适用于中国燃煤工业锅炉的先进技术

1适用于中国燃煤工业锅炉的先进技术谭美健毛健雄中美《清洁空气和清洁能源》合作项目中国工业锅炉专家组成员摘要：文章阐述了中国工业锅炉的特点及近20年来在中国工业锅炉产品中所使用的本国研发或引进国外的主要先进结构和技术。这些技术已经成功地使用或正在进行工业性运行。1背景煤是中国的主要能源。煤占中国一次能源消费结构的70%以上。随着中国经济的发展，如油和天然气等高质量的能源不断增加而煤的消费将有所下降。然而，据估计中国到2005年、2010年和2030年煤的消耗也将分别占能源的64%、60%和50%。所以，煤在中国一次能源结构中的支配地位将会在今后许多年里保持不变。在中国的75%的工业燃料，76%的电力，80%的地方和商业能源及60%的化工原料都从煤获得。工业锅炉，燃煤电站和工业炉窑是中国三个煤消耗的主要行业，也是中国的主要污染源。目前，中国共拥有50.4万台，126万蒸吨工业锅炉。这些锅炉中，燃煤的占85%，年消耗原煤400万吨，占中国煤年产量的1/3。工业锅炉的平均实际热效率只有约60%。每年排放烟尘、SO2和CO2分别为600万吨，630万吨和超过750万吨。所以燃煤工业锅炉的热效率和污染排放对中国的节能、环境保护和可持续发展的影响事关重要。2中国燃煤工业锅炉的状况2.1中国工业锅炉的特点(1)锅炉的平均蒸发量小。到目前，中国工业锅炉的出力＜6t/h的占总容量的60%，＜35t/h低于总容量的10%。(2)热效率低。在中国已使用的燃煤工业锅炉多数是在29世纪80年代以燃用原煤为基础的老设计。许多锅炉厂只是无改进地复制其他锅炉厂的产品。所以锅炉的实际效率低，多数锅炉的实际热效率在55%—60%。(3)污染排放严重。由于锅炉设计落后和燃用原煤，不仅使锅炉效率低，而且污染排放高。目前在中国，多数的工业锅炉使用的是机械式或水膜除尘器，除尘效率低，几乎没有脱硫和脱氮设备，因此燃煤工业锅炉的污染排放高。例如在中国从工业锅炉排放的SO2超过全国总排放量的49%。22.2中国燃煤工业锅炉低效、高排放的原因链条炉排是中国工业锅炉燃烧设备的主要方式，下面列出了1998年统计的中国工业锅炉不同燃烧方式的锅炉热功率的百分比：表1中国工业锅炉不同燃烧方式的锅炉热功率的百分比：燃烧设备型式固定炉排链条炉排往复炉排鼓泡流化床循环流化床废热锅炉油/气锅炉其他占锅炉热功率的百分比，%2.4557.876.921.21.313.5412.2114.7在链条炉排上的煤的完全燃烧和有效燃烧过程的好坏取决于以下条件：煤粒的快速着火、好的及均匀的配风和密封、不结焦和不漏煤。这些条件不仅取决于炉排的设计和结构，而且同煤的质量好坏有密切关系。所以解决的办法应从两个方面着手，即先进的锅炉结构工艺，特别是先进的燃烧设备和技术，还有就是高质量的煤。众所周知，对于移动式炉排（包括；链条炉排）的煤燃烧系统对煤的质量是有要求的，包括煤的热值、灰含量、粒度分布和膨胀性能等。但长期以来，中国用于工业锅炉的煤是原煤。这些煤没有均匀的粒度分级，更不经洗选，因此灰分含量平均超过26%，估计一般达到30%。粒径＜3mm的细煤末的可达60%；而粒径＞10mm的颗粒煤只有15%—30%，此外还有一些很大的煤块需经人工破碎，从而增加更多的细煤末。大量的细煤末同制造质量差的炉排结构一起，增加了未燃的煤从炉排间隙漏入风室；同时，大量的细煤末也导致在锅炉炉膛出口处飞灰中高的含碳量。还有工业锅炉用煤由于不经筛选，其结焦性能即煤受热后膨胀黏结的性能不符要求，从而会在炉排面上形成大片的、粘性的焦渣，阻碍了燃烧空气进入煤层，而使煤不能有效地燃烧。另外，原煤的粒度变化无常，引起风室中空气流的不稳定，配风不均匀，使部分火床空气过剩，而另一部分火床缺少燃烧所需的空气，使得这部分火床的煤在到达炉排后部前不能完全燃烧。为了能更有效地燃用原煤，中国的工程师们使用了大于发达国家一倍的炉排面积和长后拱、分层燃烧以及其他方法，使燃烧效率可以在一定程度上提高，但通常的工业锅炉热效率是低的。特别是对占全国炉排锅炉90%以上的小于7MW/th(10t/h)的小容量的工业锅炉更是这样。相比之下，在发达国家，他们除选择先进的技术，工业锅炉用煤经过洗选，筛分和配煤，具有煤低膨胀特性、合理的粒度分级，从而一直保持高的效率和低的排放。中国工业锅炉如也能这样做，将会使锅炉的效率提高10%-20%以上，排放也将更低。为了改进工业锅炉，特别是链条炉排锅炉的燃煤质量，针对以上情况，国家有关部门制定了“GB/T18342—2001链条炉排锅炉用煤技术条件”的国家标准，该标准于2001-03-19发布，并于2001-10-01开始实施。该标准的主要内容如表2和表3所示：3表2链条炉排锅炉用Ⅰ级煤炭的技术要求和试验方法项目符号单位技术要求试验方法粒度---mm6~25GB/T189限下率---%＜30.00MT/T1全水分Mt%≤12.00GB/T211挥发分Vdaf%≥22.00GB/T212灰分Ad%≤25.00GB/T212低位发热值Qnet,arMj/kg≥21.00GB/T213全硫St,d%≤0.70GB/T214煤炭熔融性软化温度SToC1.≥12502.≥1150(Ad≤18.00时)GB/T219焦渣特性CRC---≤5GB/T212表3链条炉排锅炉用Ⅱ级煤炭的技术要求和试验方法项目符号单位技术要求试验方法粒度---mm1.＜50（＜6mm的不大于30%﹚2.＜30（＜3mm的不大于30%﹚GB/T189挥发分Vdaf%1.＞20.002.10.01~20.00(Qnet,ar＞17.7MJ/kg)3.6.50~10.00(Qnet,ar＞21.0MJ/kg)GB/T212灰分Ad%≤30.00GB/T212低位发热值Qnet,arMJ/kg1.＞21.702.＞20.00~21.703.16.50~20.00GB/T213全硫St,d%1.≤0.702.0.71~0.903.0.91~1.501)GB/T214煤炭熔融性软化温度SToC1.≥12502.≥1150（Ad≤18.00时）GB/T219焦渣特性CRC---≤5GB/T212注：各项目中所列的1、2、…仅表示本项目在技术要求上的差别，各项目中1、2、…并不需要一一对应。1）如有的煤炭产品达不到上限要求时，供需双方可协商解决。4表4典型的美国链条炉排锅炉用煤的技术要求项目技术要求（收到基）水分不超过8%硫分不超过0.7%灰分6-9%高位热值28MJ/kg-31MJ/kg,平均值至少为30MJ/kg灰熔点1482oC或更高挥发分35-45%固定碳45-55%膨胀指数不超过4颗粒度20mm×6mm（小于6mm的最多为8%）表4所示，为美国的典型链条炉排锅炉用煤的技术规范。比较表2，表3和表4，可以看出，中国新的链条炉排锅炉用煤技术标准要求和国际的先进水平相比，仍然有很大的差距。世界发达国家的工业锅炉用煤均经过洗选，筛分和配煤，对如表4所列的各项指标均有严格的要求，从而从煤炭本身即保证了高的燃烧性能和低的排放。根据中国的国情，要一步就达到西方工业发达国家的用煤标准是不现实的，因而，GB/T18342—2001的颁布和实行，对于改善中国工业锅炉用煤的质量，提高链条炉排锅炉的燃烧和排放性能应有很大的促进作用。现在的关键是如何改革煤炭供应体制，更新改造煤炭加工设备，严格按照GB/T18342—2001的标准执行，这方面还有大量的工作要做。3按中美《清洁空气和清洁能源合作》项目（CACETC）工作计划的要求，中国专家组对适合中国国情的先进工业锅炉技术进行了初步调研，现汇总如下3.1在GEF《高效工业锅炉》项目中引进的国外技术和使用的国内技术在全球环境基金会和世界银行的支持、帮助下，1997年中国开始执行GEF《高效工业锅炉》项目，该项目是通过对中国工业锅炉提供先进的设计、制造技术，为市场批量供应高效、清洁的锅炉产品和在全国范围内普及推广这些技术；以此带动工厂的市场营销、售后服务、科研机构的改革；并促进中国在能源效率、环保政策及信息交流方面的改进。该项目已于2002年12月完成。所包括的先进技术有以下几项：3.1.1通过引进国外先进的燃烧系统和辅机设备、控制装置对下列目前约占中国工业锅炉市60%的1~20T/H快组装锅炉进行改进。3.1.1.1SZL快、组装水管锅炉SZL快、组装水管锅炉是中国1~10T/H工业锅炉的主要炉型，而天山锅炉厂开发的SZL系列锅炉结构和性能更具特色。因此，90年代在中国已在40多家锅炉厂得到推广生产。为了进一步提高该型锅炉的燃烧效率，改进链条炉排结构，在GEF《高效工业锅炉》项目中，由新疆天山锅炉厂引进了德国BABCOCKCo.的燃烧技术，研制、开发出以中、外技术相结5合的新一代SZL快装水管锅炉系列。SZL快装水管锅炉的技术特点：l在炉膛出口处采用了由该厂与哈尔滨工业大学联合开发的旋风燃尽室结构，使飞灰中的碳在燃尽室中进一步燃尽，减少碳的不完全燃烧损失；并降低锅炉原始排尘浓度。l采用BABCOCK的炉排技术：分风室单独送风，在风室侧板上开有大小不等的均风孔，不但使沿炉排长度方向可按燃烧需要分段送风，而且使沿炉排宽度配风更加均匀。炉排采用后轴驱动，炉排上表面前推后拖的结构，避免炉排卡死、起拱或跑偏等现象。炉排的前部和侧板结构设计更能保证锅炉的密封。l采用自动螺旋除渣系统，保证了各风室除灰效果。l采用布煤车结构，使煤粒进入炉排时沿宽度均匀。中国市场情况：1~20T/H快组装水管锅炉从20世纪80年代以来在中国得以快速发展，蒸吨社会拥有量到90年代末已占到60%。随着结构的成熟，据1999年的中国工业锅炉市场调查，预计今后五年，该类型锅炉的年生产量将达到5.7万蒸吨。3.1.1.2DZL改进型水火管快装锅炉DZL型水火管快装锅炉是中国29世纪50年代自行开发的特色产品。由于它结构紧凑，制造简单，快装出厂，一直占据着中国工业锅炉市场的主要份额，直到目前还占有中国10T/H及以下容量燃煤锅炉的50%。为了改造原有DZL锅炉管板裂纹和烧锅筒的不安全结构，20世纪80年代，由北京之光锅炉研究所将翼形烟道、螺纹烟管、凸形管板及给水引射等多项国内专利用于该锅炉上，开发出多项性能较原型优越的新型DZL水火管锅炉。为了进一步提高该型锅炉的燃烧效率，降低排烟污染，在GEF项目中由营口锅炉厂引进了南非JOHNTHOMPSONAFRICACo.的炉排燃烧技术，并中非联合设计、由营口锅炉厂制造出新一代改进型DZL水火管锅炉。改进型DZL水火管锅炉的特点：l采用可强化传热，能降低管板应力和防止烟管积灰的中国螺纹烟管技术，使锅筒直径减小；对热水锅炉可取消尾部受热面使锅炉房的跨度明显减小。l采用由双面水冷壁遮盖锅筒底部及水泥隔层和翼形烟道等国内专利技术保护措施，消除了老式锅炉锅筒底部因受热鼓包和后管板受高温烟气冲刷产生裂纹的问题，并强化了传热。l采用拱形管板国内专利，提高了管板的柔性，取消了管板的支撑结构；降低了管板应力。l采用自身支撑方式，无须钢架，锅炉钢耗量下降。l采用给水引射管、大直径联箱及下降管，提高了水冷壁的流速和防止结垢，保证了锅炉水循环的安全。l对不同煤种，采用相应国内专利的优化炉拱，改善了煤的燃烧、燃尽；同时炉拱上方留有较大空间，使炉膛出口的烟气在此减速，有利于烟尘的沉降，可有效降低锅炉的原始排尘浓度。6l采用南非JOHNYHOMPSONCo.先进、成熟的轻型炉排技术，该炉排是用的是布风和冷却均匀的小炉排片；炉排侧密封使用炭化硅砖块，既可减轻结渣，又保护侧密封炉排片，经久耐用。炉排驱动使用价格合理的中国产电磁无级调速装置，调速范围大，且适合中国国情。l锅炉本体水管采用全焊模式壁，全新的国外炉墙和密封护板结构，大大提高了锅炉的气密性和传热效果。l锅炉控制采用JOHNYHOMPSONCo.的专利---简单的自控系统，它可进行自动、受动和远控三种方式运行的单钮燃烧控制装置。是一种适合中国国情的小型工业锅炉的简单、实用和安全的控制系统。l炉排可与炉前成型的型煤机相配，对燃用煤末多的