第2章 工业窑炉及窑炉节能

第2章工业锅炉及窑炉节能 本章主要内容 第一节概述第二节工业锅炉的节能诊断第三节燃烧系统改造技术第四节锅炉运行自动控制技术第五节辅机改造节能技术第六节选择锅炉机组节能改造方案第七节工业窑炉节能技术第八节工业锅炉及窑炉节能改造案例 考纲要求 考纲要求 教师导读 工业锅炉是重要的热能动力设备 而且目前国内工业锅炉大都为链条式锅炉 工业窑炉是也是陶瓷 冶金 建材 石化等工业过程中至关重要的热工设备 也是能源消耗和环境污染的主要源头 本章主要介绍工业锅炉和窑炉常用的节能技术的原理和应用 对链条锅炉分层燃烧 炉拱与配风 锅炉自动化控制等节能技术原理及内容进行了深入介绍 同时本章介绍工业窑炉的相关节能技术原理和应用 最后对工业锅炉 工业窑炉等典型节能技术案例进行了效果分析 本章的重点为 工业锅炉的节能诊断 工业窑炉的热平衡测试 工业锅炉和窑炉典型节能技术原理 特点和应用 本章的难点是 锅炉机组节能改造方案的选择和工业窑炉典型节能技术分析和应用 高温空气燃烧技术和富氧燃烧技术的应用 2 2工业锅炉的节能诊断 图2 1工业锅炉节能诊断步骤 P33 2 3燃烧系统改造技术 链条式锅炉燃烧系统改造技术类型有 链条锅炉分层燃烧 炉拱与配风1 链条锅炉分层燃烧 详见P34 原理分层给煤燃烧 图2 2 是将煤仓中溜下来的原煤经过转动的辊筒疏松后 落到筛板上 粒度大的颗粒从筛板上落到炉排上 粒度小的漏到筛下的炉排上 随着炉排的转动 形成了下大上小的给煤层次 使煤层通风均匀 提高了炉膛温度 利于燃烬 2 3燃烧系统改造技术 链条锅炉采用分层给煤燃烧可达到如下效果 增加锅炉对煤种的适应性 出力提高 降低各项热损失 锅炉热效率可提高5 8 提高锅炉运行的可靠性 减少维修费用 改造工期短 投资回收快 一般为3 6个月 2 3燃烧系统改造技术 分层燃烧技术的常见故障及解决方法 P34 P36 1 由湿煤和冻煤引起的断煤故障 通过增加湿煤搅动辊 得以彻底解决 2 表面不平整 有煤块 解决的办法是增加1根重力移位转辊 采用新型筛分器是由钢板经特殊工艺制成的渐缩形结构 筛分出的段面结构呈无数层 表面平整而精细 断面错落有致 使燃烧效率达到最佳 3 正压燃烧造成的设备被烧损故障 解决的办法要根据其形成的原因而定 如果是小马拉大车或锅炉局部故障所致 应从锅炉装机容量及锅炉故障点着手解决 消除正压燃烧现象 如果无法解决正压燃烧问题 也可在分层设备自身上做文章 设置一块挡风板 阻隔炉内高温气流向前部的侵袭 此挡风板的设置 当锅炉正常燃烧炉内呈负压时 同时可起到防止外部冷空气被吸入炉内 提高燃烧效率的良好作用 2 3燃烧系统改造技术 2 炉拱 P37 39 炉拱是指凸出于链条炉炉膛内部且墙面向下的那部分倾斜式或水平 倾斜式的炉墙 炉拱总的作用有两个 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 这两个作用可以通过不同拱形的良好配合达到 炉拱设置得当可使炉前燃料着火快速 炉后灰渣燃烬良好 从而降低物理未燃尽热损失 提高热效率 炉拱按其所处位置的不同可分为前拱 后拱和中拱三类 炉拱布置是否合理对锅炉的燃烧工况影响极大 对应于不同的燃料特性 应该有不同的拱形及尺寸 炉拱改造时 对劣质和中质烟煤 贫煤和无烟煤 应着重于煤的着火 对挥发分高的烟煤 应着重于气体良好混合 2 3燃烧系统改造技术 配风 P39 配风是保证锅炉正常燃烧的重要环节 火床下配风方法有三种 尽早配风法 强风后吹法 推迟配风法 尽早配风法适用于燃用高挥发分煤 在燃烧前期 指前 后拱间的火床区段 送入大量空气以满足大量挥发分的燃烧 强风后吹法适用于低挥发分煤 即给最后1 2个风室大量送风形成强燃区 以满足大量焦炭燃烬 推迟配风法适用于多种煤种 即对后拱下燃烧中期的床层区加强送风 使在火床中段形成一个强燃区 从而改善炉前着火及炉后燃烬的条件 火床上配风称为二次风 二次风从火床上方高速喷入炉膛 通过扰动炉内气流 增强相互间的混合来达到燃烧完全的目的 二次风的工质可用空气或蒸汽 空气作二次风时 需配备高压风机使设备投资增加 蒸汽作二次风时 设备简单 投资省 且锅炉低负荷时的过量空气系数也不致过大 还容易保持炉温 但蒸汽成本高 耗汽量大时会造成经济效益下降 不适用于大容量的锅炉 由于二次风起到帮助引燃 加强混合及消除黑烟的作用 广泛应用于锅炉燃烧设备改造中 尤其是对抛煤机炉效果十分明显 2 4锅炉运行自动化控制技术 锅炉运行自动化控制技术有 负荷控制系统 空燃比控制系统 炉膛负压控制系统 给水控制系统1 负荷控制系统链条锅炉负荷控制系统 它以蒸汽压力为主信号 以蒸汽流量为前馈信号 在蒸汽流量已变化 蒸汽压力尚未变化之前 控制器就提前改变送风量 当蒸汽压力发生变化时 由控制器按比例积分调节控制送风机转速或其挡板开度 调节送风量 以消除蒸汽压力偏差 2 4锅炉运行自动化控制技术 2 空燃比控制系统锅炉合理燃烧的关键是保持最佳的空燃比 空气燃料之比 既保证煤能完全燃烧 又不因过多的不能参与燃烧的空气带走大量热量 对工业锅炉中大量的层燃炉来说 其最佳的空燃比不但与燃烧方式有关 还与负荷大小 燃料品质 炉墙密封状态等有关 因此应根据上述各因素的变化来设定空燃比 空燃比控制系统如图2 10所示 以送风量信号为主信号 以炉排电机转速所代表的给煤量信号为反馈信号 将其偏差或将其比值与设定的风煤比的偏差作为调节信号 通过控制器调节炉排电机转速 以维持合理的风煤比 保证合理和节约地燃烧 2 4锅炉运行自动化控制技术 3 炉膛负压控制系统保持炉膛负压稳定是平衡通风锅炉燃烧稳定的前提 图2 11为典型的负压控制系统 它以炉膛负压为主信号 以送风量为前馈信号 当送风量变化时 控制器马上相应改变引风量 当炉膛负压变化时 由控制器按比例积分调节引风机转速或其挡板开度 调节引风量 以保持炉膛负压的稳定 2 4锅炉运行自动化控制技术 4 给水控制系统蒸汽锅炉在运行中必须保持汽包水位稳定在规定范围内 由于锅炉产生蒸汽是一个连续过程 为了保持汽包水位稳定就必须按照蒸汽产生量相应的不断补充给水量 给水自动控制系统有单冲量水位控制系统 双冲量水位控制系统和三冲量水位控制系统三种 单冲量水位控制系统直接以水位信号与设定值进行比较 控制器则根据其偏差的大小与方向输出控制信号调节给水调节阀的开度 控制给水流量以维持水位的稳定 如图2 12所示 该系统比较简单 但不能克服 假水位 现象 因此仅适用于负荷变化小 用户对蒸汽品质要求不高的地方 双冲量水位控制系统在以水位信号作为主控制信号外 增加了蒸汽流量信号作为前馈信号 当出现 假水位 现象时 由于蒸汽流量调节信号抵消了根据水位信号而产生的与实际需求不符的调节信号 从而避免了 假水位 现象 保证了水位的稳定 该系统如图2 13所示 三冲量水位控制系统则以汽包水位为主控信号 蒸汽流量为前馈信号 给水流量为反馈信号来控制给水流量 它不仅能克服 假水位 的影响 同时也能克服给水压力变化等因素引起的给水流量变化的影响 使整个系统保持良好的动态响应和静态特性 是较理想的水位控制系统 该系统如图2 14所示 2 5辅机改造节能技术 1 泵和风机改造工业锅炉用泵和鼓 引风机均为离心式 当其容量和扬程 压头 不够时一般均应更换 当其容量和扬程偏大或锅炉负荷变动大或经常在低负荷运行时 最好采用调速技术改造来替代节流调节 可大幅节约电能 这是由于离心式风机 水泵 流量与转速的一次方成正比 而轴功率与转速的三次方成正比 因此降低转速调节流量的同时可大幅度减少电耗 泵和风机的几种调速方法及其特性将在变频调速相关章节详细介绍 2 给水处理锅炉的给水品质是根据锅炉蒸汽参数和结构形式确定的 但同样的给水品质水平由于锅炉供热系统运行方式或原水品质的不同就必须选用不同的水处理系统和设备 例如蒸汽供热冷凝水可回收的系统 其水处理设备就较无冷凝水回收系统的档次低 此外有时为了减少锅炉连续排污率 以节省煤耗 水处理设备也需提高等级 因此当锅炉改造以后或发现水质不能满足要求或为了减少排污量均应认真改造水处理系统 改造时系统选择的有关因素 详见表2 2 2 6选择锅炉机组节能改造方案 1 方案选择的基本原则和程序 2 6选择锅炉机组节能改造方案 表2 3各种燃烧技术特性表 2 6选择锅炉机组节能改造方案 表2 4控制装备比较 2 6选择锅炉机组节能改造方案 锅炉烟气余热回收 P48 锅炉烟气余热一般由省煤器和空气预热器进行回收 减少排烟热损失 但是通常通过省煤器和空气预热器的排烟温度还高达150 以上 余热回收效率低 新型烟气余热回收装置替代传统的省煤器 该换热器分为三级换热 第一级换热将低温烟气吸收 加热温度在87 95 之间 用于热力除氧及对水预热 第二级换热将较高温的烟气加热一级换热的热水然后进入锅炉 锅炉进水 换热系统配备了全自动控制系统设备 第三级换热将高温的烟气加热第一级换热的热水 所产生的蒸汽经过汽水分离器将冷凝水分离后 蒸汽直接进入低压分气缸 供用热设备使用 这种锅炉烟气余热回收装置换热具有以下特点 1 使用翅片管换热 有效换热面积大 相同占地面积情况下换热面积为普通型省煤器的6倍以上 换热效率高 2 采用逆流换热的方式 系统最终排烟温度逼近常态空气温度 3 涂装具有高强度 高耐磨性 不粘性及耐腐蚀性于一身的特种涂料 相较原有系统 改造后的系统可将烟气温度回收至常态空气温度 10 以内 由于烟气温度降至40 50 时其潜热完全释放 余热回收效果比原系统提升15 以上 2 7工业窑炉节能技术 1 通过对窑炉的现场热工测定 全面地了解窑炉的热工过程 计算窑炉收入和支出的能量 供给能量 有效能量及损失能量的平衡关系 从而了解窑炉的热工状况 判断其能量有效利用程度 查明各项损失的分布情况 分析窑炉运行工况 及时调整运行工艺参数 使其达到运行的最佳状态 同时找出节约能源的有效途径 明确节能方向 热平衡有正平衡和反平衡两种不同测试方法 通过反平衡测试 能够了解窑炉的主要能量损失 为节能改造提供科学依据 2 7工业窑炉节能技术 2 工业窑炉节能技术类型主要有热源改造 燃烧系统改造 窑炉结构改造 窑炉保温改造 烟气余热回收利用以及控制系统节能改造等项内容 2 7工业窑炉节能技术 热源改造热源改造的内容视窑炉种类而定 以电为热源的窑炉 按其产品工艺要求 有的是将工频电源改为低频电源 有的是将交流电源改成直流电源 对送电短网进行节电改造 对电极进行自控改造等 有的窑炉由燃油改为燃用各种回收的可燃气 有的由燃油 燃气改为电加热 总之 都是为了减少能源消耗 工艺节能在窑炉工艺过程认定后 关键是外部热交换过程及内部热交换的紧密配合 因而与炉窑结构 产品码放方式密切相关 对窑炉热工过程进行分析 针对窑炉结构 所用燃料和工艺要求与特点 不断改进窑炉结构和提高窑炉热工性能 合理改变工艺流程 安排热利用子过程或与外界热利用系统合理配置和引入到新工艺流程中去 这样不仅可以合理用能 节能 还可改进产品质量 先进的炉型结构随着科学技术的进步 节能与环保政策的推行与市场竞争的发展 工业窑炉的结构在不断改进与优化 其主要目的是改善燃烧状况 缩小散热面积 增大窑炉的有效容积 炉型结构改造的效果既可减少能源消耗 又可以提高产品的质量和增加产量 2 7工业窑炉节能技术 燃烧装置与燃烧技术 P50 55 常见的节能燃烧技术有 高温空气燃烧技术 富氧燃烧技术 重油掺水乳化技术 高炉富氧喷粉煤技术 普通炉窑燃料入炉前的磁化处理技术等 其中应用广泛的有高温空气燃烧技术和富氧燃烧技术 高温空气燃烧技术 P51 高温空气燃烧技术是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧 它包含两项基本技术措施 一是采用温度高 热回收率高的蓄热式换热装置 极大限度地回收燃烧产物中的显热 用于预热助燃空气 获得温度为800 1000 甚至更高的高温助燃空气 二是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物 稀释反应区的含氧体积浓度 获得浓度为1 5 2 的低氧气氛 燃料在这种高温低氧气氛中 首先进行诸如裂解等重组过程 造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件 在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能 不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区 这种燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更趋均匀 使燃料消耗显著降低 降低燃料消耗也就意味着减少了CO2等温室气体的排放 另一方面抑制了热力型氮氧化物 NOx 的生成 富氧燃烧技术 P52 53 助燃空气中的氧气含量大于21 所采取的燃烧技术 简称为富氧燃烧技术 富氧燃烧技术分为整体增氧和局部增氧两大类 前者特点是整个助燃风均用富氧替代 因而相对而言其投资大 成本高 而后者是局部增氧技术和助燃技术两者的有机结合 其特点是用于各种窑炉的节能与环保 富氧燃烧的技术主要是研制适合工业炉窑实用的燃烧器 富氧燃烧技术的具体技术特点如下 可以提高燃烧区的火焰温度 改变了燃料与助燃气体的接触方式 降低了燃料的燃点温度 可明显缩短火焰根部的黑区 增大有效传热面积 可以加快燃烧速度 改善燃料的燃烧条件 使得燃烧在窑内充分完成 减少了在蓄热室内的残余燃烧 因而能充分地利用燃料 富氧燃烧使燃烧所需空气量减少 废气带走的热量下降 以含氧量27 的富氧空气与含氧21 的普通空气燃烧比较 在空气过剩系数m 1时的排气体积减小20 富氧燃烧可以增加热量利用率 用含氧量2l 的空气燃烧 加热温度为1300 时 其可利用的热量为42 而用氧26 的富氧空气燃烧时 可利用热量为56 增加14 而且随加热温度升高 所增加比例增大 节能效果更明显 合理的富氧供给方式提高了传热效率 2 7工业窑炉节能技术 炉体保温炉体采用轻质的耐火材料 可以降低炉墙的容积比热容 减小墙体的蓄热损失 在炉墙内壁设置反射系统 减少炉墙吸收的辐射热 从而减小墙体的散热与蓄热损失 使用耐火纤维等绝热材料降低炉墙的当量导热系数 减少炉体导热所至散热损失 实现炉墙与受热物之间辐射与吸收的良好匹配 耐火纤维的导热系数小 可使炉体散热损失减少50 左右 而且热容量小 因此炉温的升降快 炉体的热损失小 炉体使用耐火纤维不仅节能 而且可以提高窑炉的作业率 即提高窑炉的产量 对于使用温度为1000 以下的窑炉 如热处理炉 可以在窑炉内壁贴一层耐火纤维 也可以全部用耐火纤维作炉衬 如果炉子全部用耐火纤维作炉衬 炉体重量显著减轻 则炉体钢架等结构都可以轻型化 窑炉设计将有很大变化 对于高温窑炉 还可以把耐火纤维贴在炉壁外层当作绝热材料使用 另外 窑炉内壁涂刷辐射率 黑度 大的涂料或黑体材料 可以强化炉内的辐射传热 有助于热能的充分利用 其节能效果依据黑体技术的不同可达3 25 2 7工业窑炉节能技术 余热回收与利用余热是工业窑炉回收利用潜力最大的一部分热损失 在能源耗费中占相当大的比重 据统计 目前中国的工业余热占总工业能源耗费的15 实践证明 在中 高温炉窑中 热损失的绝大部分都由烟气所带走 主要指烟气的显热损失 潜热损失和化学热损失是少量的 而少量的热能则由炉体 燃烧系统等通过辐射 气体泄漏 物理热 的方式给损失掉 有资料表明 当烟气排烟温度为1000 1300 时 烟气余热将占窑炉总能耗的50 70 一般情况下 工业窑炉烟气带走的热量占燃料总供热量的30 70 因此 将烟气余热回收利用 降低排烟温度是实现炉窑节能的一项有力措施和重要途径 通常烟气余热利用途径有 1 装设预热器 利用烟气预热助燃空气和燃料 2 装设余热锅炉 产生热水或蒸汽 以供生产或生活用 3 利用烟气作为低温炉的热源或用来预热冷的工件或炉料 回收烟气余热的最有效和应用最广的是换热器 我国近年来开发和推广应用的高效换热器有片状换热器 各种喷流换热器 各种插入件管式换热器 旋流管式换热器 麻花管式换热器 以及各种组合式换热器和煤气管状换热器和蓄热式换热器等 蓄热式换热器是今后技术发展趋势 其余热利用后的废气排放温度在200 以下 节能效益可达30 以上 2 7工业窑炉节能技术 热处理炉节能技术热处理炉节能可以通过下列的一种或几种途径来实现 采用合适的炉型 改进炉子结构 合理控制燃料燃烧过程 废热 余热的利用和采用节能热处理工艺及管理措施等 炉型的选择从节能方面考虑 需要考虑炉子的热效率 热量损失 燃料消耗等指标 周期作业比连续作业的热处理炉效率低 对于箱式 井式 输送带式和震底式炉连续运转时进行对比 在箱式 井式 输送带式和震底式四种电炉中 井式和震底式炉具有较高的热效率 其中 井式炉的热效率高是因为密封性好 散热面积小 而震底式炉效率较高则是由于没有夹具 料盘等的加热损失 所以 从节能角度考虑 应尽可能选用震底炉和井式炉 不同外形对加热炉的能耗也有影响 对于不同外形的加热炉 主要是通过外壁面向周围环境进行热量交换的 因而外壁的表面积越大 散热面和散热损失就越大 考虑到影响散热的因素 散热面面积仅是一个因素 另外一个重要因素为外壁面温度 因此 只有尽可能地减少外壁面面积 降低外壁面温度才能达到明显的节能效果 从形状考虑 在相同条件下 同容积的圆柱形炉体较方型炉体节能 圆形炉对节能最为有利 所以 在可能的条件下应尽量利用圆形炉的这个特点 为节能创造更为有利的条件 2 7工业窑炉节能技术 1 热处理火焰炉的节能技术 P56 61 高温炉膛的炉温在900 以上 熔炼炉及加热炉均属此类型 炉膛内的传热方式以辐射为主 中温炉膛其炉温介于600 900 之间 绝大部分热处理炉均属此类型 传热方式主要依靠热辐射与对流换热 其特点是火焰不与加热工件接触 同时要求炉内气氛能循环 保持炉温均匀 低温炉膛的炉温不超过600 所有干燥炉及部分低温热处理炉属此类型 热量传递方式以对流换热为主 低温炉膛的结构特点是燃烧室置于炉膛外侧 燃烧室内生成的烟气掺入炉膛循环废气或冷空气经混合后供入炉膛内烘干物料 炉膛内的气流循环有两种方式 自循环与强制循环 自然循环主要借助于燃烧道与炉膛之间的温差引导出几何力 将热风喷入炉膛内进行循环 强制循环主要采用引风机将炉膛内循环废气抽出 并与燃烧烟气混合后喷入炉膛内 大部分干燥炉和炉温低于600 的热处理炉均采用强制循环这种方式 2 7工业窑炉节能技术 热处理火焰炉的主要节能途径 1 采用集中生产方式 减少热损失 减少辅件及运输装置的热损失 热处理炉体设计时应尽量考虑减少料盘 输送带等辅件和运输装置不随炉内处理的零件同时加热 减少炉体热损失 炉衬的热损失包括炉衬的散热损失和炉衬的蓄热损失 为了尽可能减少炉衬的热损失 对于热处理炉设计时应注意炉衬具有良好的隔热性能 炉壁外表面温度不超过规定值 在满足机械强度要求的前提下 炉衬材料的体积密度要尽量小 在满足隔热性能条件下 炉衬厚度要尽可能薄 同时炉膛尺寸和炉体外形尺寸应尽量紧凑 缩小散热面积以减少散热损失 2 改进燃烧与控制