基于鍋爐熱效率反平衡法分析飛灰碳含量對(duì)燃煤鍋爐熱效率的影響

王 炯

(中材節(jié)能股份有限公司,天津 300499)

0 引言

鍋爐作為燃煤電站的三大主機(jī)之一,其性能指標(biāo)對(duì)燃煤機(jī)組至關(guān)重要,尤其是鍋爐的熱效率已成為評(píng)價(jià)鍋爐設(shè)備完善程度及運(yùn)行管理水平的重要參數(shù),是一項(xiàng)重要的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),直接影響電廠的熱經(jīng)濟(jì)性[1]。近年來(lái),由于煤炭資源緊缺,煤炭?jī)r(jià)格上漲,大部分燃煤電站采取鍋爐在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)摻燒一定比例的經(jīng)濟(jì)煤種,以減少高價(jià)格的設(shè)計(jì)煤種消耗,這導(dǎo)致鍋爐飛灰含碳量比燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)升高,因此降低鍋爐飛灰含碳量為主要研究方向,提高鍋爐熱效率已成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。李士祥[2]研究了300 MW煤粉爐摻燒一定比例的高硫低揮發(fā)分煤的飛灰含碳量,得出摻燒高硫低揮發(fā)分煤后飛灰含碳量明顯升高。劉為展等[3]分析了210 MW煤粉爐摻燒低揮發(fā)分煤的飛灰含碳量,得出可通過(guò)調(diào)整增減風(fēng)量和煤粉順序有效降低飛灰含碳量。王孝先等[4]對(duì)300 MW“W”型火焰鍋爐摻燒一定比例的越南煤和澳洲煤的灰渣含碳量進(jìn)行分析,結(jié)果表明,可通過(guò)優(yōu)化摻燒方式、配煤及鍋爐配風(fēng)等方式達(dá)到降低灰渣含碳量的目的。劉彥鵬等[5]研究了300 MW循環(huán)流化床鍋爐摻燒煤泥的灰渣含碳量,得出摻燒煤泥量的多少對(duì)飛灰含碳量沒(méi)有明顯影響,而大幅增加入爐煤泥量時(shí)灰渣含碳量會(huì)顯著增加。李沙等[6]對(duì)600 MW煤粉爐配備摻燒澳洲煤的飛灰含碳量進(jìn)行分析,得出摻燒澳煤后,由于澳煤著火與燃盡性偏差,使得飛灰含碳量明顯增加。上述文獻(xiàn)研究均得出,摻燒一定比例的經(jīng)濟(jì)煤種會(huì)使飛灰含碳量顯著增加,但未給出飛灰含碳量與鍋爐熱效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

在工程計(jì)算中,鍋爐熱效率的求解可采用正平衡法、反平衡法兩種。在進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)及電站方案設(shè)計(jì)時(shí),基本上是不可能通過(guò)正平衡法計(jì)算出鍋爐的熱效率的。需要通過(guò)反平衡法來(lái)求鍋爐的熱效率,大多通過(guò)取經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定鍋爐的熱效率進(jìn)行設(shè)計(jì),采用反平衡法得出的鍋爐熱效率與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和采用估算方法存在較大差異。為了能更準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì),避免求解的差異過(guò)大,有必要研究鍋爐熱效率的計(jì)算表達(dá)式。本研究以反平衡法為基礎(chǔ),通過(guò)合理的簡(jiǎn)化假設(shè),分析鍋爐各項(xiàng)熱損失,通過(guò)推導(dǎo)求得鍋爐熱效率與飛灰含碳量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

1 理論分析

在電站鍋爐中,主要的熱損失有排煙熱損失q2、氣體不完全燃燒熱損失q3、固體不完全燃燒熱損失q4、鍋爐散熱損失q5、灰渣物理熱損失q6[7]。研究表明,影響排煙熱損失q2的主要因素有排煙量、排煙溫度及過(guò)量空氣系數(shù)[8];對(duì)于燃煤鍋爐,氣體不完全燃燒熱損失q3可以忽略不計(jì)[9];固體不完全燃燒熱損失q4主要是由于未燃盡碳粒引起的[7];鍋爐散熱損失q5與鍋爐的散熱面積、鍋爐表面溫度及環(huán)境溫差有關(guān)[7],文獻(xiàn)[9]給出鍋爐散熱損失q5與蒸發(fā)量的關(guān)系;對(duì)于燃煤鍋爐固體排渣,只有當(dāng)煤粉灰含量達(dá)到一定量時(shí),才需考慮灰渣物理熱損失q6。因此通過(guò)合理的簡(jiǎn)化假設(shè),研究飛灰中未完全燃燒碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鍋爐的熱效率是可行的。

排煙熱損失q2是由于鍋爐排煙溫度高于環(huán)境溫度,其焓值也高于周圍環(huán)境的空氣焓值,形成了排煙熱損失[7]。此項(xiàng)熱損失是鍋爐最大的、最重要的一項(xiàng)熱損失。排煙溫度和排煙量是影響排煙熱損失q2的兩個(gè)最主要因素。排煙熱損失q2隨排煙溫度的升高和排煙量的增大而增大,一般排煙溫度提高10 ℃～15 ℃,q2約增加1%[7]。減少鍋爐排煙熱損失則可降低排煙溫度、減少煙氣量,但過(guò)低的排煙溫度會(huì)引起鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕,需增加尾部受熱面面積,使金屬耗量和煙氣流動(dòng)阻力增加。合理降低排煙溫度受低溫酸露點(diǎn)的限制,研究表明,燃用高硫分煤的小型鍋爐,其排煙溫度較高,一般為180 ℃～229 ℃,而大、中型鍋爐的排煙溫度通常為110 ℃～180 ℃[9]。排煙量受燃料組成成分和性質(zhì)、鍋爐形式、燃燒方式等影響,減少排煙量會(huì)引起燃料不完全燃燒,熱損失增大。研究表明,排煙熱損失q2與燃料中的水分和爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)、煙道各處的漏風(fēng)系數(shù)有關(guān),其計(jì)算公式為[10]:

(1)

式中,αpy為排煙過(guò)量空氣系數(shù);tpy、tk為排煙溫度、環(huán)境溫度,℃;q4為固體不完全燃燒熱損失,%。

褐煤、煙煤及無(wú)煙煤的m和n值[9],如表1。

表1 m和n值

氣體不完全燃燒損失q3是指由于一部分CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w未完全燃燒隨煙氣離開(kāi)鍋爐產(chǎn)生的損失[7]。q3受燃料的揮發(fā)分、爐膛過(guò)量空氣系數(shù)α、爐膛溫度水平和爐內(nèi)氣流的混合情況等的影響。研究表明,氣體不完全燃燒熱損失q3與過(guò)量空氣系數(shù)α、煙氣中CO含量呈線性關(guān)系[9],q3計(jì)算公式為:

q3=3.2α×CO%

(2)

通常在實(shí)際工程中,氣體不完全燃燒熱損失q3很小。根據(jù)研究結(jié)果可采取推薦數(shù)值:煤粉爐q3=0,氣體或液體燃料爐q3=0.5%、層燃爐q3=0.5%～1.0%[7]。本研究是煤粉爐,則q3取0。

固體不完全燃燒熱損失q4是指入爐燃料中有一部分碳粒等固體燃料沒(méi)完全燃燒或未燃盡就被排出爐外而引起的熱量損失[7]。通常由以下幾部分組成:爐渣中含有未燃盡的碳造成的爐渣損失;層燃爐中部分燃料經(jīng)由爐灰斗排走,室燃爐無(wú)此項(xiàng);飛灰中含有未燃盡的碳粒隨煙氣排出爐膛造成的飛灰損失[9],其計(jì)算公式為:

(3)

式中,mlz、mfh、mlm分別為單位時(shí)間內(nèi)爐渣、飛灰和漏煤量,kg/s;clz、cfh、clm分別為爐渣、飛灰和漏煤量中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Qr為每kg燃料帶入鍋爐的熱量,kJ/kg。

一般褐煤的cfh為0.5%～2.5%,煙煤的cfh為4%～9%,貧煤的cfh為10%～20%,無(wú)煙煤的cfh可達(dá)20%以上[7]。

爐渣、飛灰和漏煤量計(jì)算公式:

(4)

式中,alz、afh、alm分別為煤灰在爐渣、飛灰和漏煤中分布的質(zhì)量分?jǐn)?shù),alz+afh+alm=1。

手燒爐和鏈條爐的afh為0.15～0.25,拋煤機(jī)爐的afh為0.25～0.40,振動(dòng)爐的afh為0.15～0.30,流化床爐的afh為0.6～0.70,煤粉爐的afh為0.9～0.95[7]。由此可見(jiàn),對(duì)于煤粉爐的固體不完全燃燒熱損失q4,有相當(dāng)大一部分是由于飛灰中含未燃盡的碳損失造成的。

鍋爐散熱損失q5是由于鍋爐的爐墻、鍋筒、集箱、管道等部件的溫度高于周圍環(huán)境溫度而產(chǎn)生的[7]。實(shí)際中,由于某些參數(shù)測(cè)量較繁雜且不準(zhǔn)確,鍋爐散熱損失q5很難通過(guò)計(jì)算得到精確值,目前常采用按照鍋爐的額定容量選取經(jīng)驗(yàn)值的方法。一般額定蒸發(fā)量小的鍋爐,q5較大;反之q5較小[7]。

通過(guò)以上鍋爐熱損失的理論分析可知,煤粉爐的鍋爐效率與過(guò)量空氣系數(shù)、飛灰中碳的質(zhì)量含量關(guān)系密切。

2 模型建立

模型假設(shè):①燃煤鍋爐在額定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行,無(wú)異常特殊工況發(fā)生。②對(duì)于煤粉爐,氣體不完全燃燒熱損失q3為0。③對(duì)于煤粉爐,由于大部分采用的是室燃爐,alm=0,可取afh=1,即用飛灰損失代替鍋爐固體不完全燃燒熱損失q4。④鍋爐的散熱損失q5根據(jù)鍋爐額定容量進(jìn)行選取。

(5)

3 實(shí)例計(jì)算及模型驗(yàn)證

已知某燃煤鍋爐汽輪發(fā)電機(jī)組燃煤參數(shù)如表2。

表2 機(jī)組燃煤參數(shù)

由于煤的發(fā)熱量不易測(cè)量,通常根據(jù)門(mén)捷列夫經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算[9]。

Qar=339Car+1031Har-109(Oar-Sar)-25.1Mar

(6)

通過(guò)計(jì)算煤的低位發(fā)熱量為:Qar=24 035.33 kJ/kg。

鍋爐散熱損失q5與鍋爐額定容量的選取值如表3[9]。

表3 鍋爐散熱損失q5

已知機(jī)組設(shè)計(jì)蒸發(fā)量D=850 t/h,則q5取0.2%。

由于燃料的含碳量大于50%,灰分含量介于6%～25%,可判定燃煤煤質(zhì)為無(wú)煙煤,則m=0.2,n=3.65。排煙溫度tpy取130 ℃,環(huán)境溫度tk取20 ℃。鍋爐的熱效率為:

(7)

本模型計(jì)算鍋爐的熱效率與鍋爐實(shí)際熱效率如表4。

表4 鍋爐實(shí)際熱效率與本模型計(jì)算鍋爐熱效率

由表4可知,本模型計(jì)算的鍋爐熱效率與鍋爐的實(shí)際熱效率相對(duì)誤差小于5%,基本驗(yàn)證了本模型的正確性。

圖1為鍋爐熱效率與飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系。當(dāng)鍋爐鍋爐空氣系數(shù)α一定時(shí),鍋爐熱效率隨著飛灰中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。原因是飛灰中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,不完全燃燒熱損失增大,引起鍋爐熱效率降低。當(dāng)飛灰中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)cfh一定時(shí),鍋爐的熱效率隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大而減小。這是由于隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大,排煙量增大,排煙熱損失增加,引起鍋爐熱效率降低。

圖1 鍋爐熱效率η與飛灰中碳的含量cfh關(guān)系Fig.1 Relationship between boiler thermal efficiency η and carbon content of flying ash cfh

4 結(jié)論

基于反平衡法對(duì)鍋爐各項(xiàng)熱損失進(jìn)行分析及合理簡(jiǎn)化假設(shè),獲得了飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鍋爐熱效率的表達(dá)式,通過(guò)實(shí)例計(jì)算與鍋爐實(shí)際熱效率進(jìn)行比較,相對(duì)誤差在5%以內(nèi),驗(yàn)證了表達(dá)式的正確性。通過(guò)分析飛灰中碳含量對(duì)鍋爐熱效率的影響得出下列結(jié)論:當(dāng)鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)一定時(shí),鍋爐熱效率隨著飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小,此時(shí)應(yīng)通過(guò)強(qiáng)化燃燒措施減少鍋爐不完全燃燒熱損失。當(dāng)飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),鍋爐熱效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的增大而減小,因此在保證燃煤完全燃燒的情況下盡量降低過(guò)量空氣系數(shù),減小鍋爐的漏風(fēng)量,提高鍋爐的熱效率。