水燃料技术与发电锅炉节能减排系统
一、所属类别：重点节能技术
二、适用范围：工业水处理、凝结水（除盐水）精处理领域，适用于发电（工业）锅炉的汽/水系统中给水系统精处理。
三、技术内容：
（一）技术原理
1.1、水分子构象浅释
(1)水的结构特征与水分子构象关系
水分子为H2O，是三原子分子，两个氢氧键的键长0.0984nm，两个氢键间距离为0.154nm，两个氢键与氧键的夹角约为104˚58′，如图1-A所示。在H2O分子中，三个原子核以氢核为底，氧核为顶呈等腰三角形的方式排列，并在氧核一端裸露出来形成两个带负电荷的极，在氢核一端裸露出来形成两个带正电荷的极，这四个极不在一个平面上，它们的相对位臵类似于一个楔形四面体，如图1-B所示，从而构成了一个极性很强的分子。
由于H2O在正极一方有两个裸露的氢键，在负极一方有氧的两对孤对电离子，这样就使每一个H2O 都可以把自己的两个氢键核交出与其它两个水分子共有，构成水分子间氢键(H:O-H)，同时带负电极的氧核两对孤对电子又可以接受第三、第四个氢键，也以氢键相连。在聚集体中，单个水分子会和最多达四个其它水分子通过氢键相结合，称为水分子构象，如图1-C 所示。
被H2O 极性相连的四个其它水分子的外围正、负极同样又再与另外的水分子继续生成独对水分子间氢键(H:O-H)，这种现象称为水分子的缔合现象，如图1-D 所示。所以，水是单个H2O 和(H2O)n 的混合物，(H2O)n 称为水分子构象，[(H2O)n〃n]称为水分子团簇的构型。这些团簇是动态的，在皮秒(lps=10-12s)量放的时间尺度上不断地分裂、重组。水分子中H-O 键的键长和键角，以及水分子间氢键(H:O-H)的键长与取向，都可以在较大的范围内灵活地调节。
(2)温度与水分子构象关系
由于氢键(H:O-H)的作用，水分子间极容易发生缔合或解离。
缔合是放热过程，温度降低，水的缔合程度就增高，缔合水分子数量变大(n 增大)；解离是吸热过程，温度升高，水的缔合作用降低(n 减少)。在固体冰的结构中，缔合的水分子间氢键(H:O-H)数目达到最高饱和值，每个水分子可形成四个氢键，但每两个分子之间只存在一个氢键，形成了稳定的六方晶系，在分子间保持较大的空隙。当冰受热融化水时，分子热运动增强，使一部分水分子间氢键(H:O-H)被削弱以致解离；由0℃的冰转化为1℃水时，大约有15%的水分子间氢键(H:O-H)解离；在20～40℃的范围，大约有一半左右的水分子间氢键(H:O-H)解离；即使达到100℃时，也仍然有一部分水分子间氢键(H:O-H)存在；只有在水蒸汽中，分子间缔合的氢键(H:O-H)才完全消失，呈单个气态水分子(H2O)存在，如图2 所示。
因此水分子构象中缔合氢键(H:O-H)的数目和水分子团簇构型中[(H2O)n〃n]的n值是主要由温度决定的，在某个热工况条件下，相同温度的液态水（除盐水）的水分子构象(H2O)n 和水分子团簇构型[(H2O)n〃n]的n 值是常数。
当水在热力系统流动受热时，热量一方面消耗在水体的温度升高上，另一方面消耗在缔合分子的解离上。例如，锅炉给水在蒸发过程中，汽化热一方面消耗在锅炉水体的升温上，另一方面消耗在温度变化过程锅水的水分子构象(H2O)n、水分子团簇构型[(H2O)n〃n]的解离上。
1.2、节能原理
中山大学著名物理学家张进修教授（附件11）提出了“水分子构象重组节能理论”：液态（水）比汽化热指一定压强下，单位质量物质由液相变为同温度的汽相所需的热量称为汽化热（heat of vaporization）,又称汽化焓（ enthalpy ofvaporization）、蒸发热。由于汽化热只用于改变物质的相而不改变物质的温度， 所以又称汽化潜热（latent heat of vaporization ）。
由于水在汽化时，体积和位形的变化很大，在液态时，水的位形（即水分子的整体排列分布）主要由水分子间的氢键作用性质\强度及数量所确定；而汽化后，大部份氢键会断裂。因此，将由汽化热来提供氢键断裂所需的能量和汽体分子的动能。当液态水的位形（水分子间的氢键作用性质\强度及数量）发生变化时，就会改变水的汽化热。
电厂锅炉除盐水从液态→汽态→液态（凝结水）循环过程其水的位形（水分子间的氢键作用性质\强度及数量）均为常数，当液态水（除盐水、凝结水）吸收同步共振频率（外力）后水的位形（水分子间的氢键性质\强度及数量）就会发生变化，表现在表面张力、粘度、介电常数、介电损耗（能量）和汽化热等物理量的变化，汽化热值越小，表示由液相变为汽相所需的热量越少，说明节能。
1.3、减排原理
发表在中国特种设备安全杂志的《水的结构、杂质与锅炉节能减排》论文指出:水（锅炉给水）中结成配合物的离子具有双重性质，第一，它们仍然是属于溶于水中的溶质，计算在溶解度内；第二，由于它们已经是整个配合物的一个部份，已不再是自由离子，它们不再像那些仍然未结成配合物的离子，具有可以自由地参加有关反应的性质。
锅水给水（除盐水、软化水）残存杂质离子，当水杂离子（阴离子、阳离子）吸收同步共振频率（外力）后成为水合离子，因阴、阳离子电位相吸而配位成离子对晶核（人工合成的纳米级配合物），在液态→汽态的蒸发过程，配合物虽然被计算在溶解固形物（TDS）含量中，但它却不能自由地参加有关积聚成水垢的反应，只能不断吸收其它不自由离子长晶成水渣，从而降低了锅水中溶解固形物的数量，因此，锅内水质工况更趋稳定，锅水排污量则明显减少。
1.4、工作原理
ZDZN 顺磁共振场水处理工作原理：研究水中物质（水分子、水杂离子）不同工况条件下的分子振波数学模型，掌握共振场力学动态分布软件，计算力场与分子振波同步的共振频率，设计出具有释放特定共振能量协同效应作用力的水处理装臵（专利技术）。通过工作区的水分子受外加能量作用力产生共振内能，水分子间相互运动速度增加，水分子团簇构型中的弱氢键在激发能量场的切割作用下瞬间弯曲、断裂，而交错磁场的极化作用又抑制了小团簇构型之间的再度结合。其改变水分子构象及除垢节能功能是由于其中痕量放射性核素和磁场对纳米材料产生诱导与激发的直接结果。水分子构象重组的这种现象称之“水”的变化，而水分子构象重组引起的水杂离子配位现象称之“质”的变化，纳米技术水处理工艺将同时具有“水”与“质”变化的电厂锅炉和工业锅炉介质水称为工业纳米水（专利技术）。
锅炉纳米环保节能器是一个针对某一水质工况而设计的自激发式能量力输出装臵，实践发现：预先给“锅水”外加一个能量协同效应作用力，在恒压、恒温的条件下，单位质量的“锅水”从液态→汽态蒸发过程所需的能量（汽化热）相对减少（即蒸发过程所需的燃料热量相对减少）。当锅炉输出的蒸汽压力、温度（热值）不变时，其蒸汽焓值亦不变。
（二）关键技术
2.1、“水燃料”技术概述
在发电锅炉汽/水系统中，锅炉给水作为载体，输送着汽/水循环系统额定的动能及热能（见图5）
此工况条件下，ZDZN 锅炉纳米环保节能器水处理设备釆用外力的方式，使给水吸收一种新的能量（激发能），经过管道的转载，并在锅炉蒸发过程中释放。转载表现在给水的水分子构象(H2O)n 的n 值变小，释放表现在从液态水分子构象(H2O)n 解离至气态水分子构象(H2O)的汽化过程所需的汽化热相对减少，即由碳燃料提供所需的热值相对下降或蒸发速率相对提高，完成了“外力→水构象→解离→汽化热→节能”的能量转换与集成过程，表现在水冷壁换热效率的提高而节能。“水”这种新的能量转换与集成形式具备了“燃料”的某些基本特征，故称为“水燃料”技术（见图6）。
实践证明：在相对工况条件下，发电锅炉汽/水循环系统中的给水(凝结水、补充除盐水)在系统的某个位臵点上的温度相对稳定，给水的水分子构象和汽化热都是一个相对稳定的常数。此时，若再提高给水的温度，可降低给水的汽化热(如省煤器原理)；若解离了给水的水分子构象(H2O)n，同样亦可以降低给水的汽化热，二者都能达到发电锅炉节能增效的目的。
2.2、安装工艺流程
在发电锅炉给水系统的低压管道（见图7）以旁路方式加装一台ZDZN 锅炉纳米环保节能器水处理设备，让给水流程设备进出水端便完成水质精处理过程达到锅水质量，蒸汽质量、锅炉效率提高及发电机组系统节能、增效。
2.3、节能减排作用
除盐水应用于中、高压锅炉给水系统或循环系统，中、高压锅炉结构上多属于水管锅炉，锅水（除盐水）在受热的长管内流动有沿程阻力损失，引起长管两端存在压差，压差大小与能耗有关。例如，在用锅炉锅管内壁受热面因给水的原因积聚铁垢，必然影响管内壁光洁度和截面尺度，使锅水在长管内流动时沿程阻力损失增加，反映在给水母管压力升高，即长管两端压差增大而多耗能。
锅炉运行工艺上给水母管压力实测值≥规定的设计值，其一说明了锅炉给水泵出口压力的工况范围；其二指出了该型锅炉长管的沿程阻力损失系数。在相同蒸汽压力与蒸汽流量的工况条件下，同型锅炉实测的给水母管压力越小、给水泵出口压力越小，说明锅水在长管内所产生的沿程阻力损失越小，长管两端压差越小，所损耗的能量越小，即汽化热值越小。
因此在水管锅炉运行的水质有两种工况下可产生节能效果：
①运行中锅水自然清除锅管内壁受热面上的垢（铁垢、水垢），保证过流截面符合设计要求。
②锅炉给水的水质具有不同的理化性质，如表面张力、介电常数、介电能量损耗等指标比常用达标的除盐水呈现更低值，足以在长管内获得更小的沿程阻力损失系数，引起给水母管压力和长管两端压差下降。
经过节能器处理后的除盐水或凝结水有如下的作用：
①处理后锅炉给水的表面张力、粘度、汽化热变化导致锅管沿程阻力减少，反映在给水母管进口至过热蒸汽出口之间的锅管段实测压差，在稳定蒸汽量、蒸汽压的工况条件下，非常接近设计值，说明能耗最低。
②在稳定蒸汽量、蒸汽压工况下，给水母管压力偏高运行自然增加给水泵的功率负载，影响泵运行寿命。所以给水母管压力越接近设计值运行，不但给水泵功率负载降低，而且引风机、送风机的功率负载也相应降低，辅机负载越低，越节约电能。
③锅内的水质工况更易稳定，反映在控制pH 值的外加投药量减少；锅水电导率下降；沸腾物沉降成双晶型水渣，被定期排污有效清除，直接导致连排污量减少而节约热能。
④高温锅水排放量的减少不但节约了锅水的补给量，而且节省了补给部分除盐水或软化水的制水成本和制水能耗。
四、主要技术指标：
（1）技术评价指标：
相同锅炉运行工况和燃料配比工况的条件下：
• 锅炉效率（同比）提高1.0～5.5%（其中电厂锅炉效率提高1.0～3.0%）。
（2）经济考核指标
相同锅炉运行工况和燃料配比工况的条件下：
• 供电煤耗（同比）下降3.0～5.0gce/kWh；
• 供电综合能耗（同比）下降4.0～8.0gce/kWh；
• 供热能耗（同比）下降1.5%以上（能耗指煤耗、气耗、油耗）；
• 供热综合能耗（同比）下降2%以上（包括能耗、电耗、水耗）；
• 产汽率（同比）提高2～4%；
• 发电率（同比）提高2～4%。
（3）汽/水质量指标
• 额定蒸汽压力p＜3.8Mpa 的水质工况执行下表水质标准（见附件15）；
• 额定蒸汽压力p≥3.8Mpa 的水质工况执行相应的国家水质标准；
• 蒸汽品质率提高10～20%。
五、技术应用情况：
在发电机组锅炉节能相关技术中，多从碳燃料、燃烧工艺调整、结构改造及系统调控等方面研究，而针对锅炉给水及其蒸发传热效率改变而提高锅炉效率，提高蒸汽品质的基本没有；通过改变水中杂质离子的结晶属性而达到阻垢/除垢节能的基本没有。
能量共振场水处理节能设备通过改变给水的水分子构象，介电能量损耗、表面张力、溶解氧属性、垢(铁垢)结构等指标，一方面实现锅炉给水汽化热下降，蒸发速率提高；另一方面促进锅炉及汽/水管线系统阻垢缓蚀。上述两个途径均可实现锅炉节能，前者能使锅炉节能1.5%～3.0%，后者的节能效率因水质情况和锅炉结垢情况而异，最高甚至可达8%。这可能是目前唯一通过改变锅水特性而实现锅炉节能的水燃料技术，适用于所有蒸汽锅炉使用。目前已完成了工程应用的中试，有运行3年、5年、8年的案例。
六、典型用户及投资效益：
案例应用单位：凌源钢铁集团动力厂52m2烧结机改造余热利用节能工程，新建两台2x25t/h余热发电锅炉向一台9MW 补汽凝汽式汽轮发电机组提供发电用蒸汽。锅炉水/汽/水系统设计时选择配套一台额定水处理流量为60t/h 的ZDZN 锅炉纳米环保节能器，拟对锅炉给水进行“改变水分子构象降低汽化热而节能”的水质处理。
“给水处理节能”项目指在发电锅炉给水系统的除氧器出口至给水泵进口之间的给水管段，在合适的管段位臵以旁路连接的方式安装一台ZDZN 锅炉纳米环保节能器设备，当凝结水/除盐水全流量流经设备便完成水质处理过程。
预期在烧结机同比余热工况条件下：
（1）提高余热利用率，提高锅炉热效率，增加锅炉出力；
（2）减少投药、减少排污、稳定锅炉水质，提高蒸汽质量；
（3）增加发电量，获得可观的经济效益。
凌钢动力厂新建烧结余热锅炉发电机组系统于2012年2月安装及调试完毕，系统同期设计安装的一台水节能器设备可同时满足180㎡锅炉及240㎡锅炉满负载运行，向发电机组提供优质蒸汽。
根据凌钢动力厂2012年度至2013年度“烧结余热发电电量记录本”统计该年度平均发电量约39822192kwh/年。根据第三方能效检测报告显示项目改造后，余热利用率提高1.57%、锅炉热效率提高3.75%、产汽量提高1.98%。根据收益及设备成本、工程成本、综合检测成本计算，项目改造投资回报期为1.5～3.0 年。
