冬季采暖用燃煤鍋爐的運行經濟性分析

陳曦

摘要： 根據(jù)我國國情，北方地區(qū)的冬季采暖仍然以燃煤為主.針對前段時期興起的以煤粉爐替代層燃爐作為冬季供暖鍋爐有利于節(jié)能和環(huán)保的說法，以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，從設備基建投資、能源綜合利用率、運行經濟性等方面對煤粉爐和層燃爐進行了分析比較，結果表明，無論從燃料的選擇范圍、運行經濟性、維修保養(yǎng)還是從供熱負荷適應性和運行安全性角度來說，就應用于冬季采暖的鍋爐而言，層燃爐仍優(yōu)于煤粉爐.

關鍵詞： 燃煤鍋爐； 冬季供暖； 運行； 經濟性分析

中圖分類號： TK 223文獻標志碼： A

Abstract： According to the situation of our country， it was still the priority of using coal for winter heating in north China. Based on the earlier idea that it was helpful to energy saving and environmental protection by replacing gratefired boiler with pulverizedcoal boiler for winter heating， the comparisons were made by taking 58 MW coalfired hot water boiler as an example， in terms of equipment and basic construction investment， comprehensive energy utilization degree， economy of running， and so on. It was found that the grate fired boiler was superior to pulverizedcoal boiler for winter heating in the respect of fuel selection， economy of running， maintenance， heating load adaptability and running safety.

Keywords： coalfired boiler； winter heating； running； economic analysis

我國淮河以北處于寒溫帶，冬季嚴寒，人們通過燃燒化石燃料獲取其蘊含的熱能.而化石燃料燃燒必定會產生溫室氣體（CO2）和粉塵排放，即使是燃用氣態(tài)或液態(tài)燃料也會產生這兩種物質，對環(huán)境造成負面影響.從以更好的經濟性、更有利于環(huán)境保護的前提出發(fā)，采用何種方法取暖才有利于提高能源利用率、減少溫室氣體和降低粉塵排放、改善生活環(huán)境，這是個值得探討的問題.

隨著經濟發(fā)展，現(xiàn)在普遍采用區(qū)域式供暖.即在較大的居民小區(qū)（100萬m2及以上）中建設一個容量較大的供暖點，配置1～2臺燃煤熱水鍋爐，向周邊居民和商用、辦公場地供熱.層燃式燃煤鍋爐（簡稱層燃爐）的熱效率在80%左右，還伴有一定的粉塵排放，因此，近來又提出采用煤粉爐替代層燃爐作為供暖鍋爐，這樣可以提高鍋爐效率約10%.

但是能源利用率是一個綜合性指標，包括燃料的前期、中期、燃后處理.煤粉爐要將煤粉碎，并磨成很細的煤粉，才能送入爐內實現(xiàn)良好的燃燒，燃燒后需要將煙氣中更細小的粉塵分離出來，這些過程都要耗費電能.本文認為，煤粉爐能源利用率的提高，是以消耗更多電能為代價的，其表現(xiàn)在：需要將含有堅硬灰渣的煤塊磨制成很細的煤粉以及將灰渣從煙氣中分離出來的除塵設備，因此，煤粉爐的實際能耗可能比層燃爐更高[1].本文將從多方面分析煤粉爐和層燃爐的特性.

1工作原理

雖然煤粉爐和層燃爐都以煤炭作為燃料，但是兩者的工作原理不同.由于煤已磨成很細的顆粒，其燃燒采用室燃，煤粉在爐膛內作懸浮燃燒，并且需要在爐膛內停留一定時間（一般設定為2～3 s）.因此，煤粉爐有一個較大的用于煤粉燃燒的空間，通常稱作爐膛.煤粉通過風力較高的送粉機送入爐膛后，被爐內的高溫引燃、燃燒直至燃盡.所以，煤粉爐一般較高，目的就是確保煤粉在爐內有足夠的停留時間，使煤粉充分燃燒，釋放出全部化學能.

層燃爐使用的塊煤基本上是原煤，顆粒較大，質量也較大，風力無法將其托在空中燃燒，因此需要有一個火床，使煤塊在火床上燃燒.雖然煤粉燃燒仍然需要一個空間，使其釋放熱量并完成與工質的熱交換，但需要的燃燒空間相對較小，因為煤塊在完全燃燒、燃盡時始終停留在火床上.只有非常細小的煤粉會隨著高溫煙氣飄走.因此，相同容量的煤粉爐要比層燃爐高許多.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，根據(jù)文獻[2-3]提供的計算方法得出的煤粉爐和層燃爐爐膛參數(shù)如表1所示，其中，爐膛高度指鍋筒中心線的標高.

一般來講，煤粉爐以追求鍋爐的熱效率為主要目的，而層燃爐是以在達到較高熱效率的基礎上盡可能地簡化鍋爐配套設備和降低基建投資為目的.因此，對于大型發(fā)電鍋爐多采用煤粉爐，以追求更高的能源利用率.而層燃爐則多用于工礦企業(yè)生產所需的工業(yè)鍋爐和冬季采暖.

2鍋爐設備配置

煤粉爐需要一套煤粉制備系統(tǒng)[4]，將煤塊磨制成煤粉并將其分離，即煤粉爐需配備磨煤機，煤粉粗、細粉分離器，煤粉倉，煤粉輸送管道，送粉機等.當煤粉進入爐膛后，為了確保煤粉懸浮燃燒，還需配置一次、二次風機，以組織煤粉在爐內良好燃燒的空氣動力場.在粗、細粉分離器分離煤粉的同時，空氣中還會攜帶一些極為細小的煤粉，通常稱作乏氣.為了充分利用這些可燃物，有的煤粉爐還裝有三次風機，將乏氣送入爐膛燃燒.這些設備的投入不僅增加了基建投資，還增加了使用過程中的運行維護費用.

而層燃爐使用的塊煤由輸煤系統(tǒng)送入煤倉，通過溜煤管輸送到爐排，由傳動裝置送入爐膛進行燃燒.這些設備都較簡單，一般采用鑄鐵件制造，耐磨性能好，而且造價低，使用方便，維修簡單.

3經濟性分析

3.1基本建設投資分析

由于相同容量的煤粉爐要比層燃爐高些，鍋爐高度增加，鍋爐房也相應抬高，鍋爐房墻面的抗風載荷增加，承載鍋爐重量基礎加深，其鍋爐房造價按高度以幾何級數(shù)遞增.顯然，煤粉爐的基建投資遠高于層燃爐.

煤粉爐除煤粉制備設備外，還需要輸送設備，因此煤粉爐需要配備制粉系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)，而層燃爐只需助燃用的鼓風機.因此煤粉爐增加了場地需求，其全部建設投資規(guī)模及費用遠高于層燃爐.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，層燃爐的全部建設投資約為1 000萬元，而煤粉爐的高達1 500萬元.

3.2燃料選用和前期處理費用

在燃料方面，小型取暖用的煤粉爐與發(fā)電用的煤粉爐不同，它要求燃用煤種的單位質量的含灰量（質量分數(shù)）在10%以下，這是為了簡化尾部煙氣含灰量的處理，降低煙氣后期處理成本.因此，取暖用煤粉爐需要選用優(yōu)質的Ⅲ類煙煤，其燃料選擇面小且價格高.而層燃爐由于燃用原煤，只要燃料低位發(fā)熱值在16 000 kJ·kg-1以上即可，對燃料的含灰量也無特殊要求.因為燃料燃燒是在爐排面上進行，大量灰渣將落入設置在爐膛后部的渣坑，其燃料選擇面大而且價格更低.

我國煤蘊藏量雖大，但大多是發(fā)熱值低于18 000 kJ·kg-1的Ⅱ類煙煤，Ⅲ類煙煤的蘊藏量并不多.長期以來，經過對劣質煤的燃料特性研究以及煙氣對流熱傳導與輻射傳熱相結合的層燃技術研究，已經成功地解決了劣質煤的燃燒問題，我國層燃爐的燃燒技術已十分成熟[5].

表2為沈陽某供熱站58 MW煤粉爐和層燃爐的運行數(shù)據(jù)，其中層燃爐選自Ⅱ類標準煙煤，煤粉爐選自陜西Ⅲ類煙煤.由表2可知，除鍋爐效率外，無論是燃料品位、價格還是粉塵排放量，煤粉爐都不占優(yōu)勢.

3.3供暖鍋爐運行特點及運行費用分析

在整個采暖期內，每月、每日供熱量都不相同.由于熱水鍋爐負荷隨著供熱量的大小而采取間斷運行，有時需滿負荷運行，有時又處于熱備用狀態(tài).對于層燃爐，當鍋爐處于熱備用狀態(tài)（俗稱

壓火）時，鼓風機、引風機調至最小檔，煤的強烈燃燒已經削弱，但爐內溫度不會很快降低，燃料層、爐墻和受熱面之間仍會繼續(xù)進行熱量交換使鍋水發(fā)生汽化現(xiàn)象，尤其在輻射受熱面部分.當供熱量大時，鼓風機、引風機啟動，加大風量后，燃料很快就會恢復強烈燃燒，爐膛溫度迅速上升，鍋爐在1～2 h內即可達到滿負荷，從而使鍋爐滿足供熱負荷頻繁變換的運行狀態(tài).

煤粉爐在啟動時需投油助燃，加熱爐膛溫度達到700 ℃以上，使煤粉可以穩(wěn)定燃燒時才能撤出.在供暖初期及后期，由于取暖量不大，鍋爐熱備用的時間較長，當爐膛溫度低于700 ℃，不能引燃煤粉時，應該投油助燃.因此，煤粉爐還必須配備一套燃油裝置.而層燃爐就不一樣，鍋爐啟動時只需木柴或沾上油的棉紗即可.

此外，熱水鍋爐必須解決的現(xiàn)實問題是熱水鍋爐必須考慮諸如突然停電、負荷頻繁變化等一系列運行安全性問題[6].

3.3.1燃料價格比較

雖說現(xiàn)在有專業(yè)制粉廠供應煤粉，但其所需制粉設備的投資費用及運輸費用已經攤派在售價中.另外，運輸需要槽罐車，槽罐內和煤粉都要保持一定的干度，與原煤運輸相比，煤粉運輸?shù)馁M用高很多，并且還需要注意在制粉、運輸、卸車時的安全性.本文中58 MW燃煤熱水鍋爐安裝在沈陽，使用陜煤（Ⅲ類煙煤），由專業(yè)制粉廠提供細度為R200的煤粉，其售價（含運輸費）約為1 150元.而層燃爐使用Ⅱ類煙煤，售價（含運輸費）約400元.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，根據(jù)鍋爐燃燒效率、燃料消耗量以及我國2014年動力煤供應價格，列出了沈陽某供熱站使用的煤粉爐和層燃爐的燃料費用，如表3所示.

從表3中可以看出，盡管層燃爐的用煤量大于煤粉爐，但由于煤的品位低，在同樣供熱量下層燃爐的燃料消耗費用遠低于煤粉爐.

3.3.2耗電量分析

在對鍋爐運行采取強制通風過程中，煤粉爐與層燃爐相比，其采用的鼓風機、引風機功率雖有增大，但基本上在同一量級.兩者的除塵器的電機功率也很接近.

煤粉爐和層燃爐的差別是：煤粉爐的磨煤機功率為250 kW；而層燃爐在燃煤進給時，齒輪變速箱的傳動功率僅為2×4 kW.顯然，煤粉爐在耗電量上遠大于層燃爐.

〖BT3〗3.3.3燃料（飛灰）后期處理費用

煤粉燃燒后產生的灰粒中有90%（質量分數(shù)）會隨煙氣流動，在鍋爐尾部將對這些粉塵進行處理.對層燃爐采用常規(guī)的方法已經達不到預期除塵效果，需要采用更加嚴格的方法進行除塵處理，其除塵費用也會更高.煤粉爐和層燃爐煙塵排放量計算如表4所示[7].

式中：Aar為燃料中的含灰量（收到基）；B為每小時燃料消耗量；df為粉塵排放量； η為除塵器除塵效率；Vy為煙氣排放量.

從表4中可以看出，盡管煤粉爐中選擇了低灰分燃料，但由于煙氣中飛灰濃度較大，煙氣中攜帶灰分的質量分數(shù)達到90%，其煙塵的原始排放濃度仍遠高于層燃爐.而層燃爐中由于大量灰渣進入尾部的渣坑，被煙氣帶走的細小灰量較小，故排放濃度較低.

3.4停爐保養(yǎng)

在完成一個采暖期的采暖后，鍋爐停爐，等待下一個采暖期再采暖.其間，需要對鍋爐進行維修保養(yǎng).由于煤粉爐需要維修保養(yǎng)的設備較多，不僅需對水側進行保養(yǎng)，制粉系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等均需進行保養(yǎng).而層燃爐的保養(yǎng)就簡單得多，僅需對水側進行保養(yǎng).

從燃料的前期處理、運行過程中的投入、煙塵的后期處理以及停爐保養(yǎng)等方面，煤粉爐的使用成本均高于層燃爐.

4結論

盡管煤粉爐的熱效率很高，但它也存在粉塵排放問題.

采用煤粉爐供暖，其實際能耗可能會更高.用煤粉爐取代層燃爐，不僅增加了基建投資費用、人員培訓費用、維修保養(yǎng)費用，提高了運行成本，而且無益于環(huán)境的改善.因此，不推薦將煤粉爐作為冬季取暖用的熱水鍋爐.

參考文獻：

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[2]古爾維奇·庫茨涅佐夫.鍋爐機組熱力計算標準方法[M].馬毓義，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1976：28.

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[4]林宗虎，張永照.鍋爐手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989：182-198.

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[6]袁偉明.燃煤熱水鍋爐運行安全性探討[J].能源研究與信息，2014，30（2）：84-87.

[7]王世昌.電廠煤耗節(jié)能計算——鍋爐損失對凝汽式燃煤電廠供電煤耗的影響[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：28-52.