陳曦

摘要： 根據(jù)我國國情，北方地區(qū)的冬季采暖仍然以燃煤為主.針對前段時期興起的以煤粉爐替代層燃爐作為冬季供暖鍋爐有利于節(jié)能和環(huán)保的說法，以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，從設(shè)備基建投資、能源綜合利用率、運行經(jīng)濟(jì)性等方面對煤粉爐和層燃爐進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明，無論從燃料的選擇范圍、運行經(jīng)濟(jì)性、維修保養(yǎng)還是從供熱負(fù)荷適應(yīng)性和運行安全性角度來說，就應(yīng)用于冬季采暖的鍋爐而言，層燃爐仍優(yōu)于煤粉爐.

關(guān)鍵詞： 燃煤鍋爐； 冬季供暖； 運行； 經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號： TK 223文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： According to the situation of our country， it was still the priority of using coal for winter heating in north China. Based on the earlier idea that it was helpful to energy saving and environmental protection by replacing gratefired boiler with pulverizedcoal boiler for winter heating， the comparisons were made by taking 58 MW coalfired hot water boiler as an example， in terms of equipment and basic construction investment， comprehensive energy utilization degree， economy of running， and so on. It was found that the grate fired boiler was superior to pulverizedcoal boiler for winter heating in the respect of fuel selection， economy of running， maintenance， heating load adaptability and running safety.

Keywords： coalfired boiler； winter heating； running； economic analysis

我國淮河以北處于寒溫帶，冬季嚴(yán)寒，人們通過燃燒化石燃料獲取其蘊含的熱能.而化石燃料燃燒必定會產(chǎn)生溫室氣體（CO2）和粉塵排放，即使是燃用氣態(tài)或液態(tài)燃料也會產(chǎn)生這兩種物質(zhì)，對環(huán)境造成負(fù)面影響.從以更好的經(jīng)濟(jì)性、更有利于環(huán)境保護(hù)的前提出發(fā)，采用何種方法取暖才有利于提高能源利用率、減少溫室氣體和降低粉塵排放、改善生活環(huán)境，這是個值得探討的問題.

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，現(xiàn)在普遍采用區(qū)域式供暖.即在較大的居民小區(qū)（100萬m2及以上）中建設(shè)一個容量較大的供暖點，配置1～2臺燃煤熱水鍋爐，向周邊居民和商用、辦公場地供熱.層燃式燃煤鍋爐（簡稱層燃爐）的熱效率在80%左右，還伴有一定的粉塵排放，因此，近來又提出采用煤粉爐替代層燃爐作為供暖鍋爐，這樣可以提高鍋爐效率約10%.

但是能源利用率是一個綜合性指標(biāo)，包括燃料的前期、中期、燃后處理.煤粉爐要將煤粉碎，并磨成很細(xì)的煤粉，才能送入爐內(nèi)實現(xiàn)良好的燃燒，燃燒后需要將煙氣中更細(xì)小的粉塵分離出來，這些過程都要耗費電能.本文認(rèn)為，煤粉爐能源利用率的提高，是以消耗更多電能為代價的，其表現(xiàn)在：需要將含有堅硬灰渣的煤塊磨制成很細(xì)的煤粉以及將灰渣從煙氣中分離出來的除塵設(shè)備，因此，煤粉爐的實際能耗可能比層燃爐更高[1].本文將從多方面分析煤粉爐和層燃爐的特性.

1工作原理

雖然煤粉爐和層燃爐都以煤炭作為燃料，但是兩者的工作原理不同.由于煤已磨成很細(xì)的顆粒，其燃燒采用室燃，煤粉在爐膛內(nèi)作懸浮燃燒，并且需要在爐膛內(nèi)停留一定時間（一般設(shè)定為2～3 s）.因此，煤粉爐有一個較大的用于煤粉燃燒的空間，通常稱作爐膛.煤粉通過風(fēng)力較高的送粉機送入爐膛后，被爐內(nèi)的高溫引燃、燃燒直至燃盡.所以，煤粉爐一般較高，目的就是確保煤粉在爐內(nèi)有足夠的停留時間，使煤粉充分燃燒，釋放出全部化學(xué)能.

層燃爐使用的塊煤基本上是原煤，顆粒較大，質(zhì)量也較大，風(fēng)力無法將其托在空中燃燒，因此需要有一個火床，使煤塊在火床上燃燒.雖然煤粉燃燒仍然需要一個空間，使其釋放熱量并完成與工質(zhì)的熱交換，但需要的燃燒空間相對較小，因為煤塊在完全燃燒、燃盡時始終停留在火床上.只有非常細(xì)小的煤粉會隨著高溫?zé)煔怙h走.因此，相同容量的煤粉爐要比層燃爐高許多.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]提供的計算方法得出的煤粉爐和層燃爐爐膛參數(shù)如表1所示，其中，爐膛高度指鍋筒中心線的標(biāo)高.

一般來講，煤粉爐以追求鍋爐的熱效率為主要目的，而層燃爐是以在達(dá)到較高熱效率的基礎(chǔ)上盡可能地簡化鍋爐配套設(shè)備和降低基建投資為目的.因此，對于大型發(fā)電鍋爐多采用煤粉爐，以追求更高的能源利用率.而層燃爐則多用于工礦企業(yè)生產(chǎn)所需的工業(yè)鍋爐和冬季采暖.

2鍋爐設(shè)備配置

煤粉爐需要一套煤粉制備系統(tǒng)[4]，將煤塊磨制成煤粉并將其分離，即煤粉爐需配備磨煤機，煤粉粗、細(xì)粉分離器，煤粉倉，煤粉輸送管道，送粉機等.當(dāng)煤粉進(jìn)入爐膛后，為了確保煤粉懸浮燃燒，還需配置一次、二次風(fēng)機，以組織煤粉在爐內(nèi)良好燃燒的空氣動力場.在粗、細(xì)粉分離器分離煤粉的同時，空氣中還會攜帶一些極為細(xì)小的煤粉，通常稱作乏氣.為了充分利用這些可燃物，有的煤粉爐還裝有三次風(fēng)機，將乏氣送入爐膛燃燒.這些設(shè)備的投入不僅增加了基建投資，還增加了使用過程中的運行維護(hù)費用.

而層燃爐使用的塊煤由輸煤系統(tǒng)送入煤倉，通過溜煤管輸送到爐排，由傳動裝置送入爐膛進(jìn)行燃燒.這些設(shè)備都較簡單，一般采用鑄鐵件制造，耐磨性能好，而且造價低，使用方便，維修簡單.

3經(jīng)濟(jì)性分析

3.1基本建設(shè)投資分析

由于相同容量的煤粉爐要比層燃爐高些，鍋爐高度增加，鍋爐房也相應(yīng)抬高，鍋爐房墻面的抗風(fēng)載荷增加，承載鍋爐重量基礎(chǔ)加深，其鍋爐房造價按高度以幾何級數(shù)遞增.顯然，煤粉爐的基建投資遠(yuǎn)高于層燃爐.

煤粉爐除煤粉制備設(shè)備外，還需要輸送設(shè)備，因此煤粉爐需要配備制粉系統(tǒng)和送粉系統(tǒng)，而層燃爐只需助燃用的鼓風(fēng)機.因此煤粉爐增加了場地需求，其全部建設(shè)投資規(guī)模及費用遠(yuǎn)高于層燃爐.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，層燃爐的全部建設(shè)投資約為1 000萬元，而煤粉爐的高達(dá)1 500萬元.

3.2燃料選用和前期處理費用

在燃料方面，小型取暖用的煤粉爐與發(fā)電用的煤粉爐不同，它要求燃用煤種的單位質(zhì)量的含灰量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在10%以下，這是為了簡化尾部煙氣含灰量的處理，降低煙氣后期處理成本.因此，取暖用煤粉爐需要選用優(yōu)質(zhì)的Ⅲ類煙煤，其燃料選擇面小且價格高.而層燃爐由于燃用原煤，只要燃料低位發(fā)熱值在16 000 kJ·kg-1以上即可，對燃料的含灰量也無特殊要求.因為燃料燃燒是在爐排面上進(jìn)行，大量灰渣將落入設(shè)置在爐膛后部的渣坑，其燃料選擇面大而且價格更低.

我國煤蘊藏量雖大，但大多是發(fā)熱值低于18 000 kJ·kg-1的Ⅱ類煙煤，Ⅲ類煙煤的蘊藏量并不多.長期以來，經(jīng)過對劣質(zhì)煤的燃料特性研究以及煙氣對流熱傳導(dǎo)與輻射傳熱相結(jié)合的層燃技術(shù)研究，已經(jīng)成功地解決了劣質(zhì)煤的燃燒問題，我國層燃爐的燃燒技術(shù)已十分成熟[5].

表2為沈陽某供熱站58 MW煤粉爐和層燃爐的運行數(shù)據(jù)，其中層燃爐選自Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)煙煤，煤粉爐選自陜西Ⅲ類煙煤.由表2可知，除鍋爐效率外，無論是燃料品位、價格還是粉塵排放量，煤粉爐都不占優(yōu)勢.

3.3供暖鍋爐運行特點及運行費用分析

在整個采暖期內(nèi)，每月、每日供熱量都不相同.由于熱水鍋爐負(fù)荷隨著供熱量的大小而采取間斷運行，有時需滿負(fù)荷運行，有時又處于熱備用狀態(tài).對于層燃爐，當(dāng)鍋爐處于熱備用狀態(tài)（俗稱

壓火）時，鼓風(fēng)機、引風(fēng)機調(diào)至最小檔，煤的強烈燃燒已經(jīng)削弱，但爐內(nèi)溫度不會很快降低，燃料層、爐墻和受熱面之間仍會繼續(xù)進(jìn)行熱量交換使鍋水發(fā)生汽化現(xiàn)象，尤其在輻射受熱面部分.當(dāng)供熱量大時，鼓風(fēng)機、引風(fēng)機啟動，加大風(fēng)量后，燃料很快就會恢復(fù)強烈燃燒，爐膛溫度迅速上升，鍋爐在1～2 h內(nèi)即可達(dá)到滿負(fù)荷，從而使鍋爐滿足供熱負(fù)荷頻繁變換的運行狀態(tài).

煤粉爐在啟動時需投油助燃，加熱爐膛溫度達(dá)到700 ℃以上，使煤粉可以穩(wěn)定燃燒時才能撤出.在供暖初期及后期，由于取暖量不大，鍋爐熱備用的時間較長，當(dāng)爐膛溫度低于700 ℃，不能引燃煤粉時，應(yīng)該投油助燃.因此，煤粉爐還必須配備一套燃油裝置.而層燃爐就不一樣，鍋爐啟動時只需木柴或沾上油的棉紗即可.

此外，熱水鍋爐必須解決的現(xiàn)實問題是熱水鍋爐必須考慮諸如突然停電、負(fù)荷頻繁變化等一系列運行安全性問題[6].

3.3.1燃料價格比較

雖說現(xiàn)在有專業(yè)制粉廠供應(yīng)煤粉，但其所需制粉設(shè)備的投資費用及運輸費用已經(jīng)攤派在售價中.另外，運輸需要槽罐車，槽罐內(nèi)和煤粉都要保持一定的干度，與原煤運輸相比，煤粉運輸?shù)馁M用高很多，并且還需要注意在制粉、運輸、卸車時的安全性.本文中58 MW燃煤熱水鍋爐安裝在沈陽，使用陜煤（Ⅲ類煙煤），由專業(yè)制粉廠提供細(xì)度為R200的煤粉，其售價（含運輸費）約為1 150元.而層燃爐使用Ⅱ類煙煤，售價（含運輸費）約400元.以58 MW燃煤熱水鍋爐為例，根據(jù)鍋爐燃燒效率、燃料消耗量以及我國2014年動力煤供應(yīng)價格，列出了沈陽某供熱站使用的煤粉爐和層燃爐的燃料費用，如表3所示.

從表3中可以看出，盡管層燃爐的用煤量大于煤粉爐，但由于煤的品位低，在同樣供熱量下層燃爐的燃料消耗費用遠(yuǎn)低于煤粉爐.

3.3.2耗電量分析

在對鍋爐運行采取強制通風(fēng)過程中，煤粉爐與層燃爐相比，其采用的鼓風(fēng)機、引風(fēng)機功率雖有增大，但基本上在同一量級.兩者的除塵器的電機功率也很接近.

煤粉爐和層燃爐的差別是：煤粉爐的磨煤機功率為250 kW；而層燃爐在燃煤進(jìn)給時，齒輪變速箱的傳動功率僅為2×4 kW.顯然，煤粉爐在耗電量上遠(yuǎn)大于層燃爐.

〖BT3〗3.3.3燃料（飛灰）后期處理費用

煤粉燃燒后產(chǎn)生的灰粒中有90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）會隨煙氣流動，在鍋爐尾部將對這些粉塵進(jìn)行處理.對層燃爐采用常規(guī)的方法已經(jīng)達(dá)不到預(yù)期除塵效果，需要采用更加嚴(yán)格的方法進(jìn)行除塵處理，其除塵費用也會更高.煤粉爐和層燃爐煙塵排放量計算如表4所示[7].

式中：Aar為燃料中的含灰量（收到基）；B為每小時燃料消耗量；df為粉塵排放量； η為除塵器除塵效率；Vy為煙氣排放量.

從表4中可以看出，盡管煤粉爐中選擇了低灰分燃料，但由于煙氣中飛灰濃度較大，煙氣中攜帶灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%，其煙塵的原始排放濃度仍遠(yuǎn)高于層燃爐.而層燃爐中由于大量灰渣進(jìn)入尾部的渣坑，被煙氣帶走的細(xì)小灰量較小，故排放濃度較低.

3.4停爐保養(yǎng)

在完成一個采暖期的采暖后，鍋爐停爐，等待下一個采暖期再采暖.其間，需要對鍋爐進(jìn)行維修保養(yǎng).由于煤粉爐需要維修保養(yǎng)的設(shè)備較多，不僅需對水側(cè)進(jìn)行保養(yǎng)，制粉系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等均需進(jìn)行保養(yǎng).而層燃爐的保養(yǎng)就簡單得多，僅需對水側(cè)進(jìn)行保養(yǎng).

從燃料的前期處理、運行過程中的投入、煙塵的后期處理以及停爐保養(yǎng)等方面，煤粉爐的使用成本均高于層燃爐.

4結(jié)論

盡管煤粉爐的熱效率很高，但它也存在粉塵排放問題.

采用煤粉爐供暖，其實際能耗可能會更高.用煤粉爐取代層燃爐，不僅增加了基建投資費用、人員培訓(xùn)費用、維修保養(yǎng)費用，提高了運行成本，而且無益于環(huán)境的改善.因此，不推薦將煤粉爐作為冬季取暖用的熱水鍋爐.

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