燃煤工业锅炉节能

我国一次能源利用以煤为主

工业锅炉年耗煤量约占全国总煤耗四分之一，仅次于电站锅炉

工业锅炉中以链条炉排锅炉为主，约占工业锅炉总数 65%

工业锅炉运行效率底，平均运行效率 65% 左右，节煤潜力巨大

链条锅炉现状与问题链条锅炉现状与问题

1555 家工业锅炉制造厂凭经验设计

30 万台链条锅炉低水平运行

基本理论基本理论

H H OO

HH OO

HH O

断键所需能量

组键放出能量

旧键断裂新键重组

净放出能量

能量

过渡态理论

阿累尼乌斯（ Arrhenius ）公式

RT

Ea

Aek

1889年，阿累尼乌斯总结了大量的实验数据，提出温度对反应速率常数 k 影响的定量关系式：

式中 R 为摩尔气体常数， A 称为指前因子， A 是与碰撞频率（单位时间单位体积内反应物分子的碰撞数）有关的物理量，故称其为频率因子。 Ea称为阿累尼乌斯活化能，简称活化能。 Ea与 A 是两个与温度无关而与具体反应有关的常数，化学动力学的一项重要工作就是确定它们的数值。

斯万特·奥古斯特·阿累尼乌斯Svante August Arrhenius

（ 1859年 2 月 19日－ 1927年 10月 2 日）瑞典物理化学家

1903年获诺贝尔化学奖

Tolman 活化能定义的示意图

放大区域

传质

氧扩散

气体产生

煤颗粒

放热煤堆

煤的氧化反应现象实质在碳晶体结构的边缘或表面有很多未饱和碳链（即一些碳支链未被氢饱和），这些支链在反应过程中即被视为“反应活性位”。这种活性位在反应过程中容易吸收气体分子中的氧原子与之结合在碳表面上并形成络合物，之后这种络合物分解并将碳原子带离固体碳。

内在水分的影响：微孔表面有一薄层的水，能起到催化作用，有利于氧化反应。但水分太多，会堵塞微孔，阻碍氧气扩散进入微孔，不利于氧化反应。

煤在加热条件下结构变化

煤煤 焦炭焦炭

煤的结构以缩核芳香环为主的基团构成的大分子结构，在热解加热条件下分子结构中键能较低的侧链和支链先断开，生成挥发分，剩下以缩核芳香环结构为主的焦炭，趋于晶格化的结构，反应性下降。

焦炭反应性变化的原因分析

• <700℃时，基本结构单元随机分布在芳香层片中• 700～ 1500 ℃ 对应着基本结构单元面与面开始趋近• 1500～ 2000 ℃各列层片之间的碳层边缘连接起来• ＞ 2000 ℃完全规则化趋近石墨结构

焦炭晶体结构变化示意图 石墨晶体结构图

典型 X 衍射谱图• 晶体结构是固体内部的原子、离子或原子团在三维空间中按一定周期性重复排列而成，因此，可以通过 X 衍射的方法来反应固体的晶体结构。

（ 002）晶面衍射峰强度越大说明焦炭中芳香环碳层在空间排列的定向程度就越大，层片堆砌高度就越高（ 100）晶面衍射峰强度越大说明焦炭中芳香环的缩合程度就越大，相应的焦炭的反应性也就越低。

典型焦炭 X 衍射谱图

不同煤种的晶体结构变化

随煤化程度晶体规则性增加，从而反应性下降

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

100

200

300

400

In

tens

ity

(Cou

nts)

s=2sinθ / λ

神木原煤 阳泉原煤

神木焦炭在不同条件下的晶体结构变化

0 20 40 60 80

0

100

200

300

400

Inte

nsit

y (C

ount

s)

2θa（ ）

1200℃ 1000℃ 800℃

0 20 40 60 80

0

100

200

300

400

Inte

nsit

y (C

ount

s)

2θb（ ）

1200℃ 10min 1200℃ 5min

0 20 40 60 80

0

100

200

300

400

Inte

nsit

y (C

ount

s)

2θc（ ）

1200℃ char Shenmu coal

随温度升高、停留时间增加晶体结构趋于更加规则，反应性下降

随温度升高、停留时间增加晶体结构趋于更加规则，反应性下降

温度温度 时间时间

不同温度下焦炭表面微观结构（神木煤）

（ a）原煤 （ b） 800℃

（ c） 1200℃ 温度越高焦炭结构晶格化趋势越明显温度越高焦炭结构晶格化趋势越明显

（ d） 1500℃

大颗粒煤燃烧特点

被灰壳包裹的大颗粒煤块

原煤 挥发分+焦炭+灰 焦炭+灰 灰

干燥 挥发分析出 焦炭燃烧

干燥 挥发分析出 焦炭燃烧

挥发分气相燃烧

灰

O2

char

water

ash

volatile

CO, CO2

H2O

CmHn,H2,CO,CO2,H2O

CO2

CO

H2O

CO, H2

gas phase reaction

CmHn,H2,CO,CO2,H2O,O2

air: N2,O2

y

Uchain

x

焦炭燃烧与气化

r

porous ash shell

char core

gas film

燃烧速率由气膜阻力、灰层扩散阻力和化学动力学速率三者综合决定燃烧速率由气膜阻力、灰层扩散阻力和化学动力学速率三者综合决定

焦炭颗粒燃烧过程示意图焦炭颗粒燃烧过程示意图

2 1 1 12

1charg O

O r m ash

M SR Y

M k k k

化学反应动力学系数气体穿过气膜的对流传质系数

表征气体扩散穿过灰层的系数

rk

mk

ashk

链条锅炉层燃特点

灰渣

对于处于正常燃烧条件下的链条炉排锅炉，煤层随着链条移动方向进入炉膛后煤层表面首先受到炉膛上部热量的辐射，表面的煤先受热干燥，随着链条炉排的前进煤层继续进入炉膛，表面温度进一步升高，达到挥发分析出温度开始析出挥发分，同时煤层表面的热量会沿煤层厚度方向向下传递，床层中下部煤粒的水分和挥发分的析出过程依次进行，在达到一定温度条件下，析出的挥发分与穿透床层的空气接触开始着火燃烧，接着整个床层会经历焦炭着火、焦炭燃烧以及气化等一系列复杂的物理化学反应。由于煤层具有一定的厚度，因此沿炉排长度方向存在不同的燃烧区域。

燃烧三要素

温度

氧量

时间

节能技术与案例节能技术与案例

链条锅炉存在问题

低挥发份着火困难高挥发份烧煤闸门

蒸发量不足

可燃气体损失大

飞灰含碳量高

排烟温度高过量空气大

锅炉效率低、煤耗大

存在问题的原因

自控手段落后

煤种多变颗粒不均

按错误的反射理论设计

负荷变动大

前后拱搭配不好

配风不均，漏风

尾部受热面不足

分层给煤装置

炉排配风

蒸汽蓄热器

上海乳品二厂锅炉余热利用

锅炉排烟余热回收装置

节能炉拱节能炉拱————国家经贸委最佳节能案例国家经贸委最佳节能案例

案例介绍

■ 福州造纸厂

蒸发量从 28t/h提高到38t/h

能掺烧 60%当地廉价劣质煤

一个月节资 20万元，当月回收

■ 上海船厂

热效率从 60.69%升到69.29%

节煤率为 12.41%

节约燃料费 22.93万元

不到半年回收

现有炉拱

双人字形炉拱

双人字形节能炉拱发明思路双人字形节能炉拱发明思路

建立在前苏联错误的炉拱换热理论基础上

已故上海交大黄祥新教授进行了改进

造成着火困难炉渣烧不干净可燃气体损失煤种适应性差蒸汽负荷不足

上述问题基本得到了解决，但设计凭经验，出现微爆燃和积渣问题。黄教授还提出了舌形拱、几形拱和凹形拱试图解决这些问题。我们近期的深入研究表明，炉拱的实质是起到分配炉膛投入床层热量的作用，而且焦炭反应性随温度和停留时间退化，炉拱积渣是含碳飞灰形成的。需从炉拱形状和合理配风综合解决。

层燃数值模拟层燃数值模拟

现代技术研发思路现代技术研发思路

机理研究

物理模型

数学模型

数值模拟

技术开发

工

程

问

题实验支撑：测试、参数、验证

炉膛“间歇性”冒正压的研究炉膛“间歇性”冒正压的研究

““微爆燃”学说微爆燃”学说

实验台和配风方式实验台和配风方式

计 算 机

数 据 采集 卡

信 号 调理 模 块 压 力 传

感 器

压 缩 天 然 气

转 子 流 量 计

稳 压 箱

笛 形 管

罗 茨 风 机

阀

烟 气 （至 烟 囱 ）

测 点 保 温 层

陶 瓷 颗 粒 床

多 孔 板

隔 板进 风 管

1 2 3 4 5 60

20406080

100

(%)

流量百分比

风仓号

空气分配（尽早配风）

1 2 3 4 5 60

20406080

100

(%)

流量百分比

风仓号

空气分配（推迟配风）

1 2 3 4 5 602468

10

(%)

流量百分比

风仓号

天然气分配

不同配风下的压力波动不同配风下的压力波动（空气流量（空气流量 50.0m50.0m33/h/h ））

0 5 10 15 20 25 30 35-300-200-100

0100200300

0 5 10 15 20 25 30 35-300-200-100

0100200300

( s)时间

热态尽早配风

(Pa)

压力

热态推迟配风

( s)时间

(Pa)

压力

0 5 10 15 20 25 30 35-300-200-100

0100200300

(Pa)

压力

( s)时间

冷态尽早配风

1 2 3 4 5 60

20406080

100

(%)

流量百分比

风仓号

空气分配（尽早配风）

1 2 3 4 5 60

20406080

100

(%)

流量百分比

风仓号

空气分配（推迟配风）

1 2 3 4 5 602468

10

(%)

流量百分比

风仓号

天然气分配

数值模拟结果数值模拟结果

炉膛“间歇性”冒正压原理炉膛“间歇性”冒正压原理

du

d

d0

dv

dc

未反应核

挥发份+焦炭+灰分

焦炭+灰分

灰分

层燃模型描述层燃模型描述

unreactive core

Vol. + char + ash

Char + ash

ash

du

d

d0

dv

dc

未反应核

挥发份+焦炭+灰分

焦炭+灰分

灰分

unreactive core

Vol. + char + ash

Char + ash

ash

furnace

bedradiation

radiation

rear arch

frontarch

air inlet

pressureoutlet

T1 T2 TnTn-1Tn-2T3T0

convection,radiation, conduction

四层双收缩模型模拟床层下降

大颗粒内部温度分布

模拟分层煤斗炉膛与床层流动、传热耦合

数值计算方法数值计算方法

数值求解流程框图

大颗粒热重实验台大颗粒热重实验台

(a) 15mm

(b)30mm

神木煤在不同温度条件下热解转化率随时间的变化

可称重的单元体实验台可称重的单元体实验台

bed moving（or time）

air ingrate

radiationgreen coal

burning unit

green coalreaction zone

ashcoal gatevolatile burning

char burning

ash

totally ignited char reaction

burnout

preheat&dry

神木煤模型预测值与实验值的对比神木煤模型预测值与实验值的对比

阳泉煤模型预测值与实验值的对比阳泉煤模型预测值与实验值的对比

实际锅炉校核实际锅炉校核

sample point

JCP-SL/96 gas conditioner

condensate drain

KM9106 gas analyzer

sample to gas chromatograph

furnace

coal bed

QUINTOXQUINTOX

water-cooled steel pipe

气相色谱仪

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

Experiment Isothermal model Non-isothermal model

O2 (

%)

Grate Length (m)

实验研究平台

可称重式层燃单元体炉试验台

提前配风改造前 改造后

单颗粒燃烧实验台

sample point

实炉测试

数值模拟应用

JCP-SL/96 gas conditioner

condensate drain

KM9106 gas analyzer

sample to gas chromatograph

furnace

coal bed

QUINTOXQUINTOX

water-cooled steel pipe

推迟配风

炉拱设计

运行优化

层燃数值模拟研究平台与应用层燃数值模拟研究平台与应用

工业锅炉运行优化和远程专家指导系统工业锅炉运行优化和远程专家指导系统

燃煤工业锅炉的运行效率低，除设计不当外，很大一部分的原因是控制系统简陋，运行人员水平低，需根据我国的国情开发出一套简单有效的工业锅炉运行优化和远程专家指导系统，是提高工业锅炉运行效率的根本途径之一。

研究背景

研究思路

实炉煤种和炉型信息 实验测定参数

数值模拟确定优化运行规程通过远程平台提供运行指导

20吨 / 时锅炉，节煤15％

炉拱改造前后温度场与流场

运行优化系统 蒸汽蓄热器 变频控制

综合改造案例综合改造案例

数字化设计平台数字化设计平台

节能炉拱 数值模拟 动画仿真

约 1555家锅炉厂设计指导 约 30万台链条锅炉运行培训