燃煤工業(yè)鍋爐能效測(cè)試分析與探討

王志建，楊斌學(xué)，丘性通

（1福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州350008）（2國(guó)家工業(yè)鍋爐質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建 福州350008）

1 引言

工業(yè)鍋爐是我國(guó)重要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，也是能耗大戶(hù)。截至2016年底，我國(guó)工業(yè)鍋爐總數(shù)約53.44萬(wàn)臺(tái)，其中燃煤工業(yè)鍋爐占80%以上，年燃料消耗量約5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)煤炭消耗總量的四分之一[1-2]。鍋爐熱效率的高低是衡量鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐整體能效水平較低，平均運(yùn)行效率大多在60%～65%之間，與先進(jìn)國(guó)家燃煤工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行熱效率80%～85%相比偏低10%～15%，作為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備具有較大的節(jié)能挖掘潛力。文中結(jié)合燃煤工業(yè)鍋爐能效測(cè)試，就影響熱效率的各因素進(jìn)行分析，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果探討工業(yè)鍋爐的各項(xiàng)熱損失影響因素，旨在提出相應(yīng)的節(jié)能對(duì)策與改進(jìn)措施,為企業(yè)進(jìn)一步做好鍋爐節(jié)能減排提供參考。

2 測(cè)試依據(jù)與項(xiàng)目

采用TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》[3]中用于鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試規(guī)則，依據(jù)TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》[4]、GB/T 15317-2009《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》[5]等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判。鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試采用反平衡法，即：

式中：——鍋爐反平衡熱效率；——排煙熱損失；——?dú)怏w未完全燃燒熱損失；——固體未完全燃燒熱損失；——散熱損失；——灰渣物理熱損失。

工業(yè)鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試項(xiàng)目主要包括排煙溫度（tpy）、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)（αpy）、排煙處CO含量、飛灰可燃物含量（Cfh）、漏煤可燃物含量（Clm）、爐渣可燃物含量（Clz）、燃料分析等。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)某地區(qū)開(kāi)展的83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐能效測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，鍋爐額定蒸發(fā)量均為（D≥4t/h）。鍋爐熱效率、排煙溫度以及過(guò)量空氣系數(shù)的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鍋爐熱效率、排煙溫度以及過(guò)量空氣系數(shù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，所測(cè)83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐中，鍋爐的平均熱效率一定程度上隨著額定蒸發(fā)量的增加而增大，鍋爐熱效率與相應(yīng)的最低限定值之間相差1～3個(gè)百分點(diǎn)，與目標(biāo)值之間相差7～9個(gè)百分點(diǎn)。所測(cè)試鍋爐的加權(quán)平均熱效率為76.67%，其中鍋爐熱效率符合TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中第9條要求的僅為40臺(tái)，合格率為48.19%；排煙溫度符合TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中第9.1條要求的僅37臺(tái)；過(guò)量空氣系數(shù)符合TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中第9.2條的僅有2臺(tái)。綜合來(lái)看，平均效率低于TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》要求的最低限定值（80%），而部分燃煤工業(yè)鍋爐效率僅為45.99%～50.53%，更是嚴(yán)重低于TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中熱效率最低限定值的要求?，F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)熱損失進(jìn)行如下具體分析。

3.1 排煙熱損失

排煙熱損失是指最后一級(jí)熱交換器排出煙氣焓大于一、二次風(fēng)進(jìn)入鍋爐的焓，所引起的熱量損失。在測(cè)試的83臺(tái)鍋爐中，其中排煙熱損失值為6.06%～27.79%，加權(quán)平均排煙熱損失值為16.58%，足見(jiàn)該部分熱效率損失之大。排煙熱損失主要取決于排煙溫度與過(guò)量空氣系數(shù)的大小。一般而言，當(dāng)排煙溫度在165℃～205℃之間，過(guò)量空氣系數(shù)值每降低0.1時(shí)，能有效降低排煙熱損失0.48～0.61個(gè)百分點(diǎn)。文中鍋爐排煙溫度過(guò)高的案例所占的比例超過(guò)68.5%。一般而言，鍋爐排煙溫度每升高15℃～25℃，排煙熱損失將增加1%左右[6]。排煙溫度偏高的影響因素主要有以下兩個(gè)：

（1）鍋爐尾部無(wú)布置受熱面或布置受熱面不合理等。文中所測(cè)試的燃煤工業(yè)鍋爐中，安裝空氣預(yù)熱器與省煤器各占比例分別為47%、59%，致使高溫?zé)煔馕吹玫匠浞掷枚斐膳艧煖囟容^高，熱損失值增大。

（2）由于部分鍋爐使用單位在鍋爐運(yùn)行操控過(guò)程中缺乏定期清理意識(shí)，忽視省煤器內(nèi)水垢、煙灰的清理以及爐膛內(nèi)水管表面灰垢的清除，造成熱阻增大，傳熱效果差，排煙溫度升高。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，若灰垢增加1mm，鍋爐熱損失將相應(yīng)增加4%～6%，鍋爐本體內(nèi)部每結(jié)垢1mm會(huì)造成3%～5%的熱效率損失，浪費(fèi)巨大[7]。

根據(jù)TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中排煙熱損失的計(jì)算方程為：

從研究排煙溫度tpy與排煙熱損失的關(guān)系出發(fā)，蘇文娟[8]等部分研究者對(duì)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行定量的分析，對(duì)上述計(jì)算方程控制變量進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，tlk加權(quán)取平均值為35.4℃；αpy加權(quán)平均值為2.74；固體未完全燃燒熱損失加權(quán)平均值為4.2；燃料為煙煤，按照TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中m取值0.4，n取值3.6；將計(jì)算方程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系有：=0.0983tpy-3.48。從圖1的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化后的計(jì)算方程與燃煤鍋爐排煙熱損失的散點(diǎn)圖基本相符。

圖1 鍋爐排煙溫度tpy和排煙熱損失的關(guān)系圖

按TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》的要求，過(guò)量空氣系數(shù)αpy不大于1.65，但從該地區(qū)測(cè)試的83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐（層燃鍋爐）能效測(cè)試結(jié)果來(lái)看，僅2臺(tái)鍋爐能符合此要求。筆者從實(shí)際的測(cè)試工作中獲悉，大多數(shù)司爐工由于缺乏系統(tǒng)的培訓(xùn)，操作過(guò)程中并未對(duì)鍋爐αpy進(jìn)行監(jiān)控，而是盲目或憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行鍋爐，造成αpy偏大或偏小，難以及時(shí)根據(jù)燃燒工況和負(fù)荷配置最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)煤比。過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)于鍋爐的熱損失均具有很大影響。αpy與各項(xiàng)熱損失關(guān)系如圖2所示。

圖2 αpy與各項(xiàng)熱損失關(guān)系示意圖

αpy過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響熱效率的值。當(dāng)αpy過(guò)小時(shí)，導(dǎo)致燃料的燃燒不充分，進(jìn)而造成增大；當(dāng)αpy過(guò)大時(shí)，導(dǎo)致排煙量增大，帶出煙氣熱量增加，進(jìn)而造成 增大，同時(shí)會(huì)降低爐溫導(dǎo)致增大[9]。因此，需要嚴(yán)格控制空氣的供給，可以通過(guò)在鍋爐尾部加裝測(cè)氧裝置的反饋來(lái)調(diào)控一、二次風(fēng)率。

3.2 氣體未完全燃燒損失

氣體未完全燃燒損失通常是指排煙系統(tǒng)中的可燃?xì)怏w（CO、H2、CH4等）所帶走的熱量。對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐而言，較小，一般不超過(guò)0.5%。根據(jù)TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》運(yùn)行工況下簡(jiǎn)單測(cè)試中采用查表計(jì)算，主要根據(jù)排煙處CO的含量來(lái)選取，略去其他可燃?xì)怏w的影響，便于快速簡(jiǎn)單測(cè)試。一般可通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷以及適當(dāng)?shù)倪^(guò)量空氣系數(shù)來(lái)降低。

3.3 固體未完全燃燒損失

固體未完全燃燒損失通常是僅次于排煙熱損失的又一項(xiàng)重要損失[10]。一般情況下，主要是由爐排漏煤、灰渣可燃物和飛灰可燃物三部分組成。爐渣含碳量減少2.5%～3.0%（質(zhì)量百分比），就可節(jié)約約1%的燃料。文中所測(cè)試的83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐，加權(quán)平均值為4.2%，最高的達(dá)到11.5%，可見(jiàn)此項(xiàng)損失所占比例較高，對(duì)鍋爐熱效率影響較大。在所測(cè)試的83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐的爐渣、飛灰、漏煤可燃物含量分布見(jiàn)表2。

表2 可燃物含量對(duì)應(yīng)燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量

影響的因素及降低的方法如下：

（1）飛灰熱損失主要是由于煤粉粒徑在爐膛中停留時(shí)間少于燃盡所需時(shí)間而造成的，因此，可適當(dāng)保持足夠的爐膛溫度和足夠的空氣。

（2）爐渣熱損失主要是由于爐渣中可燃物沒(méi)有燃盡而導(dǎo)致的，因此應(yīng)改善燃燒狀況，合理調(diào)配一、二次風(fēng)。另外，通過(guò)擋渣裝置增加爐渣在爐排上的逗留時(shí)間，有利于爐渣可燃物的燃盡。

（3）漏煤損失可通過(guò)對(duì)爐排的經(jīng)常檢查與維修而得到控制，應(yīng)防止?fàn)t排片由于受力受熱而發(fā)生故障或磨損，從而造成通風(fēng)間隙增大和漏煤增多[11]。

3.4 散熱損失

文中所測(cè)的83臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐中加權(quán)平均值為2.2%，一般容易被忽視。散熱損失的大小主要取決于散熱面積的大小，表面溫度和環(huán)境條件。一般而言，隨著鍋爐容量的增加而減小；還與負(fù)荷有關(guān)，隨著負(fù)荷的減小而增加?？赏ㄟ^(guò)對(duì)鍋爐保溫層的及時(shí)檢修、提高爐墻的磚砌質(zhì)量以及運(yùn)行中鍋爐內(nèi)部微負(fù)壓等方法降低

3.5 灰渣物理熱損失

灰渣物理熱損失是由于排出的高溫爐渣所帶走的熱量，這項(xiàng)損失一般比較小，不到1%。爐渣的物理熱損失主要取決于燃料的類(lèi)別、除渣方式。一般可通過(guò)調(diào)整燃燒，控制燃料在達(dá)到擋渣板前0.3m～0.5m處燃盡。

4 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)某地區(qū)83臺(tái)4t/h及以上燃煤工業(yè)鍋爐的簡(jiǎn)單能效測(cè)試普查結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定，依次對(duì)各項(xiàng)熱損失進(jìn)行系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)所測(cè)試的鍋爐中有很大的比例出現(xiàn)排煙溫度偏高、過(guò)量空氣系數(shù)偏大、爐渣和飛灰含量過(guò)高等問(wèn)題，導(dǎo)致鍋爐熱效率降低，能耗損失增大。針對(duì)上述問(wèn)題的產(chǎn)生原因及影響因素，文中提出相應(yīng)的解決措施，并據(jù)此指導(dǎo)企業(yè)提升鍋爐能效，對(duì)于促進(jìn)節(jié)約發(fā)展，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)清潔綠色發(fā)展具有重要意義。

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