應(yīng)用熱管技術(shù)提高鍋爐熱效率

龔 旻 上海鐵路局杭州北車輛段

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐設(shè)備日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各部門，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要熱工設(shè)備之一。目前，由于我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，我國能源的增長已經(jīng)大大落后于生產(chǎn)的增長。能源資源的加速開采和消耗，產(chǎn)生了諸如人類實(shí)現(xiàn)持久生存和發(fā)展的"可持續(xù)發(fā)展"的問題。這就要求我們必須通過節(jié)能措施，提高能源的有效利用率，來彌補(bǔ)能源供應(yīng)方面的缺口，這是一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。顯然，面對(duì)量大、面廣的工業(yè)鍋爐，如何挖掘潛力，提高它們的熱效率，有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概況

我段鍋爐房使用的鍋爐是KZL4-13型鏈條爐排臥式快裝鍋爐（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)布置圖

此鍋爐是蕪湖鍋爐廠于1984年制造，時(shí)間較長，存在不少問題。經(jīng)鍋爐熱平衡測試，各項(xiàng)主要性能指標(biāo)如：鍋爐的蒸發(fā)量、熱效率和耗煤量等均遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，為了提高能源的有效利用，節(jié)約能源，根據(jù)我段的實(shí)際情況，把降低排煙溫度、改善燃料的著火和燃燒過程，作為提高鍋爐熱效率、降低耗煤量的一個(gè)突破口。

2 原因分析

如果排煙溫度較高而爐膛進(jìn)風(fēng)溫度太低，就會(huì)影響鍋爐的熱效率和耗煤量。這是因?yàn)椋河捎阱仩t爐膛的進(jìn)風(fēng)溫度是鍋爐房外的冷空氣溫度，這使得燃料的著火和燃燒過程相對(duì)延長，化學(xué)不完全燃燒損失增大，從而降低燃燒效率和傳熱效果，這對(duì)燃燒難以著火的燃料，如多水分、多灰分以及低揮發(fā)物等一類燃料影響更為突出。還有，鍋爐的排煙溫度較高，造成了排煙損失增大。這就使得鍋爐在使用時(shí)熱效率大為降低，耗煤量大大增加。

3 利用鍋爐排煙余熱，提高鍋爐熱效率的實(shí)現(xiàn)

為解決這個(gè)問題，我查閱了大量有關(guān)資料，又到本市幾家廠、礦參觀，進(jìn)行實(shí)地考察，吸取較好的可行性意見，最后選定了在鍋爐省煤器后加裝熱管式空氣預(yù)熱器的方法來解決這一難題。

3.1 熱管式空氣預(yù)熱器的工作原理及特點(diǎn)

水重力熱管式空氣預(yù)熱器的傳熱元件是熱管，它是由管殼、工質(zhì)-水所組成。管內(nèi)部具有0.087MPa～0.096MPa左右的真空度，在較小的溫度梯度下，靠管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝，從而不斷吸收和釋放出熱能，將熱量從加熱段傳到冷凝段。這種潛熱要比常見的對(duì)流傳熱大幾個(gè)數(shù)量級(jí)（如圖2所示）。

圖2 熱管式空氣預(yù)熱器系統(tǒng)布置圖

煙氣自鍋爐本體的排煙口出來，經(jīng)省煤器后便進(jìn)入熱管式空氣預(yù)熱器下箱體的加熱段。煙氣沖刷熱管進(jìn)行對(duì)流傳熱，將熱量傳給管內(nèi)工質(zhì)-水，在一定真空度下，由于水的沸點(diǎn)較低，便能很快達(dá)到沸點(diǎn)后蒸發(fā)，將熱量迅速向冷卻器（上箱體）傳遞。進(jìn)入熱管式空氣預(yù)熱器冷卻管的常溫冷空氣吸收加熱段傳來的熱量后，被逐漸加熱，而加熱后的空氣再由鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)不斷地送入鍋爐，從而使?fàn)t膛的燃燒情況得到改善。

這種空氣預(yù)熱器具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。由于采用了高導(dǎo)熱元件-熱管，在同等工況下交換相同的熱量，其體積和重量比常規(guī)換熱量要小得多，因而煙氣流動(dòng)阻力較小，僅為常規(guī)空氣預(yù)熱器的1/5左右，故不需要增加引風(fēng)機(jī)的功率。而在冷卻段其壓降也只有常規(guī)管式空氣預(yù)熱器的1/3～1/4，鼓風(fēng)機(jī)的功率也可以不改變。此外，這種空氣預(yù)熱器的另一種優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行安全性能好。即使某根管子被損壞，可很方便地拆卸更換。

3.2 利用理論公式分析在鍋爐省煤器后的煙道上加裝熱管式空氣預(yù)熱器對(duì)鍋爐熱效率的提高

低位發(fā)熱量Qgd--即燃料完全燃燒所放出的熱量：

其中，

Q1--有效利用熱，即工質(zhì)所吸收的熱量。

Q2--排煙損失。

Q3--化學(xué)不完全燃燒損失。

Q4--機(jī)械不完全燃燒損失。

Q5--爐體散熱損失。

Q6--灰渣損失。

在鍋爐省煤器后的煙道上加裝熱管式空氣預(yù)熱器，其目的就是為了降低鍋爐的排煙溫度（即降低排煙損失）和降低化學(xué)不完全燃燒的損失，以增加有效利用熱。從上述〈1〉式中也可看出：當(dāng) Qgd和 Q4、Q5、Q6都不變時(shí)，Q2、Q3減少，則 Q1增大。

從〈2〉式中可知，當(dāng)Qgd固定不變、Q1增大時(shí)，則鍋爐效率η也增大。

由公式〈1〉、〈2〉可得，當(dāng) Qgd和 Q4、Q5、Q6都不變時(shí)，Q2、Q3減少，Q1增大，這鍋爐效率η也將增大。即降低鍋爐排煙損失的化學(xué)不完全燃燒的損失，鍋爐的熱效率就會(huì)增加。因此，在排煙系統(tǒng)采用熱管式空氣預(yù)熱器對(duì)鍋爐熱效率的提高是有較大幫助的。

4鍋爐熱效率的測定

2005年，我們對(duì)一臺(tái)能耗較高的KZL4-13型鍋爐進(jìn)行了改造。在省煤器后的煙道上加裝了一臺(tái)熱管式空氣預(yù)熱器，使鍋爐的送風(fēng)溫度從12℃ 左右上升到75℃～80℃ （三月份測試），排煙溫度由178℃降到132℃，熱效率由原來的66.46%提高到69.86%，耗煤量只占原耗煤量的95.17%，節(jié)煤率為4.83%。2006年共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約80t左右。

我們可以用正平衡測定法來測定鍋爐的熱效率η

式中：

D--鍋爐實(shí)測蒸發(fā)量（kg/h）

Dzy--鍋爐自耗蒸發(fā)量（kg/h）

Hbq--飽和蒸汽焓（大卡/kg）

Hgs--給水焓（大卡/kg）

W--蒸汽濕度（%）

r--汽化潛熱（大卡/kg）

B--燃料耗煤量（kg/h）

Qydw--燃料的應(yīng)用基低位發(fā)熱值（大卡/kg）

表1 具體測定值

4.1 改造前鍋爐的熱效率ηa

把表1中的數(shù)據(jù)代入公式〈3〉，得：

第一次測定鍋爐效率ηa1：

ηa1=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3430+180)×(666.3-60-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=66.53%

第二次測定鍋爐效率ηa2：

ηa2=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3423+180)×(666.3-60-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=66.41%

所以鍋爐的熱平均效率為ηa。

ηa=(ηa1+ηa2)/2=(66.53%+66.41%)/2=66.46%

4.2 改造后鍋爐的熱效率ηb

ηb=(ηb1+ηb2)/2=(69.79%+69.93%)/2=69.86%

把表1中的數(shù)據(jù)代入公式〈3〉，得：

第一次測定鍋爐效率ηb1：

ηb1=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3598+180)×(666.3-59-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=69.79%

第二次測定鍋爐效率ηb2：

ηb2=[(D+Dzy)×(Hbq-Hgs-W×r)/(B×Dydw)]×100%=[(3606+180)×(666.3-59-482.1×2%)/(600×5368)]×100%=69.93%

所以鍋爐的熱平均效率為ηb。

4.3 改造后鍋爐的耗煤量和節(jié)煤率

由公式<3>η=[Q1+(B×Qydw)]×100% 可知：

當(dāng)Q1和Qydw不變時(shí)， η×B=Q1/Qydw=恒量

所以，ηa×Ba=ηb×Bb

代入數(shù)據(jù)得：66.46%×600=69.86%×Bb

得：改造后鍋爐的耗煤量Bb=571 (kg/h)改造后鍋爐的節(jié)煤率=[(Ba-Bb)/Ba]×100%=[(600-571)/600]×100%=4.83%

5 前景預(yù)測

初步推測，我段鍋爐房兩臺(tái)鍋爐加裝這種熱管式空氣預(yù)熱器投入使用后，會(huì)較大提高鍋爐熱效率，降低耗煤量（假設(shè)每臺(tái)鍋爐每日滿負(fù)荷運(yùn)行8h，則每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約160t左右），對(duì)難以著火的燃料，如多水分、多灰分以及低揮發(fā)等一類燃料燃燒意義更大。

雖目前熱管價(jià)格仍較高，一次性投資較常規(guī)管式預(yù)熱器大一些，但由于它的顯著經(jīng)濟(jì)效益，可很快地收回投資（1年～2年）。因此，熱管式空氣預(yù)熱器作為一種新型的節(jié)能設(shè)備很有推廣應(yīng)用的必要。