（热能工程专业论文）工业锅炉整机节能与环保的研究.pdf

山东人学硕士学位论文 摘要 工业锅炉是一种将煤、石油、天然气等能源的化学能转变为蒸汽或热水的热 能设备。蒸汽或热水可以直接应用于生产和生活中，如纺织、化工、造纸、冶金、 农林牧副渔、医疗卫生等领域的加热、烘干、蒸煮、采暖和空气调节：也可以转 换成电能、机械能等，如它可以推动汽轮发电机发电或直接驱动涡轮机做功。随 着蒸汽和水的热能应用范围的扩大，工业锅炉逐渐成为人类社会生产和生活各个 领域中不可缺少的热能设备。随着物质生产的飞速发展，能源的消耗日益增加， 人类社会需要更多、更先进的能源转换设备，工业锅炉在工业生产、国民经济中 的作用和地位也就越来越重要。 目前，我国在用工业锅炉5 0 1 2 万台，其中生产用锅炉2 3 7 8 万台，生活用 锅炉2 6 3 4 万台，而这两种用途的工业锅炉平均容量仅为2 2 8 t h ，平均热效率只 有6 0 左右，比国外的先进水平低1 5 以上。工业锅炉是耗能大户，每年烧掉 的煤约为4 亿t ，约占全国原煤年产量的1 3 以上，而且严重的污染环境。1 9 9 1 年工业锅炉烟尘排放量近6 2 0 万吨，占全国烟尘排放量的3 6 6 ：s 0 2 排放量5 1 0 万吨，占总排放量的3 8 8 ：温室气体c 0 2 排放量5 亿吨，酸雨问题同益严重。 虽然近几年来政府加大了大气环境保护力度，力争2 0 0 0 年的主要污染物排放量 “冻结”在1 9 9 5 年的水平，但由于国民经济以每年9 左右的速度高速增长，新 的项目和污染源不断产生，大气环境质量没有得到明显的改善。 工业锅炉当前存在着热效率低、烟尘排放量高两大技术难题。这除了与运行 技术有关、供应燃料与设计煤种不合适外，还与工业锅炉的设计有着直接的关系。 因此，工业锅炉整机如何提高热效率、节约能源，如何降低烟尘排放浓度、减少 污染物对大气的污染，是目前工业锅炉的重大研究课题，是摆在工业锅炉研究人 员面前重要而又艰巨的任务。 中国工业锅炉以层状燃烧为主，燃料大多数为煤炭，并且以链条炉排为主导 地位，其产量占工业锅炉总台数的5 2 7 、占总容量的5 9 ，其次为往复炉排， 分别占总台数地2 1 和总容量的1 7 。针对我国工业锅炉现状，本文作者对工 业锅炉热效率低、烟尘排放量高的影响因素进行研究，从工业锅炉炉内燃煤的燃 烧过程、炉内结构形状、炉内空气动力场入手，深入分析了工业锅炉炉膛、影响 燃料燃烧的炉拱、影响炉内降尘的折烟墙、二次风等进行了分析研究，找出了合 适的炉内结构形状、前后拱对炉排的遮盖面积以及后拱对水平的倾斜角度和合适 的炉内“v ”型截头炉底，这对改进炉内燃料燃烧、提高工业锅炉热效率、降低 v 山东大学硕士学位论文 锅炉初始排尘浓度，对工业锅炉新产品的设计开发和效率低运行的工业锅炉改造 提供了理论依据，这对工业锅炉整机节能与环保具有较为现实的意义，对新锅炉 的设计和旧锅炉的改造具有较好的经济效益、社会效益以及社会环境效益。 本文还对我国工业锅炉多数存在燃烧煤种与设计煤种不符的情况，对工业锅 炉进行了动力配煤研究，利用多目标规划的基本原理，建立了动力配煤方案的多 目标规划模型，利用计算机对动力配煤方案进行了优化，使煤质互补以适应工业 锅炉各种燃烧设备对煤质的要求，达到提高燃烧效率和减少污染物排放的目的， 同时对工业锅炉实施动力配煤的经济和环境效益进行了综合评价。 本课题的研究符合社会可持续发展的规律、符合工业锅炉节能与环保的发展 方向，具有一定的理论与实践意义。 关键词：工业锅炉节能环保空气动力场动力配煤煤质指标 线性可加 v i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a lb o i l e ri sah e a t - t r a n s f e re q u i p m e n tt h a tc a l lt r a n s f o r mc h e m i c a le n e r g yo f c o a l ，o i la n dn a t u r a lg a si n t os t r e a mo rh e a tw a t e r t h eo b t a i n e ds t r e a mo rh e a tw a t e r w i l lb eu s e dd i r e c t l yi nm a n u f a c t u r ea n dl i v es u c ha sh e a t i n g ，d r y i n g ，b o i l i n g ， w a n n i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n go f t e x t i l e ，c h e m i c a li n d u s t r y , p a p e rm a k i n g ，m e t a l l u r g y , f a r m i n g ，f o r e s t r y , a n i m a lh u s b a n d r ya n df i s h e r ya n dh e a l t ha n dm e d i c a lc o m m u n i t y b e s i d e s ，i tc a na l s ob et r a n s f o r m e di n t oe l e c t r i ca n dm e c h a n i c a le n e r g y f o re x a m p l e ， i tc a l lp u s hs t r e a mg e n e r a t o rt og e n e r a t ee l e c t r i c i t yo rd r i v et u r b i n et od ow o r k w i t h t h ew i d e ru s eo fs t r e a ma n dh e a tw a t e r , i n d u s t r i a lb o i l e rh a sb e c o m ean e c e s s a r y e q u i p m e n ta n dw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ，m o r ea n dm o r ee n e r g yh a s b e e nc o n s u m e d ，a n da sar e s u l t ，s o c i e t yn e e dm o r ea n dm o r ee n e r g y - t r a n s f o r m i n g e q u i p m e n t sa n dt h ee q u i p m e n t sm u s tb em o r ea d v a n c e d s oi n d u s t r i a lb o i l e rp l a ya m o r ei m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m y n o w , t h en u m b e ro fb e i n g - u s e di n d u s t r i a lb o i l e ri so 5 0 1 2m i l l i o n ，a n dt h eb o i l e r s f o rp r o d u c t i o ni so 2 3 7 8m i l l i o n ，t h eo n ef o rl i v i n gi s0 ，2 6 3 4m i l l i o n h o w e v e r , t h e i r a v e r a g ec a p a c i t ya n dh e a te f f i c i e n c ya r eo n l y2 2 8 t ha n d6 0 r e s p e c t i v e l yw h i c ha r e 1 5 l o w e rt h a nf o r e i g nl e v e l i n d u s t r i a lb o i l e rc o s t se n e r g yg r e a t l y ，a n dt h ec o a l b u r n e di ne v e r yy e a ri s0 4b i l l i o nt o n ，w h i c hi so v e r1 3o fr a wc o a l sa n n u a lo u t p u t a n di tp o l l u t e sb a d l y i n1 9 9 1 ，t h es m o k ee m i s s i o nl o a do f i n d u s t r i a lb o i l e ri sn e a r l y 6 2m i l l i o nt o nt h a ti s3 6 6 o fn a t i o n a ls m o k ee m i s s i o nl o a d t h es 0 2e m i s s i o nl o a d i s5 1m i l l i o nt o nt h a ti s3 8 8 o f o v e r a l le m i s s i o nl o a d a n dt h ec 0 2e m i s s i o nl o a di s o 5b i l l i o nt o n a sar e s u l t ，t h ea c i dr a i ng e t sm o r ea n d m r es e r i o u s l y i nt h er e c e n t y e a r s ，a l t h o u g ht h eg o v e r n m e n tp a y m o r ea t t e n t i o no i le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt r y t om a k et h em a i np o l l u t i o ne m i s s i o ni o a di n2 0 0 0 f r e e z e ”o nt h e1 e v e io f19 9 5 b e c a u s en a t i o n a le c o n o m yg r o w sf a s t 、析t ht h es p e e do f9 o rs oe v e r yy e a r , n e w i t e m sa n dp o l l u t i o ns o u r c e sh a v ea p p e a r e dc o n t i n u a l l ya n dt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t y h a sn o tb e e ni m p r o v e do b v i o u s l y t oi n d u s t r i a lb o i l e r , t h e r ea r et w ot e c h n i c a lp u z z l e so fl o wh e a te f f i c i e n c ya n d l a r g es m o k ee m i s s i o nv o l u m e i tr e l a t e sn o to n l yt op e r f o r mt e c h n o l o g ya n ds u p p l y f u e l sm i s - m a t c hw i t 1d e s i g n e dc o a l b u ta l s ot ot h ed e s i g no fi n d u s t r i a lb o i l e rd i r e c t l y s o ，i ti sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ta n da na r d u o u st a s kb e f o r ei n d u s t r i a lb o i l e r v i i 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c hm a l lh o wt oi m p r o v eh e a te f f i c i e n c y , s a v ee n e r g ya n dr e d u c es m o k ee m i s s i o n c o n c e n t r a t i o na n d a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n i n c h i n a ，m o s to ft h ei n d u s t r i a l b o i l e r sh a v e l a y e rc o m b u s t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gf u e li sc o a l t h ec h a i ng r a t es t o k e rp l a y sal e a d i n gp l a c ew h i c ho u t p u t i s5 2 7 o ft h eo v e r a l lo u t p u ta n d5 9 o ft h eo v e r a l lc a p a c i t y a n dt h es e c o n di s r e c i p r o c a t i n gs t o k e rw h i c hi s2 1 o fa l lo u t p u ta n d1 7 o fa l lc a p a c i t y t o0 1 1 1 c h i n a si n d u s t r i a lb o i l e rc u r r e n ts i t u a t i o n ，t h ea u t h o ru n d e r t o o kar e s e a r c ho ne f f e c t f a c t o r so fl o wh e a te f f i c i e n c ya n dh i g hs m o k ee m i s s i o n ，p e r f o r m e da na n a l y s i so n i n d u s t r i a lb o i l e r h e a r t h ，b u r n i n g - i n f e c t i n g f u r n a c e a r c h ，d u s tf u l l - i n f e c t i n g s m o k e b r e a kw a l la n do v e r f i r ea i rf r o mc o a l s c o m b u s t i o n ，c o n f i g u r a t i o na n da i r p o w e rf i e l do fi n n e rf u r n a c e ，a n df o u n dt h ea p p r o p r i a t ei n n e rc o n f i g u r a t i o ns h a p e ， c o v e r i n ga r e ao ff r o n t - a n db a c k - a r c ho ns t o k e r , b a c k - a r c hs l o p ea n g l ea n dr i g h ti n n e r v t r u n c a t i o nb e df u r n a c ew h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i st o i m p r o v ei n n e rf u e l c o m b u s t i o na n dh e a te f f i c i e n c yo fi n d u s t r i a lb o i l e r , r e d u c eb o i l e ro r i g i n a ls m o k e e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o n ，d e s i g na n de x p l o r en e wp r o d u c ta n dr e c o n s t r u c tt h el o w e f f i c i e n c yb o i l e r s oi th a sp r a c t i c a lm e a n i n gt oi n d u s t r i a ib o i l e r se n e r g y - s a v i n ga n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n di th a se c o n o m y ，s o c i e t ya n ds o c i e t ye n v i r o n m e n tb e n e f i t t on e wb o i l e r sd e s i g na n do l db o i l e r sr e n o v m i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e dp o w e rc o a lm a t c ha c c o r d i n gt ot h eb u r n e dc o a l s m i s - - m a t c hw i t ht h ed e s i g n e dc o a li no u ri n d u s t r i a lb o i l e r , i ta l s ob u i l tt h em u l t i - - c o a l l a y o u tm o d e lo f p o w e rc o a lm a t c h 、 r i t l lt h eb a s i cp r i n c i p l eo f m u l t i c o a ll a y o u tm o d e l a n di tc a r r i e do u tad y n a m i co p t i m i z a t i o nt op o w e rc o a l - m a t c hs c h e m ew i t hc o m p u t e r s ot h a tt h ec o a lc a nc o m p l e m e n te a c ho t h e rt om e e td i f f e r e n tc o m b u s t i o ne q u i p m e n t s d e m a n dt od i f f e r e n tc o a la n da c h i e v et h eg o a lo fi m p r o v i n gc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d r e d u c i n gp o l l u t i o ne m i s s i o n a tt h es a l n et i m e ，i te s t i m a t e ds y n t h e t i c a l l ye c o n o m i c a n de n v i r o n m e n tb e n e f i to f p o w e rc o a l - m a t c hi ni n d u s t r i a lb o i l e r t h i st e x ta c c o r d s 谢t i lt h el a wo fs o c i e t ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dt h e d i r e c t i o no fi n d u s t r i a lb o i l e r se n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n di th a s s o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e a n i n go ns o m ed e g r e e k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lb o i l e r e n e r g ys a v i n ge n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a i rp o w e rf i e l d p o w e rc o a lm a t c h c o a lq u a l i t yg u i d e l i n el i n e a rp l u s v i l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 我国能源现状及特点 能源是国民经济与社会活动赖以生存和发展的物质基础。能源工业一方面以 满足国民经济发展和人民生活对能源的需求为目标；另一方面，能源工业本身又 是国民经济重要的支柱产业。我国能源的现状及特点如下： 1 1 1 1 中国是世界能源消费大国，但人均能源消费水平仍很低 中国是一个发展中国家，随着中国经济的发展，能源的消费量也在不断增加。 掘统计，1 9 9 5 年世界一次能源的总消费量为1 1 5 亿吨标准煤，其中美国2 9 7 亿 吨标准煤，中国1 3 1 亿吨标准煤，中国约占世界次能源总消费量的1 1 4 ， 仅次于美国，居世界第二位。 但中国人均能源消费水平很低，1 9 9 5 年中国人均能源消费量只有o 9 2 吨标 准煤，不及世界平均水平2 0 8 吨标准煤的一半，而经济合作与发展组织( o e c d ) 国家的人均消费量为6 5 7 吨标准煤，是中国的7 1 倍；美国的人均能源消费量为 1 1 3 吨标准煤，为中国的1 2 3 倍。 1 1 1 2 能源结构以煤为主 以煤为主的能源资源结构和消费结构，是我国能源发展的重要特点。 据统计，1 9 9 5 年我国一次能源消费结构中，煤炭占7 4 6 ，石油、天然气、 分别占1 7 5 、1 8 。这与世界的能源结构有很大差别，1 9 9 5 年世界一次能源 结构中，石油居第一位，占3 9 6 n ；煤炭居第二位，占2 7 - 3 ；天然气、核能、 一次电力分别占2 2 4 、7 5 和2 7 。，中国以煤为主的能源结构在未来很长 时间内不会改变，同时，中国以煤为主的能源结构是造成能源浪费、环境污染和 能源利用率低的重要原因。 1 1 1 3 中国的能源利用率低 国际上通常采用国内生产总值( g d p ) 的能耗强度作为衡量能源利用率的 宏观指标。g d p 能耗强度定义为单位国内生产总值所消耗的能源量。g d p 能耗 强度低，表示能源利用率高。1 9 9 5 年中国的g d p 能耗强度为1 6 4 吨标准煤美 山东大学硕士学位论文 元，而世界平均水平为o 3 9 吨标准煤美元，中国是世界水平的4 2 倍，同年o e c d 国家的平均水平只有o 2 5 吨标准煤美元，中国是o e c d 国家的6 5 6 倍。这表明 中国的能源利用率比o e c d 国家乃至世界大多数国家低的多，中国要比世界上 大多数国家多消耗三倍多的能源，才能生产出一美元的g d p ，究其原因有如下 几个方面： 产品的附加值低； 高能耗型的产业结构； 能源利用率低。 1 。1 ，1 4 工业锅炉是能源消费大户 工业锅炉是工业生产和人民生活中的一种重要热能设备，在国民经济中占有 重要地位，其使用面广、需求量大，是一个能耗大户。 目前我国在用工业锅炉装机总量5 0 1 2 万台，锅炉平均容量在2 2 8 t h 左右， 乎均效率6 0 左右，比国外平均水平低1 5 以上，分布在冶金、机械、化工、 纺织、能源等行业，用煤约4 亿吨，占全国原煤年产量的1 3 以上。 1 1 1 5 燃煤对环境造成的污染 据统计，我国煤炭用于锅炉生产蒸汽发电的约占3 1 5 ，用于工业锅炉和窑 炉的约占4 0 ，民用煤约占2 0 ，其它占8 5 。除电站锅炉热效率平均达到 9 0 左右外，其它工业锅炉、窑炉、民用炉灶的热效率均十分低下。工业锅炉平 均热效率为6 0 左右。工业窑炉平均热效率为2 0 3 0 。民用炉灶的热效率 平均只有1 5 3 0 。这样低的热效率意味着大量煤的浪费，并给环境带来了 严重污染。 1 9 9 1 年工业锅炉烟尘排放量近6 2 0 万吨，占全国烟尘排放量的3 6 6 ；s 0 2 排放量5 1 0 万吨，占总排放量的3 8 8 ；温室气体c 0 2 排放量5 亿吨，酸雨问题 同益严重。虽然近几年来政府加大了大气环境保护力度，力争2 0 0 0 年的主要污 染物排放量“冻结”在1 9 9 5 年的水平，但由于国民经济以每年9 左右的速度高 速增长，新的项目和污染源不断产生，大气环境质量没有得到明显的改善。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 我国工业锅炉现状及发展趋势 1 1 2 1 我国工业锅炉现状 现阶段，我国工业锅炉的主要特点及存在问题如下： 中国工业锅炉以层状燃烧为主，燃料大多数为煤炭，并且以链条炉排为主 导地位，其产量占工业锅炉总台数的5 2 7 、占总容量的5 9 ，其次为往复炉排， 分别占总台数地2 1 和总容量的1 7 ，再次为固定炉排，约占总台数的1 7 、 总容量的4 ，抛煤机在我国未得到发展，其比例不足1 ，下饲式极少，循环 硫化床锅炉正在开始发展，但在工业锅炉中所占比例不高，油、汽锅炉比例约占 5 左右。煤种适应性较差，循环方式基本都为自然循环。 单机容量小，平均为2 2 8 讹，远低于国外。日本为5 讹，美国为1 4 恤， 前苏联为4 0 t m 。 国内的工业锅炉局限于2 4 5 m p a 的压力等级，而日本、前苏联低于 2 4 5 m p a 的只占工业锅炉的7 0 左右。 我国工业锅炉热效率不高，一般只有6 0 灿7 0 ，比当前先进国家的工 业锅炉热效率约低1 0 1 5 。 广州、兰州、上海等城市对在用工业锅炉运行随机测试情况表明，燃煤锅炉 实测热效率平均为5 0 5 - 7 7 6 ，比锅炉产品鉴定热效率低5 1 0 个百分点。广 州市9 1 年测试了3 1 3 台锅炉，平均热效率仅为6 7 ，而近几年工业锅炉的鉴定 热效率和运行热效率基本上没有什么提高，仍停留在我国九十年代的水平上。 这些锅炉自动化、机械化水平低，劳动强度大，自控水平尚待提高，燃烧 工况基本上没有自动调节。 辅机匹配不佳，锅炉用户更多的是注重价格而忽视辅机配套，经常调换主 机生产厂家提供的配套辅机。 锅炉原始排尘浓度偏高且多数采用水膜除尘和旋风除尘。除尘效率低，致 使锅炉烟尘排放浓度偏高。 近几年新开发的几种工业锅炉原始排尘浓度仍较高( 见下表) ： 口= 1 8 时原始排尘 序号锅炉型号制造厂家浓霞m g m 秆 1s z l 4 1 3 一a天山锅炉厂2 7 3 5 2s z l 4 一1 3 一a西安锅炉厂 2 7 6 6 山东大学硕士学位论文 3k z l l 1 0 一a 南通锅炉厂 2 3 2 3 4d z l 4 一1 3 一a 湘潭锅炉厂 3 0 1 0 5 s h l l o 一1 3 一a 鞍山锅炉厂 1 2 2 5 6d z l 4 1 3 一a 武吕锅炉厂1 2 0 1 平均值 2 2 1 3 有表可见，初始排尘浓度有的高达3 0 0 0 m g n m 3 ，平均原始排尘浓度在 2 2 1 3m g n m 3 ，与新的排放标准还有一定差距。 多数无烟气脱硫装置，脱硫技术还不太成熟，尚待发展。燃煤工业锅炉炉 内脱硫技术开展了不少工作，但在实用化方面还不够，烟气脱硫工作虽已起步， 但还没有系统的全面治理，这与新标准要求有一定差距。 中国在用工业锅炉普遍存在低负荷运行，炉内燃烧不好、炉渣含碳量高、 尾部过量空气系数大、排烟温度高，实际运行热效率低，比锅炉产品的鉴定热效 率低5 1 0 个百分点以上。 可见，目前我国工业锅炉存在的主要问题是热效率低、烟尘排放浓度高，这 除了与运行管理不当以及燃烧时所用的燃料不合适之外，还与工业锅炉的设计有 着直接的关系。 1 1 2 2 我国工业锅炉的发展趋势 根据我国未来能源发展战略和目前环保工作面临的形势，可以认为节能与环 保将成为未来工业锅炉发展的永恒的主题，因此工业锅炉未来的发展方向是高 效、节能和环保，具体地讲，其主要发展动向为： 应想法从设计入手提高工业锅炉热效率，进一步降低工业锅炉初始排尘浓 度。 对燃煤工业锅炉应积极发展和应用洁净煤技术。对不同燃烧方式的锅炉可 燃用配煤、洗煤和型煤等洁净煤以提高热效率，减少污染。 积极发展各种高效洁净燃烧技术，特别是循环流化床燃煤技术。 积极发展多功能高自动化的大型工业锅炉以达到提高效率、减轻污染和减 少事故的目的。 积极提高工业锅炉的自动化程度。我国工业锅炉的自动化程度不高，这也 是锅炉效率不高、事故较多的原因之一。因此，积极提高工业锅炉的自动化程度 将是提高锅炉实际运行热效率的有力保证。 山东大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的、内容和方法 工业锅炉中炉膛的结构形状对炉内燃烧、对工业锅炉的节能与环保有较大的 影响，本课题旨在通过对不同炉内结构形状下的空气动力特性进行分析研究，找 出有利于燃烧的空气动力场，探索有利于改进炉内燃烧状况，从而提高锅炉热效 率、降低烟气含尘量的炉内结构形状，为工业锅炉产品的开发、设计、改造提供 理论指导。 动力配煤技术作为一种煤炭高效洁净利用技术，是改善当前工业锅炉燃煤状 况、适合中国煤炭消费特点及技术经济水平的优选技术途径之一，是符合中国燃 煤特点的洁净煤技术。针对层燃锅炉煤种适应性差的特点，在对目前动力配煤方 案优化方法进行综合评价的基础上，利用多目标规划的基本原理，建立了充分考 虑工业锅炉用户实际需求和适合煤炭企业进行动力配煤生产实际的多目标规划 模型，利用计算机进行了求解，并对工业锅炉的动力配煤进行经济效益评价，为 工业锅炉进行动力配煤，以满足不同锅炉对燃煤的要求，达到工业锅炉的高效清 洁燃烧，提供理论指导，具有较好的使用价值 山东大学硕士学位论文 第二章国内外工业锅炉整机节能与环保措施评述 根据中国工业锅炉以层状燃烧为主，并且以链条炉排为主导地位的现状，我 们对工业锅炉的研究以链条炉排锅炉为主。 针对我国工业锅炉的现状及存在的问题，在吸收国外先进科技成果的基础 上，紧紧围绕工业锅炉的节能与环保，近几年来，我国专业技术人员做了大量的 实验、研究工作，取得了令人欣喜的成果，总结推广了多项有利于工业锅炉节能 与环保的新理论、新技术。主要概括如下： 2 1 优化炉拱技术 2 1 1 关于炉拱的理论 炉拱是指突出于火床炉炉膛内部、且墙面向下的那部分倾斜式或水平一倾斜 式的炉墙。炉拱面上一般不布置水冷壁，若必须布置，也应用耐火涂料将炉拱区 段的水冷壁加以覆盖，以提高拱的温度，加强拱的助燃作用。 2 1 1 1 炉拱的作用： 炉拱的总作用有两个，一是加强炉内气流的混合；二是合理组织炉内的热辐 射和热烟气流动。以上两个作用是通过不同拱形的良好配合达到的。加强炉内气 流的混合，是为了使炉膛前、后的过剩空气能为炉膛中部可燃气体的燃烧及燃尽 提供必要的氧气，以达到在不加大空气量的情况下，提高完全燃烧程度的目的， 从而减小q 2 、q 3 及q 4 的热损失：而合理组织炉内的热辐射及热烟气流动，则是 为了提高火床头部着火区的温度、改善着火条件、并强化火床中部的主燃区，使 燃烧更加旺盛，从而获得炉前燃料着火迅速、炉内飞灰可燃物降低、炉后狄渣燃 尽良好的稳定燃烧工况，进一步降低q 4 热损失，达到提高锅炉热效率的目的。 炉拱的作用还与燃煤的种类及特性有关。当燃用挥发分很低的无烟煤时，最 大的困难是燃料不易着火，这时的拱形设计及布置，应以保证燃料的及时着火为 主；而当燃用高挥发分的烟煤时，由于大量挥发分的集中析出，使炉膛内气体分 布的不均匀性更加突出，所以，这时的拱形设计及布置，应以加强气流的混合为 主，以有利于挥发分的充分燃烧。 山东大学硕士学位论文 2 1 1 2 炉拱的分类 炉拱按其所处位置的不同可分为前拱，中拱及后拱三类。 前拱 前拱位于火床前部的上方，它的形式很多，有水平式、倾斜式及反倾斜式等， 见图2 一l 中所示，前拱又被称作引燃拱或辐射拱。 设置前拱的目的：创造燃料引燃所需的高温环境，帮助燃料及时引燃。 作用：将燃料燃烧放出的热量，有效地、集中地引回到火床头部的新燃料层 上，使燃料迅速升温、着火。 工作机理：通过以再辐射为主、漫反射为辅的方式，将高温火床面的辐射热 和部分火焰的辐射热传递到新燃料的着火区。 j 厶占a 图2 1 不同形状的前拱示意图 ( a ) 水平式前拱；( b ) 倾斜式前拱；( c ) 反倾斜式前拱 后拱 后拱位于火床后部的上方。它的形式也很多，有单倾斜式、水平一倾斜式及 双倾斜式( 俗称人字式) 等，见图2 2 中所示。 出乒龇 奄兰骞枣三难兰三鸢 图2 一_ 2不同形状的后拱示意图 ( a ) 单倾斜式后拱；( b ) 水平一倾斜式后拱；( c ) 双倾斜式后拱 设置后拱的目的：通过它与前拱的适当配合，取得间接引燃和强化混合的效 果。后拱对新燃料的引燃作用有两个方面：一方面是直接引燃；另一方面是间接 引燃。直接引燃是指，后拱将拱区内的高温烟气及悬浮的炽热炭粒逼向火床头部， 以加速燃料的引燃过程。间接引燃是指后拱提供的引燃热量是通过前拱再辐射至 山东大学硕士学位论文 着火区的。间接引燃是后拱引燃的主要方式。 引燃机理：后拱将大量的高温烟气和炽热炭粒输送到燃料的燃烧区( 而非着 火区) ，提高那里的温度，强化那里的燃烧，使之发出更多的热量，并以此形成 更高的温度，从而大大增强了前拱的辐射引燃作用。在整个引燃过程中，前拱起 主要作用，后拱起辅助作用。 后拱的强化混合作用：后拱将拱区内平行上升的可燃气体及尾部的过剩空气 导向炉前，与前拱下出来的烟气碰撞、搅拌。这样，既延长了烟气在炉内的流动 行程和停留时问，又增强了炉前、炉后各种成分气体的扰动与混合，使可燃气体 及悬浮灰粒在此得到进一步的燃尽。 后拱对燃尽区的保温促燃作用：在后拱在运行中，同样吸收来自燃烧火床面 的辐射热量，并提高自身的温度，增强自身的辐射能力。这不仅对强化火床中部 的燃烧有利，还可提高火床尾部燃烬区的温度，给燃尽创造十分有利的条件。 中拱 中拱位于火床中部的上方，其布置见图2 3 中所示。 设置中拱的目的：进一步加强对新燃料的间接引燃作用。同时，设置中拱可 避免后拱过长带来的烟气闷塞问题。缺点是对尾部燃尽区的保温作用较差，以及 不能促使后部过剩空气与前部挥发分的混合。 火床炉炉拱的设计与布置是否合理，对移动式火床炉，特别是链条炉的燃烧 工况影响极大。而影响炉拱设计与布置的因素很多，且对应于不同的燃料特性， 应该有不同的拱形及尺寸。 图2 3 中拱布置简图 2 1 1 3 炉拱的设计原则 ( 1 ) 前拱的设计与布置原则 山东大学硕士学位论文 前拱供应具有足够的敞开度，不能过低，否则将对着火不利；但也不能过高， 因为拱区内的三原子气体对辐射热有强烈的吸收作用，并随气体层厚度的增大而 急剧增加，从而削弱了前拱本身对新燃料层的辐射作用。当厚度过大( 即炉拱过 高) 时，就相当于取消了前拱的辐射，而代之以三原子气体的辐射，这显然是不 合理的。一般前拱高度总是大于后拱高度。此外，前拱也不可过短，应具有一定 的长度。研究表明，拱长a 】及拱高h 】对辐射换热的影响都很显著，且拱长的影 响比拱高要大得多。一般规定：对挥发分高的煤( 如褐煤) ，前拱应设计得高些， 其覆盖长度也应长些，以满足挥发分燃烧的需要；反之，对挥发分低的煤( 如无 烟煤) ，前拱可适当矮些，后拱覆盖炉排的长度应相应的长。此外，炉排长度长 时，拱高也应适当放大。但应注意，拱高h l 必须与后拱的出口高度h 2 密切配合， 以取得最佳的炉内气流流动工况。 ( 2 ) 后拱的设计与布置 a 布置原则 后拱的设计与布置应从充分发挥后拱的间接引燃、强化混合及尾部保温作用 出发，后供应具有足够的长度，足以覆盖住旺盛的燃烧区；后拱要有足够的拱下 容积，亦即一定的烘高值，以保证空间燃烧的需要，并避免后拱下的烟气闷塞： 此外，还应有足够高的烟气喷出速度，尤其对难以燃烧的无烟煤及劣质烟煤，更 应得到保证；对于难燃的燃料，拱区内的受热面上可敷设卫燃带，以便保持高温。 图2 4 链条炉前后拱尺寸图 b 后拱几何参数的确定 后拱末端高度也： 对于倾斜式及水平一倾斜式后拱，如的大小直接影响后拱的出口高度值及 山东大学硕士学位论文 后拱出口的烟气流速。为此，魄值不可取得过大( 过大漏风也严重) ；但也不宜过 小，尤其对灰分多、熔点低以及易结焦的燃料，将会造成排渣的困难。一般，对 灰分少、熔点高的煤应取小值；反之，应取大值。 后拱出口高度拓： 对于倾斜式及水平式的后拱， 岛= 岛+ 口。舭( 口为倾斜部分的投影长度) 。 当倾斜角口决定之后，吃便可按上式算出。对于双倾斜式后拱，出口高度心不 受h ，值的限制，它可按实际需要选取。炉排宽度一旦决定，后拱的高度便可 根据要求的烟气流速求得。 后拱的倾角口： 后拱倾角过小，拱区的烟气不能很好的压向前拱，后拱内的压力便可能升高， 后拱内容易产生正压；后拱倾角过大，后拱出口的烟气流速就过低，影响到后拱 引燃作用的发挥，特别是对于难着火的煤更为不利。因而，合理的后拱倾角应使 后拱下的烟气能顺利地流出，并保证有足够的烟气流速。当燃用无烟煤时，口应 取小值；当燃用烟煤及褐煤时，着火比较容易，对后拱出口烟气流速要求也不高， 后拱角度可在较大范围内变化。 后拱覆盖长度吻： 融值的大小，影响到后拱区内的温度水平及对着火区引燃作用的大小。 对无烟煤等难燃煤种，岛值应取大值；对烟煤及褐煤，因对其引燃作用要求 较低，以值应取小值。 表2 1链条炉炉拱基本尺寸 名纛 特，j _ 一 无烟露交靠固 i 雯角嫖羹翅寡 前墩出口膏度c 皿) 。1 i ，2 p 1 6 ：1 1 6 2 6 前攒覆董长度( m ) i ( o 1 s v o 拈) f “1 5 一o 嚣) ，( o 1 一o 2 j f 詹扶出日青崖( m ) l 0 8 。i 2 0 o 9 ，1 0o , g 。1 扣 后拱爱董长窆( 呻 a i ( o 2 6 - - 0 6 ) l ( o 6 - - 0 r ，( 0 z b - 0 5 s ) f 后蠢箭角 口 1 2 1 8 8 一l o 1 2 - , 1 5 厨扶束蜡曩小蠢赛 m )ho 。0 5 ro o 5 5 圆o 4 0 5 s 注：l 值大者，h l 、h 2 可取大值。 山东大学硕士学位论文 对于多灰及灰熔点低的燃料取大值，v r 小的燃料取小值。 水分高的褐煤，难着火的i i 类烟煤，h l 、a 2 取大值，a l 、a 取小值。 h l 值主要取决于与后拱的配合。 说明：i l 类烟煤包括v 偏高的贫煤，而v 偏低的贫煤按无烟煤设计。 c 。不同形式后拱特点比较 运行实践表明，后拱的主要作用是引燃，即后拱出口的烟气流向，对燃料的 引燃效果，其程度大大超过烟气的喷出速度。因此，水平一倾斜式及双倾斜式后 拱比单倾斜式后拱效果更好，特别是双倾斜式，从后拱出来的高温烟气冲向前下 方，掠过新燃料层表面再返回喉口( 前、后拱之间的狭小截面) ，不仅可以提高引 燃的效果，还可促成后拱出口处的气流旋转，达到强化燃烧及提高温度的目的。 ( 3 ) 中拱的布置原则 中拱位于火床中部上方，拱内的热烟气向两端流出。向前的部分，可起到对 着火区的间接引燃作用；向后的部分，可起到对燃尽区的保温作用。为了达到上 述效果，中拱的上倾角应适当选取，中拱的高度应根据拱下的燃烧要求来确定， 一般尽可能取低些。 2 1 2 炉拱技术应用实例 2 1 2 1 双人字形炉拱 上海交通大学动力与能源学院的黄祥新、罗永浩等人在分析现有链条锅炉炉 拱存在的问题的基础上，利用炉拱换热遵循“再辐射”的传热原理及空气动力学 的理论，设计并推广了双人字形宽煤种高效消烟节能炉拱，取得了令人满意的效 果。 ( 1 ) 双人字形炉拱的消烟节能原理 炉拱的换热遵循“再辐射”的传热原理，炉拱首先吸收高温火焰的辐射热量， 本身具有很高的温度，然后再以漫辐射的形式将热量向四面八方辐射出去。强化 炉拱传热的根本途径是提高拱区温度，而拱区温度的高低，则主要取决于高温烟 气深入到前拱区的程度及在那里的停留时间。前后拱的形状和尺寸主要应根据