燃煤企业节能整体解决方案

北京军信绿洁环境科学技术研究院   技术部 

节能降耗是一个系统性的方案，不是单靠一个产品和一个方法就能达到节能降耗的目标，成熟、先进的高效节能减排技术组合方案是燃煤企业必须具备的管理机制，从管理节能、设备节能、工艺节能，针对燃煤企业的管理控制系统、制粉系统、燃烧系统、电机传动系统等高能耗环节，提供节能、减排、提升产品质量的高效解决方案，而具体方案的提供需要解决企业实际生产环境和条件来提供最合适的方案。
　　解决方案的效益：发电煤耗下降；大幅减低二氧化硫、氮氧气体排放；清灰除焦；提供管理的自动化控制水平；降低制粉电耗；建立企业能源管理中心，实施能源的全面控制；方案坚持四项原则：
　　⊙ 不影响原有生产工艺，不增加能耗水平；
　　⊙ 选择最优技术和参数；
　　⊙ 设计完全符合安全生产规范；
　　⊙ 更少的资源消耗、更低的环境污染。
　　合同能源管理模式：合同能源管理(简称EMC)是一种基于市场的、全新的节能新机制。是一种在国际上成功运用的节能服务新模式。该模式由能源服务公司(简称EMCo)与客户签订能源项目服务合同，由EMCo进行融资，向客户提供能源审计、可行性研究、项目设计等节能改造服务，并通过与客户分享项目实施后产生的节能效益的方式获得利润。其实质就是以减少的能源费用来支付节能项目全部成本的节能业务方式。这种节能投资方式允许客户用未来的节能收益为工厂和设备升级，以降低目前的运行成本。
　　EMC项目客户可获取的收益：
　　⊙降成本、节能耗：专业化的节能方案和整体服务，确保获得20%以上的节能效果；
　　⊙零投资、低风险：规范化的EMC项目全程的资金和管理，零投入享受节能服务；
　　⊙省人力、少操心：从设备采购到运行维护一条龙节能服务，无需增加人力物力投入；
　　⊙减费用、增收入：节能改造可降低设备磨损、设备故障率,减少设备维修费用。
　　项目简介：
　一、黑洞能节煤助燃剂产品简介  
     （一） 产品成份：
　    本产品主要含有渗透力极强黑体辐射材料、催化剂、消烟剂等成份组成。
      本产品分液体、固体两种，广泛用于大中型电厂的煤粉炉、流化床炉等各种燃煤锅炉。
     （二） 工作原理：
　   依据燃烧动力学、量子力学理论、黑洞辐射理论以及燃烧过程的氧吸附、反应产物分解的扩散控制，运用黑洞能激发“微爆”和碰撞机理产生高能量，使炉膛温度和氧分布更加均匀，并使燃煤中的可燃物迅速、充分燃烧。通过降低燃煤着火点，使之在高温条件下节煤助燃剂与煤/碳粒一起产生微爆，产生二次能量,实现延长燃烧时间，达到助燃、提高燃烧效率的节煤目的。黑洞能节煤助燃剂加入燃煤锅炉后，在高温区与黑洞能热辐射波相遇，直接作用于煤炭，使水与节煤剂中的化学组份充分混合。在炉内燃烧过程中，雾化、并形成可燃烧混合气体。在催化剂、改性剂、助燃剂、消烟剂、固硫剂、膨化剂、裂解剂等作用下，产生离子交换，将排放出去的烟气形成易燃的水煤气，转化为新的高能可燃能源。同时又促使煤与水蒸汽在高温下加速反应，释放出氢气、氧气再次加入燃烧。

黑洞能节煤助燃剂通过雾化进入炉膛，经过先进的催化、微爆、改性、裂解等物理技术过程，释放出大量的热量，替代了部分燃料，大大节约了煤炭的用量。

黑洞能节煤助燃剂在炉内作用过程中，受黑洞能量剂辐射热波作用，能提高燃煤燃烧温度，提高锅炉燃烧效率，提高烟气和飞灰、炉渣等燃烧产物的燃尽程度，降低锅炉化学和机械未完全燃烧损失，从而提高锅炉热效率，达到节约燃煤的目的。

（三）产品作用
      1、火焰温度的改变：加入黑洞能节煤助燃后，因催化作用在煤炭燃烧时火焰内部充入高密度氧，从而提高了火焰内焰、中焰的温度，使火焰的外焰得到相助（不加剂时，只有外部燃烧，为焰内核缺氧不燃烧呈黑色），达到燃烧在高温状态下更充分燃烧，从而提高炉膛温度。
　  2、煤中的一部份水得到利用：正常运行时，水作为火床稳定燃烧的调解剂，但它是煤燃烧中的主要介质之一，加入黑洞能节煤助燃后，煤中的水遇热后蒸发出水蒸气，通过强催化剂与高温烟气混合，瞬间形成可燃气体参与燃烧增加热能。
    3、灰渣里面的金属化合物及非氧化物得到利用：煤里面的灰份也是煤燃烧中的主要介质之一，加入黑洞能节煤助燃后，通过催化、氧化、膨松等过程，使灰渣中的金属化合物及非氧化物参与燃烧增加热能，又使灰渣总排放量减少30%以上。
    4、火床的燃烧面积密度加大：火床燃烧时，由于燃料及机械特性所至，火床的燃烧不稳定、不均匀，火苗的分部蔬密不定，火床燃烧后高低不平浪费了有效的火床面积和燃烧，加入添加剂后，火床燃烧平整，燃煤得到了良性燃烧。燃烧区扩展，向后延伸约1/4-1/3。
  　5、固定碳的充分利用：由于黑洞能节煤助燃的催化作用，改变了原始燃烧状态，致使C-C链提前断裂，火焰温度提高，火床疏松燃烧充分，降低了炉渣的含碳量。
  　6、煤床膨胀与疏松：比平时高约0.2倍多。
    7、烟气里林格曼黑度降低：排放的黑烟变白烟。
    8、长期使用后：减少锅炉系统的磨损、降低炉膛内的烟垢及结焦，对于延长设备使用寿命具有特殊的作用。
  （四）用途特点
    黑洞能节煤助燃剂用于各式以煤炭做燃料的一切燃煤锅炉如：层状锅炉链条炉、抛煤炉、往复炉、沸腾锻造炉、窑炉、煤粉炉流化床炉等工业锅炉企业包括电厂、水泥厂、石灰窑厂、制药厂、酒厂、陶瓷厂以及各类使用蒸汽的企业。各煤矿生产的原煤也均可使用。
    产品有以下特点： 
   （1）产品使用过程中添加方便（一吨煤中添加一公斤节煤剂），操作简单，无须改造锅炉。 
   （2）产品不含任何易燃的有机物，无味、无毒、无害、无污染。 
   （3）产品质量稳定。在指定的条件下储存（如不日晒、不受潮等），三年不变质。产品质量达符合北京军信绿洁环境科学技术研究院企业标准要求，本标准已通过质量标准备案。 
   （4）产品的渗透效果好。添加了黑洞能节煤助燃剂的煤，在指定的条件下储存（如不暴晒、不浸泡在水中等），半年内不失效。 
   （5）产品呈中性，长期使用黑洞能节煤助燃剂可减少锅炉系统的腐蚀，对延长设备使用寿命具有特殊的保护作用。 
   （6）产品齐全，黑洞能节煤助燃剂为系列产品，根据不同的锅炉，选择不同的产品使用。
   （五）使用方法
    1、按用煤量的 0.7%～1 ‰ 掺入煤中，原则上优煤少用，劣质多用。掺入前，先把添加剂倒入10～40倍的水中搅拌稀释，然后喷洒入煤中，搅拌混合，使煤的含水总量不超过10%为最佳，通常采用手测法，现场抓一把原煤，如成团有裂纹说明水分适量；如成团无裂纹说明水分多了；如不成团松散，说明水分不足。
    2、根据炉膛温度：煤层厚度以不超过12cm为宜，还应放慢炉排速度，适当缩小鼓风机、引风机挡板开度。
    3、黑洞能节煤助燃剂的加入，大中型锅炉自动输煤系统有补水装置补水喷头，按相应的剂量将浓缩液配制后添加在补水装置内，随补水喷头喷洒在煤上；小型锅炉使用时，按照比例配制直接喷洒在煤炭上；型煤加工时加剂加水方式同大中型锅炉相同。
   （六）产品效果
    1、提高锅炉热效率5～10%，降低炉渣可燃物含量15～20%。
    2、直接经济效益：同等条件下，节煤率 15%～20% 。
    3、环保效益：降低烟尘及二氧化硫等有害气体排放总量 50% 以上，达到国家和地区环保指标。
    4、提高热效率：持续使用15～20 天后，锅炉水冷壁管对流管束受热面烟垢会逐渐减薄至脱落，提高了锅炉热效率。
    5、 PH 值为中性，对受热面金属表面没有腐蚀。
    ☆ 间接效益分析：
    1、机械磨损相应降低，延长设备的使用寿命。
    2、减少锅炉烟垢，提高导热系数及保护锅炉，提高锅炉热效率。
    3、降低环境污染，减少炉渣数量。
    4、降低司炉人员的劳动强度。
    5、减少脱硫药剂的使用数量
    ☆ 储运注意事项：
    1、液体、固体黑洞能节煤助燃剂，无异味，不易燃，按一般化工品贮运。
    2、储藏在阴凉，避光处，防潮，防热，避免误食。
    3、长时间贮存若发生沉淀摇匀后不影响使用效果。
    ☆ 市场前景分析：
    (1)经济效益分析：
     ◇ 根据黑洞能节煤助燃剂在电厂流化床炉、煤粉炉现场测试和使用的结果，节煤率在3%～6%。按最低值3%计算，国家每年用于火力发电的煤约15亿吨，如节煤率为3%，一年节煤0.45亿吨。如每吨煤500元，可节省225亿元。
     ◇ 根据黑洞能节煤助燃剂在链条炉现场测试和使用的结果节煤率在10%～25%，按20万吨/年，节煤率按最低10%计算，一年节煤2万吨，如每吨煤650元，年节省1300万元。
  （2）社会效益分析：
    国家火力发电的流化床炉、煤粉炉节煤率为3%以上，按节煤率最低3%计算，也就意味着国家火力发电每年减少二氧化碳排放1093.5万吨（每吨煤产二氧化碳0.234吨）；烟尘排放900万吨（每吨煤产烟尘20%）；减少二氧化硫排放45万多吨（含硫1%的低硫煤）。黑洞能节煤助燃剂实际有效地使煤在锅炉内充分燃烧，能同时降低烟尘和二氧化硫的排放，达到能源节约、能量高效清洁利用，使煤高效洁净燃烧。做到节能减排，保护环境。
    二、黑洞能喷涂剂产品节能防腐
　　节能防腐涂层选择是很重要的，防腐蚀涂层材料除考虑其阳极性外(即选择阳极电位低于钢铁的金属成份)，还应要求其热膨胀系数接近钢铁材料，具有良好的塑性，以避免脱层，材料还应具有一定的抗冲蚀能力。对选择的一种或几种材料应进行喷涂试验、性能试验和对比试验等。
　　对于水冷壁防高温腐蚀和磨损喷涂，黑洞能喷涂剂喷涂后涂层与基体金属表面产生原子扩散，形成冶金结合，涂层又形成粗糙表面，便于与工作层连接，提高涂层的结合强度。黑洞能喷涂剂的膨胀系数与水冷壁管材料接近，使涂层在交变热应力作用下不会脱落，它具有抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性好、抗冲刷、耐磨能力强且价格便宜等特点，涂层厚度0.8～1.5mm，应用黑洞能喷涂剂具有很好的节能效果，炉膛内喷涂后单体可节约燃料3%～6%以上。喷涂工艺如下：
　　（一) 喷砂打磨：
　　黑洞能喷涂剂喷涂前的基体表面必须清洁、无油污、且须达到清洁和毛化要求。喷砂打磨的目的是使水冷壁管表面呈灰白色的金属外观和均匀粗化。喷砂后，基体表面粗糙度应达到Rz40~80um。且干燥、无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。选择磨料时，根据基体金属的种类和涂层的厚度而定，磨料必须清洁、有棱角，才能保证涂层与基体结合良好。可选择棕刚玉和冷硬铸铁砂等符合有关规定的磨料进行打磨，磨料有棱角，清洁、干燥、没有油污、可溶性盐的游离物和长石，以对表面进行仔细的清理及有效的表面毛化，达到提高喷涂黑洞能喷涂剂结合强度的目的。
　　（二) 防腐磨喷涂：
　　使用冷喷涂技术对水冷壁进行喷涂黑洞能喷涂剂，设计喷涂厚度0.8～1.5mm。喷涂表面达到均匀、致密。喷砂后的水冷壁管，应尽快进行喷涂，节能防腐涂层A、B剂喷涂施工完毕后，自然阴干至少10小时以上，然后缓慢升温固化烧结，升温速率0～200℃范围，50℃/小时；200～400℃范围，50～100℃/小时；400以上，100℃/小时，直至升至最高工作温度为止，总之升温速率越慢越佳，切忌升温过快，否则容易发生涂层发裂脱落，新筑炉膛的燃烧结，更须无效缓慢，一般按新炉膛燃烧炉膛要求即可。
　　（三) 防腐处理：
　　对于防腐喷涂，必须加封孔剂，以避免腐蚀物质通过涂层的孔隙往里面渗入，直接腐蚀母材，或间接减少黑洞能喷涂剂的有效厚度。封孔剂选择有机硅加铝粉喷涂覆盖在涂层上面。
　　（四) 现场检测：
　　黑洞能喷涂剂喷涂完成后，应进行外观检查，涂层表面致密、均匀、颗粒细小，不允许有起皮、鼓泡、大溶滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。使用日本原装进口的磁性涂层测厚仪进行现场实测，厚度达到要求，可以保证工程质量。
　　（五) 喷涂效果分析：
　　1、与渗铝管防腐效果对比分析：为了防止高温硫腐蚀，火电厂在水冷壁中设置卫燃带，以前常采用渗铝管，实际上，用黑洞能喷涂剂可以取得相同的或更好的效果。
　　试验证明，喷涂黑洞能喷涂剂可使水冷壁管的使用寿命更长；在水冷壁卫燃带采用渗铝管，经常发现焊缝出现严重的硫腐蚀，这是渗铝管无法克服的弊端，而使用冷喷涂技术由于在材料价格上的优势，则可在水冷壁管、卫燃带带等主要部位加厚喷涂黑洞能喷涂剂，其他部位普遍进行喷涂，这样的施工方法是其他喷涂材料无法做到的。
　　2、运行后的涂层检测：山东夏津电厂1#炉用冷方法喷涂水冷壁管、卫热带，经过长期运行外观检查，涂层完好，未见裂纹、起皮、脱落等任何宏观缺陷，也未因腐蚀原因造成爆管等。
　　在循环流化床锅炉水冷壁管中隔墙在停炉时割管取样分析，该样自炉内现场实施喷涂后已连续运行6800余小时，根据出具的检测报告，试样涂层完整，未发现有剥落现象，涂层约1.2mm。与基体结合良好，结合部位未发现明显缺陷。
　　3、黑洞能喷涂剂节能原理：黑洞能喷涂剂固化后形成牢固涂层，该涂层因其表面黑度高，故能吸收大量的辐射热能，又因其发射率高故能将吸收的辐射热能转换成物体易吸收的黑洞热能以电磁波的形式传递；其中黑洞能喷涂剂的涂层厚，黑洞的比表面积大、热阻大、反射率高，用于炉壁耐火材料表面，将散失的热能转换成黑洞热能以电磁波的形式辐射回炉膛，为炉膛内的被加热物体、水冷壁、燃料和燃烧床所吸收，而不易被烟气吸收，从而将热能留在炉膛内，不仅降低了排烟温度，而且使炉膛及燃烧床温度升高，使燃料和烟气中的可燃成份得到充分燃烧。在传热过程中，黑洞能喷涂剂涂层不仅将吸收的辐射热能转换成黑洞热能传递，其自身变成黑洞热源，而且也因其表面温度的提高，导致温度梯度增大，使被加热物体的热能传导强度增强，吸热能力大大提高。总之，通过黑洞能喷涂剂将幅射热能转换成黑洞热能产生的直接作用，提高了炉膛温度，减少了排渣、排烟的可燃成份，降低了排烟温度，增强了被加热物体的热能吸收速度，促使微爆热共震的发生，大大促进燃烧效率，减少了热能损失，达到节能的目的。
　　（六) 水冷壁管的可靠性：
　　水冷壁管的可靠性，直接关系到电厂机组是否能安全有效运行，但锅炉运行中对不可避免地对水冷壁管造成腐蚀、冲蚀(磨损)，使其有效承载能力下降、安全性降低。黑洞能喷涂剂能对水冷壁管表面实施有效保护，使其外表面基本不受损伤，可大量节省材料更换费用及维修费，减少或避免非计划停炉，降低运行成本，直接经济效益和间接经济效益都很高，有极大的开发利用价值。
　　另外，涂层的存在，要求对涂层的厚度和覆盖的完整性进行严格监控。而只要保证喷涂层的完好，就在很大程度上保证了水冷壁管的完好性。在原有对水冷壁管进行监督检查的基础上，对涂层的检查增加了对水冷壁管的监督力度，提高了水冷壁管的安全性。时间证明喷涂技术能够对锅炉的水冷壁的保护提供一个非常可靠的解决办法。
　　三、富氧燃烧：富氧局部增氧助燃高新集成技术是国家发改委于2008年5月发布的中第27项节能技术，也是最高效、最经济、最洁净的高新节能集成技术。
　　富氧助燃技术能够降低燃料的燃点，加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的排气量、提高热量利用率和降低空气过剩系数，被发达国家称之为“资源创造性技术”。用浓氧代替空气助燃，可适当降低空气过剩系数,这样燃料消耗就相应减少，从而节约能源。日本节能中心技术部长小西二郎在工业窑炉节能措施中,着重于降低空气过剩系数的研究。他在一台热处理炉中经多次试验，将空气过剩系数从1.7降到1.2，平均节能达13.3%。
　　四、制粉系统自动控制解决方案：针对不同制粉系统控制对象，分为三种系统结构。
　　利用DCS平台实现：对已经实现DCS，利用DCS的优势，便于操作维护，减少系统投资，建议采用该方案。
　　系统可实现功能：磨煤机负荷优化控制、入口负压和出口温度控制，断煤和满煤识别和处理。
　　利用大型DCS现有的软硬件实现磨煤机负荷控制系统，可以达到磨煤机负荷控制与现有DCS系统的完全融合，且由于充分利用了DCS的可扩展性，无需追加过多的投资，并可以大大减小系统开发和维护的工作量，对已实现DCS技术改造的企业来说是一种值得推荐的实施方案。
　　采用智能调节器实现：采用智能调节器的方案，系统造价便宜，可实现基本功能——磨煤机负荷优化控制、断煤和满煤识别。
　　对没有实现DCS改造的小型锅炉，推荐采用该方案。系统结构简单，占用空间小，可实现基本控制功能，不改变原有操作模式，并可以在不停机的状态下进行安装调试。
　　采用小型DCS实现：针对没有实现DCS控制的大型机组，推荐采用该方案。系统可实现的功能包括基本功能和扩展功能。
　　五、锅炉燃烧优化控制系统
　　（一) 概述

锅炉燃烧运行状况的好坏不仅影响到锅炉的安全运行，而且影响到锅炉的燃烧效率，NOx、SOx和COx的排放对锅炉寿命及相关设备的寿命有较大影响。
　　目前，我国绝大多数锅炉的燃烧控制，仍采用人工判断，手动操作的运行方式，尽管局部实施了某些回路的自动控制一方面自动投入较少，另一方面没有从整个锅炉燃烧控制方面进行考虑，所以作用较小。
　　通过优化DCS控制参数和目标参数，实现锅炉燃烧优化控制，从而提高锅炉热效率，降低污染物排放，具有显著的经济效益和社会环保效益。
　（二) 技术原理
　　锅炉燃烧这一工艺过程，是一个多变量、强耦合、大时变的控制对象，而且部分关键量不易直接测量。
　  采用多传感器信息融合技术实现对锅炉燃烧过程中难以检测物理量的测量和状态量的表征，并对燃烧状况进行评估。
　　采用混合优化模型的建立和动态优化技术实现对整个或者部分锅炉燃烧过程的模型构建和运行参数优化。
　（三) 技术方案
　　1.系统结构：因为现在大多数电厂已经采用DCS，DCS中几经包含了整个锅炉燃烧中的运行数据，因此采用通讯方式即可从DCS中获取优化所需的数据，包括实时数据和历史数据。
　　锅炉燃烧优化控制站通过对实时数据和历史的数据的分析和处理，给出控制参数和优化参数。
　　2.控制系统的软件采用功能模块的结构，各个软件功能可以进行组态各个软件功能可以进行组态，以满足用户不同的需求。软件功能模块包括：控制参数优化模块，含氧量软测量模块，风粉量优化模块，锅炉安全评估模块，故障诊断模块，历史数据回放与分析模块等。
　　3.为了确保锅炉运行的安全和操作人员对软件的适应，优化系统可以工作于指导方优化系统可以工作于指导方式和调节方式。指导方式即将对系统的运行状况进行分析，将需要调整的参数显示出来，供操作人员参考。调节方式，即优化系统直接将优化结果传递给DCS，实现对控制参数和优化目标值的调节。

（四） 技术指标：
　　实现锅炉运行参数的在线优化和燃烧优化控制；具有指导调节和自动调节两种运行方式；锅炉运行安全性评估；锅炉运行数据保存；锅炉运行数据挖掘与分析。
　　（五） 经济指标：
　　提高锅炉燃烧效率0.5%～2.5%；降低NOx排放5%～20%，降低SOx和COx的排放；降低飞灰含碳量2%～5%。
　　（六） 社会效益：
　　提高能源利用率，节能降耗；提高锅炉运行自动化水平；减轻运行人员的劳动强度；延长设备的使用寿命；减少事故，提高安全生产率。
　　（七) 经济效益分析（以30万千瓦的燃煤机组为例）：
　　年耗煤量60万吨，经过优化控制后，假设将锅炉热效率提高1%，年节煤60万吨×1% = 0.6万吨；假设煤价为560元/吨，年节煤产生效益0.6万吨×560元/吨 = 633万元。