利用锅炉排烟预干燥原煤的节能效果分析

董　伟，　徐　钢，　许　诚，　白　璞，　杨勇平,　赫向辉

(1.华北电力大学 国家火力发电工程技术研究中心，北京 102206；2.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)



利用锅炉排烟预干燥原煤的节能效果分析

董伟1，徐钢1，许诚1，白璞1，杨勇平1,赫向辉2

(1.华北电力大学 国家火力发电工程技术研究中心，北京 102206；2.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

针对燃用次烟煤等中高水分煤种机组运行过程中出现的效率偏低等问题，提出一种利用锅炉排烟直接预干燥原煤的发电系统，并以某典型600 MW亚临界空冷机组为例，对干燥前后机组在设计工况下的热力学性能进行了对比分析；在此基础上，进一步探讨了原煤干燥程度对机组节能效果的影响规律，以及采用原煤预干燥机组获得的经济收益.结果表明：当该机组入炉煤脱水率为0.08 kg(水分质量分数由22.6%降至15.9%)时，机组发电煤耗可降低4.0 g/(kW·h)，年均净收益可增加1 000余万元，节能效果与经济效益显著.

原煤预干燥； 次烟煤； 烟气直接干燥； 节能效果； 经济收益

我国的能源结构主要以煤炭为主，而国内以煤电为主的发电格局使得火电厂煤炭消耗量占到煤炭总产量的一半以上.近年来，随着中东部优质动力烟煤储量的日益减少、开采难度的加大以及成本的提高，越来越多的电厂开始燃用或掺烧次烟煤、褐煤等低阶煤[1-2].

褐煤是一种典型的高水分、低热值年轻煤种，其水分质量分数一般在30%以上，通常难以直接用于电厂燃用，一般用于掺烧或需增设专门的褐煤干燥设备.目前，针对褐煤的干燥技术基本成熟，德国、美国、澳大利亚和我国均有多种较为成熟完善的褐煤干燥设备投入运行，其在保证电厂安全稳定运行的同时，对电厂节能也有明显的效果[3-5].如李勤道等[5]提出的锅炉烟气预干燥褐煤发电系统，该系统将褐煤中的水分质量分数由39.5%降为19.5%时，系统效率可相对提高1.1%，发电煤耗降低3.2 g/(kW·h)，节能效果显著.

次烟煤是烟煤和褐煤之间的过渡煤种，其水分含量、挥发分含量和发热量都介于烟煤和褐煤之间.在我国近期发现的诸多上千亿吨的煤田中，很多都属于次烟煤(如准东煤、蒙煤等).这些次烟煤的合理高效利用将是我国未来经济持续快速发展的重要能源保障[6-8].从煤种特性来看，次烟煤中水分的质量分数一般在15%～25%，利用现有的磨煤系统磨煤出力尚可保证，通过燃烧及配风调节也可实现炉膛内煤粉的稳定燃烧；但从能量转化效率角度来看，次烟煤中的中高水分的存在会降低其低位发热量，与烟煤相比，获得同等热量时需燃用更多的次烟煤，从而使排烟量增大，锅炉效率下降，同时引风机和送风机等辅机电耗也相应增加，最终影响机组效率[8-9].因此，在燃用次烟煤等中高水分煤种的电厂中，可以引入原煤预干燥技术作为一种有效的节能措施.同时，与褐煤相比，次烟煤的含水量决定了其对干燥设备的干燥出力要求比褐煤低，且次烟煤干燥后煤的结构更稳定，也使其干燥热源可以有更多的选择.

经相关实验研究和工程实践证实，只要流程设计合理、停留时间适当延长，80～100 ℃左右的低温热源也可使次烟煤中绝大部分外水分和部分内水分蒸发.而在常规燃煤电站中，80～100 ℃左右的低品位余热或废热资源是非常丰富的，如锅炉排烟、汽轮机低压抽汽等[10-11].若能充分利用这些低温热源，将会在很大程度上降低干燥过程自身的能耗代价，减少干燥过程中高品位热量的使用，从而带来更显著的节能效果.

因此，笔者针对次烟煤等中高水分煤种，提出一种利用锅炉排烟直接预干燥原煤的发电系统，并以某典型600 MW亚临界空冷机组为例，对干燥前后机组的热力性能进行了详细的对比分析，揭示了干燥过程中煤的质量与低位发热量的变化规律，并探讨了干燥程度对机组节能效果的影响规律以及采用原煤预干燥机组的经济收益.

1　案例机组介绍

以某典型600 MW亚临界空冷机组为例，该电厂的机组系统简图见图1，机组在设计工况下的主要热力参数与总体性能参数见表1.

图1　案例机组系统简图

因所研究机组的锅炉燃用煤种为次烟煤，入炉煤中水分的质量分数高达22.6%，其低位发热量仅为19.60 MJ/kg，原煤中较高的水分会影响炉内燃烧和传热过程.该机组锅炉设计排烟温度为130 ℃(实际运行时可能更高)，因此考虑利用锅炉排烟对原煤进行预干燥，适当降低原煤中水分含量，从而提高入炉煤低位发热量，改善炉内燃烧和传热状况，进而提高机组效率.

表1　案例机组的主要性能参数

2　利用锅炉排烟直接预干燥原煤的发电系统

2.1预干燥系统

预干燥系统如图2所示.从图2可以看出，预干燥热源取自锅炉排烟，干燥设备选用滚筒干燥机，布置在锅炉空气预热器后、电除尘器前的尾部烟道中，空气预热器出口的烟气进入干燥设备中与原煤直接接触对其进行干燥，放热后的烟气进入电除尘器和脱硫塔进一步处理，最后经由烟囱排出；而原煤经破碎后进入干燥设备，在其中与烟气逆向流动换热，干燥后的煤进入磨煤机研磨，随后送入锅炉燃烧.与褐煤预干燥系统相比，次烟煤在物理性质上更稳定，低温干燥过程中及干燥后更不易出现挥发、煤粉扬尘和自燃等现象.因此，在该系统中，干燥设备和干燥工艺基本可沿用褐煤预干燥技术，只需在装置尺寸、停留时间等方面进行一些必要的改进.

图2　增设干燥设备后系统的布置示意图

2.2原煤干燥所需热量计算

在案例分析时，以干燥前后锅炉原煤消耗量不变为基准，并以脱水率α来衡量原煤干燥程度，其定义为每单位质量原煤(1 kg)干燥出的水量，kg.机组在增加原煤烟气干燥设备(以下简称干燥设备)后，当入炉煤脱水率α为0.08 kg，即将原煤中水分的质量分数由22.6%降至15.9%时，干燥前后入炉煤的元素分析和工业分析如表2所示.

表2　干燥前后煤的元素分析和工业分析

由表2可知，干燥前原煤的收到基水分为22.6%，低位发热量为19.60 MJ/kg，经干燥后收到基水分降为15.87%，而其他各成分所占比例均升高，因此低位发热量提高，变为21.52 MJ/kg，低位发热量提高了近10%.

由于设定了改造前后锅炉的原煤消耗量不变，故进入锅炉的空气总量基本不变，而干燥后入炉煤的水分降低，烟气量也随之有所降低，因而在保证空气预热器出口热风温度不变的情况下，其出口烟温会略有下降.在保证热风温度为329.4 ℃不变的情况下，计算得出空气预热器出口(亦即干燥设备入口)的烟温会由130.0 ℃降为125.8 ℃.在此基础上，核算原煤干燥所需热量，计算结果见表3.

表3　原煤干燥所需热量计算结果

由表3可知，干燥设备入口煤量为74.0 kg/s，在脱水率为0.08 kg的情况下，经干燥蒸发出的水质量流量为5.9 kg/s，需要烟气放热量为22.72 MW，干燥设备出口烟温降低至92.7 ℃.

2.3热力系统性能分析

基于能量平衡、质量平衡以及水蒸气、烟气物性表等，详细计算了干燥前后系统的热力性能.在计算过程中设定干燥前后锅炉的原煤消耗量不变，忽略因煤干燥过程中自身温度提高而带来的显热增加.表4给出了干燥前后机组热力性能参数的对比.从表4可以看出，由于干燥后锅炉可提供更多的有效吸热量，干燥后机组的主蒸汽质量流量由原来的513.5 kg/s增加到520.5 kg/s，与干燥前相比约增加了1.4%；锅炉总烟气量由干燥前的665.3 kg/s减少到659.4 kg/s，减少了5.9 kg/s，这主要是由于干燥后入炉煤水分含量降低，燃烧产生的烟气中水分也随之降低；由于干燥后机组主蒸汽质量流量增加，即汽轮机用于做功的蒸汽量增加，故机组出功可增加8.1 MW，达到608.4 MW.而锅炉实际煤耗总量是不变的，即机组在消耗同样煤量的情况下可发出更多的电量，因此干燥后机组的发电效率可提高0.6%，发电煤耗可降低4.0 g/(kW·h).

表4　干燥前后机组热力性能参数的对比

图3为干燥前后机组热力参数变化示意图.从图3可以看出，干燥后机组锅炉入炉煤量从74.0 kg/s降为68.1 kg/s，减少了8.0%；但入炉总热量却由干燥前的1 453.1 MW增加到1 467.8 MW，增加了约1.0%；机组发电煤耗从297.3 g/(kW·h)降低到293.3 g/(kW·h)，降低了约1.4%.入炉燃料总热值在锅炉入炉煤量减少的情况下反而有所增加，其原因主要是：(1)在低温干燥过程中，减少的质量主要是蒸发出去的水分，煤中各种可燃成分均保留了下来；(2)煤中的水分原本都是要在煤燃烧过程中吸收燃烧热蒸发汽化的；利用低温烟气在燃烧前蒸发出煤中部分水分，就节约了后续燃烧过程中提供给这部分水蒸发所需的汽化潜热.因此，干燥后入炉煤的质量虽然有所降低，但在燃烧过程中反而可以多释放出一部分热量，其数值近似等于原煤预干燥蒸发出水分的汽化潜热.

图3　干燥前后机组热力参数变化示意图

3　分析与讨论

3.1干燥设备对锅炉热力性能的影响

引入原煤干燥设备后入炉煤的水分降低，其他成分所占比例升高，低位发热量增加.因此，炉内燃烧特性和锅炉热力特性均会发生变化，表5给出了干燥前后燃烧计算与锅炉热力计算结果.从表5可以看出：

(1)因干燥后入炉煤中的可燃物质比例增加，故1 kg煤燃烧所需的理论空气量增加了8.7%，燃烧产生的烟气总体积增加了7.5%；在锅炉原煤消耗量不变的情况下，入炉煤量有所减少，但燃烧所需的总空气量基本不变，而产生的总烟气量由665.3 kg/s降至659.4 kg/s，减少了0.9%.

(2)增加干燥设备后，由于入炉燃料总热值有所升高，故炉膛理论燃烧温度从1 932.8 ℃升至1 978.5 ℃，炉内的燃烧和传热过程得到加强.

(3)空气预热器出口烟温由干燥前的130.0 ℃降至125.8 ℃，因此锅炉热效率由干燥前的93.2%提高到93.5%.此外，考虑到干燥设备利用了一部分烟气余热，从而使进入除尘器之前的烟温进一步由125.8 ℃降至92.7 ℃，烟气的余热得到充分利用.

表5　干燥前后燃烧计算与锅炉热力计算结果

3.2干燥程度对机组热力性能的影响

由上述分析可知，原煤预干燥会给机组带来显著的节能效果,而干燥程度正是影响增设干燥设备后机组节能效果的主要因素，因此针对干燥程度对机组热力性能的影响展开分析讨论.干燥程度可由煤的脱水率来表征，随着干燥程度的提高，脱水率提高，入炉煤中水分的质量分数越来越低，同时干燥所需的热量越来越多，干燥设备的出口烟温越来越低，从而使得机组各热力性能发生变化.

图4给出了干燥后原煤消耗量不变、入炉煤脱水率在0.06～0.14 kg内变化时，干燥设备出口烟温及机组发电煤耗的变化规律.从图4可以看出，随着入炉煤脱水率的提高，锅炉最终排烟温度和机组发电煤耗均逐渐降低，节能效果逐渐提高.由于排烟温度过低可能会带来尾部受热面低温腐蚀等问题，因此最终干燥程度和排烟温度的选取将是机组增加干燥设备后的节能效果与系统投资和运行安全性的综合权衡.如当入炉煤脱水率达到0.1 kg时，机组发电煤耗从干燥前的297.3 g/(kW·h)降至292.3 g/(kW·h)，节能效果显著，但此时排烟温度已降至86.1 ℃，发生低温烟气腐蚀的危险较高，如果设定入炉煤脱水率为0.08 kg，则排烟温度为92.7 ℃.经核算，在设计工况下锅炉排烟的酸露点约为87.5 ℃，而烟温在92.7 ℃尚处于安全区域，且滚筒干燥机筒内烟气与原煤是直接接触换热，不存在换热壁面，通过做好滚筒干燥机筒壁的保温和耐腐蚀处理即可有效防止干燥机内出现严重腐蚀.

图4　锅炉最终排烟温度及机组发电煤耗随脱水率的变化

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

3.3技术经济性分析

因机组需增加部分干燥设备，故电厂的初投资和运行维护费用会有所增加，但同时在原煤消耗量不变的情况下机组出功会增加，从而售电收益也会增加，最终的净收益增加即为二者的差值.

以所研究机组为例，设计工况下机组出功为600.28 MW，其原煤消耗率为74.0 kg/s(266.4 t/h)，参考文献[12]～文献[14]及设备制造厂的产品说明，拟采用干燥能力为150 t/h的滚筒干燥设备2台.依据文献[14]可估算机组需增加静态投资约4 000万元，若取贴现率k=8%和新增设备寿命n=30 a，可以计算出资本回收系数(αCRF=[k·(1+k)n]/[(1+k)n-1])约为8.9%[13]；新增设备的年运行维护成本可假定为与系统新增投资成线性变化，比例系数通常可取为4%[15].根据文献[16]，假定机组年平均运行小时数为5 000 h，上网电价为0.38元/(kW·h)，则当入炉煤脱水率为0.08 kg时，干燥后的机组经济收益计算结果如表6所示.由表6可知，在设定的干燥程度下，干燥后机组的静态投资会增加4 000万元，此时年化投资成本和运行维护费用共增加515万元，而年售电收益会增加1 545万元，故年均净收益可达1 030万元，经济效益可观.

表6　干燥后机组经济收益计算

4　结　论

(1)对于某600 MW亚临界空冷机组，当利用锅炉排烟将原煤中水分含量由22.6%降至15.9%时，机组的发电煤耗可降低4.0 g/(kW·h)，年均净收益可增加1 000余万元，节能效果显著.

(2)增加干燥设备后，入炉煤水分含量降低，低位发热量增加，使得炉膛理论燃烧温度有所升高，炉内燃烧和传热过程得到大大改善，同时由于空气预热器出口烟温降低，锅炉热效率会有所提高.此外，由于干燥设备利用了部分烟气余热，从而使锅炉排烟热损失大大降低.机组在增加原煤烟气干燥设备后所带来的燃煤总热值和锅炉热效率的提高，是机组发电煤耗降低的主要原因.

(3)随着入炉煤干燥程度的提高，机组热力性能逐渐提高.当入炉煤脱水率在0.06～0.14 kg内变化时，机组发电煤耗可降低3.0～6.9 g/(kW·h)；入炉煤脱水率每提高0.02 kg，机组发电煤耗可降低约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

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251504)；国家自然科学基金资助项目(51476053,U1261210)

董伟(1990-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事电站节能方面的研究.

徐钢(通信作者)，男，副教授，工学博士，电话(Tel．)：13693391352；E-mail：ncepu_xjnl@163.com．

1674-7607(2016)08-0651-07

TK114

A学科分类号：470.10