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燃气锅炉烟囱保温的经济效益评价研究

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燃气锅炉烟囱保温的经济效益评价研究

发布日期:2017-05-16 作者: 点击:

     

摘 要:燃气锅炉房设计中,锅炉烟囱存在普遍不保温的现象。论文对锅炉烟囱保温的意义进行了针对性的论述。

关键词:燃气锅炉;烟囱;保温;节能

引言

最近几年,随着国家对天然气的开发力度加大,在有天然气供应的很多城市已经逐步取消了传统污染相对严重的燃煤锅炉房,而采用清洁能源天然气供应的燃气锅炉房供热。所以,在北方天然气锅炉房得到大量的建设。现有建设的燃气锅炉房设计中一般对锅炉保温结构设计只做锅炉烟道部分,普遍存在锅炉烟囱没有保温结构层,特别在北方寒冷地区和严寒地区,烟囱没有保温结构设计的锅炉存在尾部受热面和锅炉烟囱底部结露的现象,有的甚至非常严重。现场锅炉运行时凝结水不断从锅炉尾部流出,造成锅炉尾部受热面的迅速腐蚀。有的锅炉甚至刚安装不到1个采暖期,就因尾部受热面腐蚀严重而不能继续使用,给业主和设计方及锅炉厂家造成巨大的麻烦和很大的经济损失。在冬天,甚至常常见到有的锅炉房烟囱下部因凝结水过多(设计没有考虑或者不懂)呈现大量冰冻现象,对地基造成破坏,甚至影响锅炉使用安全,这些都与是否设计锅炉烟囱的保温结构有关。本文对锅炉烟囱保温的意义进行针对性的论述。

造成以上原因主要有两个,一是设计人员根本没有设计烟囱保温;二是设计人员设计了保温,但建设单位认为是浪费投资,没有意义而取消,这也是常有的事。另外,这也是设计单位整体水平的一个体现,可能存在设计人员设计了,但单位有关审核人员受传统或者别的因素影响不认可,也是没法付诸实施的。故对这一问题进行专门的分析研究,以期从理论上解决这一问题。

影响锅炉排烟温度的因素

2.1 排烟热损失

由于技术经济条件的限制,烟气离开锅炉排入大气时,烟气温度比冷空气温度要高很多,排烟带走的热量损失称为排烟热损失。

影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟容积。

排烟温度越高,排烟热损失越大。一般排烟温度每升高1215℃,排烟热损失q2将提高1%,所以应尽量设法降低排烟温度。但是,排烟温度过低也是不合理的,甚至是不允许的。因尾部受热面处于低温烟道,烟气与工质的传热温差小,传热较弱;若排烟温度降得过低,传热温差也就更小,换热器的所需金属受热面就大大增加。此外,为了避免尾部受热面的腐蚀,排烟温度也不宜过低。当燃用含硫分较高的燃料时,排烟温度相应要高一些。因此,必须根据燃料与金属耗量进行技术经济比较来合理决定排烟温度。供热锅炉的排烟温度约为150200℃范围内。对于运行中的锅炉,受热面积灰或结渣将使排烟温度升高,所以在运行时,必须设法保持受热面清洁,以减少q2损失[1]

通常排烟热损失是锅炉热损失中较大的一项,一般装有省煤器的水管锅炉,约为6%12%,不装省煤器时,往往高达20%以上。一些称为煤老虎的旧式锅炉,排烟温度可达400600℃,排烟热损失高达35%40%,浪费大量燃料。

硫燃烧生成的SO2气体,其中约有6%7%SO2会继续氧化成SO3气体。显而易见,燃料的含硫量越高,生成这种腐蚀气体也越多,引起金属受热面腐蚀的可能性就增大。

水蒸气的露点温度,随着烟气中水蒸气含量的高低而变,但一般都不高,在3060℃之间。

可是,当烟气中含有SO3时,哪怕仅为0.005%左右,它与水蒸气形成的硫酸蒸汽的露点就会很高,甚至达150℃左右。这样,当尾部受热面的壁温低于酸漏点时,硫酸蒸汽就会凝结,引起这部分受热面金属的严重腐蚀。

根据研究,烟气中SO3的形成数量,不仅与燃料含硫量有关,而且也与燃料温度、空气过量系数、飞灰性质和数量等有关。当燃烧温度高,空气过量系数又大时,由于火焰中氧原子浓度高,烟气中SO3含量就会大为增多。而烟气中的飞灰粒子则具有吸收SO3的作用;所以在燃油炉中,因飞灰少,炉膛温度高,特别是当烟气中含有较多的钒氧化物时,它对SO2继而氧化成SO3的反应起有催化作用,这些都将使炉膛中形成的SO3含量增多,致使尾部受热面低温部分发生严重腐蚀。

由上可知,锅炉低温受热面腐蚀的根本原因是烟气中的SO3气体,发生腐蚀的条件是金属壁温低于烟气露点温度。因此,如能进行燃料脱硫、控制燃烧以减少SO3、使用添加剂(如石灰石、白云石等)加以吸收或中和烟气中SO3以及提高金属壁温,避免结露,则可有效地减轻和防止低温腐蚀与堵灰。但由于技术和经济的原因,目前国内采用最多的办法是提高壁温,即相应提高排烟温度。严格地讲,如要避免受热面金属腐蚀,壁温应比酸露点高出10℃左右。这样,排烟温度将大为提高,显然是不经济的。因此,目前为了减轻尾部受热面腐蚀,只能要求受热面的壁温不低于烟气中水蒸气露点。

排烟热损失是锅炉机组热损失中最大的一项,一般为5%12%。一般排烟温度每增高1520℃,会使q2增加约1%。目前,电厂锅炉的排烟温度约为110160℃。工业锅炉的排烟温度还要高些[2]。一般管式加热炉的烟气热量损失数据见图1

    例如,在《小型锅炉和常压热水锅炉技术条件》(JB/T7985-2002)中第6.1.4要求带尾部受热面的锅炉,排烟温度不应大于170℃;不带有尾部受热面的锅炉,排烟温度不应大250℃。燃气锅炉的最低效率为86%90%[3]

《管式加热炉规范》(SY/T05382004)第4.2.6,要求,当无有效防止烟气露点腐蚀的材料和措施时,新建管式炉不宜采用空气预热器。第5.5条要求,当设计热负荷小于2500kW,效率≥85%;当设计热负荷大于等于2500kW时,效率≥90%

排烟温度应确保尾部换热面金属表面温度高于烟气漏点温度,防止加热炉尾部换热面的露点腐蚀。当燃料中的硫含量大于0.1%,时,且在设计参数、结构或选材上缺乏有效的防止露点腐蚀措施时,尾部换热面最低金属表面温度不应低于图2的数据。

2.2 低温受热面烟气侧腐蚀 - 低温腐蚀

1)烟气的水露点、酸漏点和低温腐蚀烟气进入低温受热面后,其中的水蒸气可能由于烟气降低或在接触温度较低的受热面时发生凝结。烟气中水蒸气开始凝结的温度称为水露点。纯净水的蒸汽的露点决定于它在烟气中的分压力。常压下燃用固体燃料的烟气中,水蒸气的分压力P=0.01MPa0.015MPa,水蒸气的露点低达4554℃。可见,一般不易在低温受热面发生结露,但如果凝结时可能使受热面金属产生氧腐蚀。

当燃用含硫燃料时,硫燃烧后形成SO2,其中一部分会进一步氧化成SO3SO3与烟气中的水蒸气结合成为硫酸蒸汽。烟气中的硫酸蒸汽的凝结温度称为酸露点。它比水露点要高很多。烟气中SO3(或者硫酸蒸汽)含量愈多,酸露点就愈高。酸露点可达140160℃甚至更高。烟气中硫酸蒸汽本身对受热面金属的工作影响不大,但当它在壁温低于酸露点的受热面上凝结下来时,就会对受热面金属产生严重腐蚀作用。这种由于金属壁温低于酸露点而引起的腐蚀称为低温腐蚀。

强烈的低温腐蚀通常发生在低温级空气预热器中空气和烟气温度最低的区域。低温腐蚀造成空气预热器受热面管子穿孔,空气大量漏到烟气中,致使送风不足,炉内燃烧恶化,锅炉效率降低;同时腐蚀也加重睹灰,使烟道阻力增大,严重影响锅炉的经济运行。

2.3 小结

1)锅炉排烟温度的因素和燃料是否含硫有关。如果燃料含硫,一般需要另外的工艺流程进行处理,本文只针对清洁的不含硫的天然气进行了论述。

2)使用不含硫的清洁天然气燃料,若要提高锅炉使用效率,就得降低锅炉排烟温度,而排烟温度受烟气中蒸汽的影响,而水蒸气的露点温度,随着烟气中水蒸气含量的高低而变,但一般都不高,为3060℃。

故在比较低的排烟温度下,由于锅炉设计选用时余量大的因素,使锅炉运行长期处于低负荷状态,即运行负荷达不到设计额定出力,从而使排烟温度进一步降低,加之锅炉不保温,在北方寒冷或严寒地区,烟囱底部发生冰冻现象就难以避免。

烟囱保温负荷理论计算及保温设计

3.1 烟囱保温材料的选择

烟囱保温材料采用硅酸铝耐火纤维板,具有保温隔热性能好、化学稳定性好、不燃烧、吸湿性小、憎水率96%、导热系数小[0.036W/(m·K)]等特点,使用温度范围高,可耐高温。硅酸铝耐火纤维板是目前国内在设备保温中使用较多的一种新型保温材料,其耐高温特性,使其具有很好的防火功能,非常适合于烟囱的保温,且具有良好的保温性能好,价格便宜,取材容易,施工方便,结构简单。

3.2 烟囱保温层外保护层选择

保温层外部的防护结构选用,可根据实际中锅炉房的位置确定。若在对环境美化要求较高的区域,可选用整齐美观、刚度大、具有防水防腐性能好的不锈钢板保护层。一般要求不高的地区用普通镀锌钢板外保护层即可。也有用非金属材料做设计的,但考虑到烟囱一般所处室外环境较恶劣,受风、雨、雪、高温、低温、潮湿的影响,建议采用金属外保护层防护较好。

外保护层具有延长保温结构材料的使用寿命,防止雨水及潮湿空气的侵蚀,确保保温材料的保温性能及保护作用,施工工艺好亦可达到美化和协调环境作用。

3.3 烟囱不保温散热损失

4.2MW的燃气热水锅炉烟囱:高25m,直径为0.7m的钢制平壁烟囱:

烟囱散热量q1=kFΔ1

式中,k为烟囱传热系数;F为烟囱表面积;Δt为烟囱内外温差。

3.4 烟囱保温的散热损失及保温层厚度计算

1)烟囱散热损失的确定

烟囱的保温层最小厚度按照《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB2026497)附录B最大允许热损失量[Q](W/m2)时烟囱的散热量,即表1确定[4]。按表中设备管道外表面温度T0200℃时,按季节运行工况下绝热层外表面最大允许热损失量[Q]244W/m2计算确定。计算公式为

 

结论及建议

4.1 结论

1)保温前后散热量的对比:由以上可知,在计算条件下,锅炉烟囱不保温前的散热量为78kW,而保温后的散热量为6.74kW,只有保温前的8.64%。散热量减少损失为71.26kW

2)在计算条件下:考虑保温结构辅助材料费用,每立方米保温材料实施后综合造价按2500元考虑。则增加考虑烟囱保温后增加工程直接费8950元。

3)在计算条件下:锅炉额定负荷为4200kW,增加保温层后减少热量损失为的比例为1.7%。所以在同等使用条件下:锅炉排烟温度可以降低25.534℃。

4)单台锅炉一个采暖期而可节约的热量为180×24×71.26=307843kW/h=1108236kJ,按每700kW/h的热量消耗天然气80m3估算,则节约天然气35182m3,折合人民币84437元(天然气价格按2.4/m3计)。

5)若按一次保温使用15a计,计算条件下:静态投资纯回收15×84437-8950=1257605元。由此可见,燃气锅炉房烟囱设计保温层是非常必要的。

4.2 建议

1)燃气锅炉房烟囱增加保温结构设计,可以达到保护锅炉减少锅炉尾部受热面腐蚀和节能降耗的双重作用。

2)建议在以后的锅炉房设计规范的修订中对烟囱保温做适当的专门性的条文规定。

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