利用鍋爐排煙預(yù)干燥原煤的節(jié)能效果分析

董　偉，　徐　鋼，　許　誠，　白　璞，　楊勇平,　赫向輝

(1.華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206；2.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

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利用鍋爐排煙預(yù)干燥原煤的節(jié)能效果分析

董偉1，徐鋼1，許誠1，白璞1，楊勇平1,赫向輝2

(1.華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206；2.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

針對(duì)燃用次煙煤等中高水分煤種機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)的效率偏低等問題，提出一種利用鍋爐排煙直接預(yù)干燥原煤的發(fā)電系統(tǒng)，并以某典型600 MW亞臨界空冷機(jī)組為例，對(duì)干燥前后機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的熱力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了原煤干燥程度對(duì)機(jī)組節(jié)能效果的影響規(guī)律，以及采用原煤預(yù)干燥機(jī)組獲得的經(jīng)濟(jì)收益.結(jié)果表明：當(dāng)該機(jī)組入爐煤脫水率為0.08 kg(水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由22.6%降至15.9%)時(shí)，機(jī)組發(fā)電煤耗可降低4.0 g/(kW·h)，年均凈收益可增加1 000余萬元，節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益顯著.

原煤預(yù)干燥； 次煙煤； 煙氣直接干燥； 節(jié)能效果； 經(jīng)濟(jì)收益

我國的能源結(jié)構(gòu)主要以煤炭為主，而國內(nèi)以煤電為主的發(fā)電格局使得火電廠煤炭消耗量占到煤炭總產(chǎn)量的一半以上.近年來，隨著中東部優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煙煤儲(chǔ)量的日益減少、開采難度的加大以及成本的提高，越來越多的電廠開始燃用或摻燒次煙煤、褐煤等低階煤[1-2].

褐煤是一種典型的高水分、低熱值年輕煤種，其水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在30%以上，通常難以直接用于電廠燃用，一般用于摻燒或需增設(shè)專門的褐煤干燥設(shè)備.目前，針對(duì)褐煤的干燥技術(shù)基本成熟，德國、美國、澳大利亞和我國均有多種較為成熟完善的褐煤干燥設(shè)備投入運(yùn)行，其在保證電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)電廠節(jié)能也有明顯的效果[3-5].如李勤道等[5]提出的鍋爐煙氣預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將褐煤中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由39.5%降為19.5%時(shí)，系統(tǒng)效率可相對(duì)提高1.1%，發(fā)電煤耗降低3.2 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著.

次煙煤是煙煤和褐煤之間的過渡煤種，其水分含量、揮發(fā)分含量和發(fā)熱量都介于煙煤和褐煤之間.在我國近期發(fā)現(xiàn)的諸多上千億噸的煤田中，很多都屬于次煙煤(如準(zhǔn)東煤、蒙煤等).這些次煙煤的合理高效利用將是我國未來經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的重要能源保障[6-8].從煤種特性來看，次煙煤中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在15%～25%，利用現(xiàn)有的磨煤系統(tǒng)磨煤出力尚可保證，通過燃燒及配風(fēng)調(diào)節(jié)也可實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒；但從能量轉(zhuǎn)化效率角度來看，次煙煤中的中高水分的存在會(huì)降低其低位發(fā)熱量，與煙煤相比，獲得同等熱量時(shí)需燃用更多的次煙煤，從而使排煙量增大，鍋爐效率下降，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗也相應(yīng)增加，最終影響機(jī)組效率[8-9].因此，在燃用次煙煤等中高水分煤種的電廠中，可以引入原煤預(yù)干燥技術(shù)作為一種有效的節(jié)能措施.同時(shí)，與褐煤相比，次煙煤的含水量決定了其對(duì)干燥設(shè)備的干燥出力要求比褐煤低，且次煙煤干燥后煤的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，也使其干燥熱源可以有更多的選擇.

經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證實(shí)，只要流程設(shè)計(jì)合理、停留時(shí)間適當(dāng)延長，80～100 ℃左右的低溫?zé)嵩匆部墒勾螣熋褐薪^大部分外水分和部分內(nèi)水分蒸發(fā).而在常規(guī)燃煤電站中，80～100 ℃左右的低品位余熱或廢熱資源是非常豐富的，如鍋爐排煙、汽輪機(jī)低壓抽汽等[10-11].若能充分利用這些低溫?zé)嵩?，將?huì)在很大程度上降低干燥過程自身的能耗代價(jià)，減少干燥過程中高品位熱量的使用，從而帶來更顯著的節(jié)能效果.

因此，筆者針對(duì)次煙煤等中高水分煤種，提出一種利用鍋爐排煙直接預(yù)干燥原煤的發(fā)電系統(tǒng)，并以某典型600 MW亞臨界空冷機(jī)組為例，對(duì)干燥前后機(jī)組的熱力性能進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，揭示了干燥過程中煤的質(zhì)量與低位發(fā)熱量的變化規(guī)律，并探討了干燥程度對(duì)機(jī)組節(jié)能效果的影響規(guī)律以及采用原煤預(yù)干燥機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益.

1　案例機(jī)組介紹

以某典型600 MW亞臨界空冷機(jī)組為例，該電廠的機(jī)組系統(tǒng)簡圖見圖1，機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下的主要熱力參數(shù)與總體性能參數(shù)見表1.

圖1　案例機(jī)組系統(tǒng)簡圖

因所研究機(jī)組的鍋爐燃用煤種為次煙煤，入爐煤中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)22.6%，其低位發(fā)熱量僅為19.60 MJ/kg，原煤中較高的水分會(huì)影響爐內(nèi)燃燒和傳熱過程.該機(jī)組鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度為130 ℃(實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能更高)，因此考慮利用鍋爐排煙對(duì)原煤進(jìn)行預(yù)干燥，適當(dāng)降低原煤中水分含量，從而提高入爐煤低位發(fā)熱量，改善爐內(nèi)燃燒和傳熱狀況，進(jìn)而提高機(jī)組效率.

表1　案例機(jī)組的主要性能參數(shù)

2　利用鍋爐排煙直接預(yù)干燥原煤的發(fā)電系統(tǒng)

2.1預(yù)干燥系統(tǒng)

預(yù)干燥系統(tǒng)如圖2所示.從圖2可以看出，預(yù)干燥熱源取自鍋爐排煙，干燥設(shè)備選用滾筒干燥機(jī)，布置在鍋爐空氣預(yù)熱器后、電除塵器前的尾部煙道中，空氣預(yù)熱器出口的煙氣進(jìn)入干燥設(shè)備中與原煤直接接觸對(duì)其進(jìn)行干燥，放熱后的煙氣進(jìn)入電除塵器和脫硫塔進(jìn)一步處理，最后經(jīng)由煙囪排出；而原煤經(jīng)破碎后進(jìn)入干燥設(shè)備，在其中與煙氣逆向流動(dòng)換熱，干燥后的煤進(jìn)入磨煤機(jī)研磨，隨后送入鍋爐燃燒.與褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)相比，次煙煤在物理性質(zhì)上更穩(wěn)定，低溫干燥過程中及干燥后更不易出現(xiàn)揮發(fā)、煤粉揚(yáng)塵和自燃等現(xiàn)象.因此，在該系統(tǒng)中，干燥設(shè)備和干燥工藝基本可沿用褐煤預(yù)干燥技術(shù)，只需在裝置尺寸、停留時(shí)間等方面進(jìn)行一些必要的改進(jìn).

圖2　增設(shè)干燥設(shè)備后系統(tǒng)的布置示意圖

2.2原煤干燥所需熱量計(jì)算

在案例分析時(shí)，以干燥前后鍋爐原煤消耗量不變?yōu)榛鶞?zhǔn)，并以脫水率α來衡量原煤干燥程度，其定義為每單位質(zhì)量原煤(1 kg)干燥出的水量，kg.機(jī)組在增加原煤煙氣干燥設(shè)備(以下簡稱干燥設(shè)備)后，當(dāng)入爐煤脫水率α為0.08 kg，即將原煤中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由22.6%降至15.9%時(shí)，干燥前后入爐煤的元素分析和工業(yè)分析如表2所示.

表2　干燥前后煤的元素分析和工業(yè)分析

由表2可知，干燥前原煤的收到基水分為22.6%，低位發(fā)熱量為19.60 MJ/kg，經(jīng)干燥后收到基水分降為15.87%，而其他各成分所占比例均升高，因此低位發(fā)熱量提高，變?yōu)?1.52 MJ/kg，低位發(fā)熱量提高了近10%.

由于設(shè)定了改造前后鍋爐的原煤消耗量不變，故進(jìn)入鍋爐的空氣總量基本不變，而干燥后入爐煤的水分降低，煙氣量也隨之有所降低，因而在保證空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度不變的情況下，其出口煙溫會(huì)略有下降.在保證熱風(fēng)溫度為329.4 ℃不變的情況下，計(jì)算得出空氣預(yù)熱器出口(亦即干燥設(shè)備入口)的煙溫會(huì)由130.0 ℃降為125.8 ℃.在此基礎(chǔ)上，核算原煤干燥所需熱量，計(jì)算結(jié)果見表3.

表3　原煤干燥所需熱量計(jì)算結(jié)果

由表3可知，干燥設(shè)備入口煤量為74.0 kg/s，在脫水率為0.08 kg的情況下，經(jīng)干燥蒸發(fā)出的水質(zhì)量流量為5.9 kg/s，需要煙氣放熱量為22.72 MW，干燥設(shè)備出口煙溫降低至92.7 ℃.

2.3熱力系統(tǒng)性能分析

基于能量平衡、質(zhì)量平衡以及水蒸氣、煙氣物性表等，詳細(xì)計(jì)算了干燥前后系統(tǒng)的熱力性能.在計(jì)算過程中設(shè)定干燥前后鍋爐的原煤消耗量不變，忽略因煤干燥過程中自身溫度提高而帶來的顯熱增加.表4給出了干燥前后機(jī)組熱力性能參數(shù)的對(duì)比.從表4可以看出，由于干燥后鍋爐可提供更多的有效吸熱量，干燥后機(jī)組的主蒸汽質(zhì)量流量由原來的513.5 kg/s增加到520.5 kg/s，與干燥前相比約增加了1.4%；鍋爐總煙氣量由干燥前的665.3 kg/s減少到659.4 kg/s，減少了5.9 kg/s，這主要是由于干燥后入爐煤水分含量降低，燃燒產(chǎn)生的煙氣中水分也隨之降低；由于干燥后機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量增加，即汽輪機(jī)用于做功的蒸汽量增加，故機(jī)組出功可增加8.1 MW，達(dá)到608.4 MW.而鍋爐實(shí)際煤耗總量是不變的，即機(jī)組在消耗同樣煤量的情況下可發(fā)出更多的電量，因此干燥后機(jī)組的發(fā)電效率可提高0.6%，發(fā)電煤耗可降低4.0 g/(kW·h).

表4　干燥前后機(jī)組熱力性能參數(shù)的對(duì)比

圖3為干燥前后機(jī)組熱力參數(shù)變化示意圖.從圖3可以看出，干燥后機(jī)組鍋爐入爐煤量從74.0 kg/s降為68.1 kg/s，減少了8.0%；但入爐總熱量卻由干燥前的1 453.1 MW增加到1 467.8 MW，增加了約1.0%；機(jī)組發(fā)電煤耗從297.3 g/(kW·h)降低到293.3 g/(kW·h)，降低了約1.4%.入爐燃料總熱值在鍋爐入爐煤量減少的情況下反而有所增加，其原因主要是：(1)在低溫干燥過程中，減少的質(zhì)量主要是蒸發(fā)出去的水分，煤中各種可燃成分均保留了下來；(2)煤中的水分原本都是要在煤燃燒過程中吸收燃燒熱蒸發(fā)汽化的；利用低溫?zé)煔庠谌紵罢舭l(fā)出煤中部分水分，就節(jié)約了后續(xù)燃燒過程中提供給這部分水蒸發(fā)所需的汽化潛熱.因此，干燥后入爐煤的質(zhì)量雖然有所降低，但在燃燒過程中反而可以多釋放出一部分熱量，其數(shù)值近似等于原煤預(yù)干燥蒸發(fā)出水分的汽化潛熱.

圖3　干燥前后機(jī)組熱力參數(shù)變化示意圖

3　分析與討論

3.1干燥設(shè)備對(duì)鍋爐熱力性能的影響

引入原煤干燥設(shè)備后入爐煤的水分降低，其他成分所占比例升高，低位發(fā)熱量增加.因此，爐內(nèi)燃燒特性和鍋爐熱力特性均會(huì)發(fā)生變化，表5給出了干燥前后燃燒計(jì)算與鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果.從表5可以看出：

(1)因干燥后入爐煤中的可燃物質(zhì)比例增加，故1 kg煤燃燒所需的理論空氣量增加了8.7%，燃燒產(chǎn)生的煙氣總體積增加了7.5%；在鍋爐原煤消耗量不變的情況下，入爐煤量有所減少，但燃燒所需的總空氣量基本不變，而產(chǎn)生的總煙氣量由665.3 kg/s降至659.4 kg/s，減少了0.9%.

(2)增加干燥設(shè)備后，由于入爐燃料總熱值有所升高，故爐膛理論燃燒溫度從1 932.8 ℃升至1 978.5 ℃，爐內(nèi)的燃燒和傳熱過程得到加強(qiáng).

(3)空氣預(yù)熱器出口煙溫由干燥前的130.0 ℃降至125.8 ℃，因此鍋爐熱效率由干燥前的93.2%提高到93.5%.此外，考慮到干燥設(shè)備利用了一部分煙氣余熱，從而使進(jìn)入除塵器之前的煙溫進(jìn)一步由125.8 ℃降至92.7 ℃，煙氣的余熱得到充分利用.

表5　干燥前后燃燒計(jì)算與鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果

3.2干燥程度對(duì)機(jī)組熱力性能的影響

由上述分析可知，原煤預(yù)干燥會(huì)給機(jī)組帶來顯著的節(jié)能效果,而干燥程度正是影響增設(shè)干燥設(shè)備后機(jī)組節(jié)能效果的主要因素，因此針對(duì)干燥程度對(duì)機(jī)組熱力性能的影響展開分析討論.干燥程度可由煤的脫水率來表征，隨著干燥程度的提高，脫水率提高，入爐煤中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來越低，同時(shí)干燥所需的熱量越來越多，干燥設(shè)備的出口煙溫越來越低，從而使得機(jī)組各熱力性能發(fā)生變化.

圖4給出了干燥后原煤消耗量不變、入爐煤脫水率在0.06～0.14 kg內(nèi)變化時(shí)，干燥設(shè)備出口煙溫及機(jī)組發(fā)電煤耗的變化規(guī)律.從圖4可以看出，隨著入爐煤脫水率的提高，鍋爐最終排煙溫度和機(jī)組發(fā)電煤耗均逐漸降低，節(jié)能效果逐漸提高.由于排煙溫度過低可能會(huì)帶來尾部受熱面低溫腐蝕等問題，因此最終干燥程度和排煙溫度的選取將是機(jī)組增加干燥設(shè)備后的節(jié)能效果與系統(tǒng)投資和運(yùn)行安全性的綜合權(quán)衡.如當(dāng)入爐煤脫水率達(dá)到0.1 kg時(shí)，機(jī)組發(fā)電煤耗從干燥前的297.3 g/(kW·h)降至292.3 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著，但此時(shí)排煙溫度已降至86.1 ℃，發(fā)生低溫?zé)煔飧g的危險(xiǎn)較高，如果設(shè)定入爐煤脫水率為0.08 kg，則排煙溫度為92.7 ℃.經(jīng)核算，在設(shè)計(jì)工況下鍋爐排煙的酸露點(diǎn)約為87.5 ℃，而煙溫在92.7 ℃尚處于安全區(qū)域，且滾筒干燥機(jī)筒內(nèi)煙氣與原煤是直接接觸換熱，不存在換熱壁面，通過做好滾筒干燥機(jī)筒壁的保溫和耐腐蝕處理即可有效防止干燥機(jī)內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕.

圖4　鍋爐最終排煙溫度及機(jī)組發(fā)電煤耗隨脫水率的變化

Fig.4Changes of boiler exhaust gas temperature and unit coal consumption for power generation vs. dehydration rate

3.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

因機(jī)組需增加部分干燥設(shè)備，故電廠的初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用會(huì)有所增加，但同時(shí)在原煤消耗量不變的情況下機(jī)組出功會(huì)增加，從而售電收益也會(huì)增加，最終的凈收益增加即為二者的差值.

以所研究機(jī)組為例，設(shè)計(jì)工況下機(jī)組出功為600.28 MW，其原煤消耗率為74.0 kg/s(266.4 t/h)，參考文獻(xiàn)[12]～文獻(xiàn)[14]及設(shè)備制造廠的產(chǎn)品說明，擬采用干燥能力為150 t/h的滾筒干燥設(shè)備2臺(tái).依據(jù)文獻(xiàn)[14]可估算機(jī)組需增加靜態(tài)投資約4 000萬元，若取貼現(xiàn)率k=8%和新增設(shè)備壽命n=30 a，可以計(jì)算出資本回收系數(shù)(αCRF=[k·(1+k)n]/[(1+k)n-1])約為8.9%[13]；新增設(shè)備的年運(yùn)行維護(hù)成本可假定為與系統(tǒng)新增投資成線性變化，比例系數(shù)通?？扇?%[15].根據(jù)文獻(xiàn)[16]，假定機(jī)組年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 000 h，上網(wǎng)電價(jià)為0.38元/(kW·h)，則當(dāng)入爐煤脫水率為0.08 kg時(shí)，干燥后的機(jī)組經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算結(jié)果如表6所示.由表6可知，在設(shè)定的干燥程度下，干燥后機(jī)組的靜態(tài)投資會(huì)增加4 000萬元，此時(shí)年化投資成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用共增加515萬元，而年售電收益會(huì)增加1 545萬元，故年均凈收益可達(dá)1 030萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀.

表6　干燥后機(jī)組經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算

4　結(jié)　論

(1)對(duì)于某600 MW亞臨界空冷機(jī)組，當(dāng)利用鍋爐排煙將原煤中水分含量由22.6%降至15.9%時(shí)，機(jī)組的發(fā)電煤耗可降低4.0 g/(kW·h)，年均凈收益可增加1 000余萬元，節(jié)能效果顯著.

(2)增加干燥設(shè)備后，入爐煤水分含量降低，低位發(fā)熱量增加，使得爐膛理論燃燒溫度有所升高，爐內(nèi)燃燒和傳熱過程得到大大改善，同時(shí)由于空氣預(yù)熱器出口煙溫降低，鍋爐熱效率會(huì)有所提高.此外，由于干燥設(shè)備利用了部分煙氣余熱，從而使鍋爐排煙熱損失大大降低.機(jī)組在增加原煤煙氣干燥設(shè)備后所帶來的燃煤總熱值和鍋爐熱效率的提高，是機(jī)組發(fā)電煤耗降低的主要原因.

(3)隨著入爐煤干燥程度的提高，機(jī)組熱力性能逐漸提高.當(dāng)入爐煤脫水率在0.06～0.14 kg內(nèi)變化時(shí)，機(jī)組發(fā)電煤耗可降低3.0～6.9 g/(kW·h)；入爐煤脫水率每提高0.02 kg，機(jī)組發(fā)電煤耗可降低約1 g/(kW·h).

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Analysis on Energy-saving Effect of a Raw Coal Pre-drying System Using Boiler Flue Gas

DONGWei1,XUGang1,XUCheng1,BAIPu1,YANGYongping1,HEXianghui2

(1. National Thermal Power Engineering & Technology Research Center, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China)

To solve the low efficiency problem existing in power plants burning medium- and high-moisture sub-bituminous coal, a raw coal pre-drying system was proposed by using boiler flue gas. Taking a typical 600 MW sub-critical air-cooling unit as an example, the thermodynamic performance was comparitively analyzed before and after coal pre-drying under design conditions, on which basis, the influence of coal pre-drying degree on the energy-saving effect of unit was studied, while the economic benefit through coal-predrying was further explored. Results show that when the dehydration rate is 0.08 kg, i.e. the moisture content is dried from 22.6% to 15.9%, the unit coal consumption rate can be reduced by 4.0 g/(kW·h), indicating an increase of annual net income by 10 million CNY, proving remarkable economic benefit of the coal pre-drying system.

raw coal pre-drying; sub-bituminous coal; direct coal drying with boiler flue gas; energy-saving effect; economic benefit

2015-09-09

2015-10-18

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2015CB251504)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476053,U1261210)

董偉(1990-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事電站節(jié)能方面的研究.

徐鋼(通信作者)，男，副教授，工學(xué)博士，電話(Tel．)：13693391352；E-mail：ncepu_xjnl@163.com．

1674-7607(2016)08-0651-07

TK114

A學(xué)科分類號(hào)：470.10