中小型燃煤鍋爐改燃天然氣的可行性分析

中小型燃煤鍋爐改燃天然氣的可行性分析

中國的能源主要是煤炭，這意味著中國的能源效率降低，二氧化碳和其他有害氣體的排放量很大。因此，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔高效的能源效率，尤其是天然氣的消費比例，對提高中國的可持續(xù)發(fā)展非常重要，已納入中國能源發(fā)展計劃。我國有大量的中小型燃煤鍋爐面臨著節(jié)能減排的壓力,特別是在一些人口集中或者重要旅游景點的燃煤鍋爐必須進行改造。本文將對中小型燃煤鍋爐的燃氣改造進行探討,包括改造項目的可行性、關鍵技術(shù)和確定改造方案的一些原則,并結(jié)合工程實踐介紹立式鍋爐、臥式火管及水火管燃煤鍋爐和D型水管鍋爐的燃氣改造方案。1改燃天然氣后,煙氣中的水溶液均以氧標準溶劑為主,不以發(fā)揮載氧體的節(jié)能效果好中小型燃煤鍋爐大部分是煤粉爐和層燃型燃煤鍋爐。其中煤粉爐燃燒時的各項損失原來就比較小,改燃天然氣后,因煙氣中水蒸氣含量較高排煙熱損失,雖然二氧化碳等有害氣體的排放量可以大大減少,但是節(jié)能效果不顯著。將燃氣改造應用于中小型層燃型燃煤鍋爐,節(jié)能減排的效果更好,因此本文主要討論層燃型燃煤鍋爐的燃氣改造。1.1對鍋爐熱力的影響燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的特性有很大的差異,燃煤鍋爐改造成燃氣鍋爐后,爐內(nèi)火焰輻射傳熱、受熱面的的積灰和污染比、過量空氣系數(shù)和煙氣量等都會有一些變化,鍋爐的過熱蒸汽溫度也會有變化。一般層燃型燃煤鍋爐改燃氣后,受熱面的污染和積灰明顯減輕,傳熱條件改善;排煙中過剩空氣系數(shù)和排煙溫度都有所降低,不完全燃燒損失比較小,因此鍋爐熱效率能提高10%～15%以上,出力可增加30%～50%。如果燃燒器選擇恰當,鍋爐的鼓、引風機一般不需要更換(如果采用引射式燃燒器,也可以不用鼓風機)。1燃氣時煙氣總輻射能力采用層燃方式燃煤時,爐膛內(nèi)有一個高溫燃燒著的燃料層形成強烈的輻射面,同時爐內(nèi)煙氣中的飛灰也形成固體輻射,有利于爐內(nèi)輻射傳熱。燃氣時,煙氣中雖然沒有固體輻射,但煙氣中三原子氣體水蒸氣含量比燃煙煤時約高1倍,輻射能力比燃煤時強,總輻射能力比燃煤更強,而且燃氣時輻射受熱面的積灰和污染大大減輕,傳熱效率大大提高,通常受熱面的熱有效系數(shù)可以提高20%。所以層燃型燃煤鍋爐改燃氣后,爐膛出口煙氣溫度變化不大或略有升高。如果在爐內(nèi)能夠安裝二次輻射裝置,那么爐膛出口煙溫還可能比燃煤時低。2低功率低碳燃氣劑的用量當層燃煙煤和無煙煤的鍋爐改燒燃料油,特別是天然氣、石油伴生氣,液化石油氣或焦爐煤氣時,由于燃燒時過?？諝庀禂?shù)相差很多,而總的理論空氣量和理論煙氣量又近似相等,因此實際煙氣量和空氣量相差很多,一般燃煤比燃氣時多15%～60%。如果改燒氣體后鍋爐的出力不變,則煙氣流速將明顯降低,鍋爐的鼓風機和引風機也將有15%～60%的富裕量。也就是說,如果加大燃氣量,適當?shù)靥岣叱隽?在煙氣阻力、鼓風機和引風機的能力方面不會有什么問題。3中小型鍋爐汽溫的變化層燃型燃煤鍋爐改燃氣后煙氣量減小,流過熱器的煙速降低過熱蒸汽的溫度可能略有降低,但一些容量較大的鍋爐不設半輻射過熱器,過熱蒸汽溫度就可能略有升高。中小型鍋爐的燃氣改造,影響爐膛出口煙溫的因素很多,例如:爐膛原來的型式以及改裝用的燃燒器性能及其布置方式等,但改裝后汽溫的變化不會很大,特別是大部分中小型鍋爐對過熱蒸汽的溫度要求并不高,這些變化不會影響其使用。由于中小型鍋爐汽溫較低,過熱器材料安全裕量較大,即使過熱蒸汽溫度有所升高,對過熱器的安全運行也不會有太大影響。1.2燃氣改造的方案中小型層燃型燃煤鍋爐的結(jié)構(gòu)是按照燃煤要求進行設計的,改成燃氣鍋爐當然要根據(jù)燃氣的特點進行改造。為了改造后的鍋爐可以穩(wěn)定運行,并得到更高的燃燒效率,就必須適當提高煙速,或者在爐墻上加設水冷壁,或者加大爐膛尺寸,或者充分利用煙氣中水蒸氣的氣化潛熱和利用二次輻射裝置提高爐內(nèi)的輻射熱傳。11增大彈簧孔對于有除灰層(雙層布置)的鍋爐改燃氣時,可以把爐膛向下加大,增加水冷壁和尾部受熱面以提高出力。2燃煤鍋爐水冷壁燃煤鍋爐一般爐膛容積都比較大。改燃氣后增大燃氣量,在燃燒上不會有困難。同時可以利用燃煤時比較大的爐膛容積,適當增加爐內(nèi)的輻射受熱面。例如,一些燃煤鍋爐根據(jù)燃燒要求爐墻上沒有敷設水冷壁,改造成燃氣鍋爐可加敷設水冷壁;還可裝設雙面曝光的水冷壁及屏式受熱面,在不增大鍋爐的體積的前提下提高鍋爐的出力。3煙速的適當提高改燒天燃氣后,對流受熱面煙速不受飛灰磨損條件限制,因而可適當提高煙速。例如,可以加多煙程、增設煙流擋板等,提高對流受熱面的傳熱系數(shù),在不增加鍋爐受熱面的情況下,使鍋爐出力明顯增加。4提高煤氣的氣化潛熱燃氣燃燒后煙氣中水蒸氣的含量,要比燃煙煤時要多1倍左右,比無煙煤多3倍左右,充分利用這一部分水蒸氣的氣化潛熱是提高燃氣利用率的有效措施。在有熱水供應負荷的地方,增設用煙氣直接接觸加熱水的省煤器,可以使鍋爐的熱效率提高到90%～96%(按煤氣的高熱值計算)。為了提高熱水溫度,可以把這種省煤器與表面式省煤器或加熱器聯(lián)合使用。當煤氣中含硫較高時,應對接觸加熱后的水品質(zhì)進行仔細分析,確認無害后方可采用。5采用二次輻射裝置來增強輻射熱傳采用層燃方式的燃煤鍋爐,有一個燃燒著的燃料層,在爐內(nèi)形成強烈的輻射,但是鍋爐燃氣時火焰輻射能力較低,為此可以采取適當措施增強爐內(nèi)的輻射熱傳。對中小型鍋爐而言,目前比較有效的辦法是采用輻射式燃燒器和在爐內(nèi)設置二次輻射裝置。在輻射式燃燒器和二次輻射裝置的傳熱過程中,高溫煙氣以對流和輻射的方式(主要是對流的方式)把熱量傳給輻射面,使輻射面溫度很快升高到800～1300℃;高溫輻射面再以輻射的方式把熱量傳給爐內(nèi)受熱面。1.3熱力及阻力為了使改造后的燃氣鍋爐能夠在較佳的狀態(tài)下運行,改造前應對改造項目進行必要的熱力和阻力計算,并對改造后所需要的燃氣量輻射和對流受熱面的吸熱比例、對流受熱面的煙氣流速等進行熱力計算。一些和鍋筒、集箱連接的受熱面的改造還需要對機械強度進行核算。改造方案還要根據(jù)項目的具體情況確定。1燃煤、運煤和除灰的安裝要求我國現(xiàn)有鍋爐設計方案,應根據(jù)改如果燃煤鍋爐在安裝使用之前就決定改為燃氣鍋爐,那么鍋爐的結(jié)構(gòu)和布置允許根據(jù)燃氣的特點做比較大的修改,特別對那些散裝出廠的鍋爐,項目不需要安裝燃煤、運煤和除灰設備;一些中小型鍋爐的改造項目,為了簡化鍋爐房的結(jié)構(gòu)和方便操作,可以采用單層布置,取消原燃煤的除灰層,層燃鍋爐的前后拱管束在安裝時應改為垂直管束。未布置水冷壁的爐墻可加設水冷壁。燃煤時煙道部分的落灰斗、吹灰器等設備在燃氣時可不裝。2低負荷時鍋爐出力對于已在使用的燃煤鍋爐改燃氣時,一般應拆除原有的燃燒設備,如給煤機、爐排等,但原鍋爐的鼓(引)風機應盡量利用。在鍋爐出力有較大提高而原配鼓(引)風機的容量不夠時,首先應考慮提高風機轉(zhuǎn)速,以節(jié)省改裝費用。這時燃燒器的容量,應考慮到改燃氣后,鍋爐出力可以明顯提高的普遍情況,一般可按鼓(引)風機的能力反算燃氣量,燃燒器的空氣阻力,不應超過鼓風機所能提供的壓頭。如果鍋爐原有的前后拱管束無法改為垂直管,那么至少應去掉拱管束上的掛磚,增加吸熱量。3煤的實際應用當燃氣供應不可靠,需要考慮鍋爐留有重新燃煤的余地時,新建鍋爐應盡量按燃煤的要求布置和安裝;已經(jīng)在用的鍋爐,也應盡量保留原燃煤設施,選擇適當?shù)姆绞綕M足燃氣的要求。2氣體燃燒、燃氣鍋爐的改造目前大量在運的中小層燃型燃煤鍋爐,主要有立式鍋爐、臥式火管及水火管燃煤鍋爐、D型水管鍋爐和雙鍋筒縱置式O型鍋爐幾種,它們的結(jié)構(gòu)特點不同改造的方案也不同。除了立式鍋爐,其他幾種鍋爐的改造要拆除煤斗,保留鏈條爐排,只在鏈條爐排上鋪設二層耐火磚,燃后用耐火水泥將磚縫壓實,構(gòu)成燃油燃氣鍋爐的干爐底。防焦箱用耐火磚和耐火水泥包覆。改造一定要結(jié)合燃油燃氣熱力及煙風阻力的科學計算,決定燃油、燃氣鍋爐的出力以及送(引)風機的能力,并根據(jù)煙風道的阻力大小來確定燃燒機。用于改造的氣體燃燒器可以是鼓風式全自動控制燃燒機、簡易的多級引射式燃燒機或者分體式燃燒機。選擇鼓風式全自動控制燃燒機,如果引風機的能力足以克服煙風道的阻力,一般可以拆除送風機。采用簡易的多級引射式燃燒機,應配備含有高溫點火、火焰監(jiān)測、熄火保護等的控制裝置。選用分體式(實際上是不含送風機的燃燒頭)燃燒機,送風機可以留用并向兩側(cè)面燃燒機送風,不過原有的送風機有較大余量,因此必須核準送風量。燃煤鍋爐改成燃氣鍋爐后,應把流管束內(nèi)的煙灰、鍋爐爐膛內(nèi)水管表面的煤灰清除干凈;還要把水側(cè)的水垢清洗干凈,提高鍋爐受熱面的傳熱能力。正壓和負壓燃燒的燃油燃氣鍋爐應特別注意和外界的密封。2.1除灰室鍋爐單爐排(C)LSG和(C)LSS是一種立式水管固定單爐排鍋爐,采用負壓燃燒。這種鍋爐有一個高度不大的圓筒形爐膛,爐膛容積比較小,對流受熱面為橫水管,沒有改造的余地,不過爐排下有一個用耐火水泥砌筑的除灰室,可以安裝燃燒器。根據(jù)燃燒器的安裝方法不同,(C)LSG單爐排鍋爐可以有三種改造方案,見圖1。1鍋爐自適應大尺寸變化采用多級噴射式火焰可調(diào)式引射燃燒器,同時可配備含有高能點火、火焰監(jiān)測、熄火保護的控制裝置。改造拆除固定式鑄鐵爐排及其爐排支撐構(gòu)件:當火焰尺寸較小時,燃燒器可水平布置,見圖1(a);當火焰尺寸較大時燃燒器和水平面成一小角度,見圖1(b)。采用水平布置,將除灰室添至一定高度,并放置兩層耐火磚,上方的一層耐火磚可比鍋爐水冷面的低100mm,以利于火焰擴展,保持火焰中心和爐拱合理距離以形成回焰燃燒,充分利用爐拱的折焰和二次輻射作用。爐門用耐火磚封閉。采用斜向布置,除灰室要求加砌耐火磚襯,并于C處適當布置一些耐火磚碎塊,充分利用爐拱的火焰反射作用,以強化爐內(nèi)傳熱;下爐門C的對面開設燃燒器門。2熱火焰檢測與爐稈熱控制如果燃氣的氣源壓力在中壓以上,可以采用無焰輻射式燃燒器,見圖1(c);同時配備含有高溫點火、火焰監(jiān)測、熄火保護的控制裝置。采用這種燃燒器,火焰和爐烘的距離基本不受影響;爐膛熱強度比較高。改造后爐門A和B用耐火磚封閉;除灰口C可以敞開,亦可進行二次風的調(diào)節(jié)。2.2煤鍋爐的改造WNL、DZG和DZL型鍋爐等臥式火管及水管—火管組合型鍋爐一般為快裝式,容量1.0～4.0t/h,額定蒸汽壓力一般為0.7MPa或者1.25MPa。爐膛內(nèi)由鍋筒(上面)和水管組成水冷壁(兩側(cè)),前后墻沒有水冷壁;鍋爐的對流受熱面是裝在鍋筒內(nèi)的兩回程煙管;尾部還可加設省煤器或空氣預熱器;配有鼓風機和引風機。這些鍋爐通常采用手燒固定爐排或鏈條爐排,也有裝設振動爐排的。其中DZL鍋爐是一種臥式水、火管燃煤鍋爐,目前應用得最多,因此本文重點介紹此種鍋爐的改造。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點將這種鍋爐改為外燃式燃氣鍋爐,可以減少改造的工作量,圖2是鍋爐改造方案的示意圖。改造工作是拆除煤斗和螺旋除渣機。1)如果鍋爐爐膛空間較大,可以不拆除鏈條爐排,只在鏈條爐排上鋪設二層耐火磚,燃后用耐火水泥將磚縫壓實。2)如果鍋爐爐膛空間較小,火焰直徑較大,應拆除鏈條爐排,并將風室下移一定尺寸或連風室一起拆除。將灰室用耐火磚砌筑,在底座和鍋爐的支架之間建立密封嚴實的耐火干爐底。原來的檢查門可改作防爆門或留做檢查門。燃燒器口開在鍋爐的前墻上,前拱可以保留,向下延至爐底,外端面用16mm以上鋼板作為掮板并作為耐火磚和保溫材料的基礎板,安裝時用以固定燃燒機。3)如果鍋爐的長度比火焰長度長,可以在鍋爐的爐膛內(nèi)設置二次反射拱,用以提高燃油燃氣鍋爐的輻射強度,圖2中反射拱應上接鍋筒,下連干爐底。DZL型鍋爐爐膛比較小,鍋爐鍋筒的下部受火焰灼燒后,容易結(jié)垢形成鼓包,新型臥式DZL型水/火管快裝燃煤鍋爐鍋筒的下部采用耐火磚包覆,減少鍋爐爐膛的輻射受熱面,因此鍋爐管束占據(jù)了一定的爐膛空間,爐膛的空間凈寬度較小,因此燃燒器不可能布置在側(cè)墻上,燃燒器接口一般應布置在鍋爐的前墻上。為了增大鍋爐爐膛的容積,鍋爐原有的后拱應該拆除,但是前拱可以保留并向下延至爐底。前拱外端面用16mm以上的鋼板作為護板并作為耐火磚和保溫材料的基礎板,也有利于燃燒器安裝時用以固定燃燒器。2.3d型燃煤鍋爐改造為燃油燃氣鍋爐D型鍋爐的爐膛四壁一般均勻布置水冷壁管,其中一側(cè)水冷壁管直接引入上鍋筒,形成爐頂,猶如“D”字。在對流煙道中設置煙氣隔板,可以組織煙氣流對管束進行二回程橫向沖刷。煙氣隔板一般采用垂直布置。D型鍋爐一般都具有燃氣鍋爐的結(jié)構(gòu)特征,因此將D型燃煤鍋爐改造成燃油燃氣鍋爐的方案比較簡單。為了減少改造工作量,SZL“D”型燃煤鍋爐改為燃氣后成為SZS“D”型。D型鍋爐改造成燃氣鍋爐,改造措施除了與上述改造項目相近處理外,還要根據(jù)本身的特點進行一些不同的改造。例如:為了增大爐膛的容積,可以將后拱管和兩上下集箱的連接處割斷,再將管接頭用堵板封住,上面用耐火磚和耐火水泥密封嚴實,而附在后拱管上的耐火材料可以全部打掉。在鍋爐的后墻增設檢查門,根據(jù)現(xiàn)場實際情況需要亦可將檢查門一同改做防爆門。燃燒機的安裝接口處的水管應換成帶預留燃燒機口的彎管。根據(jù)情況和鍋爐容量,布置一臺到兩臺燃燒機,以保證足夠的熱功率。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,可以增加原燃煤鍋爐的出力,充分發(fā)揮送引風機的工作潛力,此時應相應地對汽水分離等設備進行擴容。2.4燃盡室和爐稈的改造雙鍋筒縱置式O型鍋爐爐膛在前,對流管束在后。在正面看,居中的縱置雙鍋筒間的對流管束,恰呈O字形狀。當燃燒設備采用鏈條爐排時,按國家標準規(guī)定,應稱為SZL型。雙鍋筒縱置式O型鍋爐的爐膛兩側(cè)布置有水冷壁,一般上鍋筒為長鍋筒,貫穿整個鍋爐長度,水冷壁上端直接接入上鍋筒,呈“人”字型聯(lián)接;水冷壁下端分別接有下集箱,借下降管構(gòu)成水的循環(huán)流動。上鍋筒采用了長鍋筒結(jié)構(gòu),在爐膛和對流管束之間的煙道中,設置了燃盡室;這是一個基本上不布置受熱面的煙道空間,目的是為爐膛出來的煙氣創(chuàng)造了一定溫度的停留時間和較大的空間環(huán)境,使煙氣中的可燃物得以繼續(xù)燃盡,降低不完全燃燒損失?！癘”型SZL燃煤鍋爐的爐膛為立置式,而爐膛出口又處在鍋爐的上部,燃燒器的布置比較靈活可以布置在前墻;也可以布置在兩側(cè)墻。采用前墻布置時,火焰呈L型,爐內(nèi)的火焰充滿度比較差,但操作檢修方便,管線和風道容易布置合理。前墻布置時,后拱管應該拆除,以保證鍋爐爐膛有一定的火焰伸展長度。燃盡室的后墻水冷壁管應向下延伸至爐排面,下面連接一下集箱以形成獨立的水循環(huán)回路,亦可將燃盡室的后墻水冷壁管和切斷的后拱管的下集箱連接。這樣就可將燃盡室下移和原來的爐膛形成一個大爐膛,增加了沿火焰長度方向上的爐膛長度。當前墻采用兩個燃燒機上下布置時,可以得到較好的爐膛充滿度。改造模式基本保留爐膛和燃盡室的獨立性,保留后拱管及其包覆的耐火材料。這種改造方式隨稍加復雜,但符合燃燒天然氣的火焰特征。為了減少改造的工作量,可以把SZL“O”型燃煤