燃煤锅炉改烧燃气的应用研究.pdf

东南大学 硕士学位论文 燃煤锅炉改烧燃气的应用研究 姓名嵇文娟 申请学位级别硕士 专业动力工程 指导教师张小松 20070301 摘要 摘要 本文通过燃煤锅炉改烧燃气的热力计算，从燃气锅炉与燃煤锅炉的结构、传热、热效率 等方面对燃煤锅炉改为燃气锅炉进行可行性分析，结果表明燃煤锅炉的炉膛足以适合燃气燃 烧，改烧燃气后传热量基本一样，燃煤锅炉改烧燃气后的热效率至少可提高1 0 ％。 此外，对燃煤锅炉改烧燃气进行了技术经济分析，通过对燃煤锅炉改造和新建燃气锅炉 两种方案的经济比较，确定燃煤锅炉是否具有改造价值。并提出了燃煤锅炉改造的技术关键， 包括改造过程中燃烧方式的选择、燃烧器的选择布置、燃气的供应压力等技术措施。 最后，就改造后如何提高锅炉热效率，提出了一些具体措施。 关键词燃煤锅炉、燃气锅炉、改造、可行性分析、技术经济分析、燃烧器、热效率 A b s t r a c t G a s - b u r n i n gb o i l e ra n dc o a l b u r n i n gb o i l e r a r ec o m p a r e do nt h ea s p e c t so f c o n f i g u r a t i o n ，h e a tt r a n s f e r ，h e a t i n ge f f i c i e n c ye t c ．，a n df e a s i b i l i t ya n a l y s i si s m a d eo nc o a l b u r n i n gb o i l e rt r a n s f o r m i n gi n t og a s b u r n i n gb o i l e r ．T h e r e s u l t i n d i c a t e st h a tt h eb u r n e rh e a r t ho fc o a l b u r n i n gb o i l e ri ss u i t a b l ef o rg a sb u r n i n g ． A f t e rt r a n s f o r m i n gt h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e ri sa l m o s tt h es a m ea sb e f o r e ，a n d t h eh e a t i n ge f f i c i e n c yw i l li n c r e a s e1 0 ％a tl e a s t ． M o r eo v e r ，e c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i si sm a d eo nc o a l b u r n i n gb o i l e r t r a n s f o r m i n g t ob u r n w i t h g a s ，a n dw h e t h e rt h ec o a l b u r n i n gb o i l e r i sw o r t h t r a n s f o r m i n gi s c o n f i r m e db ye c o n o m i cc o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w op r o j e c t so f t r a n s f o r m i n gc o a l b u r n i n gb o i l e ra n db u i l d i n gn e wg a s b u r n i n gb o i l e r ．T h et e c h n i c a l k e y so ft r a n s f o r m i n gc o a l b u r n i n gb o i l e ra r el o d g e d ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no f b u r n i n gm o d e ，s e l e c t i o na n dl a y i n go fb u r n e r ，p r o v i d i n gp r e s s u r eo fg a s e t c ． I nt h ee n d ，s o m ed e t a i1m e a s u r e sa r el o d g e do nh o wt oi m p r o v et h eh e a t i n ge f f i c i e n c y o fb o i l e ra f t e rt r a n s f o r m i n g ． K e yw o r d s c o a l b u r n i n g b o i l e r ，g a s b u r n i n gb o i l e r ，t r a n s f o r m ，f e a s i b i l i t y a n a l y s i s ，e c o n o m i ca n dt e c h n i c a la n a l y s i s ，b u r n e r ，h e a t i n ge f f i c i e n y I I 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 包括 刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲弛燧毋鼢期必厂 第一章绪论 第一章绪论 从经济前景分析，天然气终将胜过石油，就像石油胜过煤，煤胜过木材一样。天然气作为 一种重要的环保能源，必将在诸多领域里广泛应用。随着人们环保意识的不断增强以及天然气 的广泛应用，为燃煤锅炉改为燃气锅炉创造了必要的条件，它将使我们的环境更洁净、空气 更清新。 1 ．1 选题背景 南京，六朝古都，山环水抱，葱笼毓秀，山水城林融为一体，自然风貌久负盛名。自然 界厚赐于南京龙蟠虎踞的山川形胜，历史在此又遗存下灿烂的文化。孙中山先生曾有名言概 括南京之美“此地有高山，有平原，有深水，在世界三大城市中亦诚难觅此佳境”。作为 一个开放性旅游城市，素以环境优美、空气清新、虎踞龙盘的秀山丽水而享誉海内外。但是 伴随城市化的发展进程，各种燃煤锅炉对城市的污染显得同益突出。据统计，我市小型燃煤 锅炉对空气的污染已占城市空气污染总指标的6 0 ％以上，存在的问题已经相当严重。近几年， 随着城市管理意识的不断加强，我市也加大了对城市治理改造的步伐，许多具有严重污染性 的工厂纷纷停产或迁往郊外。为降低城市空气污染，我市于2 0 0 2 年初发出了控制燃煤污染 改善环境空气质量的通知，通知指出在主城区内禁止燃用高污染燃料，禁燃区内不得新、扩、 改建燃煤锅炉，原禁燃区内尚存4 吨以下燃煤锅炉必须在全部改造，4 吨以上锅炉鼓励使用 油和燃气等洁净燃烧技术。 1 - 2 发展燃气锅炉的必要性 西气东输工程是“十五”期间国家安排建设的特大型基础设施，总投资预计超过1 4 0 0 亿 元，其首期任务主要是将新疆塔里木盆地的天然气送往豫皖江浙沪地区，沿线经过新疆、甘 肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海、浙江十个省市区。西气东输工程包括塔 里木盆地资源勘探开发、塔罩木至上海天然气长输管道建设以及下游天然气利用配套设施建 设。西气东输工程的实施标志着我国燃气应用进入天然气时代，它的实施加快了燃气锅炉的蓬 勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景。 环境问题是当前全人类最关注的问题之一，而大气污染是环境污染极其突出的问题。分 布在城市各个角落的各种取暖生活锅炉，其烟尘排放对大气的污染占有极大的比重，因此要 解决大气污染问题首先必须最大限度地减少锅炉的烟尘排放总量和烟气中的各种有害物质。 天然气作为一种优质、高效、清洁的气体燃料已经被世界广泛采用，采用天然气取代燃煤作 为锅炉的燃料可以大大减轻对环境的污染。天然气燃烧产生的烟气主要成分为C 0 2 和H 0 ，并 且无灰尘。根据有关资料显示，天然气污染程度仅是燃煤的1 ／6 0 0 ，是所有燃料中对环境污 染最小的一种。因此从环保角度来讲，天然气作为锅炉燃料的优越性是其它任何燃料所无法比 拟的。 长期以来受能源结构和经济发展水平的限制，我国的采暖生活锅炉一直是以原煤作为燃 料。由于原煤是固体燃料，一般不经过加工就直接使用，其中含有大量灰分硫等有害物质， 这些有害物质燃烧后随烟气一起排向空中，造成对空气的污染。多年来我国对燃煤锅炉投入 大量人力、物力和财力进行烟尘治理，但效果并不理想。虽然使用静电除尘装置基本解决粉 尘的排放问题，在锅炉中改用低N O x 燃烧器的方法控制N O x 的排放问题，但解决S O x 的排放 问题目前世界上普遍的方法是采用尾气脱硫装置F G D ，可这种装置的投资费用很高，运行费 燃煤锅炉改烧燃气的应用研究 用也很昂贵。随着城市的发展和人口的增加，锅炉的总装机容量也在不断地增加，燃煤锅炉 对城市空气的污染问题不但没有从根本上解决反而呈现出加剧的势态，各种对燃煤锅炉烟尘 的治理措施只不过是“扬汤止沸”而已，无法从根本上解决问题。要从根本上解决锅炉烟尘 对空气污染的问题，必须从改变燃料的结构上入手，即用于净燃料代替传统的原煤，天然气 正是最理想的替代燃料。 1 ．3 国内外燃气锅炉的发展状况 纵观世界发达国家近5 0 年来的锅炉发展史，随着环保意识的不断增强，各种取暖生活锅 炉几乎都是从燃煤锅炉走向燃油燃气锅炉。目I ；i 『西方国家取暖生活锅炉已基本由燃油燃气锅 炉取代了燃煤锅炉，对于燃煤锅炉则主要用于远离城市的大型发电站和集中供热站。燃油燃 气锅炉一般都是全自动控制，这样既解决了城市的环境污染问题，也节省了大量的人力。改 革开放以来，随着我国经济的发展、综合国力的提高以及对环保问题的重视，尤其是对日益 严重的工业化污染的担忧，使得燃油燃气锅炉的发展成为必然。一些城市的政府部门已经开 始采取行政手段限制燃煤锅炉的使用，鼓励使用燃油燃气锅炉，这一点说明了燃油燃气锅炉 具有良好的发展前景。近年来随着大油气田的开发以及天然气长距离输送管道的大力投资发 展，为燃气锅炉的使用创造了必要的条件，并将逐步取代燃煤锅炉而成为城市的主要取暖供 热设备和生活设备。 2 第二章燃煤锅炉与燃气锅炉 2 ．1 锅炉概述 第二章燃煤锅炉与燃气锅炉 2 ．1 ．1 锅炉的基本构造 锅炉是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的水，使水达 到所需要的温度 热水 或一定压力蒸汽的热力设备。它把燃料的化学能转变为热能，再利 用热能产生蒸汽。它是由“锅” 即锅炉本体水压部分 、“炉” 即燃烧设备部分 、附件 仪表及附属设备构成的一个完整体。“锅”是指它的汽水系统，其主要作用是使水受热变成水 蒸气。汽水系统承受一定的压力和温度，由密闭的容器和管道组成，包括锅筒 又叫汽包 、 对流管束、水冷壁等受热面及其它一些不直接受热的容器与管道。“炉”是指锅炉的燃烧系统， 或称风煤烟系统，其主要作用是进行燃烧与热交换。燃烧系统包括炉膛与燃烧器。 锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛 称为层燃炉，又称火床炉将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为 室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称 为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风 炉。 锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行 汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进 入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装蜀、给水分配管、排污和加 药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少 蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅 炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进 一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行，水进入锅炉以后，在汽水系统中锅炉受热面将 吸收的热量传递给水，使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽，被引出应用。在燃烧 设备部分，燃料燃烧不断放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉 受热面，而本身温度逐渐降低，最后由烟囱排出。“锅”与“炉”一个吸热，一个放热，是 密切联系的一个整体设备。锅炉在运行中由于水的循环流动，不断地将受热面吸收的热量全 部带走，不仅使水升温或汽化成蒸汽，而且使受热面得到良好的冷却，从而保证了锅炉受热 面在高温条件下安全的工作。 2 ．1 ．2 锅炉的燃料 在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。燃料的种类和性质直 接关系到燃烧方式和燃烧设备的选择以及锅炉本体的设计。因此，不但要求发展各种炉型来 适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技 术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物 硫氧化物和氮氧化物 。锅炉燃料按状态可分为 固体、液体和气体三种，锅炉燃料的分类及代号如下表2 ．1 和表2 ．2 所示 燃煤锅炉改烧燃气的戍用研究 锅炉燃料的分类表2 ．1 项目天然燃料人工燃料 木柴、泥煤、褐煤木炭、焦炭 固体燃料 烟煤、无烟煤煤渣砖、煤粉、型煤 汽油、煤油 液体燃料石油 柴油、重油 高炉煤气、发生炉煤气、焦炉 气体燃料天然气 煤气、液化气 燃料品种代号表2 ．2 燃料品种代号燃料品种代号 I 类劣质煤 LI 褐煤 H Ⅱ类劣质煤L I I贫煤 P ⅡI 类石煤煤干石S Ⅲ木柴 M I 类无烟煤 WI 稻糠 D I I 类无烟煤 W I I 甘蔗渣 G ⅡI 类无烟煤W Ⅲ柴油 Y C I 类烟煤 AI 天然气Q T I I 类烟煤A I I油母页岩 Y M I I I 类烟煤 A I I I 其他燃料 T 型煤 X 重油 Y Z 焦炉煤气Q J液化石油气Q Y 2 ．1 ．3 锅炉的分类 由于工业锅炉结构形式很多，且参数各不相同，用途不一，到目前为止，我国还没有一 个统一的分类规则。其分类方法是根据所需要求不同，分类情况就不同，锅炉相关代码见表 2 ．3 、表2 ．4 、表2 ．5 。常见的有以下几种 4 第二章燃煤锅炉与燃气锅炉 1 、按采用的燃料分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉和原子能锅炉。 2 、按燃烧方式分为层燃炉、室燃炉和介于二者之间的沸腾 流化床 炉。 3 、按结构形式可分为锅壳锅炉 火管锅炉 、水管锅炉和水火管锅炉。 火管锅炉代号表2 ．3 锅炉整体形式 代号 立式水管L S 立、水 立式火管L H 立、火 卧式外燃W W 卧、外 卧式内燃W N 卧、内 水管锅炉代号表2 ．4 锅炉整体形式代号 单锅筒立式 D L 单、立 单锅筒纵置式 D Z 单、纵 单锅筒横置式D H 单、横 双锅简纵置式S Z 双、纵 双锅筒纵置式S H 双、横 纵横锅筒式Z H 纵、横 强制循环式o n 强、循 燃烧方式代号表2 ．5 燃烧方式代号燃烧方式代号 固定炉排G 固振动炉排Z 振 活动炉排H 活下饲炉排A 下 燃煤锅炉改烧燃气的应用研究 链条炉排L 链沸腾炉F 沸 往复炉排W 往半沸腾炉B 半 抛煤机P 抛 室燃炉S 室 倒转炉排加抛煤机D 倒 旋风炉X 旋 2 ．2 燃煤锅炉 2 ．2 ．1 燃煤锅炉的构造 燃煤锅炉是以各种煤炭为燃料的锅炉，主要由煤粉制备系统、燃烧器、受热面、空气预 热器等主要部分组成。 1 、煤粉制备系统常用的有2 种。①直吹式制粉系统磨好的煤粉直接全部送入炉膛中燃 烧，宜采用中速和高速磨煤机，适用于磨较软的烟煤和褐煤。缺点是磨煤机的出力和煤粉细 度与锅炉负荷有关，因而随着锅炉负荷的变化需调整磨煤机的运行台数，并且研磨部件容易 磨损。中速磨煤机直吹式制粉系统又分为正压式与负压式两种。近代大容量锅炉多采用正压 系统。②中间储仓式制粉系统特点是磨煤机的出力和煤粉细度与锅炉负荷无关，适于采用可 磨制各种硬度煤种的钢球磨煤机。缺点是设备较直吹式复杂，磨煤机耗电量较大，空载与满 载时耗电量相差不大，故应使其常在满载下运行。 2 、煤粉燃烧器是将煤粉送入炉膛进行燃烧的设备，按其结构可分为以下2 种。①旋流 式燃烧器携带煤粉的一次风和不带煤粉的二次风分别用不同管道与燃烧器连接。煤粉与空气 能充分混合并形成回流区。每台锅炉可配置4 ～4 8 只燃烧器。②直流式燃烧器喷口成狭窄 形，其一、二次风在燃烧器中都不旋转。煤粉在其中能完全燃烧。 3 、受热面分为蒸发受热面和过热受热面。现代大、中型锅炉均以水冷壁构成炉膛，由 此水冷壁 即受热面 吸收炉内辐射热使水蒸发成饱和蒸汽。为不增加炉膛容积而增加辐射 受热面，大型锅炉可采用双面曝光的水冷壁。过热受热面可分为布置于炉膛上部的屏式过热 器受热面和布置于对流烟道内的对流过热器受热面。前者吸收炉内辐射热后者吸收对流热。 4 、空气预热器装于锅炉烟道尾部，用以回收烟气余热，提高助燃空气的温度。高参数、 大容量的锅炉为提高热风温度 3 0 0 ℃ ，常需使空气预热器与省煤器分级交叉布置。 2 ．2 ．2 燃煤锅炉的分类 现代燃煤锅炉有多种类型，按燃烧方式可分为4 种 1 、层燃炉原煤经破碎成粒径为2 5 ～4 0 毫米的碎块后，用炉前煤斗的煤闸板或播煤机 平铺在链条炉排上作层状燃烧。层燃炉优点是附属设备少，制造、安装简便，易于运行操作。 适用于中小容量锅炉。这种锅炉的缺点为煤的燃烧不完全，炉渣和飞狄中可燃物含量多，锅 炉效率一般为7 5 ～8 5 ％。通常要烧较好的煤。 2 、室燃炉又称煤粉炉。原煤经筛选、破碎和研磨成大部分粒径小于0 ．1 毫米的煤粉 后，经燃烧器喷入炉膛作悬浮状燃烧。煤粉喷入炉膛后能很快着火，烟气能达到1 5 0 0 ℃左右 的高温。但煤粉和周围气体间的相对运动很微弱，煤粉在较大的炉膛内停留约2 ～3 秒才能基 本上烧完，故煤粉炉的炉膛容积常比同蒸发量的层燃炉炉膛约大一倍。这种锅炉的优点为能 第二章燃煤锅炉与燃气锅炉 燃烧各种煤且燃烧较完全，所以锅炉容量可做得很大，适用于大、中型及特大型锅炉。锅炉 效率一般可达9 0 ～9 2 ％。其缺点为附属机械多，自动化水平要求高，锅炉给水须经过处理， 基建投资大。 3 、旋风炉将粒径小于1 0 毫米的碎煤粒或粗煤粉先在前置式旋风筒内作旋风状燃烧， 所产生的高温烟气再进入主炉膛 冷却室 内进行辐射换热。旋风炉的优点为炉膛容积热强 度高，炉子的尺寸小；过剩空气系数小 仅为1 ．0 5 ～1 ．1 0 ，可以降低排烟热的损失；燃用 粗煤粉可简化制粉设备；排渣率高，飞灰浓度低，提高烟气速度加强对流受热面的传热。其缺 点是适用煤种受灰熔点和渣的粘滞性的限制；锅炉负荷变动范围较小；不能快速启停；由于 炉内温度可达1 8 0 0 ℃左右，有害气体N O x 排放量大，对大气污染较严重。 4 、沸腾燃烧炉即沸腾燃烧锅炉。 2 ．3 燃气锅炉 2 ．3 ．1 燃气锅炉的构造 燃气锅炉的主要受压元件与连接方式如下 1 、火管锅炉的主要受压元件锅壳、管板、炉胆、烟管。 2 、水管锅炉的主要受压元件锅筒 汽包 、水冷壁、锅炉管束、蛇形管、集箱。 3 、燃气锅炉的主要受压元件的连接方式主要为焊接，部分也可胀接。 2 ．3 ．2 燃气锅炉的分类 1 、火管锅炉又称锅壳锅炉。火管锅炉的外形为一金属筒体，其外筒叫锅壳，内筒叫 炉胆 火筒 ，是双层夹套结构。内、外筒之间的环行空间装水，而内筒是燃烧室。当水汽介 质有压力时，锅壳受内压，炉胆承受外压。火管锅炉具有结构紧凑，整体性好，给水品质可 较低，运行较方便等优点。但因其为筒壳结构，受力条件差，能承受的压力和本体尺寸受较 大限制，只能制成低参数，小容量的锅炉且因烟气纵向冲刷壁面，传热效果较差，故热效 率较低，金属消耗率也较高；另外，因其炉膛尺寸小，内置燃烧装置的操作和维护不便，因 而难于燃用低质燃料。锅壳锅炉又分立式和卧式两种。目前常用的燃气锅炉是w N S 型卧式内 燃锅壳锅炉。 2 、水管锅炉水管锅炉是泛指燃烧高温烟气在管外 间 流动，而汽水在管内吸热蒸 发的一类锅炉。它的结构型式也很多，但所包括的部件却大体相同。汽水系统主要由锅筒、 联箱、水冷壁、对流管束、省煤器等部件组成；燃烧系统有燃烧器、炉膛和烟道、空气预热 器等。水管锅炉的出现，为提高锅炉出力创造了条件。它在结构上为增大锅炉蒸发量、提高 蒸汽参数提供了可能。因为在锅筒外边可以设置足够大的炉膛，布置足够多的受热面。作为 主要受热面的管子直径较小，可以承受更高的压力，采用多弯水管时，弹性较好的弯管可以 承受热胀冷缩。水管锅炉的安全性能也较好，因其锅筒不直接受热，工作条件比较优越。直 接受热的管子即使爆破，其危害性也比筒体爆炸为小。现在高参数大容量锅炉全部是水管锅 炉。水管锅炉的总体结构型式有“D ”型、⋯A 型、“0 ”型、倒“U ”型等种。水管锅炉基 本上有两种型式锅筒纵向布置，锅筒横向布置。常见的水管锅炉有双锅筒横直式水管、双 锅筒纵置式水管锅炉和单锅筒纵置式水管锅炉。 3 、水火管锅炉由水管和火管组合而成的混合型锅炉。这种锅炉具有水管和火管两种 锅炉的优点，尤其是水管构成外置炉膛时，结构简单，操作方便，容量可较火管式有所扩大， 且整体性好。但是也无法完全避免两者的缺点，如对水质的要求就较高，与水管锅炉相近。 水火管锅炉的容量范围较大，但均制成快装 整装或迭装 ，广泛用于燃煤，目前在中国工业 燃煤锅炉改烧燃气的戍用研究 锅炉中这种锅炉占数量上的大多数。 2 ．4 燃气锅炉与燃煤锅炉的比较 城市燃气化是城市现代化的重要标志之一，利用燃气代替固体燃料不仅能够节约能源， 提高产品质量及数量，实现自动化，改善劳动条件，同时能够减轻城市交通运输负担及提高 人民生活水平，而且能够防止大气污染，保护城市环境。 工业锅炉作为一种能源转换设备在国民经济中得到广泛应用，但是，受我国能源状况及 供气政策的影响，工业锅炉绝大多数都是燃煤锅炉，据有关资料介绍，目前我国锅炉数量有 4 6 万多台，耗原煤量占全国原煤产量的1 ／3 左右，这些锅炉大多数燃烧效率很低，仅有6 0 6 5 ％，而在这其中，有3 5 万台2 ．8 M w 以下的锅炉，特别是分散采暖小锅炉，热效率平均只有 3 0 ％。而我国占比例较大的中小型企、事业单位，广泛使用的正是这种小型锅炉，烟气污染 严重，效率低，能耗大。 燃气锅炉与燃煤锅炉相比，具有下述结构特点和使用优点 1 、燃料通过燃烧器喷入锅炉炉膛，采用火室燃烧而无需炉排设施。 2 、由于燃气燃烧后不产生灰渣，故燃气锅炉无排渣出口和除渣设备。 3 、喷入炉内的燃气如果熄火或与空气在一定范围内混合，容易形成爆炸性气体，因此 燃气锅炉需采用自动化燃烧系统，包括火焰监测、熄火保护、防爆等安全设施。 4 、由于燃气发热量远远大于煤的发热量，故其炉膛热强度较燃煤炉高的多，所以与同 容量的燃煤锅炉比较，锅炉体积小，结构紧凑、占地面积小。 5 、燃气锅炉的燃烧过程是在炉膛中悬浮进行，故其炉膛内设置前后拱，炉膛结构非常 简单。 6 、燃气锅炉燃烧完全，排烟无污染。据测试，燃气锅炉的排烟黑度为0 林格曼级，S 0 2 含量极少，燃烧效率可达9 9 ％以上。 7 、燃气锅炉启停方便，升温快，对于间歇运行的锅炉，可以省去压火过程的热损失， 有利于提高热效率。当然，由于温升快，炉体温度变化剧烈，有损于锅炉寿命。 8 、燃气燃烧完全，无飞灰，没有燃煤锅炉那种颗粒冲刷炉体的现象，传热面上无积灰， 有利于传热，从这一方面来讲，也有利于延长炉体寿命。 9 、气体燃料为管道运输，燃烧后无灰渣，可以省去燃煤锅炉的储煤场和储渣场，对于 寸土寸金的大中城市来讲，这一点尤为重要；可以去除燃煤锅炉的运煤系统、除渣系统，大 大降低劳动强度，减少城市运输量。 1 0 、燃气热值稳定，通过流量调节阀可以很方便地调节流量，便于实现生产过程的自动 化，调节精度高。 由以上特点可以看出，燃气锅炉比燃煤锅炉确实有着无可比拟的优越性，改变燃料结构， 大力发展燃气事业，是社会发展的必然趋势。 2 ．5 国内目前燃气锅炉的技术状况 当前国内燃气锅炉的技术状况大致分为三种情况 l 、完全自主开发的燃气锅炉。其燃烧设备、锅炉本体控制系统均为国内厂家自行研制 开发。这种锅炉一般自动化程度较低，可靠性尚存在一些问题，安全保护措施还不太适应燃 气的需要。这类锅炉虽然售价较低，但已难为用户所接受，市场占有率呈萎缩状况，近几年 发展较为缓慢。 2 、引进国外技术资料，由国内厂家消化吸收后进行生产。这类产品的技术参数较为特 殊，生产的厂家极少，适应的范围也较窄，一般用于一些特殊行业。 第二章燃煤锅炉与燃气锅炉 3 、燃气设备采用进口燃烧器，锅炉本体及控制系统由国内生产。进口燃烧器本身具有 自动点火、熄火保护、炉膛吹扫、燃气压力检测、气阀检漏等功能和自动控制程序，其本身 构成一个独立的自动控制体系并具有很高的可靠性。目前我国的锅炉本体制造水平和国外相 比并无太大差距，完全可以满足使用要求。燃气设备采用进口燃烧器主要解决了水温测控、 过压保护及补水循环泵控制等问题，其功能较为简单，生产成本适中，自动化程度高，可靠 性好，受到用户的欢迎，因此颇具市场潜力。 2 ．6 发展燃气锅炉的途径 发展燃气锅炉不外乎两条途径第一，直接研制燃气锅炉，用户向锅炉厂购买。这条途 径，可以根据气体燃料的特点，研制相应的锅炉，大大降低耗钢量。但对原有燃煤锅炉的用 户来讲，原燃煤锅炉只能作废，是一笔不少的损失。而且据了解，现在的燃气锅炉价格很贵， 多为同容量燃煤锅炉价格的2 ～3 倍。例如上海工业锅炉成套供应公司所售全套从日本进口 的2 ．8 M w 燃气锅炉，售价为1 0 0 万元人民币，上海工业锅炉厂从美国进口燃烧机，自己制造 锅炉本体，售价为1 7 万美金 2 ．8 M 1 v ，而同容量的燃煤锅炉售价只有3 0 万元人民币。第二 将原燃煤锅炉进行技术改造，拆除其燃煤设备、除渣设备，研制改造相应的燃烧设备和控制 设备。相比较而言，这是一条投资省、见效快、效益高的途径。 燃煤锅炉改烧燃气的应用研究 第三章D Z L 2 0 ．7 一AI I 燃煤锅炉改烧燃气的热力校核计算 由于目前大中城市的燃煤锅炉，一般以中小型锅炉为主。因此，锅炉的改造对象主要针 对燃煤的层燃炉，包括固定炉排层燃炉和移动炉排层燃炉。 为了落实南京市关于控制燃煤污染改善 环境空气质量的通知要求，城区内燃煤锅炉 房将逐步改造为燃气锅炉房，在此改造工作中， 除部分采用新燃气锅炉更新原燃煤锅炉外，对 于炉况较好的燃煤锅炉将改造成燃气锅炉，以 节约投资。为此，南京市劳动局和市特种设备 检测中心决定进行燃煤锅炉改造示范，以取得 经验逐步推广，并选定江苏省检查院锅炉房作 为煤改气示范点。 江苏省检查院的D Z L 2 0 ．7 - AI I 燃煤锅炉 D Z L 2 0 ．7 - AI I ，表示单锅筒纵置式链条炉排额 定蒸发量为2 吨／小时，蒸汽压力为0 ．7 M P a ，燃用I I 类烟煤 生产的蒸汽主要用于厨房内洗 碗机、蒸锅、生活热水、洗衣厂及冬季采暖。D Z L 2 0 ．7 - AI I 锅炉原有的结构为单锅简纵置式 布黄，轻型链条炉排锅炉。锅炉的前部是水管系统和炉排构成的水冷炉膛。炉膛的后上方是 锅筒，锅筒内前后管板间为烟管，烟管分第1 和第1 I 回程对流受热面。烟气从炉体右侧出来 后进入铸铁式省煤器，最后经由除尘器排入大气。 水管系统由前、后、两侧四个独立循环回路构成。 锅炉设计参数为D 2 t ／h 、P O ．7 M P a 饱和 。 锅炉配有鼓、引风机，运行时为负压燃烧。 针对原燃煤锅炉的结构特性，在保证安全可靠、技术成熟、经济可行的前提下，尽量少 改或不改变原锅炉的受压部件，采用可靠性高的英国‘力威’牌L 4 2 0 一1 6 M T 4 3 0 R H 8 0 P 型一体 化燃烧器，锅炉采用微负压运行方式，额定参数与原炉相同。下面以江苏省检查院的 D z L 2 O ．7 AI I 燃煤锅炉改烧燃气为例进行热力校核计算。 序号名称符号单位山东良庄剧天然气 一、锅炉基本参数 l 锅炉蒸发量 D t ／h 22 2 蒸汽压力 PM P a0 ．7O ．7 3 蒸汽温度 t℃1 6 9 ．61 6 9 ．6 4给水温度 t 驺 ℃2 02 0 5冷空气温度 t l k ℃2 02 0 二、燃料参数 1 | 应用基成分 C ’ ％ 4 6 ．5 57 1 ．2 0 第三章D Z L 2 0 ．7 - AI f 燃煤锅炉改烧燃气的热力校核计算 2应用基成分 H 7％3 ．0 62 3 ．8 3应用基成分盯 ％6 ．1 11 4 应用基成分 S ’％1 ．9 4 0 5应用基成分Ⅳ％O ．9 64 6应用基成分Ⅳ ％ 3 2 ．4 8 O 7应用基成分 旷 ％9O 8低位发热量 Q ’曲 k J ／k g N m 3 1 7 6 9 34 6 5 2 4 9理论空气量 、，0 N m 3 ／k g N m 3 4 ．8 1 2 1 2 ．5 9 5 1 0理论N 容积 n N m 3 ／k g N m 3 3 ．8 0 8 1 ．3 3 1 1R 0 2 容积 N m 3 ／k g N m 3 0 ．8 8 29 ．9 8 V M 1 2理论H z O 容积 、『o 。 N m 3 ／k g N m 3 0 ．5 2 92 ．8 4 三、热平衡参数及计算 1理论冷空气焓 I o l kk J ／k g 1 2 7 ．4 31 2 7 ．4 3 2排烟温度 0 p ， ℃ 1 7 5 1 8 4 3排烟焓 I 。 k J N m 3 2 2 3 9 ．4 43 1 2 2 ．7 8 4排烟热损失 q 2 ％1 0 ．29 ．5 l 5化学不完全燃烧热损失 q 3 ％1 ．5O ．5 6机械不完全燃烧热损失 吼 ％1 00 7散热损失 q 5 ％3 ．53 ．6 8灰渣物理热损失 q e ％O ．8 3 0 9保热系数由％0 ．9 5 5O ．9 6 1 0锅炉总热损失 ∑q ％2 61 3 ．6 1 1 l锅炉热效率H9 1 ％7 48 6 ．3 9 1 1 2饱和蒸汽焓 1 Fk J ／k g 2 7 7 6 ．22 7 7 6 ．2 1 3给水焓 1 9 sk J ／k g 8 48 4 1 4锅炉有效利用热 Q dk J ／h 5 ．3 8 E 0 6 5 ．3 8 E 0 6 燃煤锅炉改烧燃气的应用研究 1 5实际燃料消耗量 B k g N m 3 ／h 4 0 9 ．91 7 8 ．4 0 1 6计算燃料消耗量 B jk g N m 3 ／h 3 6 8 ．91 7 8 ．4 0 四、部件计算参数 一 炉膛 1 炉膛截面积F I m 22 3 ．8 2 92 0 ．8 6 2炉膛容积 V 1 m 34 ．0 9 2 4 ．0 9 3炉膛辐射受热面总面积 H f m 28 ．6 9 28 ．6 2 9 4炉膛出口过量空气系数 d ．” 1 ．5 1 ．1 5炉膛漏风系数 A Ⅱi H 0 ．1O ．0 5 6火焰位置中心系数M0 ．4 8 7 冷空气温度 t n o C2 02 0 8理论空气焓 I l k k J ／k g N m 3 1 2 7 ．4 34 5 7 ．2 1 9空气带入炉内热量Q 。 k J ／k g Y m 3 1 9 1 ．2 75 0 2 ．9 l 1 0燃料带入炉内的热量 Q ． k J ／k g N m 3 1 7 4 8 0 ．8 24 9 3 9 ．9 6 1 1理论燃烧温度0 。℃1 7 1 5 ．71 9 6 1 1 2炉膛出口烟温 0i N ℃9 2 09 1 1 1 3炉膛出口烟焓 I l ”k J ／k g N m 3 1 0 6 3 0 ．61 9 6 9 8 ．8 1 4烟气的平均热容量n j k J ／k g N m 3 ／。C 1 3 ．1 02 5 ．4 9 1 5水蒸汽的容积份额 r H 2 0 0 ．0 7 60 ．1 8 5 6 1 6三原子气体容积份额 r a 0 ．1 9 4 90 ．2 7 1 7 1 7炉膛的辐射层有效厚度 Sm O ．6 1 8O ．7 1 1 8三原子气体辐射减弱系数I a 1 ／ m ．k g f ／c m 2 0 ．2 7 20 ．3 4 9 8 1 9每公斤燃料的烟气量 G ，k g ／k g N m 3 1 0 ．1 1 9 ．0 9 2 0焦炭粒子辐射减弱系数 K 。1 ／ m ．k g f ／c m 2 0 ．0 5 8 2O 2 1炉膛火焰有效黑度Ⅱ，0 ．1 8 4 6O ．2 1 9 2 2炉膛黑度Ⅱl 0 ．4 5 10 ．4 7 7 2 3炉膛辐射传热量 q fk J ／k g N m 3 6 5 6 9 ．6 42 7 2 7 2 ．3 1 2 第三章D Z L 2 0 ．7 - A1 1 燃煤锅炉改烧燃气的热力校核计算 2 4平均辐射受热面热负荷 q rk J ／m s ．h 2 ．4 4 E 0 62 ．8 0 E 0 6 2 5f 炉膛容积热强度 q vk J ／m 3 ．h 1 ．7 8 E 0 62 ．0 4 E 0 6 二 锅炉管束 1 对流受热面积 Hm 22 7 ．82 7 ．8 2烟气流通截面面积 R m 20 ．1 0 60 ．1 0 6 3进口烟温 0 ’ ℃9 2 09 1 1 4进口烟焓I ’ k J ／k g N m 3 1 0 6 3 0 ．61 9 6 9 8 ．8 5 出口烟温 0 ” ℃2 9 5 ．52 7 4 ．6 6 出口烟焓 I ” k J ／k g N m 3 3 4 4 5 ．75 5 5 4 ．9 7烟气侧放热量瓯 k J ／k g N m 3 5 7 9 4 ．3 21 3 8 3 9 ．8 4 8管内工质温度t℃1 6 9 ．61 6 9 ．6 9平均温压△t℃3 4 9 ．8 43 1 4 ．9 1 0烟气计算温度 0p J ℃ 5 1 9 ．4 44 8 4 ．5 1 1烟气平均流速 矾 m ／s2 2 ．5 4 1 8 ．2 1 2烟气中水蒸汽容积份额r l t 2 0 0 ．0 6 9 0 ．1 7 7 5 1 3三原子气体容积份额 r q O ．1 0 5 1 O ．2 6 1