鏈條爐排與水煤漿鍋爐能效對比分析

王瑞斌

【摘 要】簡單介紹了水煤漿鍋爐的概念，并從燃料特性、燃燒狀態以及鍋爐結構三個方面闡述了水煤漿鍋爐區別于其它鍋爐的特點。并通過定量、定性的計算對比分析了水煤漿鍋爐與鏈條爐排鍋爐的能效狀況，指出水煤漿替代重油燃燒雖可取得明顯的經濟效益， 但在能效方面卻不及燃燒制漿原料煤的鏈條爐排鍋爐。

【關鍵詞】水煤漿 鏈條爐排 汽化潛熱 能效

1 前言

從工業化利用的角度看，我國的能源結構不甚合理，在已探明的儲量中，煤炭占92.94%，石油占5.35%，天然氣占1.71%，是典型的富煤、貧油、少氣的國家[1]。水煤漿是一種新型煤基流體燃料，可代油燃燒，應用于鋼鐵、陶瓷、玻璃等行業，其中不乏成功的經驗。水煤漿鍋爐就是使用水煤漿作為燃料進行燃燒的鍋爐。許多用戶選擇水煤漿替代重油作為鍋爐或工業爐窯燃料，其關鍵原因在于燃料費用能降低50%以上。盡管其他費用有所增加，但仍可取得明顯的經濟效益。本文在系統介紹水煤漿鍋爐的同時，從電耗、熱損失、運行效率等方面將其與鏈條爐排鍋爐進行能效比較。

2 水煤漿鍋爐特性

2.1 燃料特性

水煤漿是由約70%的煤粉、30%的水和少量化學添加劑組成的混合體，具有良好的流動性和穩定性，可以像油一樣實現全密封儲運和高效率的霧化燃燒。水煤漿的燃燒需要輕柴油點火，一旦著火燃燒爐膛溫度達到800℃即自動停油轉換為水煤漿燃燒，并且在常溫下水煤漿無需像重油那樣需要預熱使整個供漿管路系統設計較為簡單。水煤漿常溫下不可燃，其儲存、運輸比燃油簡單、安全、便于管理。水煤漿的最大優點，成本較低，2t優質水煤漿可代替1t燃料油[2]。

2.2 燃燒特性

水煤漿鍋爐燃燒方式和煤粉鍋爐一樣，采用空間燃燒或室式燃燒，燃燒系統主要由水煤漿壓送設備（管路）、輔助點火油路（設備）、鼓風系統三部分組成。空間燃燒中按鍋爐容量的大小不同采用的燃燒器型式也不一樣。爐膛內有四角切向布置直流式燃燒器和單面爐墻布置或雙面爐墻對沖布置燃燒器兩大類。水煤漿霧化的難度比油大，需采用多級混合式蒸汽機械霧化噴嘴。霧化蒸汽溫度不小于300℃，第一級霧化用多層蒸汽流沖擊煤漿流；第二級霧化是混合物在混合室及噴頭內強烈擾動并多次沖擊壁面使混合進一步均勻；第三級霧化是混合物在壓差的作用下噴出，混合物體積迅速膨脹同時與爐膛氣體強烈摩擦，最終得到的顆粒團約80～100um[3]。提高水煤漿鍋爐燃燒的穩定性和燃燒設備的安全可靠性是設計者的首要任務和必須優先考慮的問題。

2.3 結構特性

水煤漿鍋爐示意圖1所示：水煤漿鍋爐主要由燃煤或燃油的工業鍋爐和電站鍋爐改造而來，在改燒水煤漿時由于燃燒性質的差異，須對鍋爐本體進行改造，以利于水煤漿的穩定、高效燃燒。同時水煤漿鍋爐在多數情況下應配置高效的脫硫和除塵等設備。

圖1 水煤漿鍋爐示意圖

3 水煤漿鍋爐與鏈條爐排鍋爐的能效對比

3.1 燃料含水量

試驗中選取低位發熱量為26MJ/kg的煤種對兩種鍋爐進行燃燒對比試驗時，相同煤種磨制成的水煤漿含水量約為35%，原煤的含水量為10%。燃料中水分在爐膛被加熱至沸點， 并氣化隨煙氣排除鍋爐，根據《鍋爐原理》計算出水蒸氣帶走熱量[4]。結果顯示，水煤漿爐帶走熱量為880kJ/kg遠高于鏈條爐排的250kJ/kg，降低了鍋爐能效水平。

3.2 磨煤電耗

水煤漿要達到輸送和在爐膛中正常霧化燃燒，則必須將原煤研磨至平均粒徑45～50 μm。這與煤粉鍋爐燃用的煤粉相當。水煤漿的研磨大多是采用球磨機進行濕磨，磨煤電耗很高。我們按照經驗數據每磨制1t高濃度漿的耗電量42000kW·h來計算其對鍋爐能效的影響（先把磨煤電耗按600MW機組供電標煤耗（ 374 g/ kW·h）折算到磨制1kg漿所需的標煤量，然后換算成對應的熱量，該熱量占漿的低位發熱量的百分比即為磨煤電耗對能效的影響值）[5]。計算結果顯示，磨制1 kg 漿對應的標煤耗為16000g，該標煤耗折換發熱量約占水煤漿發熱量的3%，相比鏈條爐排能效狀況低3%。

3.3 爐運行電耗

水煤漿鍋爐相比鏈條爐排鍋爐沒有鏈條爐排轉動電機，新增設備有螺桿式空壓機、供漿螺桿泵、輸漿螺桿泵、帶攪拌日用漿罐、輸油齒輪泵、在線過濾器。以一臺10t/h鍋爐為例，新增設備總功率約為45kW。水煤漿在燃燒過程中約有90%的灰分經鍋爐尾部排到爐外，在鏈條爐排鍋爐中，燃料中僅約10% 灰分經鍋爐尾部排到爐外。因此，水煤漿鍋爐原始煙塵排放濃度大大超過鏈條爐排鍋爐。水煤漿鍋爐比鏈條爐排鍋爐原始煙塵排放濃度也約增大4倍。為了達到環保新標準需采用級除塵，這就增加了煙風阻力，導致引風機電功率增加。

飛灰量的增加還引起對流受熱面積灰嚴重，還必須配備吹灰裝置。

3.4 運行熱效率

工業鍋爐設計大多為二類煙煤，而水煤漿需采用較高質量煤質。燃燒優質煙煤的鏈條爐排鍋爐在進行熱效率測定時，其運行熱效率能夠達到80%這樣一個較高的水性。我們利用反平衡方法評估兩種鍋爐的熱效率。我們忽略化學不完全燃燒熱損失、散熱損失、灰渣熱損失的差異。存在差異的主要是機械不完全熱損失和排煙熱損失兩項。高灰分碳在燃燒過程中會出現裹灰，降低氧化速度，增加爐渣可燃物含量。二鏈條爐排的過量空氣系數要大于水煤漿鍋爐。這一系列原因會導致鏈條爐排的熱效率低于水煤漿鍋爐4%左右[6]。

4 結語

（1）到目前已開發出適合各種用途的水煤漿鍋爐，包括電站用和工業用。可以看到水煤漿作為一種代油燃料用于燃油鍋爐改造的觀點已被廣泛認同，不管哪種容量的鍋爐， 只要用水煤漿替代原先的重油燃燒， 由于燃料費用顯著下降， 故都能取得明顯的經濟效益。此外，水煤漿在能源安全方面有其重要意義。（2）在與鏈條爐排鍋爐相比，水煤漿鍋爐運行熱效率高于鏈條爐排，但在磨煤電耗、汽化潛熱以及新增電氣設備方面所產生的影響都大大降低了水煤漿鍋爐的整體能效。（3）使用灰分水分較多的原煤情況下，能效會更低。大量的飛灰也造成鍋爐原始煙塵排放濃度大， 必須考慮有效的除塵設備才能穩定達標。（4）在我國能源結構分配上，應當將一部分粗顆粒精煤供鏈條爐排使用，以提高鏈條爐排的熱效率。鏈條爐排鍋爐的原始煙塵排放濃度更低，使用常規除塵器便可達標。

參考文獻：

[1] 郝臨山，彭建喜.水煤漿制備與應用技術[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[2] 范晴.水煤漿及其燃燒技術[J].湖南電力，1999（2）：54-55.

[3] ADDY S N， CONSIDINE T J. Retrofitting oil-fired boilers to fire coal-water slurry ：an economic evaluation[J].Coal Utility： Fuel System，1994（19）：341-352.

[4] 胡中興，劉鳳美，龔光輝.200 MW水煤漿鍋爐的設計[J].動力工程，2006（3）：369-374.

[5] 朱霞，周錦峰.65th鍋爐改燒水煤漿燃料的改造設計[J].節能，2005（2）：16-19.

[6] GB/T 18855-2002 水煤漿的技術要求和測量方法[S].