燃水煤浆热水锅炉的设计

工业锅炉2013年第5期(总第141期)文章编号:10048774(2013)05002004燃水煤浆热水锅炉的设计张方春,史向华,王丽(山东泰安山锅集团有限公司,山东泰安271038)摘要结合水煤浆燃料特性,指出其对锅炉结构的影响,并重点介绍了一台SHS141.25/115/70J型锅炉的设计要点及注意事项。关键词:水煤浆;燃料特性;设计思路;结焦中图分类号:TK29文献标识码:ADesign of Coal Water Mixture Fired Hot Water boiler第作者:张方春(1974-),高级工程ZHANG Fang-chun, SHI Xiang-hua, WANG Li师,1995年毕业于天Shangdong Tai'an Shankou Boiler Group Co. Ltd., Tai'an 271038, China)津理工学院热能工程系,长期从事锅炉Abstract: Combined with the characteristics of coal water mixture, points out its influence to the的设计开发工作。structure of boiler, mainly describes the key points needed to be paid attention to in designing of oneSHS14-1.25/115/70- J boilerKey words: coal water mixture; fuel characteristics design ideas; coking0前言1.2水煤浆与煤粉燃烧比较水煤浆是通过制浆技术,在制浆厂把精洗过的图1为煤粉与水煤浆燃烧的温差曲线。由图1固态煤燃料和清水(29%)一起在特制的研磨机中可知:各重量比的水煤浆释放水分的吸热过程在%)的添加剂搅拌均匀后转100-200℃,水分蒸发吸热高峰在150℃附近,且变成为可用泵输送的流态煤燃料。水煤浆锅炉炉前所含水分越高吸热量越大。含水重量比为10%和燃料系统设备和燃油锅炉十分相似,水煤浆可以像20%的水煤浆与煤粉的温差波动曲线悬殊不大,且重油一样用压缩空气或压力蒸汽进行雾化后燃烧在水分被蒸发后,由于水分对煤粉的吸附与蒸发,增易着火,燃烧稳定保留了煤粉的燃烧特性,但启动加了煤粉颗粒的孔隙率,利于挥发分的析出,促进时间比煤粉炉要短,负荷变动适应性强。CO的氧化,因此在开始燃烧放热初期,水煤浆的放1水煤浆的燃烧分析热量反而高于煤粉的放热量。当水的重量比达30%~40%时,其温差曲线比煤粉低,由此可以认为1.1水煤浆成分含水分重量份额超过30%的水煤浆将导致着火及水煤浆在制造过程中进行净化处理,可除去原燃烧困难。因而需要解决水煤浆初期多出的水分的料煤中灰分的50%-75%,黄铁矿(无机硫)的蒸发问题,即需要一部分热量将多出的水分蒸发。40%~90%,同时可回收原料煤发热量的90%这是水煤浆燃烧需解决的重点问题。水分较大,将98%。水煤浆和制作水煤浆的原料煤的成分和特性引起炉内燃烧温度下降、烟气量增加炉内吸热量减比较如表1。表1水煤浆和制造水煤浆的原料煤成分和特性比较升温率10℃/min项目原料煤(一种烟煤洗煤)水媒浆二1灰分10%硫分0.6%基线水分发热量/(kJ·kg2)3000027000中国煤化工—物理形态CNMHG%浆固态液态图1煤粉与水煤浆燃烧的温差曲线收稿日期:201302-18研究与开发燃水煤浆热水锅炉的设计少,对流受热面吸热量增加。同时,水分多时需要较2.1锅炉结构高的热空气温度,亦即需要布置更多的空气预热器该锅炉结构型式为SHS型,双锅筒横置式Ⅱ型受热面。布置。如图3所示。1.3水煤浆火焰分析对已投入运行的水煤浆锅炉燃烧火焰测量和观察,发现水煤浆火焰清晰,且亮度很强,水煤浆的燃烧火焰发射能力一般较低,摇曳闪烁较小,从火焰温度分布看,水煤浆总体温度比煤粉温度低约200℃温度最高点比煤粉燃烧提前了1~1.5m,后部衰减程度较快,这说明水煤浆火焰要比煤粉短,且有提前的趋势(如图2)。1—水煤浆喷口2—火焰2水煤浆锅炉设计图2水煤浆火焰情况SCT1—燃烧器2一炉膛3—锅筒4—一级空预器5—省煤器6—二级空预器图3锅炉简图2.1.1烟气流程为1.25MPa,介质平均温度只有92℃,该额定压力水煤浆燃烧生成的烟气从炉膛后部上方烟窗流下的饱和蒸汽温度可达194℃,具有102℃的欠焓,岀,经凝渣管后进入对流管束,在对流管束内部作上就是与锅炉出口温度比较也有79℃的欠焓,且能保下三次曲折,再从上部出口窗向后流至尾部烟道依证上升管内水的流速在0.6m/s以上(水动力计算次流过第一级空预器、省煤器和第二级空预器后排中已体现),可充分保证水动力的安全性,为减小循出锅炉。环水泵的能耗,将锅炉循环阻力控制在0.0926742.1.2水循环方式MPa。每个循环回路高位设有排汽阀,低位设有排该锅炉采用强制循环方式(水系统流程如图污阀。水循环回路通过以上优化设计,更能保证锅4),克服了自然循环锅炉炉内循环水量不足、管内炉的安全经济运行。流速低易结垢、易爆管的缺点。该锅炉的运行压力旁路系统回水煤器]一右上辑-位右侧水冷右下集辑H中国煤化工壁CNMH出水总闯一集汽罐锅筒对流管束上升[下锅简对流管束下一[上锅筒图4锅炉水系统流程工业锅炉2013年第5期(总第141期)2.1.3灰、渣排除系统二级空气预热器206.7m水煤浆经燃烧后生成的灰渣,主要通过下部排排烟温度173℃灰、排渣口排出。各排灰、渣口需接入冲灰沟,冲灰排烟热焓l1879.63kJ/kg沟内的灰渣可由水力出灰冲至灰坑。固体不完全燃烧热损失q42%2.2锅炉参数及设计计算气体不完全燃烧热损失q30.5%221锅炉主要性能热力计算参数排烟热损失q29.688%额定热功率14MW散热损失qs51.3%额定出口压力1.25MPa灰渣物理热损失q60.000%出水温度115℃锅炉总热损失∑q13.49%回水温度70℃锅炉热效率η86.51%设计燃料水煤浆(醯级)Qn。=17150kJ/kg锅炉有效利用热Q50400000kJ/h受热面积辐射/对流9.37m2302.8m2燃料消耗量B339697kg/h一级空气预热器206.7m2计算燃料消耗量Ba332903kg/h省煤器236m22.2.2热力计算汇总如表2。表2热力计算汇总名称炉膛防渣管对流管束级空预器省煤器二级空预器进口烟温℃10501008出口烟温℃1050376290242烟气流速/(m·s2)5.848.76/13.811.44对流放热系数/[W·(m2:℃)]62.38/36.3247.49辐射放热系数/[W·(m2·℃)"]42.12有效系数0.650.80传热系数[W·(m2·℃)]26.1325.1324.15烟气放热量/(kJ·kg)7026.7474.96471912.2705.0热力计算误差校核/(kJ·kg2)Qm/100-(Ql+Q+Q+Q。)(1-94100)=62.8比值△Q/Qnx100%=68.2/17150×100%=0.4%<0.5%2.2.3锅炉水动力计算如表3表3锅炉水动力计算名称口水温/℃出口水温/℃流速/(m·s")流动阻力/Pa重位压头Pa总阻力/Pa省煤器70.0073.740.67l860.5610065.512021.2进水管道73.7473.742.3123992.2992.2侧水冷壁73.7484.531.20533285891.380465.6联通管1.131660.1332331.2533991.38前后水冷壁0.81293885459.0管東下降94.621148321.10.00(抵消)8344.18管束上升0.66145.26141.37出水集箱114.00114.001.511894.091894.09出水闸阀114.00114.00162.350.00162.35锅炉总阻力△P1+AP2+AP3…+△P1o=92674Pa2.3锅炉设计要点到了22m3,炉膛出口高度设置在11m左右。2.3.1炉膛设计在进行炉膛设计时,首先要选择炉膛截面形状锅炉炉膛布置见图5。炉膛高度H为925m,和尺寸,其技术指标是炉膛截面热角荷炉膛长度控制在4m以上,布置有2m长的预燃室,中国煤化工宽约1.5m。预燃室前水平布置两台燃烧器,燃烧CNMHG(1)器高度h为1.55m,火焰最高温度点的相对高度,xF为炉膛横截面积,用燃烧器处的炉膛截面积=h/H=0.168;X~=x+Δx=0.2676,炉膛容积达热负荷,作为燃烧器区域水冷壁热负荷的指标。燃·研究与开发·燃水煤浆热水锅炉的设计烧器区域每米炉膛高度所具有的水冷壁面积是和炉固下来,就会粘结在炉膛出口处的受热面上,形成大膛横截面的周界长度成正比的,炉膛的截面热负荷块渣而使锅炉无法继续运行。qs越小,就表示在同样的燃烧释放热量(BQ灬m,),该锅炉的炉膛容积热负荷为:q,=478kW/m3炉膛截面积F越大,燃烧区域每米炉膛高度沿横截稍小于小容量煤粉锅炉的热负荷(一般小容量煤粉面周界所具有的辐射受热面越多,就越不容易在此锅炉的炉膛容积热负荷在580~755kW/m3),说明处结渣。其炉膛足够大,有利于燃料的燃尽2.3.3针对炉管结焦采用的控制技术(1)一改以前水煤浆锅炉炉膛加高卫燃带的惯例,去除了燃烧室水冷壁内壁的卫燃带,降低了炉壁的温度。同时,为改善水煤浆的燃烧,布置两级空预器,且把第一级空预器放在省煤器前部,使热空气温度可提高到230℃左右,可加快水煤浆中水分的蒸发,有效地改善了水煤浆的燃烧。(2)将炉壁管内介质设计为强制循环,介质流速可达1.1m/s左右,可以有效地降低管壁温度,使7之不会发生结焦。(3)为防止水煤浆燃烧后产生的灰尘大量带入对流受热面,我们将燃料二次风布置在喉口处收腰点的后墙上,以减缓未燃尽煤粒的上升速度,增加燃料在炉内停留时间,使燃料与二次风充分混合,并使1—测压管2—防爆门3一打焦门4一检查门5一燃料中固定碳在中温环境下燃尽,减轻烧结现象,并看火门6一拨火门7—炉膛吹灰器8—炉膛二次风管图5炉膛内部布置图使大量灰尘回落入炉膛底部。在炉膛宽度方向的底该锅炉燃烧器处的炉膛截面热负荷为1166部设有水冲式除渣设备,在燃尽室横向冲刷的两组kW/m2;苏联资料推荐的最大允许炉膛截面热负荷对流管束两侧分别设有落渣斗。单层布置燃烧器时,烟煤取1740kW/m2(煤粉锅2.3.4锅炉的出渣和除灰炉)。由此可见该锅炉完全能保证通风截面,维持①炉膛内的灰渣通过除渣设备从炉内排出。炉燃料的充分燃烧,也能保证沿横截面周界能布置有膛底部配有水冲除灰装置在燃尽室和对流管束底足够的辐射受热面。部配用四套落灰装置,炉膛出灰频次可根据锅炉负2.3.2炉膛容积热负荷荷和水煤浆特性而定。在炉膛内设置了十一个打焦如果锅炉所燃烧的燃料量不变,而缩小锅炉炉门,以便对炉膛内部进行监控和打焦。膛容积V时就会使每立方米的炉膛容积内每小时②本锅炉前、后管程各装有一台吹灰器,使用压燃烧燃料所释放的热量增多,这个指标称为“炉膛缩空气进行吹灰。落下的灰进入底部冲灰斜槽也容积热负荷”用q来表示:由水管将灰冲入烟灰沉降池。在主机出烟口处设有BO落灰放灰装置,用于烟道井的出灰。锅炉尾部配有ar, nee kW/m'(2)静电除尘装置,有利于环境保护。式中B——燃料消耗量,kg/h3结束语Q燃料低位发热量,kJkg某用户锅炉房安装了两台SHL14MW热水锅V1——炉膛容积,m3炉(配有换热机组),实际供暖面积23万m2,在从式(2)可以看出,炉膛容积的大小取决于所2011年和2012年只运行了一台锅炉,实际运行时选用q,值的高低,如果q,值过高,就会使炉膛容积间为125天和整个采暖期98%的用户室内V过小。炉膛容积越小,炉壁四周上布置的水冷壁温度在18-2中国煤化工运行数据(平面积H也就越小。炉内辐射受热面积H的大小将均值)为:锅炉CNMH为65℃;供影响炉内传热,炉内辐射受热面积不够时,燃烧产物水压力0.8MPa;锅炉流量480m3/h;换热机组供水温将得不到足够的冷却,灰渣不能从熔融状态完全凝(下转第63页)环保技术·基于流态重构的循环流化床锅炉多污染物协同控制技术排放在90~160mg/m3(标态),稍加喷氨时即可达国家GB132232011《火电厂大气污染物排放标到100mg/m3以下,实时监控显示为21.61mg/m23准》中锅炉尾部烟气SO,和NO,排放均小于100(标态),此时SNCR脱硝可达到75%以上。特别是mg/m3(标态)的要求。应用在炉膛旋风分离器入口处喷入NH3的SNCR参考文献脱硝技术可达效率要求净烟气NO,浓度小于100[1]杨石杨海瑞,吕俊复等基于流态重构的节能型循环mg/m3(标态)(干基,6%含氧量,以NO2计),还原流化床锅炉技术[冂].电力技术,2010,19(2)剂采用尿素,喷氨氨氮摩尔比(NSR)小于1.4,氨逃[2) Yang HR, Zhang H, Yang S,eta. Effect of Bed Pressure逸率:607mg/m3(标态)(体积百分比)以下,对锅Drop on Performance of a CFB Boiler, ENeRGY FUELS炉效率等的影响小于04%200923(6):2886-2890[3]杨建华,杨海瑞,岳光溪,循环流化床二次风射流穿透规根据实际运行及测试结果,基于流态重构超低律的试验研究[J].动力工程,2008,28(4):509-513排放循环流化床锅炉当燃料含硫量小于1%时,在采用了多污染物高效协同控制技术后,就可以达到》》》》》》》》》》》》》》)》》》》》》》》》》》D》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》}》》方》(上接第23页)台14MW水煤浆锅炉,如果一年运行2400小时度60℃;平均回水温度40℃;供水压力0.4MPa;将比烧油节约680余万元成本。围流量520m3/h;水煤浆燃料消耗量3600kg/h;排参考文献烟温度148℃;排烟处O2含量8.31%;排烟处H2「1]岑可法煤浆燃烧流动、传热和气化的理论与应用技术含量0.01%;排烟处CO含量0.01%;正反平衡平[M].杭州:浙江大学出版社,1997均热效率86.9%。[2]赵明泉.锅炉结构与设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大因此该水煤浆锅炉的热效率接近燃油锅炉,比学出版社,1987普通链条炉排锅炉高近十个百分点,在同等热值下3]李龙,薛建光.SZ5系列水煤浆锅炉的设计[冂].工业锅炉,2007(2)大大节约了燃煤消耗量。水煤浆锅炉的燃料耗量大约是燃油锅炉的2倍,但燃料价格只是轻油的1/5。》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》(上接第52页)盐水投入加热设备,直接进入除氧器,为热量利用创(4)电机功率小(4kW),耗电少,转速低,炉渣造条件。将1000℃左右高温物料冷却在100℃以与渣机内壁通道磨损少,渣机使用寿命延长,检修费下,使物料的热量有效回收,如果按平均排渣量用降低。2th计算,其每小时回收的热量达1887.83MJ,折(5)改造后排放的渣温低,有效保护输渣设备合热值20.93MJ/kg的原煤约90kgh,每天可节约(皮带)。原煤2.16t,每年节约原煤648t,折合人民币32.46)改为滚筒冷渣机后,减少一次风机和引风万元机的负担,减少动力能耗。(8)投入冷渣机改造后一年节约的费用为原气槽式冷渣机冷却风量为4018m3/h;3"炉62640元+324000元=386640元,而设备投资引风机正常运行引风量约为10000,故所占208000元,不到1年可以回收投资成本。的引风量比例为4018/100000=4%;正常运行时5结论次风风量为60000m3/h,渣机流化冷却风量为多年的运行情况说明,CFB锅炉使用气槽式冷4018m/h,所耗占的一次风风量比例为4018/渣器在运行中存在着很多问题,影响了锅炉的安全6000067%。改为滚筒冷渣机后每天节约的电稳定运行。采用滚筒冷渣机后既解决排渣困难的问耗费用:(250kW×0.8×4%+250kW×0.8题,又提高了锅炉运行的安全性能。星湖热电厂此6.7%-4kW)×24h×0.5元/kWh=208.8元,项改造很好中国煤化工了良好的经济年以10个月运行计,年节约费用为20.8×30×10效益值得同CNMHG=62640元。参考资料(7)使用除盐水为渣机冷却水(工业冷却水备[1]卢啸风大型循环流化床锅炉设备与运行[M]北京:中用)除盐水换热后水温可达到70℃左右,相当除电力出版社,2006