工业锅(窑)炉节能原理与技术-教学版

第八讲：工业锅（窑）炉的节能理论与技术能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering1工业锅炉锅炉：是将燃料的化学热转变成热能，又将热能传递给水，生产一定温度和压力的蒸汽或热水的设备。工业锅炉：为工矿企业提供蒸汽或热水以满足生产工艺、动力以及采暖等需要的锅炉。一、工业锅（窑）炉的概念与特点概念典型小型燃气工业锅炉的内部结构示意图典型大型工业锅炉内部结构示意图工业锅炉裸炉结构图能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering按燃烧设备：手烧炉、链条炉排、振动炉排、往复式推动炉排、配有抛煤机的燃烧方式、沸腾炉和煤粉炉。按本体结构：火管锅炉（包括烟管锅炉）、水管锅炉、快装锅炉、热水锅炉、废热锅炉等。工业锅炉的种类能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering工业炉窑：将燃料燃烧产生的热量或将电能转化为热能，对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、烧结、裂解和蒸馏等的热工设备。炉窑组成：工业炉窑主要由炉衬、炉架、供热装置（如燃烧装置、电加热元件）、预热器、炉前管道、排烟系统、炉用机械等部分组成。通常将熔炼和加热金属的装置常常称为炉，而熔化和加热非金属的装置往往称为窑或窑炉。2工业炉窑典型加热炉的外部结构图典型加热炉的内部结构图能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering按工作温度：高温窑炉、中温窑炉和低温窑炉。按燃用燃料：煤窑、油窑、天然气窑炉、煤气窑炉、电窑等。按工艺特征：金属冶炼炉、热处理炉、加热炉、蒸馏炉、水泥窑、玻璃窑、陶瓷窑、石灰窑、玻纤窑等。按结构特征：隧道窑、台车窑、室式窑、网带炉、推板窑、推杆窑、井式炉、环形炉、立窑、辊道窑、梭式窑、钟罩炉、池炉、坩埚炉等。按炉内气份：真空窑炉、氢气窑炉、氮气窑炉、氢氮混合气体窑炉等。工业炉窑的种类3锅炉与窑炉的主要差别项目指标工业锅炉工业炉窑加热对象水、蒸汽金属或非金属制品炉膛内衬水冷管耐火隔热材料（有节能空间）炉墙外壁温＜50℃＞50℃（有节能空间）炉内温度控制要求不甚严格有严格要求排烟温度≈120℃＞200℃（有较大节能空间）产品出炉（窑）热损失无较大（有余热利用空间）最终产品热水或蒸汽加热或熔炼后的金属或非金属制品能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering工业锅炉占我国煤炭消耗的26.03%。工业锅炉耗能概况1能源消耗量大燃煤工业锅炉占工业锅炉总量的80%以上，燃油气锅炉占15%，电加热锅炉占1%左右，其余的是以沼气、黑液、生物质等为燃料的锅炉。全国目前约有50余万台燃煤工业锅炉，约180万蒸吨/小时。以层燃工业锅炉（链条锅炉占总量60%以上）为主，量大面广。耗煤量约占全国年耗煤总量的1/3。二、工业锅（窑）炉能耗现状能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering工业炉窑：约占整个企业耗能量的10-70%；电子工业炉窑：约占电子行业耗能量的30%；陶瓷玻璃炉窑：约占行业总耗能量50-80%。水泥窑：约占建材行业耗能量的57%，占全国能源消耗总量的5%。工业窑炉耗能概况能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering工业锅炉当前工业锅炉平均运行效率约60%～65%，比国外先进水平低15～20%。工业窑炉工业窑炉能源利用率低，平均热效率≤30%。冲天炉平均热效率≤42%，工业电炉的热效率≤30%；水泥窑平均能耗比国外先进水平低20%以上，钢铁工业能耗比国外先进水平低50%以上。效率低、与先进水平差距较大能耗现状2炉窑本体平均热利用效率较低能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering•单台锅炉容量小，设备陈旧老化•平均负荷低，“大马拉小车”现象突出•自动控制水平低，燃烧设备和辅机质量不高•……工业锅炉工业窑炉•技术水平低，装备陈旧落后•规模小、能耗高•运行管理水平低，缺乏污染控制措施•……能耗现状3配套设施及辅助设备能效水平低能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering（1）锅炉效率各类工业燃煤锅炉平均热效率各类工业燃油（气）锅炉平均热效率20t/h及以下工业燃煤锅炉加权平均热效率为68.72%20t/h及以下工业燃油(气)锅炉加权平均热效率为82.61%量大面广＋燃烧效率不达标节能潜力巨大1.工业锅炉三、工业锅（窑）炉的能效与节能原理２工业锅炉及炉窑能源转换利用的特点工业锅炉燃料(qr)空气水蒸汽、水（q1)烟气(q2,q3)灰渣（q4,q6)q5工业炉（窑）燃料(qr)空气物料烟气（q2,q3)产品(q6)灰渣（q4,q6)q5(1)锅炉及炉窑本体节能原理工业锅炉的能量平衡原理示意图工业炉窑的能量平衡原理示意图工业锅炉燃料(qr)空气水蒸汽、水（q1)烟气(q2,q3)灰渣（q4,q6)q5对于工业锅炉：工业锅炉本体节能的原理与思路当Qr一定时，欲提高锅炉的热效率提高Q1的份额。要提高Q1的份额减少Q2～Q6的份额。Q2↓：降低排烟温度。Q3↓：提高可燃气体成分的燃烧效率。Q4↓：提高固定碳的燃烧效率。Q5↓：减少炉体的散热损失。Q6↓：减少离开炉膛的灰渣或物料带走的热损失。工业炉窑本体节能的原理与思路工业炉（窑）燃料(qr)空气物料烟气（q2,q3)产品(q6)灰渣（q4,q6)q5Q2↓：降低排烟温度。Q3↓：提高可燃气体成分的燃烧效率。Q4↓：提高固定碳的燃烧效率。Q5↓：减少炉体的散热损失。Q6↓：减少离开炉膛的灰渣或物料带走的热损失。与工业锅炉不同，工业炉窑不产生热水或蒸汽（Q1），只加热物料或工件，因此，为降低能量损耗，应特别注意降低Q2、Q6、Q5。燃料燃烧环节：降低Q3、Q4把握工业锅炉及炉窑本体节能的三个环节炉内传热环节：提高传热效率，降低Q5燃烧优化技术燃烧器改造余热利用环节：降低烟温，回收余热，降低Q2降低传热阻力增大传热面积加强炉墙保温减少炉膛漏风优化燃烧配风烟气余热回收能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能潜力燃料机械未完全燃烧损失影响因素：燃料性质、燃烧方式、燃烧设备的结构与布置、炉膛温度、过剩空气系数、配风方式等。燃料化学不完全燃烧损失q3:指未完全燃烧的可燃气体（co，h2,ch4）随烟气排放到大气所造成的热损失，固体燃料较小，气体燃料可能较大。燃料燃烧环节：降低Q3、Q4燃烧优化技术燃烧器改造燃烧环节能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能潜力不同炉渣含碳量对层燃炉热效率影响传热环节炉内传热环节：提高传热效率，降低Q5降低传热阻力增大传热面积加强炉墙保温……….能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering设备内的灰渣、水垢、污垢没有及时清理，没有及时排污，增加热阻，降低传热系数，降低了设备的传热效率。强化传热节能潜力能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能潜力降低散热损失q5:由于炉墙、金属结构、锅炉范围内的汽水管道、烟风管道等的温度高于周围环境温度所造成的。一般锅炉越大，散热损失越小。加强保温余热利用环节余热利用环节：降低烟温，回收余热，降低Q2减少炉膛漏风优化燃烧配风烟气余热回收……….排烟温度每增加10-20度，热损失增加1%!能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能潜力炉窑排烟温度过高。排烟过剩空气系数过大。锅炉受热面设计不合理。锅炉超负荷运行。锅炉运行维护不当。影响排烟损失的原因能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能潜力排烟温度及过剩空气系数对排烟损失的影响(2)锅炉及炉窑辅助设备节能思路主要辅助设备送风机引风机给水泵选用高效产品优化容量匹配采用变频调节设备节能改造能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering（1）燃烧设备及系统改造锅炉更新：采用循环流化床、煤粉锅炉替代低效老旧锅炉。炉型改造：用燃气改造燃煤炉；用CFB、PCB改造链条炉。受热面调整：加拱或调整水冷壁、省煤器、空气预热器等。燃烧设备改造：改用先进的高效燃烧器及相关燃烧设备；链条炉双层燃烧改造等。燃料制备系统改造：使燃料颗粒度更均匀。1工业锅炉四、锅（窑）炉节能措施及技术能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering增设工质压力、温度、流量检测仪表：对热工参数及工质流量进行准确检测与计量。增设炉膛负压检测仪表：检测炉内负压。增设烟气氧量检测仪表：控制过剩空气系数。增设燃烧自动控制系统：优化空气/燃料比，精确控制炉膛负压，减少漏风量。（2）仪表及控制系统改造（3）炉膛结构改造与受热面调整炉膛空气动力场改造：如增设炉拱；加高炉膛。炉膛密封性改造：降低炉膛漏风量。炉膛保温系统改造：降低炉墙的散热损失。受热面调整：增减水冷壁、过热器、省煤器或空气预热器面积。能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering水质净化处理：强化入炉水的净化处理，提高水质，防止水垢。锅炉定期吹扫：定期洗炉和清扫烟道，扫除受热面上的水垢和烟灰。锅炉定期排污：运行时注意定期排污。节能措施（4）受热面洁净化处理（5）烟气余热回收利用增加省煤器面积：提高入炉水温，降低排烟温度。增设空气预热器：提高燃烧空气温度，改善燃烧，降低排烟温度。（6）运行优化与管理炉内流场优化：通过冷态空气动力场试验及设备改造优化炉内空气动力场。空燃比优化：通过热态调整试验，优化确定不同工况及燃料特性下的最佳空燃比。炉膛负压控制：使漏风量最小，且使送引风机电耗最小。炉排速度优化：使灰渣含碳量最小。炉排燃料层厚度优化：通风阻力均匀，阻力较小，使灰渣含碳量最小。炉排长度方向配风优化：着火稳定，灰渣含碳量最小。燃料颗粒尺寸优化：炉排通风阻力均匀，防止气流短路。能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering水泵、送引风机节能改造节能措施（7）辅机系统与设备节能改用高效的水泵、送风引机。水泵、送引风叶轮改造。水泵、送风引机变频改造。加热器改造。送水管道优化改造。送引风管道优化改造。能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能措施2工业炉窑（１）工业炉窑与工业锅炉的主要差别窑炉出口的产品是温度较高的金属或非金属制品。窑炉出口的烟气通常具有较高的温度。窑炉炉膛内壁无水冷管壁，因而散热损失通常较大。能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能措施（２）工业炉窑节能的思路与技术措施工业锅炉中燃烧环节及辅助设备的节能措施与技术通常适用于工业炉窑。能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering节能措施重点关注以下几方面的节能措施及技术：高温预热空气燃烧技术富氧燃烧技术高效烧咀技术基于空气预热器、省煤器及余热锅炉的烟气余热回收技术高温物料余热回收技术新型高效隔热保温材料技术工件与物料加热工艺优化、改进与革新能源与动力工程学院SchoolofEnergyandPowerEngineering高温空气燃烧高温空气燃烧，包含两项基本技术措施：一是采用蓄热装置回收燃烧产物显热预热助燃空气，获得800~1000℃，甚至更高的高温空气；二是利用燃烧烟气回流等措施降低燃烧区的含氧体积浓度，获得浓度为1.5%~2%的低氧气氛。蓄热式高温空气燃烧技术原理图节能新技术能源与动力工程学院Sc