450过饱和蒸汽。炉膛为负压操作，压力为20-40Pa，炉膛温度约1300。锅炉热效率设计为92%，实测为89-91%。当时是用重油作为燃料的，有6支喷嘴，分上下两层，喷嘴套管为89mm，内径为23mm。重油采用机械雾化，油压为2.0-2.5 MPa， 每支喷嘴耗油量约1.5吨/时，重油低发热量约1万大卡，鼓风量约11.5万标方/时，风箱压力约2000Pa，空气过剩系数为1.2，有时可达1.5-1.6，采用玻璃预热器，预热温度为170。引风量约15万标方/时，风压约2500Pa，排烟温度为110-130，烟气中含氧量为5-6%。而且在设计富氧助燃时要考虑天然气作燃料，所以沈光林就设计了如图6-4-2所示的富氧喷嘴在油气混烧锅炉上的相对位置示意图(一组，共有六组)，并被该公司的有关专家认可。该炉设计的富氧量为1300标方/时，预测节能率达2.5-3%，直接投资回收期大约10个月。后来北京燕山石油化工（集团）有限公司提出用自己的氧源先进行试验，要大连化学物理研究所仅提供局部增氧助燃技术，被大连化学物理研究所膜中心当时的有关领导拒绝。当时如果同意试验，对富氧的发展无疑会是一种推动。实例五：富氧助燃用于链条锅炉链条锅炉是工业锅炉，应用比较广，最小的小于1吨/时，最大的可达80吨/时。对于链条锅炉，富氧一般可以加在炉排底下、后拱、前拱、侧墙或四角等。膜法富氧助燃技术最早在国内锅炉上使用的是1995年，用于济南某医院的四吨链条锅炉上:所配富氧量大约50 Nm3/h，当时上富氧主要是解决排烟污染，用户根据我们提供的流程自行安装和调试，平均节煤在15以上，而且烟气排放达标；1998年中国科学院大连化学物理研究所又将该高新技术用于首次在国内成功地将该高新技术用于江苏阜宁化肥厂的WGC20/3.821型燃煤蒸汽发电锅炉，取得了比较好的经济效益和社会效益。详见6.5.4节。之后在大港油田如1998年6月，我们，所配富氧量仅200Nm3/h，可以不停炉安装：该炉上富氧前共进行了56小时的测试，平均每小时耗煤2.7吨左右，吨煤产蒸汽约7.38吨，上富氧后先进行了72小时的试验验收（测试条件同上:根据炉排上的平均煤层厚度评估，大约比实际高30%，但由于测试前后均取相对值，故节能率是比较准确的，后来江苏盐城市节约能源监测站的检测结果也证明了这点），平均吨煤产蒸汽达8.29吨，后来他们又进行了168小时的性能测试，平均吨煤产蒸汽达8.296吨，比验收时的效果还好，这说明司炉工越来越熟练的掌握了该项高新技术的操作。富氧助燃设备一直运行至今，性能稳定，平均节能大于11%，最高达16.2%。1999年1月经江苏盐城市节约能源监测站检测：炉膛温度提高90，热效率提高11%，同时经江苏阜宁环保监测站检测，林格曼黑度小于一级，CO2每年降少排放5000多吨，不到半年就收回了全部投资。据该厂的最新统计，从投运到现在，该系统尚未出现过设备问题，维修费用几乎为零。每年节煤2000多吨，节电7.2万Kw.h，提高锅炉出力10%以上，这对稳定全厂生产工况作用显著：98年下半年比98年上半年因蒸汽波动影响生产次数减少了186个，多产氨55.8吨，效益达11.16万元。实例六：济南传染病医院的 4链条炉 ，仅用富氧量 603/ ，当时上富氧主要是解决排烟污染 ，用户根据我们提供的流程自行安装和调试 ，平均节煤在 15%以上 ，烟气排放达标 后者是实例七：天津大港油田港骅物业公司4200KW 4#燃煤链条锅炉2000年1月，膜法富氧局部增氧在天津大港油田港骅物业公司4200KW 4#燃煤链条锅炉上使用，经天津市节能监测一站测试，锅炉排烟处CO下降34.4%，NO下降5.4%，炉渣含碳量下降31.8%，排烟温度降低了5，节能率达9.56%.实例八：富氧助燃用于抛煤机链条锅炉抛煤机链条锅炉是除了链条锅炉之外的第二大类工业锅炉，最小的10吨/时，最大的可达75吨/时，由于着火条件好、燃烧强度高、煤种适应性广、起炉产汽快、负荷调整迅速和反应快等特点，上世纪九十年代前上的比较多。但它燃烧效率低、煤耗高、烟尘浓度高、特别是黑烟严重，林格曼黑度一般在2-4级，严重地污染环境。所以对这种炉的改造就比较多，主要分2类，包括各种炉拱的改造和二次风的改造及飞灰回收等，总的说来效果均不太理想。在人们对环保越来越重视的今天，排烟黑度超标就成为抛煤机锅炉最大的缺点，是亟待解决的核心问题，而黑烟是由未燃尽的飞灰中的残碳和挥发分在窒氧气氛下生成的游离碳造成的。造成锅炉冒黑烟、热效率偏低等原因主要有以下几个方面：(1) 抛煤机链条炉为开式炉膛，由于悬浮燃烧的需要，炉膛结构比较高大，燃煤主要依靠炉膛辐射加热和引燃，炉膛后半部主燃区的热量不能通过对流传到前部，炉膛水冷度相对较大，造成燃烧热强度和炉膛温度偏低，火焰中心温度一般只有1000 1100 。(2) 二次风布置不当，烟气仍有“短路”。 二次风量前后分配不尽合理(前大后小)，主燃区二次风量偏小；二次风(前、后)流速及扩散角不合理，难以覆盖和锁住烟气，挥发分和飞灰在炉内不能充分二次燃烧。(3) 细煤屑在炉膛内悬浮燃烧的效果不好。炉膛内很少产生气流旋涡，扰动混合情况较差，烟气中未燃物在炉内停留时间短，悬浮燃烧条件不足，因此造成大量细煤屑及挥发分来不及燃烧就飞出炉膛。(4) 炉排层燃燃烧状况不佳，燃尽段过短，炉渣含碳量高。除了锅炉自身的原因以外，也有运行管理方面和煤质方面的原因，如煤质不好、颗粒度不合适、锅炉系统漏风、当煤种变化时相应控制调节不当等。总之，冒黑烟的原因是多方面的，但主要原因是燃烧不充分导致未燃物逸出炉外，所以要根治污染，必须从燃烧方面下功夫，如果燃烧充分了，自然就不冒黑烟，锅炉效率也随之提高。对于抛煤机链条锅炉采用局部增氧助燃技术是比较理想的。大连瓦房店轴承集团动力公司经过多次调研、考察和反复论证，最后确认局部增氧助燃技术用于抛煤机锅炉的技术改造是目前国内类似技术中最先进的。2001年12月，中国科学院大连化学物理研究所在国际上首次成功地将该高新集成技术用于大连瓦房店轴承集团2台35吨抛煤机燃煤发电锅炉，取得了节能14%和排烟达标的效果，详见6.5.4节。实例九:2004年10月，一台65吨抛煤机燃煤发电锅炉上又在采用膜法富氧局部增氧助燃技术，相信同样能取得比较理想的经济效益和社会效益。富氧助燃用于煤粉锅炉实例十:煤粉锅炉一般燃烧效率比较高，大多数用于电厂，最大的2000多吨，最小的大约20吨。由于管理和煤质等原因，使得煤粉锅炉的热效率比设计值低，而且烟囱经常冒黑烟。根据中国科学院大连化学物理研究所多年的调研和考察，认为目前膜法富氧局部增氧助燃技术可以用在180吨以下的煤粉锅炉，可以采用对称燃烧、四角燃烧和分级燃烧等与煤粉锅炉匹配的高新技术。沈光林曾分别给广州双桥股份的35吨和江苏兴化电厂的75吨煤粉炉进行了技术经济评估，并均得到了用户的认可，但由于商务和体制等原因，没有运作。实例十一:2004年初，经过多方努力，膜法富氧局部增氧助燃系统用于中国铝业公股份有限公司（原中国长城铝业公司）河南公司热力厂130吨粉煤锅炉节能和环保的可行性研究报告终于通过了中国铝业公股份有限公司有关专家的初评和复审。拟计划对8号BG-130/39-M6型粉煤锅炉进行综合改造，该炉的燃烧方法原为普通直流燃烧器四角切圆燃烧，1999年改用西安交通大学的浓淡燃烧技术，设计热效率为89.3%，而据热力厂2002年全年度统计耗煤数据和产汽量等计算，热效率为85.6%，热效率偏低，同时通过对8号炉的全面分析，认为： 尽管引起锅炉运行中现存问题的原因很多，但最主要的因素莫过于供氧不足。如前所述，膜法富氧局部增氧助燃技术正是能从多方面改善燃烧状况的最佳技术。 煤质较差而且不稳、煤的配比缺乏科学手段造成燃烧不稳定的问题，恰好可以通过膜法富氧局部增氧助燃技术得到弥补，基本满足燃烧稳定的要求。 因引风、送风出力不足，过剩空气系数偏小造成燃烧不完全的问题，利用膜法富氧局部增氧助燃技术可以减少总风量的优点得到弥补，从而使燃烧完全，同时减少机械和化学不完全燃烧损失，降低炉渣和飞灰中的可燃物，避免锅炉冒黑烟，减少烟气排放量，防止污染物排放超标。 利用膜法富氧局部增氧助燃技术可适当降低空气过剩系数的特点，可以提高火焰中心温度和火焰黑度，增强炉膛内的热辐射成分，大大提高热能的有效利用率，满足锅炉高负荷运转的要求，提高锅炉出力。 采用膜法富氧局部增氧助燃技术，可将高浓度富氧流快速直接送入燃烧中心缺氧区域，提高火焰中心热负荷强度，大大缩短燃尽时间，减少火焰中心长度和截面积，并防止火焰中心偏移，从而明显减少锅炉有关部位聚结焦渣，提高锅炉运转周期。 采用膜法富氧局部增氧助燃技术，能适当减少送入炉膛的空气总量，提高热能的有效利用率，可降低排烟温度。 此外，膜法富氧局部增氧助燃技术同样可用于循环流化床锅炉、沸腾炉等，如膜法富氧局部增氧助燃技术用于35吨循环流化床锅炉的综合改造方案也已经通过了江苏连云港新浦热电厂的技术认证。相信不久的将来膜法富氧局部增氧助燃技术在各种锅炉中的应用会越来越广。实例十二:2003年7月在胜利油田23吨样板注汽炉上使用了局部增氧对称燃烧技术及系统, 所配富氧空气量仅为 180-200 标方/时，该炉由于使用了多项其它节能技术,上富氧前热效率已经高达87.68%,经胜利石油管理局能源监测站检测,使用局部增氧对称燃烧技术后热效率达92.28%,热效率提高5.25%；实例十三:2007年3月用于2吨燃柴油炉,经北京质量技术监督局节能监测站对比测试，节油6.1%,正平衡热效率高达94.5%；（四）技术改造设备简单概述1、系统整体设计说明全套设备撬装式设计，功能分割清楚，以最大可能的简化管线连接，方便维护、检修以膜系统为例：为满足在高度含尘量的恶劣运行环境下工作，膜组件自带过滤。膜堆也可安装在相对封闭的室内空间，让空气经通往室内的预置过滤器初步过滤后进入室内，相对洁净的新鲜空气在膜组件自带的废气排放风机的引导下进入膜分离器进行氧氮分离，其中，富氧空气经真空泵机组抽取输送到用户用气点，废气则经过废排风机集中排放到室外；为保持系统的稳定、可靠，动力设备真空泵是系统唯一可能的故障点，可设计采